Què és un fotodiode: principi de treball i les seves característiques

Proveu El Nostre Instrument Per Eliminar Problemes





Un fotodiode és un PN-díode d’unió que consumeix energia lluminosa per produir un corrent elèctric. De vegades també s’anomena fotodetector, detector de llum i fotosensor. Aquests díodes estan especialment dissenyats per funcionar en condicions de polarització inversa, vol dir que la cara P del fotodiode s’associa amb el terminal negatiu de la bateria i la cara n està connectada al terminal positiu de la bateria. Aquest díode és molt complex a la llum, de manera que quan la llum cau sobre el díode canvia fàcilment la llum en un corrent elèctric. La cèl·lula solar també es marca com un fotodiode de gran superfície perquè la fa converteix l’energia solar en energia elèctrica . Tot i això, les cèl·lules solars només funcionen amb llum brillant.

Què és el fotodiode?

Un fotodiode és un tipus de detector de llum que s’utilitza per convertir la llum en corrent o tensió en funció del mode de funcionament del dispositiu. Inclou filtres òptics, lents incorporades i també superfícies. Aquests díodes tenen un temps de resposta lent quan augmenta la superfície del fotodiode. Els fotodíodes són semblants als díodes semiconductors normals, però poden ser visibles per deixar que la llum arribi a la part delicada del dispositiu. Diversos díodes destinats a utilitzar exactament com un fotodiode també utilitzarà una unió PIN una mica que la unió PN habitual.




Alguns fotodíodes seran semblants un díode emissor de llum . Tenen dues terminals que arriben del final. L’extrem més petit del díode és el terminal del càtode, mentre que l’extrem més llarg del díode és el terminal de l’ànode. Vegeu el diagrama esquemàtic següent per als costats de l’ànode i el càtode. En la condició de biaix cap endavant, el corrent convencional fluirà de l’ànode al càtode, seguint la fletxa del símbol del díode. Els fluxos de fotocorrent en sentit invers.

Tipus de fotodiode

Tot i que hi ha nombrosos tipus de fotodiode disponibles al mercat i tots funcionen sobre els mateixos principis bàsics, tot i que alguns es milloren amb altres efectes. El funcionament de diferents tipus de fotodíodes funciona d’una manera lleugerament diferent, però el funcionament bàsic d’aquests díodes continua sent el mateix. Els tipus de fotodíodes es poden classificar en funció de la seva construcció i funcions de la següent manera.



  • Fotodiode PN
  • Foto díode Schottky
  • Fotodiode PIN
  • Fotodiode d’allau

Fotodiode PN

El primer tipus de fotodiode desenvolupat és el tipus PN. En comparació amb altres tipus, el seu rendiment no és avançat, però actualment s’utilitza en diverses aplicacions. La fotodetecció es produeix principalment a la regió d’esgotament del díode. Aquest díode és bastant petit, però la seva sensibilitat no és gran en comparació amb altres. Consulteu aquest enllaç per obtenir més informació sobre el díode PN.

Fotodiode PIN

Actualment, el fotodiode més utilitzat és el tipus PIN. Aquest díode reuneix els fotons de llum de manera més potent en comparació amb el fotodiode PN estàndard, ja que l’àmplia àrea intrínseca entre les regions P i N permet recollir més llum i, a més d’això, també ofereix una capacitat inferior. Consulteu aquest enllaç per obtenir més informació sobre el díode PIN.


Fotodiode d’allau

Aquest tipus de díode s'utilitza en zones amb poca llum a causa dels seus alts nivells de guany. Genera alts nivells de soroll. Per tant, aquesta tecnologia no és adequada per a totes les aplicacions. Consulteu aquest enllaç per obtenir més informació sobre el díode Avalanche.

Fotodiode de Schottky

El fotodiode Schottky utilitza el díode Schottky i inclou una petita unió de díode que significa que hi ha una capacitat de connexió petita, de manera que funciona a velocitats elevades. Per tant, aquest tipus de fotodiode s’utilitza freqüentment en sistemes de comunicació òptica d’amplada de banda (BW) com enllaços de fibra òptica. Consulteu aquest enllaç per obtenir més informació sobre el díode Schottky.

Cada tipus de fotodiode té els seus propis avantatges i inconvenients. La selecció d’aquest díode es pot fer en funció de l’aplicació. Els diferents paràmetres a tenir en compte en seleccionar el fotodiode inclouen principalment soroll, longitud d’ona, restriccions de polarització inversa, guany, etc. Els paràmetres de rendiment del fotodiode inclouen la capacitat de resposta, l’eficiència quàntica, el temps de trànsit o el temps de resposta.

