En fotodiode er en PN-forbindelsesdiode der bruger lysenergi til at producere en elektrisk strøm. Nogle gange kaldes det også en fotodetektor, en lysdetektor og fotosensor. Disse dioder er specielt designet til at arbejde under omvendte forspændingsforhold, det betyder, at P-siden af fotodioden er forbundet med den negative terminal på batteriet, og n-siden er forbundet til den positive terminal på batteriet. Denne diode er meget kompleks for lys, så når lys falder på dioden, ændrer den let lys til en elektrisk strøm. Solcellen er også mærket som en storfotodiode, fordi den konverterer solenergi til elektrisk energi . Skønt solceller kun fungerer i stærkt lys.

Hvad er fotodiode?

En fotodiode er en type lysdetektor, der bruges til at konvertere lyset til strøm eller spænding baseret på enhedens funktionsmåde. Det omfatter optiske filtre, indbyggede linser og også overfladearealer. Disse dioder har en langsom responstid, når fotodiodeens overfladeareal øges. Fotodioder er ens med almindelige halvlederdioder, men at de enten kan være synlige for at lade lys nå den delikate del af enheden. Flere dioder beregnet til Brug nøjagtigt som en fotodiode vil også bruge en PIN-krydsning noget end den sædvanlige PN-krydsning.

Nogle fotodioder vil se ud en lysdiode . De har to terminaler, der kommer fra slutningen. Den mindre ende af dioden er katodeterminalen, mens den længere ende af dioden er anodeterminalen. Se det følgende skematiske diagram for anode- og katodesiderne. Under den forudgående forspændingsbetingelse flyder den konventionelle strøm fra anoden til katoden efter pilen i diodesymbolet. Fotostrøm strømmer i omvendt retning.

Typer af fotodiode

Selvom der findes adskillige typer fotodioder på markedet, og de arbejder alle på de samme grundlæggende principper, selvom nogle forbedres af andre effekter. Arbejdet med forskellige typer fotodioder fungerer på en lidt anden måde, men den grundlæggende funktion af disse dioder forbliver den samme. Fotodioderne kan klassificeres ud fra deres konstruktion og fungerer som følger.

PN fotodiode
Schottky-fotodiode
PIN-fotodiode
Lavine fotodiode

PN fotodiode

Den første udviklede type fotodiode er PN-typen. Sammenlignet med andre typer er dens ydelse ikke avanceret, men i øjeblikket bruges den i flere applikationer. Fotodetektionen sker hovedsageligt i diodeens udtømningsregion. Denne diode er ret lille, men dens følsomhed er ikke stor sammenlignet med andre. Se dette link for at vide mere om PN-dioden.

“hvordan virker en mov ”

PIN-fotodiode

På nuværende tidspunkt er den mest almindelige anvendte fotodiode en PIN-type. Denne diode samler lysfotoner mere kraftigt sammenlignet med standard PN-fotodiode, fordi det brede indre område mellem P- og N-regionerne gør det muligt at samle mere lys, og derudover tilbyder den også en lavere kapacitans. Se dette link for at vide mere om PIN-dioden.

Lavine fotodiode

Denne type diode bruges i områder med svagt lys på grund af dens høje forstærkningsniveauer. Det genererer høje niveauer af støj. Så denne teknologi er ikke passende til alle applikationer. Se dette link for at vide mere om lavindioden.

Schottky fotodiode

Schottky-fotodioden bruger Schottky-dioden, og den inkluderer en lille diodekryds, der betyder, at der er lille krydskapacitans, så den fungerer ved høje hastigheder. Således anvendes denne type fotodiode ofte i optiske kommunikationssystemer med høj båndbredde (BW) som fiberoptiske forbindelser. Se dette link for at vide mere om Schottky-dioden.

Hver type fotodiode har sine egne fordele og ulemper. Valget af denne diode kan udføres på baggrund af applikationen. De forskellige parametre, der skal overvejes, når du vælger fotodiode, inkluderer hovedsageligt støj, bølgelængde, omvendte biasbegrænsninger, forstærkning osv. Fotodiodeens ydeevneparametre inkluderer respons, kvanteffektivitet, transittid eller responstid.

Disse dioder anvendes i vid udstrækning i applikationer, hvor detektion af tilstedeværelsen af lys, farve, position, intensitet er påkrævet. Hovedfunktionerne i disse dioder inkluderer følgende.

Diodeens linearitet er god med hensyn til indfaldende lys
Støj er lav.
Svaret er bredt spektralt
Robust mekanisk
Let og kompakt
Langt liv

De krævede materialer til fremstilling af en fotodiode og området for bølgelængdeområdet for det elektromagnetiske spektrum inkluderer følgende

For siliciummateriale er det elektromagnetiske spektrum bølgelængdeområde (190-1100) nm
For Germanium-materiale vil det elektromagnetiske spektrum bølgelængdeområde være (400-1700) nm
For indium galliumarsenidmateriale vil det elektromagnetiske spektrum bølgelængdeområde være (800-2600) nm
For bly (II) sulfidmateriale er det elektromagnetiske spektrum bølgelængdeområde<1000-3500) nm
For kviksølv, cadmium Telluride-materiale vil det elektromagnetiske spektrum bølgelængdeområde være (400-14000) nm

På grund af deres bedre båndgap producerer Si-baserede fotodioder lavere støj end Ge-baserede fotodioder.

Konstruktion

Fotodiodekonstruktionen kan udføres ved hjælp af to halvledere som P-type og N-type. I dette design kan dannelsen af materiale af P-typen ske fra diffusionen af substratet af P-typen, som er let doteret. Så P + ion-laget kan dannes på grund af diffusionsmetoden. På substratet af N-typen kan det epitaksiale lag af N-typen dyrkes.

Fotodiode konstruktion

Udviklingen af et P + diffusionslag kan ske over det stærkt dopede N-type epitaksiale lag. Kontakterne er designet med metaller til at fremstille to terminaler som anode og katode. Diodes forreste område kan adskilles i to typer som aktive og ikke-aktive overflader.

Designet af den ikke-aktive overflade kan udføres med siliciumdioxid (SiO2). På en aktiv overflade kan lysstrålerne strejke over den, mens lysstrålerne på en ikke-aktiv overflade ikke kan ramme. & den aktive overflade kan dækkes gennem antireflektionsmaterialet, så lysets energi ikke kan miste, og det højeste af det kan ændres til strømmen.

Brug af fotodiode

Arbejdsprincippet for en fotodiode er, når en foton med rigelig energi rammer dioden, danner den et par elektronhuller. Denne mekanisme kaldes også den indre fotoelektriske effekt. Hvis absorptionen opstår i udtømningsregionens overgang, fjernes bærerne fra overgangen ved det indbyggede elektriske felt i udtømningsområdet.

Fotodiode Arbejdsprincip

Derfor bevæger huller i regionen sig mod anoden, og elektroner bevæger sig mod katoden, og der genereres en lysstrøm. Hele strømmen gennem dioden er summen af fraværet af lys og lysstrømmen. Så den fraværende strøm skal reduceres for at maksimere enhedens følsomhed.

Driftsformer

Fotodiodeens driftstilstande inkluderer tre tilstande, nemlig Fotovoltaisk tilstand, Fotokonduktiv tilstand, en lavine-diodetilstand

Fotovoltaisk tilstand: Denne tilstand er også kendt som nul-bias-tilstand, hvor en spænding produceres af den lysede fotodiode. Det giver et meget lille dynamisk område og ikke-lineær nødvendighed af den dannede spænding.

Fotokonduktiv tilstand: Fotodioden, der anvendes i denne fotoledende tilstand, er mere almindeligt omvendt forspændt. Omvendt spændingsapplikation øger udtømningslagets bredde, hvilket igen reducerer responstiden og krydset kapacitans. Denne tilstand er for hurtig og viser elektronisk støj

Lavin-diodetilstand: Lavine-dioder fungerer i en høj omvendt bias-tilstand, hvilket tillader multiplikation af en lavineopdeling til hvert fotoproducerede elektron-hulpar. Dette resultat er en intern forstærkning i fotodioden, som langsomt øger enhedens respons.

Hvorfor fungerer fotodiode i omvendt forspænding?

Fotodioden fungerer i fotokonduktiv tilstand. Når dioden er forbundet i omvendt forspænding, kan udtømningslagets bredde øges. Så dette mindsker kapacitansen for krydset og responstiden. Faktisk vil denne forspænding medføre hurtigere responstider for dioden. Så forholdet mellem lysstrøm og lysstyrke er lineært proportionalt.

Hvilken er bedre fotodiode eller fototransistor?

Både fotodiode og fototransistor bruges til at konvertere lysets energi til elektrisk. Imidlertid er fototransistoren mere lydhør som i modsætning til fotodioden på grund af udnyttelsen af transistoren.

Transistoren ændrer basisstrømmen, som forårsager på grund af lysabsorption, og derfor kan den enorme udgangsstrøm opnås gennem transistorens kollektorterminal. Fotodiodernes tidsrespons er meget hurtig sammenlignet med fototransistoren. Så det er anvendeligt, hvor udsving i kredsløbet opstår. For bedre underdrivelse har vi her nævnt nogle punkter af fotodiode vs fotoresistor.

Fotodiode	Fototransistor “hvordan man laver gratis energi 220v ”
Halvlederenheden, der omdanner energien fra lys til elektrisk strøm, er kendt som en fotodiode.	Fototransistoren bruges til at ændre lysenergien til en elektrisk strøm ved hjælp af transistoren.
Det genererer både strøm og spænding	Det genererer strøm
Svartiden er hastighed	Svartiden er langsom
Det er mindre lydhørt sammenlignet med en fototransistor	Den er lydhør og genererer en enorm o / p-strøm.
Denne diode fungerer under begge de forspændte forhold	Denne diode fungerer kun i forspænding fremad.
Det bruges i en lysmåler, solkraftværk osv	Det bruges til at detektere lyset

Fotodiode kredsløb

Fotodiodeens kredsløbsdiagram er vist nedenfor. Dette kredsløb kan bygges med en 10k modstand og fotodiode. Når fotodioden bemærker lyset, tillader det en vis strøm af strøm gennem det. Summen af strøm, der leverer gennem denne diode, kan være direkte proportional med summen af lys, der bemærkes gennem dioden.

Kredsløbsdiagram

Tilslutning af en fotodiode i et eksternt kredsløb

I enhver applikation fungerer fotodioden i omvendt bias-tilstand. Anodeterminalen i kredsløbet kan forbindes til jorden, mens katodeterminalen er forbundet til strømkilden. Når den først er oplyst gennem lys, strømmer strømmen fra katodeterminalen til anodeterminalen.

Når fotodioder er brugt sammen med udvendige kredsløb, allieres de med en strømkilde i kredsløbet. Så mængden af strøm, der genereres gennem en fotodiode, vil være ekstremt lille, så denne værdi er ikke tilstrækkelig til at fremstille en elektronisk enhed.

Når de først er tilsluttet en ekstern strømkilde, leverer den mere strøm mod kredsløbet. I dette kredsløb bruges batteriet som en strømkilde til at hjælpe med at øge strømværdien, så eksterne enheder giver en bedre ydelse.

Fotodiodeeffektivitet

Fotodiodeens kvanteffektivitet kan defineres som delingen af de absorberede fotoner, der donerer til fotostrømmen. For disse dioder er det åbent forbundet med responsen 'S' uden effekt af en lavine, så kan fotostrømmen udtrykkes som

I = S P = ηe / hv. P

Hvor,

'Η' er kvanteeffektiviteten

'E' er elektronens ladning

'Hν' er fotonens energi

“433mhz rf sender og modtager kredsløbsdiagram ”

Fotodiodernes kvanteeffektivitet er ekstremt høj. I nogle tilfælde vil den være over 95%, men ændrer sig meget gennem bølgelængden. Høj kvanteffektivitet kræver kontrol af refleksioner bortset fra en høj indre effektivitet som en antirefleksbelægning.

Responsivitet

Responsen af en fotodiode er forholdet mellem fotostrømmen, der genereres, såvel som absorberet optisk effekt kan bestemmes inden for den lineære sektion af responset. I fotodioder er det normalt maksimalt i et bølgelængdeområde, hvor fotonenergien er temmelig højere end båndgapsenergien og falder inden for båndgapområdet, hvor absorptionen reduceres.

Fotodiode-beregningen kan udføres på baggrund af følgende ligning

R = η (e / hv)

Her, i ovenstående ligning, er 'h ν' fotonens energi 'η' er kvantens effektivitet og 'e' ladningen af elementær. For eksempel er kvanteeffektiviteten af en fotodiode 90% ved en 800 nm bølgelængde, hvorefter responsen er 0,58 A / W.

For fotomultiplikatorer og lavine fotodioder er der en ekstra faktor til multiplikation af indre strøm, så mulige værdier vil være over 1 A / W. Generelt er multiplikation af strøm ikke inkluderet i kvanteeffektiviteten.

PIN-fotodiode Vs PN-fotodiode

Begge fotodioder som PN & PIN kan opnås fra mange leverandører. Et valg af fotodiode er meget vigtigt, når man designer et kredsløb baseret på den krævede ydelse samt egenskaber.
En PN-fotodiode fungerer ikke i omvendt forspænding, og det er derfor mere hensigtsmæssigt at anvende svagt lys for at forbedre lydens ydeevne.

PIN-fotodioden, der fungerer i omvendt bias, kan indføre en støjstrøm for at mindske S / N-forholdet
Til applikationer med højt dynamisk område giver omvendt forspænding god ydeevne
Ved høje BW-applikationer vil omvendt forspænding give god ydeevne som kapacitansen blandt regionerne P & N, og lagring af opladningskapacitet er lille.

Fordele

Det fordelene ved fotodiode inkluderer følgende.

Mindre modstand
Hurtig og høj driftshastighed
Lang levetid
Hurtigste fotodetektor
Spektral respons er god
Bruger ikke højspænding
Frekvensrespons er god
Solid og lav vægt
Det er ekstremt lydhør over for lyset
Mørk strøm er læse
Høj kvanteeffektivitet
Mindre støj

Ulemper

Det ulemper ved fotodiode inkluderer følgende.

Temperaturstabilitet er dårlig
Ændring inden for strømmen er ekstremt lille, derfor er det muligvis ikke nok til at drive kredsløbet
Det aktive område er lille
Sædvanlig PN-krydsfotodiode inkluderer en høj responstid
Det har mindre følsomhed
Det fungerer hovedsageligt afhængigt af temperaturen
Det bruger offset spænding

Anvendelser af fotodiode

Anvendelserne af fotodioder involverer lignende anvendelser af fotodetektorer som ladekoblede enheder, fotoledere og fotomultiplikatorrør.
Disse dioder bruges i forbrugerelektronik som f.eks røgdetektorer , cd-afspillere og fjernsyn og fjernbetjeninger i videobåndoptagere.
I andre forbrugsenheder som urradioer, kameralysemålere og gadebelysning bruges fotokonduktører hyppigere end fotodioder.
Fotodioder bruges ofte til nøjagtig måling af lysintensiteten i videnskab og industri. Generelt har de et forbedret, mere lineært svar end fotoledere.
Fotodioder er også meget brugt i adskillige medicinske applikationer som instrumenter til at analysere prøver, detektorer til computertomografi og også bruges i blodgasovervågning.
Disse dioder er meget hurtigere og mere komplekse end normale PN-forbindelsesdioder og bruges derfor ofte til lysregulering og i optisk kommunikation.

V-I-egenskaber ved fotodiode

En fotodiode fungerer konstant i omvendt forspændingstilstand. Fotodiodens karakteristika er vist tydeligt i den følgende figur, at fotostrømmen er næsten uafhængig af den omvendte forspænding, der påføres. For nul luminans er fotostrømmen næsten nul, undtagen for lille mørk strøm. Det er af størrelsesordenen nano ampere. Når den optiske effekt stiger, stiger fotostrømmen også lineært. Den maksimale fotostrøm er ufuldstændig af fotodiodeens strømafbrydelse.

Egenskaber

Således handler dette om fotodiode fungerer princip , egenskaber og applikationer. Optoelektroniske enheder som fotodioder fås i forskellige typer, som bruges i næsten alle elektroniske enheder. Disse dioder bruges sammen med IR-lyskilder som neon, laser-LED og fluorescerende. Sammenlignet med andre lysdetekteringsdioder er disse dioder ikke dyre. Vi håber, at du har fået en bedre forståelse af dette koncept. Desuden eventuelle spørgsmål vedrørende dette koncept eller implementering elektriske og elektroniske projekter til ingeniørstuderende . Giv dine værdifulde forslag ved at kommentere i kommentarfeltet nedenfor. Her er et spørgsmål til dig, hvad er funktionen af en fotodiode ?

Fotokreditter: