Mis on fotodiood? (1. osa)

Fotodioodon pooljuhtseade, mis muudab valguse vooluks ning p (positiivse) ja n (negatiivse) kihi vahel on sisemine kiht. Fotodiood saab valgusenergiat sisendina elektrivoolu tekitamiseks. Fotodioode tuntakse ka fotodetektorite, fotoelektriliste andurite või valgusdetektoritena.

Fotodiood töötab vastupidise eelpinge tingimustes, see tähendab, et fotodioodi P-pool on ühendatud aku negatiivse elektroodiga (või toiteallikaga) ja N-pool on ühendatud aku positiivse elektroodiga. Tüüpilised fotodioodimaterjalid on räni, germaanium, indiumgalliumarseniidfosfiid ja indiumgalliumarseniid.

Sees on fotodioodil valgusfilter, sisseehitatud lääts ja pindala. Kui fotodioodi pindala suurendatakse, väheneb reaktsiooniaeg. Väga vähesed fotodioodid näevad välja nagu valgusdioodid (LED). Sellel on kaks terminali, nagu allpool näidatud. Väiksem klemm toimib katoodina ja pikem klemm anoodina.

Fotodioodi sümbol on sarnane LED-i sümboliga, kuid nool osutab LED-is, mitte väljapoole. Alloleval pildil on fotodioodi sümbol.

1. Fotodioodi põhimõte

Fotodioodid loovad paari elektroni auke, kui energiline footon tabab dioodi. Seda mehhanismi tuntakse ka sisemise fotoelektrilise efektina. Kui neeldumine toimub ammendumise piirkonna ristmikul, eemaldatakse kandjad ühendusest ammendumise piirkonnas sisemise elektrivälja toimel.

Tavaliselt, kui valgus valgustab PN-ristmikku, kovalentne side ioniseerub. Nii tekivad augud ja elektronpaarid. Fotovool tekib elektron-augu paaride tekke tõttu. Kui fotonid energiaga üle 1,1eV tabavad dioodi, tekivad elektron-augu paarid. Kui footon siseneb dioodi ammendumise piirkonda, tabab see aatomit suure energiaga. Selle tulemuseks on elektronide vabanemine aatomistruktuurist. Elektronide vabanemisel tekivad vabad elektronid ja augud.

Üldiselt on elektronidel negatiivne laeng ja aukudel positiivne laeng. Ammendatud energial on sisseehitatud elektriväli. Selle elektrivälja tõttu on elektron-augu paar PN-siirdest kaugel. Seega liiguvad augud anoodi poole ja elektronid katoodi poole, et tekitada fotovool.

Footoni neeldumise intensiivsus ja footoni energia on üksteisega võrdelised. Mida vähem fotol on energiat, seda rohkem see neelab. Kogu seda protsessi nimetatakse sisemiseks fotoelektriliseks efektiks.

Sisemine ergastus ja väline ergastus on kaks footoni ergastamise meetodit. Sisemine ergastusprotsess toimub siis, kui valentsribas olevad elektronid ergastatakse footonitega juhtivusribale.

2. Fotodioodi tööahel

Fotodioodid töötavad peamiselt kolmes erinevas režiimis, milleks on:

(1) Fotogalvaaniline režiim

(2) Fotojuhtiv režiim

(3) Laviindioodi režiim

(1) Fotogalvaaniline režiim

Seda režiimi nimetatakse ka nullkallutatuse režiimiks. See režiim on eelistatud, kui fotodioodid töötavad madala sagedusega rakendustes ja ülienergiatasemega valgusrakendustes. Kui välklamp tabab fotodioodi, tekitab see pinge. Saadud pinge dünaamiline ulatus on väga väike ja sellel on mittelineaarsed omadused. Kui fotodiood on selles režiimis konfigureeritud OP-AMP-ga, on temperatuurimuutus väga väike.

(2) Fotojuhtiv režiim

Selles režiimis töötab fotodiood vastupidise nihke tingimustes. Katood on positiivne ja anood negatiivne. Pöördpinge kasvades suureneb ka tühjenduskihi laius. Selle tulemusena väheneb reaktsiooniaeg ja ristmiku mahtuvus. Seevastu see töörežiim on kiire ja tekitab elektroonilist müra.

(3) Laviindioodi režiim

Laviinidioodid töötavad suure pöördnihke tingimustes, mis võimaldavad laviini purunemisel paljuneda iga fotoelektri poolt toodetud elektron-augu paarini. Tulemuseks on fotodioodi sisemine võimendus, mis suurendab aeglaselt seadme reaktsiooni.

(4) Fotodioodiahel

Fotodioodi skeem on näidatud allpool. Ahela saab ehitada 10k takisti ja fotodioodiga. Kui fotodiood valgust märkab, laseb see voolu läbi. Dioodi kaudu antava voolu summa võib olla võrdeline läbi dioodi vaadeldava valguse summaga.

3. Ühendage fotodiood välise vooluringiga

Fotodiood töötab pöördpingestusega ahelas. Anood on ühendatud vooluahela maandusega ja katood on ühendatud ahela positiivse toitepingega. Valguse valguses liigub katoodilt anoodile elektrivool.

Kui fotodioode kasutatakse välise vooluahelaga, ühendatakse need ahelas oleva toiteallikaga. Fotodioodi tekitatav vool on väga väike. See praegune väärtus ei ole elektroonikaseadme juhtimiseks piisav. Seega, kui need on ühendatud välise toiteallikaga, annab see vooluringile rohkem voolu. Seega kasutatakse akut toiteallikana. Akuallikas aitab tõsta voolu väärtust, aidates kaasa välisseadmete paremale jõudlusele.

4. Fotodioodide tootmisprotsess

Fotodioodi materjal

Fotodioodi materjal määrab ära paljud selle omadused. Peamine omadus on valguslaine, millele fotodiood reageerib, ja teine ​​​​on müratase, mis mõlemad sõltuvad suuresti fotodioodis kasutatud materjalist.

Erinevate materjalide kasutamise tõttu tekivad erinevad vastused lainepikkustele, kuna ainult footonid, millel on piisavalt energiat, et ergutada materjali ribalaius olevaid elektrone, toodavad olulist energiat fotodioodist voolu tekitamiseks.

Kuigi materjali lainepikkuse tundlikkus on väga oluline, on veel üks parameeter, mis võib fotodioodi jõudlust oluliselt mõjutada, tekitatud müra tase.

Suurema ribalaiuse tõttu tekitavad ränifotodioodid vähem müra kui germaaniumfotodioodid. Siiski on vaja arvestada ka vajaliku fotodioodi lainepikkusega ja germaaniumfotodioode tuleb kasutada lainepikkustel, mis on pikemad kui umbes 1000 nm.

Lisateabe saamiseks minge 2. osasse.

Kontaktinfo:

Kui teil on ideid, võtke meiega ühendust. Pole tähtis, kus meie kliendid on ja millised on meie nõudmised, järgime oma eesmärki pakkuda oma klientidele kõrget kvaliteeti, madalaid hindu ja parimat teenust.