Vad är en fotodiod? (Del 1)

Fotodiodär en halvledarenhet som omvandlar ljus till ström, och mellan de p (positiva) och n (negativa) lagren finns ett inneboende lager. En fotodiod tar emot ljusenergi som en ingång för att producera en elektrisk ström. Fotodioder är också kända som fotodetektorer, fotoelektriska sensorer eller ljusdetektorer.

Fotodioden arbetar under omvända förspänningsförhållanden, det vill säga att P-sidan av fotodioden är ansluten till den negativa elektroden på batteriet (eller strömförsörjningen), och N-sidan är ansluten till den positiva elektroden på batteriet. Typiska fotodiodmaterial är kisel, germanium, indiumgalliumarsenidfosfid och indiumgalliumarsenid.

Inuti har fotodioden ett ljusfilter, inbyggd lins och ytarea. När fotodiodens ytarea ökas reduceras svarstiden. Väldigt få fotodioder ser ut som lysdioder (LED). Den har två terminaler, som visas nedan. Den mindre terminalen fungerar som katod och den längre terminalen fungerar som anod.

Symbolen för fotodioden liknar symbolen för lysdioden, men pilen pekar inuti istället för utanför i lysdioden. Bilden nedan visar symbolen för fotodioden.

1. Fotodiodprincip

Fotodioder fungerar genom att skapa ett par elektronhål när en energisk foton träffar dioden. Denna mekanism är också känd som den interna fotoelektriska effekten. Om absorption sker i utarmningsområdets övergång, avlägsnas bärarna från korsningen av det inre elektriska fältet i utarmningsområdet.

Vanligtvis, när ljus lyser upp PN-övergången, joniseras den kovalenta bindningen. Detta skapar hål och elektronpar. Fotoströmmen genereras på grund av genereringen av elektron-hålpar. När fotoner med energier större än 1,1 eV träffar dioden bildas elektron-hålpar. När fotonen går in i diodens utarmningsregion träffar den atomen med hög energi. Detta resulterar i att elektroner frigörs från atomstrukturen. När elektroner frigörs skapas fria elektroner och hål.

I allmänhet har elektroner en negativ laddning och hål har en positiv laddning. Utarmad energi kommer att ha ett inbyggt elektriskt fält. På grund av detta elektriska fält är elektron-hålsparet långt borta från PN-övergången. Således rör sig hålen mot anoden och elektronerna rör sig mot katoden för att producera en fotoström.

Fotonabsorptionsintensitet och fotonenergi är proportionella mot varandra. Ju mindre energi fotot har, desto mer absorberar det. Hela denna process kallas den interna fotoelektriska effekten.

Inre excitation och extrinsic excitation är två metoder för fotonexcitation. Den inneboende excitationsprocessen inträffar när elektroner i valensbandet exciteras av fotoner till ledningsbandet.

2. Arbetskrets för fotodioden

Fotodioder fungerar huvudsakligen i tre olika lägen, som är:

(1) Fotovoltaiskt läge

(2) Fotokonduktivt läge

(3)Lavindiodläge

(1) Fotovoltaiskt läge

Detta läge kallas även nollförspänningsläge. Detta läge är att föredra när fotodioder fungerar i lågfrekventa applikationer och superenerginivåljusapplikationer. När blixten träffar fotodioden skapar den en spänning. Den resulterande spänningen kommer att ha ett mycket litet dynamiskt område och kommer att ha olinjära egenskaper. När fotodioden är konfigurerad med OP-AMP i detta läge blir temperaturförändringen mycket liten.

(2) Fotokonduktivt läge

I detta läge kommer fotodioden att arbeta under omvända förspänningsförhållanden. Katoden är positiv och anoden är negativ. När backspänningen ökar, ökar också bredden på utarmningsskiktet. Som ett resultat kommer svarstiden och korsningens kapacitans att reduceras. Däremot är detta driftsätt snabbt och genererar elektroniskt brus.

(3)Lavindiodläge

Lavindioder arbetar under höga omvända förspänningsförhållanden, vilket tillåter lavinnedbrytning att multiplicera till varje elektron-hålpar som produceras av fotoelektricitet. Resultatet är den interna förstärkningen av fotodioden, som långsamt ökar enhetens svar.

(4) Fotodiodkrets

Kopplingsschemat för fotodioden visas nedan. Kretsen kan konstrueras med ett 10k motstånd och fotodiod. När fotodioden märker ljuset låter den en del ström passera genom den. Summan av strömmen som tillförs genom dioden kan vara proportionell mot summan av ljuset som observeras genom dioden.

3. Anslut fotodioden till den externa kretsen

Fotodioden arbetar i en omvänt förspänd krets. Anoden är ansluten till kretsens jord och katoden är ansluten till kretsens positiva matningsspänning. När den är upplyst av ljus flyter en elektrisk ström från katoden till anoden.

När fotodioder används med en extern krets kopplas de till en strömkälla i kretsen. Strömmen som genereras av fotodioden kommer att vara mycket liten. Detta strömvärde är inte tillräckligt för att driva den elektroniska enheten. Därför, när de är anslutna till en extern strömkälla, ger den mer ström till kretsen. Så batteriet används som strömkälla. Batterikällan hjälper till att öka det aktuella värdet, vilket bidrar till bättre prestanda för externa enheter.

4. Tillverkningsprocess för fotodioder

Fotodiodmaterial

Materialet i en fotodiod bestämmer många av dess egenskaper. Nyckelegenskapen är ljusvågen fotodioden reagerar på, och den andra är brusnivån, som båda till stor del beror på materialet som används i fotodioden.

Olika svar på våglängder uppstår på grund av användningen av olika material eftersom endast fotoner med tillräckligt med energi för att excitera elektroner i materialets bandgap producerar betydande energi för att generera strömmen från fotodioden.

Även om materialets våglängdskänslighet är mycket viktig, är en annan parameter som kan ha en betydande inverkan på fotodiodens prestanda den genererade brusnivån.

På grund av deras större bandgap producerar kiselfotodioder mindre brus än germaniumfotodioder. Det finns emellertid också ett behov av att överväga våglängden för den fotodiod som krävs, och germaniumfotodioder måste användas för våglängder längre än cirka 1000 nm.

Gå till del 2 för att lära dig mer.

Kontaktinformation:

Om du har några idéer får du gärna prata med oss. Oavsett var våra kunder är och vilka våra krav är, kommer vi att följa vårt mål att ge våra kunder hög kvalitet, låga priser och den bästa servicen.