Wat is een fotodiode: werkingsprincipe en zijn kenmerken

Een fotodiode is een PN-junctiediode die lichtenergie verbruikt om een ​​elektrische stroom te produceren. Soms wordt het ook wel een fotodetector, een lichtdetector en een fotosensor genoemd. Deze diodes zijn speciaal ontworpen om te werken in omgekeerde bias-omstandigheden, dit betekent dat de P-zijde van de fotodiode is verbonden met de negatieve pool van de batterij en de n-zijde is verbonden met de positieve pool van de batterij. Deze diode is erg complex om te verlichten, dus als er licht op de diode valt, verandert het licht gemakkelijk in een elektrische stroom. De zonnecel wordt ook gebrandmerkt als een fotodiode met een groot oppervlak omdat deze zet zonne-energie om in elektrische energie ​De zonnecel werkt echter alleen bij helder licht.

Wat is fotodiode?

Een fotodiode is een type lichtdetector die wordt gebruikt om het licht om te zetten in stroom of spanning op basis van de werkingsmodus van het apparaat. Het omvat optische filters, ingebouwde lenzen en ook oppervlakken. Deze diodes hebben een langzame reactietijd wanneer het oppervlak van de fotodiode groter wordt. Fotodiodes lijken op gewone halfgeleiderdiodes, maar ze kunnen ofwel zichtbaar zijn om licht het kwetsbare deel van het apparaat te laten bereiken. Meerdere diodes bedoeld voor gebruik precies zoals een fotodiode ook een PIN-overgang zal gebruiken, iets dan de gebruikelijke PN-overgang.

Sommige fotodiodes zullen eruit zien een lichtgevende diode ​Ze hebben twee terminals die vanaf het einde komen. Het kleinere uiteinde van de diode is de kathode-aansluiting, terwijl het langere uiteinde van de diode de anode-aansluiting is. Zie het volgende schematische diagram voor de anode- en kathodezijden. Onder de toestand van voorwaartse voorspanning zal de conventionele stroom van de anode naar de kathode stromen, de pijl in het diodesymbool volgend. Fotostroom stroomt in omgekeerde richting.

Soorten fotodiode

Hoewel er talloze soorten fotodiodes op de markt zijn en ze allemaal volgens dezelfde basisprincipes werken, worden sommige verbeterd door andere effecten. De werking van verschillende soorten fotodiodes werkt op een iets andere manier, maar de basiswerking van deze diodes blijft hetzelfde. De soorten fotodiodes kunnen als volgt worden geclassificeerd op basis van hun constructie en functies.

• PN Fotodiode
• Schottky-fotodiode
• PIN Fotodiode
• Lawine-fotodiode

PN Fotodiode

Het eerste ontwikkelde type fotodiode is het PN-type. In vergelijking met andere typen zijn de prestaties niet geavanceerd, maar momenteel wordt het in verschillende toepassingen gebruikt. De fotodetectie gebeurt voornamelijk in het uitputtingsgebied van de diode. Deze diode is vrij klein, maar zijn gevoeligheid is niet groot in vergelijking met andere. Raadpleeg deze link voor meer informatie over de PN-diode.

PIN Fotodiode

Momenteel is de meest gebruikte fotodiode een pincode. Deze diode vangt de lichtfotonen krachtiger op in vergelijking met de standaard PN-fotodiode omdat het brede intrinsieke gebied tussen de P- en N-gebieden meer licht opvangt, en daarnaast ook een lagere capaciteit biedt. Raadpleeg deze link voor meer informatie over de PIN-diode.

Lawine-fotodiode

Dit type diode wordt gebruikt in gebieden met weinig licht vanwege de hoge versterkingsniveaus. Het genereert veel geluid. Deze technologie is dus niet geschikt voor alle toepassingen. Raadpleeg deze link voor meer informatie over de lawinediode.

Schottky-fotodiode

De Schottky-fotodiode maakt gebruik van de Schottky-diode en deze bevat een kleine diodeverbinding, wat betekent dat er een kleine junctiecapaciteit is, dus het werkt met hoge snelheden. Dit soort fotodiode wordt dus vaak gebruikt in optische communicatiesystemen met hoge bandbreedte (BW), zoals glasvezelverbindingen. Raadpleeg deze link voor meer informatie over de Schottky-diode.

Elk type fotodiode heeft zijn eigen voor- en nadelen. De selectie van deze diode kan worden gedaan op basis van de toepassing. De verschillende parameters waarmee rekening moet worden gehouden bij het selecteren van een fotodiode omvatten voornamelijk ruis, golflengte, reverse bias-beperkingen, versterking, enz. De prestatieparameters van fotodiode omvatten responsiviteit, kwantumefficiëntie, transittijd of responstijd.

Deze diodes worden veel gebruikt in toepassingen waar detectie van de aanwezigheid van licht, kleur, positie, de intensiteit vereist is. De belangrijkste kenmerken van deze diodes zijn de volgende.

• De lineariteit van de diode is goed met betrekking tot invallend licht
• Het geluid is laag.
• De respons is breed spectraal
• Mechanisch robuust
• Lichtgewicht en compact
• Lang leven

De benodigde materialen om een ​​fotodiode te maken en het bereik van het golflengtebereik van het elektromagnetische spectrum omvat het volgende

• Voor siliciummateriaal zal het golflengtebereik van het elektromagnetische spectrum (190-1100) nm zijn
• Voor Germanium-materiaal zal het golflengtebereik van het elektromagnetische spectrum (400-1700) nm zijn
• Voor indium gallium arsenide materiaal zal het golflengtebereik van het elektromagnetische spectrum (800-2600) nm zijn
• Voor lood (II) sulfidemateriaal zal het golflengtebereik van het elektromagnetische spectrum zijn<1000-3500) nm
• Voor kwik, cadmiumtelluride-materiaal, zal het golflengtebereik van het elektromagnetische spectrum (400-14000) nm zijn

Vanwege hun betere bandafstand produceren Si-gebaseerde fotodiodes minder ruis dan Ge-gebaseerde fotodiodes.

Bouw

De fotodiode-constructie kan worden gedaan met behulp van twee halfgeleiders, zoals P-type en N-type. In dit ontwerp kan de vorming van P-type materiaal worden gedaan door de diffusie van het P-type substraat dat licht gedoteerd is. De P + -ionenlaag kan dus worden gevormd door de diffusiemethode. Op het substraat van het N-type kan de N-type epitaxiale laag worden gegroeid.

Fotodiode constructie

De ontwikkeling van een P + -diffusielaag kan worden gedaan over de zwaar gedoteerde N-type epitaxiale laag. De contacten zijn ontworpen met metalen om twee aansluitingen te maken, zoals anode en kathode. Het voorste gedeelte van de diode kan worden onderverdeeld in twee typen, zoals actieve en niet-actieve oppervlakken.

Het ontwerpen van het niet-actieve oppervlak kan worden gedaan met siliciumdioxide (SiO2). Op een actief oppervlak kunnen de lichtstralen eroverheen slaan, terwijl op een niet-actief oppervlak de lichtstralen niet kunnen inslaan. & het actieve oppervlak kan worden bedekt door het materiaal van antireflectie zodat de energie van het licht niet verloren kan gaan en het hoogste ervan kan worden omgezet in de stroom.

Werking van fotodiode

Het werkingsprincipe van een fotodiode is dat wanneer een foton met voldoende energie de diode raakt, het een paar elektronengaten maakt. Dit mechanisme wordt ook wel het innerlijke foto-elektrische effect genoemd. Als de absorptie plaatsvindt in het depletiegebiedovergang, dan worden de dragers van het knooppunt verwijderd door het ingebouwde elektrische veld van het uitputtingsgebied.

Werkingsprincipe van fotodiode

Daarom bewegen gaten in het gebied naar de anode en bewegen elektronen naar de kathode en wordt een fotostroom gegenereerd. De totale stroom door de diode is de som van de afwezigheid van licht en de fotostroom. Dus de afwezige stroom moet worden verminderd om de gevoeligheid van het apparaat te maximaliseren.

Werkingsmodi

De werkingsmodi van de fotodiode omvatten drie modi, namelijk fotovoltaïsche modus, fotogeleidende modus, een lawinediode-modus

Fotovoltaïsche modus: Deze modus staat ook bekend als de nul-bias-modus, waarbij een spanning wordt geproduceerd door de verlichte fotodiode. Het geeft een zeer klein dynamisch bereik en niet-lineaire noodzaak van de gevormde spanning.

Fotogeleidende modus: De fotodiode die in deze fotogeleidende modus wordt gebruikt, is meestal in tegengestelde richting. De omgekeerde spanningstoepassing zal de breedte van de uitputtingslaag vergroten, wat op zijn beurt de reactietijd en de junctiecapaciteit vermindert. Deze modus is te snel en vertoont elektronische ruis

Lawinediode-modus: Lawinediodes werken in een toestand met een hoge omgekeerde voorspanning, wat de vermenigvuldiging van een lawinedoorslag naar elk foto-geproduceerd elektron-gatpaar mogelijk maakt. Dit resultaat is een interne versterking in de fotodiode, waardoor de reactie van het apparaat langzaam toeneemt.

Waarom werkt fotodiode in omgekeerde bias?

De fotodiode werkt in de modus fotogeleidend. Wanneer de diode in tegengestelde richting is aangesloten, kan de breedte van de depletielaag worden vergroot. Dit zal dus de capaciteit van de kruising en de reactietijd verminderen. In feite zal deze voorspanning leiden tot snellere reactietijden voor de diode. De relatie tussen fotostroom en verlichtingssterkte is dus lineair evenredig.

Wat is een betere fotodiode of fototransistor?

Zowel de fotodiode als de fototransistor worden gebruikt om de energie van licht om te zetten in elektrische energie. De fototransistor reageert echter beter dan de fotodiode vanwege het gebruik van de transistor.

De transistor verandert de basisstroom die wordt veroorzaakt door lichtabsorptie en daarom kan de enorme uitgangsstroom worden gewonnen door de collectoraansluiting van de transistor. De tijdrespons van de fotodiodes is erg snel in vergelijking met de fototransistor. Het is dus toepasbaar waar fluctuaties in het circuit optreden. Voor een betere onderschatting hebben we hier enkele punten van fotodiode versus fotoresistor opgesomd.

Fotodiodecircuit

Het schakelschema van de fotodiode wordt hieronder weergegeven. Dit circuit kan worden gebouwd met een weerstand van 10k en fotodiode. Zodra de fotodiode het licht opmerkt, laat hij er wat stroom doorheen stromen. De som van de stroom die door deze diode wordt geleverd, kan recht evenredig zijn met de som van het licht dat door de diode wordt opgemerkt.

Schakelschema

Een fotodiode aansluiten in een extern circuit

In elke toepassing werkt de fotodiode in omgekeerde bias-modus. De anode-aansluiting van het circuit kan worden verbonden met de aarde, terwijl de kathode-aansluiting is verbonden met de stroombron. Eenmaal verlicht door licht, stroomt er stroom van de kathode-aansluiting naar de anode-aansluiting.

Zodra fotodiodes worden gebruikt met externe circuits, zijn ze verbonden met een stroombron binnen het circuit. De hoeveelheid stroom die door een fotodiode wordt gegenereerd, zal dus extreem klein zijn, dus deze waarde is niet voldoende om een ​​elektronisch apparaat te maken.

Zodra ze zijn aangesloten op een externe stroombron, levert deze meer stroom naar het circuit. In dit circuit wordt de batterij gebruikt als stroombron om de stroomwaarde te helpen verhogen, zodat externe apparaten betere prestaties leveren.

Fotodiode-efficiëntie

De kwantumefficiëntie van de fotodiode kan worden gedefinieerd als de verdeling van de geabsorbeerde fotonen die aan de fotostroom doneren. Voor deze diodes wordt het openlijk geassocieerd met de responsiviteit ‘S’ zonder effect van een lawine, waarna de fotostroom kan worden uitgedrukt als

Ik = S P = ηe / hv. P.

Waar,

‘Η’ is de kwantumefficiëntie

‘E’ is de lading van het elektron

‘Hν’ is de energie van het foton

De kwantumefficiëntie van fotodiodes is extreem hoog. In sommige gevallen zal het hoger zijn dan 95%, maar het verandert sterk door de golflengte. Hoge kwantumefficiëntie vereist de beheersing van reflecties, afgezien van een hoge interne efficiëntie zoals een antireflectiecoating.

Responsiviteit

Het reactievermogen van een fotodiode is de verhouding van de opgewekte fotostroom en het geabsorbeerde optische vermogen kan worden bepaald binnen het lineaire gedeelte van de reactie. In fotodiodes is het normaal gesproken maximaal in een golflengtegebied waar de fotonenergie redelijk hoger is dan de bandgap-energie en afneemt binnen het bandgap-gebied waar de absorptie afneemt.

De fotodiode-berekening kan worden gedaan op basis van de volgende vergelijking

R = η (e / hv)

Hier, in de bovenstaande vergelijking, is ‘h ν’ de energie van foton ‘η’ is de efficiëntie van kwantum en ‘e’ de lading van elementair. De kwantumefficiëntie van een fotodiode is bijvoorbeeld 90% bij een golflengte van 800 nm, dan is de responsiviteit 0,58 A / W.

Voor fotomultiplicatoren & lawinefotodiodes is er een extra factor voor de vermenigvuldiging van de inwendige stroom, zodat mogelijke waarden boven de 1 A / W komen te liggen. Over het algemeen is de vermenigvuldiging van stroom niet inbegrepen in de kwantumefficiëntie.

PIN Fotodiode Vs PN Fotodiode

Zowel de fotodiodes als PN & PIN zijn bij veel leveranciers verkrijgbaar. Een fotodiodeselectie is erg belangrijk bij het ontwerpen van een circuit op basis van de vereiste prestaties en kenmerken.
Een PN-fotodiode werkt niet in tegengestelde richting en is daarom geschikter voor toepassingen bij weinig licht om de prestaties van ruis te verbeteren.

De PIN-fotodiode die in tegengestelde richting werkt, kan een ruisstroom introduceren om de S / N-verhouding te verlagen
Voor toepassingen met een hoog dynamisch bereik zal de omgekeerde voorspanning goede prestaties opleveren
Voor toepassingen met een hoog BW-vermogen zal reverse biasing goede prestaties opleveren, zoals de capaciteit tussen de regio's van P & N en de opslag van laadcapaciteit is klein.

Voordelen

De voordelen van fotodiode omvatten de volgende.

• Minder weerstand
• Snelle en hoge werksnelheid
• Lange levensduur
• Snelste fotodetector
• Spectrale respons is goed
• Maakt geen gebruik van hoogspanning
• Frequentiebereik is goed
• Solide en lichtgewicht
• Het reageert extreem goed op het licht
• Donkere stroom is droesem
• Hoge kwantumefficiëntie
• Minder lawaai

Nadelen

De nadelen van fotodiode omvatten de volgende.

• De temperatuurstabiliteit is slecht
• Verandering in de stroom is extreem klein en is daarom mogelijk niet voldoende om het circuit aan te sturen
• Het actieve gebied is klein
• Gebruikelijke PN-junctiefotodiode omvat een hoge responstijd
• Het heeft minder gevoeligheid
• Het werkt voornamelijk afhankelijk van de temperatuur
• Het maakt gebruik van offsetspanning

Toepassingen van fotodiode

• De toepassingen van fotodiodes omvatten vergelijkbare toepassingen van fotodetectoren zoals ladingsgekoppelde apparaten, fotogeleiders en fotovermenigvuldigingsbuizen.
• Deze diodes worden gebruikt in consumentenelektronica zoals rookmelders , cd-spelers en televisies en afstandsbedieningen in videorecorders.
• In andere consumentenapparatuur zoals wekkerradio's, cameralichtmeters en straatverlichting worden fotogeleiders vaker gebruikt dan fotodiodes.
• Fotodiodes worden veel gebruikt voor het nauwkeurig meten van de lichtintensiteit in wetenschap en industrie. Over het algemeen hebben ze een verbeterde, meer lineaire respons dan fotogeleiders.
• Fotodiodes worden ook veel gebruikt in talrijke medische toepassingen zoals instrumenten om monsters te analyseren, detectoren voor computertomografie, en ook gebruikt in bloedgasmonitors.
• Deze diodes zijn veel sneller en complexer dan normale PN-junctiediodes en worden daarom vaak gebruikt voor verlichtingsregeling en optische communicatie.

V-I Kenmerken van fotodiode

Een fotodiode werkt continu in een omgekeerde bias-modus. De kenmerken van de fotodiode worden duidelijk weergegeven in de volgende figuur, dat de fotostroom nagenoeg onafhankelijk is van de toegepaste sperspanning. Voor nul luminantie is de fotostroom bijna nul exclusief voor kleine donkerstroom. Het is in de orde van grootte van nano-ampère. Naarmate het optische vermogen toeneemt, stijgt de fotostroom ook lineair. De maximale fotostroom is onvolledig door de vermogensdissipatie van de fotodiode.

Kenmerken

Dit gaat dus allemaal over de fotodiode werkingsprincipe , kenmerken en toepassingen. Opto-elektronische apparaten zoals fotodiodes zijn verkrijgbaar in verschillende typen die in bijna alle elektronische apparaten worden gebruikt. Deze diodes worden gebruikt met IR-lichtbronnen zoals neon, laser-LED en fluorescerend. In vergelijking met andere lichtdetectiediodes zijn deze diodes niet duur. We hopen dat u dit concept beter begrijpt. Verder eventuele vragen over dit concept of te implementeren elektrische en elektronische projecten voor technische studenten ​Geef uw waardevolle suggesties door in de commentaarsectie hieronder te reageren. Hier is een vraag voor jou, wat is de functie van een fotodiode ​

Fotocredits:

• Fotodiode hamamatsu
• Werking van fotodiode fysica-en-radio-elektronica
• V-I Kenmerken van fotodiode ecetutorials