Aquests díodes s’utilitzen àmpliament en aplicacions on es requereix la detecció de la presència de llum, color, posició i intensitat. Les principals característiques d’aquests díodes són les següents.

  • La linealitat del díode és bona respecte a la llum incident
  • El soroll és baix.
  • La resposta és àmpliament espectral
  • Robust mecànicament
  • Lleuger i compacte
  • Llarga vida

Els materials necessaris per fer un fotodiode i el rang de la longitud d’ona de l’espectre electromagnètic inclouen el següent

  • Per al material de silici, l’interval de longitud d’ona de l’espectre electromagnètic serà (190-1100) nm
  • Per al material de germani, l’interval de longitud d’ona de l’espectre electromagnètic serà (400-1700) nm
  • Per al material d’arseniur de gali d’indi, l’interval de longitud d’ona de l’espectre electromagnètic serà (800-2600) nm
  • Per al material sulfurat de plom (II), l’interval de longitud d’ona de l’espectre electromagnètic serà<1000-3500) nm
  • Per a mercuri, material de tel·lurur de cadmi, l’interval de longitud d’ona de l’espectre electromagnètic serà (400-14000) nm

A causa de la seva millor banda de banda, els fotodíodes basats en Si produeixen un soroll inferior als fotodíodes basats en Ge.

Construcció

La construcció del fotodiode es pot fer mitjançant dos semiconductors com el tipus P i el tipus N. En aquest disseny, la formació de material de tipus P es pot fer a partir de la difusió del substrat de tipus P que està lleugerament dopat. Per tant, la capa d’ions P + es pot formar a causa del mètode de difusió. Al substrat de tipus N es pot cultivar la capa epitaxial de tipus N.

Construcció de fotodiodes

Construcció de fotodiodes

El desenvolupament d’una capa de difusió de P + es pot fer sobre la capa epitaxial de tipus N fortament dopada. Els contactes estan dissenyats amb metalls per formar dos terminals com l’ànode i el càtode. La regió frontal del díode es pot separar en dos tipus, com ara superfícies actives i no actives.

El disseny de la superfície inactiva es pot fer amb diòxid de silici (SiO2). En una superfície activa, els raigs de llum poden incidir sobre ella mentre que, en una superfície inactiva, els raigs de llum no poden atacar. & La superfície activa es pot cobrir a través del material antireflex per tal que l'energia de la llum no es pugui perdre i la màxima d'ella es pugui convertir en corrent.

Funcionament del fotodiode

El principi de funcionament d’un fotodiode és que quan un fotó d’energia àmplia impacta contra el díode, fa un forat d’electrons. Aquest mecanisme també s’anomena efecte fotoelèctric interior. Si l’absorció es produeix a la unió de la regió d’esgotament, els portadors s’eliminen de la unió pel camp elèctric incorporat de la regió d’esgotament.

Principi de treball del fotodiode

Principi de treball del fotodiode

Per tant, els forats de la regió es mouen cap a l’ànode i els electrons cap al càtode i es generarà una fotocorrent. Tot el corrent a través del díode és la suma de l'absència de llum i la fotocorrent. Per tant, cal reduir el corrent absent per maximitzar la sensibilitat del dispositiu.

Modes de funcionament

Els modes de funcionament del fotodiode inclouen tres modes, a saber, el mode fotovoltaic, el mode fotoconductor, un mode de díode d’allau

Mode fotovoltaic: Aquest mode també es coneix com a mode de biaix zero, en què el fotodiode alleugerit produeix una tensió. Dóna un rang dinàmic molt petit i la necessitat no lineal del voltatge format.

Mode fotoconductor: El fotodiode utilitzat en aquest mode fotoconductor sol ser més polaritzat inversament. L’aplicació de tensió inversa augmentarà l’amplada de la capa d’esgotament, que al seu torn disminueix el temps de resposta i la capacitat de la unió. Aquest mode és massa ràpid i mostra soroll electrònic

Mode de díode d’allau: Els díodes d’allaus funcionen en una condició de polarització inversa elevada, que permet la multiplicació d’una ruptura d’allau a cada parell de forats electrons produïts per fotos. Aquest resultat és un guany intern en el fotodiode, que augmenta lentament la resposta del dispositiu.

Per què s’opera el fotodiode en polarització inversa?

El fotodiode funciona en mode fotoconductor. Quan el díode està connectat en polarització inversa, es pot augmentar l’amplada de la capa d’esgotament. Per tant, això disminuirà la capacitat de la unió i el temps de resposta. De fet, aquesta polarització provocarà temps de resposta més ràpids per al díode. Per tant, la relació entre fotocorrent i il·luminació és linealment proporcional.

Què és millor el fotodiode o el fototransistor?

Tant el fotodiode com el fototransistor s’utilitzen per convertir l’energia de la llum en elèctrica. No obstant això, el fototransistor és més sensible en comparació amb el fotodiode a causa de la utilització del transistor.

El transistor canvia el corrent de base que causa l’absorció de llum i, per tant, es pot guanyar l’enorme corrent de sortida al terminal col·lector del transistor. La resposta del temps dels fotodíodes és molt ràpida en comparació amb el fototransistor. Per tant, és aplicable quan es produeix una fluctuació del circuit. Per a una millor discreció, aquí hem enumerat alguns punts del fotodiode contra el fotoresistor.

Fotodiode

Fototransistor

El dispositiu semiconductor que converteix l’energia de la llum en corrent elèctric es coneix com a fotodiode.El fototransistor s’utilitza per canviar l’energia de la llum en un corrent elèctric mitjançant el transistor.
Genera tant el corrent com el voltatgeGenera corrent
El temps de resposta és la velocitatEl temps de resposta és lent
És menys sensible en comparació amb un fototransistorÉs sensible i genera un gran corrent en p / p.
Aquest díode funciona tant en condicions de polaritzacióAquest díode només funciona amb polarització directa.
S'utilitza en un comptador de llum, una planta d'energia solar, etc.S'utilitza per detectar la llum

Circuit de fotodiode

A continuació es mostra el diagrama de circuits del fotodiode. Aquest circuit es pot construir amb una resistència de 10 k i un fotodiode. Una vegada que el fotodiode nota la llum, permet una mica de corrent al llarg de la mateixa. La suma de corrent que subministra a través d’aquest díode pot ser directament proporcional a la suma de llum que es nota a través del díode.

Esquema de connexions

Esquema de connexions

Connexió d’un fotodiode en un circuit extern

En qualsevol aplicació, el fotodiode funciona en mode de polarització inversa. El terminal ànode del circuit es pot connectar a terra mentre que el terminal del càtode està connectat a la font d'alimentació. Un cop il·luminat a través de la llum, el corrent flueix des del terminal del càtode fins al terminal de l’ànode.

Un cop s’utilitzen els fotodíodes amb circuits exteriors, s’associen a una font d’energia dins del circuit. Per tant, la quantitat de corrent generada a través d’un fotodiode serà extremadament petita, de manera que aquest valor no és suficient per fabricar un dispositiu electrònic.

Un cop connectats a una font d’energia exterior, transmet més corrent cap al circuit. En aquest circuit, la bateria s’utilitza com a font d’energia per ajudar a augmentar el valor del corrent de manera que els dispositius externs tinguin un millor rendiment.

Eficiència del fotodiode

L’eficiència quàntica del fotodiode es pot definir com la divisió dels fotons absorbits que donen al fotocorrent. Per a aquests díodes, s’associa obertament a la sensibilitat ‘S’ sense cap efecte d’allau, aleshores el fotocorrent es pot expressar com

I = S P = ηe / hv. Pàg

On,

'Η' és l'eficiència quàntica

‘E’ és la càrrega de l’electró

‘Hν’ és l’energia del fotó

L’eficiència quàntica dels fotodíodes és extremadament alta. En alguns casos, serà superior al 95%, però canvia extensament a través de la longitud d'ona. L’alta eficiència quàntica requereix el control de reflexos a part d’una alta eficiència interior com un revestiment antireflex.

Responsabilitat

La capacitat de resposta d'un fotodiode és la proporció de la fotocorrent que es genera, així com la potència òptica absorbida es pot determinar dins de la secció lineal de la resposta. En els fotodíodes, normalment és màxim en una àrea de longitud d’ona allà on l’energia del fotó és bastant superior a l’energia del gap de banda i disminueix a la regió del gap de banda allà on es redueix l’absorció.

El càlcul del fotodiode es pot fer a partir de la següent equació

R = η (e / hv)

Aquí, en l’equació anterior, ‘h ν’ és l’energia del fotó ‘η’ és l’eficiència del quàntic i ‘e’ la càrrega de l’elemental. Per exemple, l’eficiència quàntica d’un fotodiode és del 90% a una longitud d’ona de 800 nm, llavors la capacitat de resposta serà de 0,58 A / W.

Per a fotodiodificadors de fotomultiplicadors i allaus, hi ha un factor addicional per a la multiplicació del corrent interior, de manera que els possibles valors seran superiors a 1 A / W. En general, la multiplicació de corrent no està inclosa dins de l'eficiència quàntica.

Fotodiode PIN contra fotodiode PN

Tant els fotodíodes com PN i PIN es poden obtenir de molts proveïdors. La selecció del fotodiode és molt important mentre es dissenya un circuit basat en el rendiment i les característiques requerides.
Un fotodiode PN no funciona en un biaix invers i, per tant, és més adequat per a les aplicacions de poca llum per millorar el rendiment del soroll.

El fotodiode PIN que funciona en polarització inversa pot introduir un corrent de soroll per disminuir la proporció S / N
Per a les aplicacions d’alt rang dinàmic, la polarització inversa donarà un bon rendiment
Per a aplicacions amb alta densitat de bateria, la polarització inversa proporcionarà un bon rendiment com la capacitat entre les regions de P & N i l’emmagatzematge de la capacitat de càrrega és reduït.

Avantatges

El avantatges del fotodiode inclou el següent.

  • Menys resistència
  • Velocitat d’operació ràpida i alta
  • Llarga vida útil
  • Fotodetector més ràpid
  • La resposta espectral és bona
  • No utilitza alta tensió
  • La resposta en freqüència és bona
  • Sòlid i de poc pes
  • És extremadament sensible a la llum
  • El corrent fosc és mares
  • Alta eficiència quàntica
  • Menys soroll

Desavantatges

El desavantatges del fotodiode inclou el següent.

  • L’estabilitat de la temperatura és pobra
  • El canvi dins del corrent és extremadament petit, per tant, pot ser que no sigui suficient per conduir el circuit
  • La zona activa és petita
  • El fotodiode d’unió PN habitual inclou un temps de resposta elevat
  • Té menys sensibilitat
  • Funciona principalment depenent de la temperatura
  • Utilitza tensió de desplaçament

Aplicacions del fotodiode

  • Les aplicacions dels fotodíodes impliquen aplicacions similars de fotodetectors com ara dispositius acoblats a càrrega, fotoconductors i tubs fotomultiplicadors.
  • Aquests díodes s'utilitzen en dispositius electrònics de consum com ara detectors de fum , reproductors de discs compactes i televisors i comandaments a distància en videocasetes.
  • En altres dispositius de consum, com ara ràdios de rellotge, mesuradors de llum de càmera i llums de carrer, s’utilitzen més sovint els fotoconductors que els fotodíodes.
  • Els fotodíodes s’utilitzen amb freqüència per mesurar exactament la intensitat de la llum a la ciència i la indústria. En general, tenen una resposta millorada i més lineal que els fotoconductors.
  • Els fotodíodes també s’utilitzen molt a nombroses aplicacions mèdiques com instruments per analitzar mostres, detectors per a tomografia computada i també s’utilitzen en monitors de gasos sanguinis.
  • Aquests díodes són molt més ràpids i complexos que els díodes d’unió PN normals i, per tant, s’utilitzen freqüentment per a la regulació de la il·luminació i en comunicacions òptiques.

Característiques V-I del fotodiode

Un fotodiode funciona contínuament en un mode de polarització inversa. Les característiques del fotodiode es mostren clarament a la figura següent, que el fotocorrent és gairebé independent de la tensió de polarització inversa que s’aplica. Per a la luminància zero, la fotocorrent és gairebé nul·la, excloent el corrent fosc petit. És de l'ordre dels nanoamperes. A mesura que augmenta la potència òptica, la fotocorrent també augmenta linealment. La fotocorrent màxima està incompleta per la dissipació de potència del fotodiode.

Característiques

Característiques

Per tant, es tracta de principi de funcionament del fotodiode , característiques i aplicacions. Els dispositius optoelectrònics com els fotodíodes estan disponibles en diferents tipus que s’utilitzen en gairebé tots els dispositius electrònics. Aquests díodes s’utilitzen amb fonts de llum IR com el neó, el làser LED i el fluorescent. En comparació amb altres díodes de detecció de llum, aquests díodes no són cars. Esperem que tingueu una millor comprensió d’aquest concepte. A més, qualsevol consulta sobre aquest concepte o per implementar projectes elèctrics i electrònics per a estudiants d’Enginyeria . Si us plau, doneu els vostres valuosos suggeriments comentant a la secció de comentaris següent. Aquí teniu una pregunta, quina és la funció d’un fotodiode ?

Crèdits fotogràfics: