Какво е фотодиод? (Част 1)

Фотодиоде полупроводниково устройство, което преобразува светлината в ток и между слоевете p (положителен) и n (отрицателен) има вътрешен слой. Фотодиодът получава светлинна енергия като вход, за да произведе електрически ток. Фотодиодите са известни още като фотодетектори, фотоелектрични сензори или светлинни детектори.

Фотодиодът работи при условия на обратно отклонение, т.е. P-страната на фотодиода е свързана към отрицателния електрод на батерията (или захранването), а N-страната е свързана към положителния електрод на батерията. Типични фотодиодни материали са силиций, германий, индиев галиев арсенид фосфид и индиев галиев арсенид.

Вътре фотодиодът има светлинен филтър, вградена леща и повърхност. Когато повърхността на фотодиода се увеличи, времето за реакция се намалява. Много малко фотодиоди изглеждат като светодиоди (LED). Има два терминала, както е показано по-долу. По-малкият извод служи като катод, а по-дългият извод служи като анод.

Символът на фотодиода е подобен на символа на светодиода, но стрелката сочи навътре, вместо навън в светодиода. Изображението по-долу показва символа на фотодиода.

1. Принцип на фотодиода

Фотодиодите работят, като създават двойка електронни дупки, когато енергиен фотон удари диода. Този механизъм е известен още като вътрешен фотоелектричен ефект. Ако поглъщането настъпи в прехода на зоната на изчерпване, носителите се отстраняват от кръстовището от вътрешното електрическо поле в региона на изчерпване.

Обикновено, когато светлината осветява PN прехода, ковалентната връзка се йонизира. Това създава дупки и електронни двойки. Фототокът се генерира поради генерирането на двойки електрон-дупка. Когато фотони с енергия по-голяма от 1,1 eV ударят диода, се образуват двойки електрон-дупка. Когато фотонът навлезе в изчерпаната област на диода, той удря атома с висока енергия. Това води до освобождаване на електрони от атомната структура. Когато електроните се освободят, се създават свободни електрони и дупки.

Като цяло електроните имат отрицателен заряд, а дупките имат положителен заряд. Изчерпаната енергия ще има вградено електрическо поле. Поради това електрическо поле двойката електрон-дупка е далеч от PN прехода. По този начин дупките се движат към анода, а електроните се движат към катода, за да произведат фототок.

Интензитетът на поглъщане на фотони и енергията на фотоните са пропорционални една на друга. Колкото по-малко енергия има снимката, толкова повече поглъща. Целият този процес се нарича вътрешен фотоелектричен ефект.

Вътрешното възбуждане и външното възбуждане са два метода за фотонно възбуждане. Процесът на вътрешно възбуждане възниква, когато електроните във валентната лента се възбуждат от фотони към проводимата зона.

2. Работна схема на фотодиода

Фотодиодите работят основно в три различни режима, които са:

(1) Фотоволтаичен режим

(2) Режим на фотопроводимост

(3) Лавинен диоден режим

(1) Фотоволтаичен режим

Този режим се нарича още режим на нулево отклонение. Този режим е за предпочитане, когато фотодиодите работят в нискочестотни приложения и светлинни приложения със свръхенергийно ниво. Когато светкавицата удари фотодиода, тя създава напрежение. Полученото напрежение ще има много малък динамичен диапазон и ще има нелинейни характеристики. Когато фотодиодът е конфигуриран с OP-AMP в този режим, промяната в температурата ще бъде много малка.

(2) Режим на фотопроводимост

В този режим фотодиодът ще работи при условия на обратно отклонение. Катодът е положителен, а анодът е отрицателен. Тъй като обратното напрежение се увеличава, ширината на изчерпания слой също се увеличава. В резултат на това времето за реакция и капацитетът на прехода ще бъдат намалени. За разлика от това, този режим на работа е бърз и генерира електронен шум.

(3) Лавинен диоден режим

Лавинните диоди работят при условия на силно обратно отклонение, което позволява лавинообразното разпадане да се умножи до всяка двойка електрон-дупка, произведена от фотоелектричество. Резултатът е вътрешното усилване на фотодиода, което бавно увеличава реакцията на устройството.

(4) Фотодиодна верига

Електрическата схема на фотодиода е показана по-долу. Веригата може да бъде конструирана с 10k резистор и фотодиод. След като фотодиодът забележи светлината, той позволява известен ток да премине през него. Сумата от тока, подаван през диода, може да бъде пропорционална на сумата от светлината, наблюдавана през диода.

3. Свържете фотодиода към външната верига

Фотодиодът работи във верига с обратно отклонение. Анодът е свързан към земята на веригата, а катодът е свързан към положителното захранващо напрежение на веригата. При осветяване от светлина електрически ток протича от катода към анода.

Когато фотодиодите се използват с външна верига, те се свързват към захранване във веригата. Токът, генериран от фотодиода, ще бъде много малък. Тази стойност на тока не е достатъчна за задвижване на електронното устройство. Следователно, когато са свързани към външно захранване, това осигурява повече ток към веригата. Така че батерията се използва като източник на енергия. Източникът на батерията помага за увеличаване на стойността на тока, допринасяйки за по-добрата работа на външните устройства.

4. Процес на производство на фотодиод

Фотодиоден материал

Материалът на фотодиода определя много от неговите характеристики. Ключовата характеристика е вълната на светлината, на която фотодиодът реагира, а другата е нивото на шума, като и двете до голяма степен зависят от материала, използван във фотодиода.

Различни отговори на дължини на вълните възникват поради използването на различни материали, тъй като само фотони с достатъчно енергия, за да възбудят електрони в забранената лента на материала, произвеждат значителна енергия за генериране на ток от фотодиода.

Въпреки че чувствителността към дължината на вълната на материала е много важна, друг параметър, който може да окаже значително влияние върху работата на фотодиода, е нивото на генерирания шум.

Поради по-голямата си ширина на лентата, силициевите фотодиоди произвеждат по-малко шум от германиевите фотодиоди. Необходимо е обаче също така да се вземе предвид дължината на вълната на необходимия фотодиод и германиевите фотодиоди трябва да се използват за дължини на вълните, по-дълги от около 1000 nm.

Отидете на Част 2, за да научите повече.

Информация за връзка:

Ако имате някакви идеи, не се колебайте да говорите с нас. Без значение къде са нашите клиенти и какви са нашите изисквания, ние ще следваме нашата цел да предоставим на нашите клиенти високо качество, ниски цени и най-доброто обслужване.