Kas ir fotodiode? (1. daļa)

Fotodiodeir pusvadītāju ierīce, kas pārvērš gaismu strāvā, un starp p (pozitīvo) un n (negatīvo) slāni atrodas iekšējais slānis. Fotodiode saņem gaismas enerģiju kā ievadi, lai radītu elektrisko strāvu. Fotodiodes ir pazīstamas arī kā fotodetektori, fotoelektriskie sensori vai gaismas detektori.

Fotodiode darbojas apgrieztā slīpuma apstākļos, tas ir, fotodiodes P puse ir savienota ar akumulatora negatīvo elektrodu (vai barošanas avotu), bet N puse ir savienota ar akumulatora pozitīvo elektrodu. Tipiski fotodiožu materiāli ir silīcijs, germānija, indija gallija arsenīda fosfīds un indija gallija arsenīds.

Fotodiodes iekšpusē ir gaismas filtrs, iebūvēts objektīvs un virsmas laukums. Palielinot fotodiodes virsmas laukumu, reakcijas laiks samazinās. Ļoti maz fotodiožu izskatās pēc gaismas diodēm (LED). Tam ir divi termināļi, kā parādīts zemāk. Mazākā spaile kalpo kā katods, bet garākā spaile kalpo kā anods.

Fotodiodes simbols ir līdzīgs gaismas diodes simbolam, bet bultiņa ir vērsta gaismas diodes iekšpusē, nevis ārpusē. Zemāk esošajā attēlā redzams fotodiodes simbols.

1. Fotodiodes princips

Fotodiodes darbojas, izveidojot elektronu caurumu pāri, kad enerģisks fotons saskaras ar diodi. Šo mehānismu sauc arī par iekšējo fotoelektrisko efektu. Ja absorbcija notiek izsīkuma reģiona krustojumā, nesējus no savienojuma noņem iekšējais elektriskais lauks izsīkuma reģionā.

Parasti, kad gaisma apgaismo PN savienojumu, kovalentā saite tiek jonizēta. Tas rada caurumus un elektronu pārus. Fotostrāva rodas elektronu-caurumu pāru ģenerēšanas dēļ. Kad fotoni, kuru enerģija ir lielāka par 1,1 eV, ietriecas diodē, veidojas elektronu caurumu pāri. Kad fotons nonāk diodes izsīkuma zonā, tas ar lielu enerģiju ietriecas atomā. Tā rezultātā no atomu struktūras tiek atbrīvoti elektroni. Kad elektroni tiek atbrīvoti, rodas brīvie elektroni un caurumi.

Parasti elektroniem ir negatīvs lādiņš, un caurumiem ir pozitīvs lādiņš. Iztērētajai enerģijai būs iebūvēts elektriskais lauks. Šī elektriskā lauka dēļ elektronu caurumu pāris atrodas tālu no PN krustojuma. Tādējādi caurumi virzās uz anodu un elektroni virzās uz katodu, lai radītu fotostrāvu.

Fotonu absorbcijas intensitāte un fotonu enerģija ir proporcionālas viena otrai. Jo mazāk fotoattēlā ir enerģijas, jo vairāk tas absorbē. Visu šo procesu sauc par iekšējo fotoelektrisko efektu.

Iekšējā ierosme un ārējā ierosme ir divas fotonu ierosmes metodes. Iekšējais ierosmes process notiek, kad elektronus valences joslā ierosina fotoni uz vadīšanas joslu.

2. Fotodiodes darba shēma

Fotodiodes galvenokārt darbojas trīs dažādos režīmos, kas ir:

(1) Fotoelektriskais režīms

(2) Fotovadītspējas režīms

(3) Lavīnas diodes režīms

(1) Fotoelektriskais režīms

Šo režīmu sauc arī par nulles novirzes režīmu. Šis režīms ir vēlams, ja fotodiodes darbojas zemas frekvences lietojumos un superenerģijas līmeņa apgaismojumā. Kad zibspuldze saskaras ar fotodiodi, tā rada spriegumu. Iegūtajam spriegumam būs ļoti mazs dinamiskais diapazons un tam būs nelineāri raksturlielumi. Ja fotodiode šajā režīmā ir konfigurēta ar OP-AMP, temperatūras izmaiņas būs ļoti mazas.

(2) Fotovadītspējas režīms

Šajā režīmā fotodiode darbosies apgrieztā slīpuma apstākļos. Katods ir pozitīvs un anods ir negatīvs. Palielinoties reversajam spriegumam, palielinās arī noplicināšanas slāņa platums. Tā rezultātā tiks samazināts reakcijas laiks un savienojuma kapacitāte. Turpretim šis darbības režīms ir ātrs un rada elektroniskus trokšņus.

(3) Lavīnas diodes režīms

Lavīnu diodes darbojas augstas apgrieztās nobīdes apstākļos, kas ļauj lavīnu sadalījumam vairoties katrā elektronu caurumu pārī, ko rada fotoelektrība. Rezultāts ir fotodiodes iekšējais pastiprinājums, kas lēnām palielina ierīces reakciju.

(4) Fotodiodes ķēde

Fotodiodes shēmas shēma ir parādīta zemāk. Ķēdi var izveidot ar 10k rezistoru un fotodiodi. Kad fotodiode pamana gaismu, tā ļauj tai iziet cauri strāvai. Caur diodi piegādātās strāvas summa var būt proporcionāla caur diodi novērotās gaismas summai.

3. Pievienojiet fotodiodi ārējai ķēdei

Fotodiode darbojas apgrieztā nobīdes ķēdē. Anods ir savienots ar ķēdes zemi, bet katods ir savienots ar ķēdes pozitīvo barošanas spriegumu. Kad to apgaismo gaisma, no katoda uz anodu plūst elektriskā strāva.

Ja fotodiodes tiek izmantotas ar ārēju ķēdi, tās tiek savienotas ar strāvas padevi ķēdē. Fotodiodes radītā strāva būs ļoti maza. Šī pašreizējā vērtība nav pietiekama, lai vadītu elektronisko ierīci. Tāpēc, kad tie ir pievienoti ārējam barošanas avotam, ķēdei tiek nodrošināta lielāka strāva. Tāpēc akumulators tiek izmantots kā strāvas avots. Akumulatora avots palīdz palielināt pašreizējo vērtību, veicinot ārējo ierīču labāku veiktspēju.

4. Fotodiodes ražošanas process

Fotodiodes materiāls

Fotodiodes materiāls nosaka daudzas tā īpašības. Galvenā īpašība ir gaismas vilnis, uz kuru reaģē fotodiode, un otrs ir trokšņu līmenis, kas abi lielā mērā ir atkarīgi no fotodiodē izmantotā materiāla.

Atšķirīgas reakcijas uz viļņu garumiem rodas dažādu materiālu izmantošanas dēļ, jo tikai fotoni, kuriem ir pietiekami daudz enerģijas, lai ierosinātu elektronus materiāla joslas spraugā, rada ievērojamu enerģiju, lai ģenerētu strāvu no fotodiodes.

Lai gan materiāla viļņa garuma jutība ir ļoti svarīga, vēl viens parametrs, kas var būtiski ietekmēt fotodiodes darbību, ir radītā trokšņa līmenis.

Lielākas joslas spraugas dēļ silīcija fotodiodes rada mazāk trokšņa nekā germānija fotodiodes. Tomēr ir jāņem vērā arī nepieciešamās fotodiodes viļņa garums, un germānija fotodiodes ir jāizmanto viļņiem, kas garāki par aptuveni 1000 nm.

Dodieties uz 2. daļu, lai uzzinātu vairāk.

Kontaktinformācija:

Ja jums ir kādas idejas, droši sazinieties ar mums. Neatkarīgi no tā, kur atrodas mūsu klienti un kādas ir mūsu prasības, mēs ievērosim savu mērķi nodrošināt saviem klientiem augstu kvalitāti, zemas cenas un vislabāko servisu.