En fotodiode er en PN-kryssdiode som bruker lysenergi for å produsere en elektrisk strøm. Noen ganger kalles det også en fotodetektor, en lysdetektor og fotosensor. Disse diodene er spesielt designet for å fungere under omvendte forspenningsforhold, det betyr at P-siden til fotodioden er assosiert med den negative terminalen på batteriet, og n-siden er koblet til den positive terminalen på batteriet. Denne dioden er veldig kompleks for lys, så når lys faller på dioden, endrer den lett lys til en elektrisk strøm. Solcellen er også stemplet som en storfotodiode fordi den konverterer solenergi til elektrisk energi . Selv om solceller fungerer bare i sterkt lys.

Hva er fotodiode?

En fotodiode er en type lysdetektor, som brukes til å konvertere lyset til strøm eller spenning basert på driftsmåten til enheten. Den består av optiske filtre, innebygde linser og overflater. Disse diodene har sakte responstid når fotodiodeoverflaten øker. Fotodioder er like vanlige halvlederdioder, men at de kan være enten synlige for å la lyset nå den delikate delen av enheten. Flere dioder beregnet på bruk nøyaktig som en fotodiode vil også bruke et PIN-kryss enn det vanlige PN-krysset.

Noen fotodioder vil se ut en lysdiode . De har to terminaler som kommer fra slutten. Den mindre enden av dioden er katodeterminalen, mens den lengre enden av dioden er anodeterminalen. Se følgende skjematisk diagram for anode- og katodesiden. Under forspent tilstand vil den konvensjonelle strømmen strømme fra anoden til katoden, etter pilen i diodesymbolet. Fotostrøm flyter i motsatt retning.

Typer fotodiode

Selv om det er mange typer fotodioder tilgjengelig i markedet, og de fungerer alle på de samme grunnleggende prinsippene, selv om noen forbedres av andre effekter. Arbeidet med forskjellige typer fotodioder fungerer på en litt annen måte, men den grunnleggende driften av disse diodene forblir den samme. Typene fotodioder kan klassifiseres ut fra deres konstruksjon og fungerer som følger.

PN-fotodiode
Schottky Photo Diode
PIN-fotodiode
Skredfotodiode

PN-fotodiode

Den første utviklede typen fotodiode er PN-typen. Sammenlignet med andre typer er ytelsen ikke avansert, men for tiden brukes den i flere applikasjoner. Fotodeteksjonen skjer hovedsakelig i uttømmingsområdet til dioden. Denne dioden er ganske liten, men følsomheten er ikke stor sammenlignet med andre. Se denne lenken for å vite mer om PN-dioden.

“4 bit for 4 bit multiplikator ”

PIN-fotodiode

For tiden er den mest brukte fotodioden en PIN-type. Denne dioden samler lysfotonene kraftigere sammenlignet med standard PN-fotodiode fordi det brede indre området mellom P- og N-regionene gjør det mulig å samle mer lys, og i tillegg til dette har den også en lavere kapasitans. Se denne lenken for å vite mer om PIN-dioden.

Skredfotodiode

Denne typen diode brukes i områder med lite lys på grunn av høye forsterkningsnivåer. Det genererer høye støynivåer. Så denne teknologien passer ikke for alle applikasjoner. Vennligst referer til denne lenken for å vite mer om skreddioden.

Schottky fotodiode

Schottky-fotodioden bruker Schottky-dioden, og den inkluderer et lite diodekryss som betyr at det er liten krysskapasitans, så den fungerer i høye hastigheter. Dermed blir denne typen fotodiode ofte brukt i optiske kommunikasjonssystemer med høy båndbredde (BW), som fiberoptiske lenker. Se denne lenken for å vite mer om Schottky-dioden.

Hver type fotodiode har sine egne fordeler og ulemper. Valget av denne dioden kan gjøres basert på applikasjonen. De forskjellige parametrene som skal vurderes ved valg av fotodiode inkluderer hovedsakelig støy, bølgelengde, omvendte forspenningsbegrensninger, forsterkning osv. Fotodiodeens ytelsesparametere inkluderer respons, kvanteffektivitet, transittid eller responstid.

Disse diodene er mye brukt i applikasjoner der deteksjon av tilstedeværelse av lys, farge, posisjon, intensitet er nødvendig. Hovedfunksjonene til disse diodene inkluderer følgende.

Linjæriteten til dioden er god med hensyn til innfallende lys
Støyen er lav.
Responsen er bred spektral
Robust mekanisk
Lett og kompakt
Langt liv

De nødvendige materialene for å lage en fotodiode og området for det elektromagnetiske spektrum bølgelengdeområdet inkluderer følgende

For silisiummateriale vil det elektromagnetiske spektrum bølgelengdeområdet være (190-1100) nm
For Germanium-materiale vil det elektromagnetiske spektrum bølgelengdeområdet være (400-1700) nm
For indiumgalliumarsenidmateriale vil det elektromagnetiske spektrum bølgelengdeområdet være (800-2600) nm
For bly (II) sulfidmateriale vil det elektromagnetiske spektrum bølgelengdeområdet være<1000-3500) nm
For kvikksølv, kadmium Telluride-materiale, vil det elektromagnetiske spektrum bølgelengdeområdet være (400-14000) nm

På grunn av deres bedre båndgap produserer Si-baserte fotodioder lavere støy enn Ge-baserte fotodioder.

Konstruksjon

Fotodiodekonstruksjonen kan gjøres ved hjelp av to halvledere som P-type og N-type. I denne utformingen kan dannelsen av P-type materiale gjøres fra diffusjonen av P-typen substrat som er lett dopet. Så kan P + ionelaget dannes på grunn av diffusjonsmetoden. På underlaget av N-typen kan det epitaksiale laget av N-typen dyrkes.

Fotodiodekonstruksjon

Utviklingen av et P + diffusjonslag kan gjøres over det sterkt dopede N-typen epitaksiale laget. Kontaktene er utformet med metaller for å lage to terminaler som anode og katode. Diodeens frontområde kan deles inn i to typer som aktive og ikke-aktive overflater.

Prosjekteringen av den ikke-aktive overflaten kan gjøres med silisiumdioksid (SiO2). På en aktiv overflate kan lysstrålene slå over den, mens på en ikke-aktiv overflate kan ikke lysstrålene slå. & den aktive overflaten kan dekkes gjennom antirefleksmaterialet, slik at lysets energi ikke kan miste og det høyeste av det kan endres til strømmen.

Arbeid av fotodiode

Arbeidsprinsippet til en fotodiode er at når et foton med rikelig energi slår på dioden, danner det et par elektronhull. Denne mekanismen kalles også den indre fotoelektriske effekten. Hvis absorpsjonen oppstår i uttømmingsregionens kryss, fjernes bærerne fra krysset av det innebygde elektriske feltet i uttømningsområdet.

“12 volt regulert strømforsyning ”

Fotodiode Arbeidsprinsipp

Derfor beveger hull i regionen seg mot anoden, og elektroner beveger seg mot katoden, og en fotostrøm vil bli generert. Hele strømmen gjennom dioden er summen av fraværet av lys og lysstrømmen. Så den fraværende strømmen må reduseres for å maksimere følsomheten til enheten.

Driftsmåter

Driftsmodusene til fotodioden inkluderer tre modi, nemlig Fotovoltaisk modus, Fotokonduktiv modus, en skreddiodemodus

Solcellemodus: Denne modusen er også kjent som null-bias-modus, der en spenning produseres av den lysede fotodioden. Det gir et veldig lite dynamisk område og ikke-lineær nødvendighet av spenningen som dannes.

Fotoledende modus: Fotodioden som brukes i denne fotoledende modusen er vanligvis omvendt forspent. Omvendt spenningsapplikasjon vil øke uttømmingslagets bredde, noe som igjen reduserer responstiden og krysskapasitansen. Denne modusen er for rask og viser elektronisk støy

Lavin-diodemodus: Skreddioder fungerer i en høy omvendt forspenningstilstand, som tillater multiplikasjon av et skred sammenbrudd til hvert fotoproduserte elektronhullspar. Dette resultatet er en intern forsterkning i fotodioden, som sakte øker enhetens respons.

Hvorfor brukes fotodiode i omvendt skjevhet?

Fotodioden fungerer i modus for fotoledende. Når dioden er koblet i omvendt forspenning, kan uttømmingslagets bredde økes. Så dette vil redusere kapasitansen til krysset og responstiden. Faktisk vil denne forspenningen føre til raskere responstider for dioden. Så forholdet mellom lysstrøm og lysstyrke er lineært proporsjonalt.

Hvilken er bedre fotodiode eller fototransistor?

Både fotodioden og fototransistoren brukes til å konvertere lysets energi til elektrisk. Imidlertid er fototransistoren mer responsiv i motsetning til fotodioden på grunn av bruken av transistoren.

Transistoren endrer grunnstrømmen som forårsaker på grunn av lysabsorpsjon, og den enorme utgangsstrømmen kan derfor oppnås gjennom transistorens kollektorterminal. Fotodiodenes tidsrespons er veldig rask sammenlignet med fototransistoren. Så det er aktuelt der svingninger i kretsen oppstår. For bedre å understreke, her har vi listet opp noen punkter med fotodiode mot fotoresistor.

Fotodiode	Fototransistor
Halvlederenheten som omdanner energien fra lys til elektrisk strøm er kjent som en fotodiode.	Fototransistoren brukes til å endre lysenergien til en elektrisk strøm ved hjelp av transistoren.
Den genererer både strøm og spenning	Det genererer strøm
Svartiden er hastighet	Svartiden er langsom
Det er mindre responsivt sammenlignet med en fototransistor	Den er responsiv og genererer en enorm o / p-strøm.
Denne dioden fungerer i begge forspenningsforholdene	Denne dioden fungerer bare i forspenning fremover.
Den brukes i en lysmåler, solkraftverk osv	Den brukes til å oppdage lyset

Fotodiodekrets

Kretsskjemaet for fotodioden er vist nedenfor. Denne kretsen kan bygges med en 10k motstand og fotodiode. Når fotodioden merker lyset, tillater det litt strøm av strøm gjennom det. Summen av strøm som tilføres gjennom denne dioden kan være direkte proporsjonal med summen av lys som blir lagt merke til gjennom dioden.

Kretsdiagram

Koble til en fotodiode i en ekstern krets

I alle applikasjoner fungerer fotodioden i omvendt forspenningsmodus. Kretsens anodeterminal kan kobles til bakken mens katodeterminalen er koblet til strømkilden. Når den er opplyst gjennom lys, strømmer strøm fra katodeterminalen til anodeterminalen.

Når fotodioder er brukt med utvendige kretser, blir de alliert med en strømkilde i kretsen. Så mengden strøm som genereres gjennom en fotodiode vil være ekstremt liten, så denne verdien er ikke tilstrekkelig til å lage en elektronisk enhet.

Når de er koblet til en ekstern strømkilde, leverer den mer strøm mot kretsen. I denne kretsen brukes batteriet som en strømkilde for å hjelpe til med å øke verdien av strøm slik at eksterne enheter gir bedre ytelse.

Fotodiodeeffektivitet

Fotodiodens kvanteffektivitet kan defineres som delingen av de absorberte fotonene som donerer til fotostrømmen. For disse dioder er det åpent assosiert med responsen ‘S’ uten effekt av et skred, da kan fotostrømmen uttrykkes som

I = S P = ηe / hv. P

Hvor,

‘Η’ er kvanteeffektiviteten

‘E’ er ladningen til elektronet

‘Hν’ er fotonens energi

Fotodiodenes kvanteeffektivitet er ekstremt høy. I noen tilfeller vil det være over 95%, men endres mye gjennom bølgelengden. Høy kvanteeffektivitet krever kontroll av refleksjoner bortsett fra en høy indre effektivitet som et antirefleksbelegg.

Respons

Responsen til en fotodiode er forholdet mellom fotostrømmen som genereres, så vel som absorbert optisk effekt kan bestemmes innenfor den lineære delen av responsen. I fotodioder er det normalt maksimalt i et bølgelengdeområde hvor fotonenergien er ganske høyere enn båndgapsenergien og avtar innenfor båndgapsområdet hvor absorpsjonen reduseres.

Fotodiode-beregningen kan gjøres basert på følgende ligning

R = η (e / hv)

Her, i ovenstående ligning, er ‘h ν’ energien til fotonet ‘η’ er effektiviteten til quantum & ‘e’ ladningen til elementær. For eksempel er kvanteffektiviteten til en fotodiode 90% ved en 800 nm bølgelengde, så vil responsen være 0,58 A / W.

For fotomultiplikatorer og skredfotodioder er det en ekstra faktor for multiplikasjon av indre strøm, slik at mulige verdier vil være over 1 A / W. Generelt er ikke multiplikasjonen av strøm inkludert i kvanteeffektiviteten.

PIN-fotodiode Vs PN-fotodiode

Begge fotodiodene som PN & PIN kan oppnås fra mange leverandører. Et valg av fotodiode er veldig viktig når du designer en krets basert på den nødvendige ytelsen og egenskapene.
En PN-fotodiode fungerer ikke i omvendt skjevhet, og det er derfor mer hensiktsmessig å bruke lite lys for å forbedre ytelsen til støy.

“hva er en ladestyring ”

PIN-fotodioden som fungerer i omvendt skjevhet kan introdusere en støystrøm for å redusere S / N-forholdet
For applikasjoner med høyt dynamisk område vil omvendt forspenning gi god ytelse
For applikasjoner med høy BW vil omvendt forspenning gi god ytelse som kapasitansen blant regionene P&N og lagring av ladekapasitet er liten.

Fordeler

De fordelene med fotodiode Inkluder følgende.

Mindre motstand
Rask og høy driftshastighet
Lang levetid
Raskeste fotodetektor
Spektral respons er bra
Bruker ikke høyspenning
Frekvensresponsen er god
Solid og lav vekt
Det er ekstremt lydhør overfor lyset
Mørk strøm er leser
Høy kvanteeffektivitet
Mindre støy

Ulemper

De ulemper med fotodiode Inkluder følgende.

Temperaturstabiliteten er dårlig
Endring i strømmen er ekstremt liten, derfor er det kanskje ikke nok å drive kretsen
Det aktive området er lite
Vanlig PN-kryssfotodiode inkluderer høy responstid
Den har mindre følsomhet
Det fungerer hovedsakelig avhengig av temperaturen
Den bruker offset-spenning

Anvendelser av fotodiode

Anvendelsene av fotodioder involverer lignende applikasjoner av fotodetektorer som ladekoblede enheter, fotoledere og fotomultiplikatorrør.
Disse diodene brukes i forbrukerelektroniske enheter som røykvarslere , CD-spillere og TV-er og fjernkontroller i videospillere.
I andre forbrukerenheter som klokkeradioer, kameralysemålere og gatelys, brukes fotoledere oftere i stedet for fotodioder.
Fotodioder brukes ofte til nøyaktig måling av lysintensiteten i vitenskap og industri. Generelt har de en forbedret, mer lineær respons enn fotoledere.
Fotodioder er også mye brukt i mange medisinske applikasjoner som instrumenter for å analysere prøver, detektorer for computertomografi, og også brukt i blodgassmonitorer.
Disse diodene er mye raskere og mer komplekse enn normale PN-kryssdioder, og blir derfor ofte brukt til lysregulering og i optisk kommunikasjon.

V-I-egenskaper ved fotodiode

En fotodiode fungerer kontinuerlig i omvendt forspenningsmodus. Karakteristikken til fotodioden er tydelig vist i følgende figur, at fotostrømmen er nesten uavhengig av omvendt forspenning som påføres. For null luminans er lysstrømmen nesten null unntatt for liten mørk strøm. Det er i størrelsesorden nano ampere. Når den optiske effekten stiger, øker fotostrømmen også lineært. Maksimal fotostrøm er ufullstendig av strømforsyningen til fotodioden.

Kjennetegn

Dermed handler dette om fotodiode arbeidsprinsipp , egenskaper og applikasjoner. Optoelektroniske enheter som fotodioder er tilgjengelige i forskjellige typer som brukes i nesten alle elektroniske enheter. Disse diodene brukes med IR-lyskilder som neon, laser-LED og fluorescerende. Sammenlignet med andre lysdeteksjonsdioder er disse diodene ikke dyre. Vi håper at du har fått en bedre forståelse av dette konseptet. Videre eventuelle spørsmål angående dette konseptet eller å implementere elektriske og elektroniske prosjekter for ingeniørstudenter . Vennligst gi dine verdifulle forslag ved å kommentere i kommentarfeltet nedenfor. Her er et spørsmål til deg, hva er funksjonen til en fotodiode ?

Fotokreditter: