Что такое фотодиод: принцип работы и его характеристики

Фотодиод - это Диод с PN переходом который потребляет световую энергию для производства электрического тока. Иногда его еще называют фотодетектором, светоприемником и фотодатчиком. Эти диоды специально предназначены для работы в условиях обратного смещения, это означает, что сторона P фотодиода связана с отрицательной клеммой батареи, а сторона n подключена к положительной клемме батареи. Этот диод очень сложно зажечь, поэтому, когда свет падает на диод, он легко преобразует свет в электрический ток. Солнечный элемент также называют фотодиодом большой площади, потому что он преобразует солнечную энергию в электрическую . Однако солнечная батарея работает только при ярком свете.

Что такое фотодиод?

Фотодиод - это один из типов световых детекторов, используемых для преобразования света в ток или напряжение в зависимости от режима работы устройства. В его состав входят оптические фильтры, встроенные линзы, а также поверхности. Эти диоды имеют медленное время отклика при увеличении площади поверхности фотодиода. Фотодиоды похожи на обычные полупроводниковые диоды, но они могут быть видимыми, чтобы свет достигал чувствительной части устройства. Несколько диодов, предназначенных для Использование точно в качестве фотодиода также будет использовать PIN-переход в некоторой степени, чем обычный PN-переход.

Некоторые фотодиоды будут выглядеть как светодиод . У них есть два терминала, идущие с конца. Меньший конец диода - это катодный вывод, а более длинный конец диода - анодный вывод. См. Следующую принципиальную схему анодной и катодной сторон. В условиях прямого смещения обычный ток будет течь от анода к катоду, следуя стрелке в символе диода. Фототок течет в обратном направлении.

Типы фотодиодов

Хотя на рынке доступно множество типов фотодиодов, все они работают на одних и тех же основных принципах, хотя некоторые из них улучшены другими эффектами. Фотодиоды разных типов работают по-разному, но основная работа этих диодов остается прежней. Типы фотодиодов можно классифицировать в зависимости от их конструкции и функций следующим образом.

• PN Фотодиод
• Фото диод Шоттки
• PIN Фотодиод
• Лавинный фотодиод

PN Фотодиод

Первым разработанным типом фотодиодов является фотодиод PN. По сравнению с другими типами, его производительность не улучшена, но в настоящее время он используется в нескольких приложениях. Фотодетектирование в основном происходит в обедненной области диода. Этот диод довольно маленький, но его чувствительность невелика по сравнению с другими. Пожалуйста, обратитесь к этой ссылке, чтобы узнать больше о диоде PN.

PIN Фотодиод

В настоящее время наиболее часто используются фотодиоды PIN типа. Этот диод собирает световые фотоны более мощно по сравнению со стандартным фотодиодом PN, потому что широкая внутренняя область между областями P и N позволяет собирать больше света, и в дополнение к этому он также предлагает более низкую емкость. Пожалуйста, перейдите по этой ссылке, чтобы узнать больше о PIN-диоде.

Лавинный фотодиод

Этот вид диодов используется в местах с низким освещением из-за высокого уровня усиления. Он создает высокий уровень шума. Так что эта технология подходит не для всех приложений. Пожалуйста, обратитесь к этой ссылке, чтобы узнать больше о диоде Avalanche.

Фотодиод Шоттки

В фотодиоде Шоттки используется диод Шоттки, и он включает в себя небольшой диодный переход, что означает, что существует небольшая емкость перехода, поэтому он работает на высоких скоростях. Таким образом, этот вид фотодиодов часто используется в системах оптической связи с высокой пропускной способностью (BW), таких как волоконно-оптические линии связи. Пожалуйста, перейдите по этой ссылке, чтобы узнать больше о диоде Шоттки.

У каждого типа фотодиода есть свои преимущества и недостатки. Выбор этого диода может быть сделан в зависимости от применения. Различные параметры, которые следует учитывать при выборе фотодиода, в основном включают шум, длину волны, ограничения обратного смещения, усиление и т. Д. Рабочие параметры фотодиода включают чувствительность, квантовую эффективность, время прохождения или время отклика.

Эти диоды широко используются в приложениях, где требуется определение наличия света, цвета, положения и интенсивности. К основным особенностям этих диодов можно отнести следующее.

• Линейность диода хорошая по отношению к падающему свету.
• Шум низкий.
• Отклик широкий спектральный
• Механически прочный
• Легкий и компактный
• Долгая жизнь

Необходимые материалы для изготовления фотодиода и диапазона длин волн электромагнитного спектра включают следующие

• Для кремниевого материала диапазон длин волн электромагнитного спектра будет (190-1100) нм.
• Для германиевого материала диапазон длин волн электромагнитного спектра будет (400-1700) нм.
• Для материала арсенида галлия индия диапазон длин волн электромагнитного спектра будет (800-2600) нм.
• Для материала сульфида свинца (II) диапазон длин волн электромагнитного спектра будет<1000-3500) nm
• Для материала теллурида кадмия ртути диапазон длин волн электромагнитного спектра будет (400-14000) нм.

Из-за большей ширины запрещенной зоны фотодиоды на основе Si производят меньше шума, чем фотодиоды на основе Ge.

Строительство

Конструкция фотодиода может быть выполнена с использованием двух полупроводников, таких как P-тип и N-тип. В этой конструкции образование материала P-типа может быть выполнено за счет диффузии подложки P-типа, которая слегка легирована. Таким образом, слой ионов P + может быть сформирован благодаря диффузионному методу. На подложке N-типа можно выращивать эпитаксиальный слой N-типа.

Фотодиодная конструкция

Развитие диффузионного слоя P + может быть выполнено поверх сильно легированного эпитаксиального слоя N-типа. Контакты сделаны из металлов, чтобы образовать две клеммы, такие как анод и катод. Переднюю часть диода можно разделить на два типа: активные и неактивные поверхности.

Проектирование неактивной поверхности может быть выполнено с помощью диоксида кремния (SiO2). На активной поверхности световые лучи могут попадать на нее, тогда как на неактивной поверхности световые лучи не могут попадать. Активная поверхность может быть покрыта антиотражающим материалом, так что энергия света не может теряться, а самая высокая из нее может быть преобразована в ток.

Работа фотодиода

Принцип работы фотодиода заключается в том, что когда фотон большой энергии попадает в диод, он образует пару электрон-дырка. Этот механизм также называют внутренним фотоэффектом. Если поглощение возникает в переходе обедненной области, то носители удаляются из перехода за счет встроенного электрического поля обедненной области.

Принцип работы фотодиода

Следовательно, дырки в этой области движутся к аноду, а электроны движутся к катоду, и будет генерироваться фототок. Полный ток через диод - это сумма отсутствия света и фототока. Таким образом, отсутствующий ток необходимо уменьшить, чтобы максимизировать чувствительность устройства.

Режимы работы

Режимы работы фотодиода включают три режима, а именно фотоэлектрический режим, режим фотопроводимости, режим лавинного диода.

Фотоэлектрический режим: Этот режим также известен как режим с нулевым смещением, в котором напряжение создается облегченным фотодиодом. Это дает очень маленький динамический диапазон и нелинейную необходимость сформированного напряжения.

Фотопроводящий режим: Фотодиод, используемый в этом режиме фотопроводимости, обычно имеет обратное смещение. Приложение обратного напряжения увеличивает ширину обедненного слоя, что, в свою очередь, уменьшает время отклика и емкость перехода. Этот режим слишком быстрый и отображает электронный шум.

Режим лавинного диода: Лавинные диоды работают в условиях высокого обратного смещения, что позволяет увеличивать лавинный пробой каждой фотоэлектронно-дырочной пары. Этот результат - внутреннее усиление фотодиода, которое медленно увеличивает отклик устройства.

Почему фотодиод работает в режиме обратного смещения?

Фотодиод работает в режиме фотопроводимости. Когда диод подключен с обратным смещением, можно увеличить ширину обедненного слоя. Таким образом, это уменьшит емкость перехода и время отклика. Фактически, это смещение приведет к меньшему времени отклика диода. Таким образом, соотношение между фототоком и освещенностью линейно пропорционально.

Что лучше фотодиод или фототранзистор?

И фотодиод, и фототранзистор используются для преобразования энергии света в электрическую. Однако фототранзистор более чувствителен по сравнению с фотодиодом из-за использования транзистора.

Транзистор изменяет базовый ток, который возникает из-за поглощения света, и поэтому большой выходной ток может быть получен через вывод коллектора транзистора. Время отклика фотодиодов очень быстрое по сравнению с фототранзистором. Таким образом, это применимо там, где происходят колебания в цепи. Для лучшего понимания здесь мы перечислили некоторые особенности фотодиода и фоторезистора.

Фотодиодная схема

Принципиальная схема фотодиода представлена ​​ниже. Эта схема может быть построена с резистором 10 кОм и фотодиодом. Как только фотодиод замечает свет, он пропускает через него некоторый ток. Сумма тока, протекающего через этот диод, может быть прямо пропорциональна сумме света, проходящего через диод.

Принципиальная электрическая схема

Подключение фотодиода во внешнюю цепь

В любом приложении фотодиод работает в режиме обратного смещения. Анодный вывод схемы может быть подключен к земле, тогда как катодный вывод подключен к источнику питания. После освещения через свет, ток течет от катодного вывода к анодному выводу.

Когда фотодиоды используются во внешних схемах, они подключаются к источнику питания внутри схемы. Таким образом, количество тока, генерируемого фотодиодом, будет чрезвычайно небольшим, поэтому этого значения недостаточно для изготовления электронного устройства.

Когда они подключены к внешнему источнику питания, он подает больший ток в цепь. В этой схеме батарея используется в качестве источника питания, чтобы помочь увеличить значение тока, чтобы внешние устройства обеспечивали лучшую производительность.

КПД фотодиода

Квантовая эффективность фотодиода может быть определена как разделение поглощенных фотонов, которые отдают фототоку. Для этих диодов это открыто связано с чувствительностью «S» без эффекта лавины, тогда фототок можно выразить как

I = S P = ηe / hv. п

Где,

‘Η’ - квантовая эффективность

‘E’ - заряд электрона

‘Hν’ - энергия фотона

Квантовая эффективность фотодиодов чрезвычайно высока. В некоторых случаях оно будет выше 95%, однако сильно зависит от длины волны. Высокая квантовая эффективность требует контроля отражений помимо высокой внутренней эффективности, такой как антиотражающее покрытие.

Отзывчивость

Чувствительность фотодиода - это отношение генерируемого фототока, а также поглощенной оптической мощности, которая может быть определена в пределах линейного участка отклика. В фотодиодах она обычно максимальна в области длин волн, где энергия фотонов значительно выше, чем энергия запрещенной зоны, и уменьшается в пределах запрещенной зоны, где уменьшается поглощение.

Расчет фотодиода может быть выполнен на основе следующего уравнения

R = η (э / hv)

Здесь, в приведенном выше уравнении, «h ν» - энергия фотона, «η» - эффективность кванта, «e» - заряд элементарного. Например, квантовая эффективность фотодиода составляет 90% на длине волны 800 нм, тогда чувствительность будет 0,58 А / Вт.

Для фотоумножителей и лавинных фотодиодов существует дополнительный коэффициент для увеличения внутреннего тока, так что возможные значения будут выше 1 А / Вт. Обычно умножение тока не входит в квантовую эффективность.

PIN-фотодиод против фотодиода PN

Оба фотодиода, такие как PN и PIN, можно приобрести у многих поставщиков. Выбор фотодиода очень важен при проектировании схемы на основе требуемых характеристик, а также характеристик.
Фотодиод PN не работает с обратным смещением и, следовательно, он больше подходит для приложений с низким освещением, чтобы улучшить характеристики шума.

Фотодиод PIN, работающий в режиме обратного смещения, может вносить ток шума для уменьшения отношения сигнал / шум.
Для приложений с высоким динамическим диапазоном обратное смещение даст хорошие характеристики.
Для приложений с большой полосой пропускания обратное смещение обеспечит хорошие характеристики, такие как емкость между областями P и N, а емкость накопителя заряда мала.

Преимущества

В преимущества фотодиода включая следующее.

• Меньшее сопротивление
• Быстрая и высокая скорость работы
• Продолжительность жизни
• Самый быстрый фотодетектор
• Спектральный отклик хороший
• Не использует высокое напряжение
• Амплитудно-частотная характеристика хорошая
• Прочный и легкий
• Он очень чувствителен к свету
• Темный ток на осадке
• Высокая квантовая эффективность
• Меньше шума

Недостатки

В недостатки фотодиода включая следующее.

• Низкая температурная стабильность
• Изменение тока очень мало, поэтому может быть недостаточно для управления цепью.
• Активная зона небольшая
• Обычный фотодиод на PN-переходе отличается большим временем отклика.
• У него меньшая чувствительность
• В основном это работает в зависимости от температуры
• Он использует напряжение смещения

Применение фотодиода

• Применение фотодиодов включает аналогичные применения фотодетекторов, таких как устройства с зарядовой связью, фотопроводники и фотоэлектронные умножители.
• Эти диоды используются в устройствах бытовой электроники, таких как детекторы дыма , проигрыватели компакт-дисков, телевизоры и пульты дистанционного управления в видеомагнитофонах.
• В других потребительских устройствах, таких как радиочасы, фотометры и уличные фонари, чаще используются фотопроводники, а не фотодиоды.
• Фотодиоды часто используются для точного измерения интенсивности света в науке и промышленности. Как правило, они имеют более линейный отклик, чем фотопроводники.
• Фотодиоды также широко используются в многочисленные медицинские приложения как инструменты для анализа образцов, детекторы для компьютерной томографии, а также используются в мониторах газов крови.
• Эти диоды намного быстрее и сложнее обычных диодов с PN переходом и поэтому часто используются для регулирования освещения и в оптической связи.

V-I характеристики фотодиода

Фотодиод постоянно работает в режиме обратного смещения. Характеристики фотодиода четко показаны на следующем рисунке, фототок почти не зависит от приложенного напряжения обратного смещения. При нулевой яркости фототок почти равен нулю, за исключением небольшого темнового тока. Он порядка наноампер. С увеличением оптической мощности фототок также увеличивается линейно. Максимальный фототок является неполным из-за рассеиваемой мощности фотодиода.

Характеристики

Таким образом, все дело в принцип работы фотодиода , характеристики и приложения. Оптоэлектронные устройства, такие как фотодиоды, доступны в различных типах, которые используются почти во всех электронных устройствах. Эти диоды используются с источниками инфракрасного света, такими как неон, лазерные светодиоды и люминесцентные лампы. По сравнению с другими светодиодами эти светодиоды не дорогие. Мы надеемся, что вы лучше понимаете эту концепцию. Кроме того, любые вопросы относительно этой концепции или реализации электрические и электронные проекты для студентов инженерных специальностей . Пожалуйста, дайте свои ценные предложения, комментируя в разделе комментариев ниже. Вот вам вопрос, какова функция фотодиода ?

Фото:

• Фотодиод Хамамацу
• Работа фотодиода физика и радиоэлектроника
• V-I характеристики фотодиода учебники