Mikä on fotodiodi: Toimintaperiaate ja sen ominaisuudet

Valodiodi on a PN-liitosdiodi joka kuluttaa valoenergiaa sähkövirran tuottamiseksi. Joskus sitä kutsutaan myös valokuva-ilmaisimeksi, valonilmaisimeksi ja valokuva-anturiksi. Nämä diodit on erityisesti suunniteltu toimimaan käänteisissä esijännitysolosuhteissa, se tarkoittaa, että fotodiodin P-puoli liittyy akun miinusnapaan ja n-puoli on kytketty akun positiiviseen napaan. Tämä diodi on hyvin monimutkainen valolle, joten kun valo putoaa diodille, se muuttaa valon helposti sähkövirraksi. Aurinkokenno on myös merkitty suuren alueen valodiodiksi, koska se muuntaa aurinkoenergian sähköenergiaksi . Vaikka aurinkokenno toimii vain kirkkaassa valossa.

Mikä on Photodiode?

Valodiodi on eräänlainen valonilmaisin, jota käytetään muuntamaan valo virraksi tai jännitteeksi laitteen toimintatavan perusteella. Se sisältää optiset suodattimet, sisäänrakennetut linssit ja myös pinta-alat. Näillä diodeilla on hidas vasteaika, kun fotodiodin pinta-ala kasvaa. Valodiodit ovat samanlaisia ​​kuin tavalliset puolijohdediodit, mutta ne voivat olla joko näkyvissä päästääkseen valoa laitteen herkkään osaan. Useat diodit tarkoitettu Käytä tarkalleen fotodiodina myös PIN-liitäntää jonkin verran kuin tavallinen PN-liitos.

Jotkut fotodiodit näyttävät valodiodi . Heillä on kaksi päätettä tulevasta päästä. Diodin pienempi pää on katodiliitin, kun taas diodin pidempi pää on anodiliitin. Katso seuraava kaaviokuva anodin ja katodin puolista. Eteenpäin suuntautuvassa esijännitetilassa tavanomainen virta virtaa anodista katodiin diodisymbolissa olevan nuolen mukaisesti. Valovirta virtaa vastakkaiseen suuntaan.

Valodiodityypit

Vaikka markkinoilla on lukemattomia valodiodityyppejä, ja ne kaikki toimivat samojen perusperiaatteiden mukaisesti, vaikka muut vaikutukset parantavatkin niitä. Erityyppisten fotodiodien toiminta toimii hieman eri tavalla, mutta näiden diodien perustoiminta pysyy samana. Valodiodien tyypit voidaan luokitella niiden rakenteen ja toiminnan perusteella seuraavasti.

• PN-valodiodi
• Schottky-valodiodi
• PIN-valodiodi
• Avalanche Photodiode

PN-valodiodi

Ensimmäinen kehitetty valodiodityyppi on PN-tyyppi. Muihin tyyppiin verrattuna sen suorituskyky ei ole edistynyt, mutta tällä hetkellä sitä käytetään useissa sovelluksissa. Valohavainnointia tapahtuu pääasiassa diodin ehtymisalueella. Tämä diodi on melko pieni, mutta sen herkkyys ei ole suuri verrattuna muihin. Katso tämä linkki saadaksesi lisätietoja PN-diodista.

PIN-valodiodi

Tällä hetkellä yleisimmin käytetty valodiodi on PIN-tyyppinen. Tämä diodi kerää valofotonit tehokkaammin verrattuna tavalliseen PN-fotodiodiin, koska P- ja N-alueiden välinen laaja sisäinen alue mahdollistaa suuremman valon keräämisen, ja lisäksi se tarjoaa myös pienemmän kapasitanssin. Katso tämä linkki saadaksesi lisätietoja PIN-diodista.

Avalanche Photodiode

Tällaista diodia käytetään heikossa valaistuksessa alueilla sen korkean vahvistustason vuoksi. Se tuottaa paljon melua. Joten tämä tekniikka ei sovi kaikkiin sovelluksiin. Katso tämä linkki saadaksesi lisätietoja Avalanche-diodista.

Schottky-valodiodi

Schottky-valodiodi käyttää Schottky-diodia, ja se sisältää pienen diodiliitoksen, mikä tarkoittaa, että on olemassa pieni liitoskapasitanssi, joten se toimii suurilla nopeuksilla. Siten tällaista valodiodia käytetään usein suurten kaistaleveyksien (BW) optisissa viestintäjärjestelmissä, kuten valokuituyhteyksissä. Katso tämä linkki saadaksesi lisätietoja Schottky-diodista.

Jokaisella fotodiodityypillä on omat edut ja haitat. Tämän diodin valinta voidaan tehdä sovelluksen perusteella. Eri parametrit, jotka on otettava huomioon valodiodia valittaessa, sisältävät pääasiassa kohinan, aallonpituuden, käänteisen esijännityksen rajoitukset, vahvistuksen jne. Valodiodin suorituskykyparametrit sisältävät vasteellisuuden, kvanttitehokkuuden, siirtymäajan tai vasteajan.

Näitä diodeja käytetään laajalti sovelluksissa, joissa tarvitaan valon, värin, sijainnin, voimakkuuden havaitseminen. Näiden diodien pääpiirteet ovat seuraavat.

• Diodin lineaarisuus on hyvä suhteessa tulevaan valoon
• Melua on vähän.
• Vastaus on laaja spektrinen
• Vankka mekaanisesti
• Kevyt ja kompakti
• Pitkä elämä

Tarvittavat materiaalit valodiodin valmistamiseksi ja sähkömagneettisen spektrin aallonpituusalue sisältävät seuraavat

• Piimateriaalin sähkömagneettisen spektrin aallonpituusalue on (190-1100) nm
• Germaaniummateriaalin sähkömagneettisen spektrin aallonpituusalue on (400-1700) nm
• Indiumgalliumarsenidimateriaalin sähkömagneettisen spektrin aallonpituusalue on (800-2600) nm
• Lyijy (II) -sulfidimateriaalille sähkömagneettisen spektrin aallonpituusalue on<1000-3500) nm
• Elohopean, kadmiumtelluridimateriaalin, sähkömagneettisen spektrin aallonpituusalue on (400-14000) nm

Paremman kaistanleveyden ansiosta Si-pohjaiset valodiodit tuottavat vähemmän kohinaa kuin Ge-pohjaiset valodiodit.

Rakentaminen

Valodiodirakenne voidaan tehdä kahdella puolijohteella, kuten P-tyyppi ja N-tyyppi. Tässä suunnittelussa P-tyyppisen materiaalin muodostus voidaan tehdä kevyesti seostetun P-tyyppisen substraatin diffuusiosta. Joten P + -ionikerros voidaan muodostaa diffuusiomenetelmän takia. N-tyypin substraatilla voidaan kasvattaa N-tyypin epitaksiaalista kerrosta.

Valodiodin rakentaminen

P + -diffuusiokerroksen kehittäminen voidaan tehdä voimakkaasti seostetun N-tyypin epitaksikerroksen päälle. Koskettimet on suunniteltu metallien kanssa kahden liittimen, kuten anodin ja katodin, muodostamiseksi. Diodin etuosa voidaan erottaa kahteen tyyppiin, kuten aktiiviset ja ei-aktiiviset pinnat.

Ei-aktiivisen pinnan suunnittelu voidaan tehdä piidioksidilla (SiO2). Aktiivisella pinnalla valonsäteet voivat iskeä sen yli, kun taas ei-aktiivisella pinnalla valonsäteet eivät voi iskeä. & aktiivinen pinta voidaan peittää heijastuksenestomateriaalilla, jotta valon energia ei voi hävitä ja korkein siitä voidaan muuttaa virraksi.

Valodiodin toiminta

Fotodiodin toimintaperiaate on, että kun diodiin iskeytyy runsaasti energiaa sisältävä fotoni, se muodostaa pari elektronireikää. Tätä mekanismia kutsutaan myös sisäiseksi valosähköiseksi vaikutukseksi. Jos absorptio tapahtuu tyhjennysalueen liitoskohdassa, kantajat poistetaan risteyksestä tyhjentävän alueen sisäänrakennetulla sähkökentällä.

Fotodiodin toimintaperiaate

Siksi reiät alueella liikkuvat kohti anodia ja elektronit liikkuvat kohti katodia, ja syntyy valovirta. Diodin läpi kulkeva koko virta on valon puuttumisen ja valovirran summa. Joten poissaolevirtaa on vähennettävä laitteen herkkyyden maksimoimiseksi.

Toimintatavat

Valodiodin toimintatilat sisältävät kolme tilaa, nimittäin aurinkosähkötila, valojohdotustila, lumivyörydioditila

Aurinkosähkötila: Tämä tila tunnetaan myös nolla-esijännitemoodina, jossa jännite syntyy vaalennetulla valodiodilla. Se antaa muodostuneelle jännitteelle hyvin pienen dynaamisen alueen ja epälineaarisen välttämättömyyden.

Valojohtava tila: Tässä valojohtavassa tilassa käytetty valodiodi on yleensä käänteinen puolueellinen. Käänteinen jännitesovellus lisää tyhjennyskerroksen leveyttä, mikä puolestaan ​​vähentää vasteaikaa ja liitoksen kapasitanssia. Tämä tila on liian nopea ja näyttää elektronista kohinaa

Lumivyörydioditila: Lumivyörydiodit toimivat korkeassa käänteisessä esijännitetilassa, mikä sallii lumivyöryjakauman moninkertaistumisen jokaiselle valokuvan tuottamalle elektronireikäparille. Tämä tulos on fotodiodin sisäinen vahvistus, joka lisää hitaasti laitteen vastetta.

Miksi fotodiodia käytetään käänteisessä esijännityksessä?

Valodiodi toimii valojohtavassa tilassa. Kun diodi on kytketty päinvastaisessa suunnassa, tyhjennyskerroksen leveyttä voidaan lisätä. Joten tämä vähentää liitoksen kapasitanssia ja vasteaikaa. Itse asiassa tämä esijännitys aiheuttaa nopeammat vasteajat diodille. Joten valovirran ja valaistuksen suhde on lineaarisesti verrannollinen.

Mikä on parempi valodiodi tai fototransistori?

Sekä fotodiodia että fototransistoria käytetään muuntamaan valoenergia sähköiseksi. Valotransistori on kuitenkin herkempi vastakohtana fotodiodille transistorin hyödyntämisen vuoksi.

Transistori muuttaa kantavirtaa, joka johtuu valon absorptiosta, ja siksi valtava lähtövirta voidaan saavuttaa koko transistorin kollektoriliittimessä. Valodiodien aikareaktio on erittäin nopea verrattuna fototransistoriin. Joten sitä voidaan soveltaa, jos piirin vaihtelu tapahtuu. Paremman ymmärtämisen vuoksi tässä on lueteltu joitain fotodiodin ja fotoresistorin pisteitä.

Valodiodipiiri

Valodiodin kytkentäkaavio on esitetty alla. Tämä piiri voidaan rakentaa 10 k: n vastuksella ja valodiodilla. Kun fotodiodi huomaa valon, se sallii jonkin verran virtaa koko sen läpi. Tämän diodin kautta syötetyn virran summa voi olla suoraan verrannollinen diodin läpi havaitun valon summaan.

Piirikaavio

Valodiodin kytkeminen ulkoiseen piiriin

Kaikissa sovelluksissa fotodiodi toimii päinvastaisessa esijännitetilassa. Piirin anodiliitin voidaan liittää maahan, kun taas katodiliitin on kytketty virtalähteeseen. Kun valo on valaistu, virta virtaa katodiliittimestä anodiliittimeen.

Kun valodiodeja on käytetty ulkoisten piirien kanssa, ne liitetään piirin virtalähteeseen. Joten fotodiodin kautta syntyvän virran määrä on erittäin pieni, joten tämä arvo ei riitä elektronisen laitteen valmistamiseen.

Kun ne on kytketty ulkoiseen virtalähteeseen, se antaa enemmän virtaa virtapiiriin. Tässä piirissä akkua käytetään virtalähteenä virran arvon lisäämiseksi, jotta ulkoiset laitteet antavat paremman suorituskyvyn.

Valodiodin hyötysuhde

Fotodiodin kvanttitehokkuus voidaan määritellä absorboituneiden fotonien jakautumiseksi, jotka lahjoittavat valovirralle. Näille diodeille se liittyy avoimesti reaktiivisuuteen 'S' ilman lumivyöryn vaikutusta, sitten valovirta voidaan ilmaista

I = S P = ηe / hv. P

Missä,

’Η’ on kvanttitehokkuus

E on elektronin varaus

’Hν’ on fotonin energia

Fotodiodien kvanttitehokkuus on erittäin korkea. Joissakin tapauksissa se on yli 95%, mutta muuttuu laajasti aallonpituuden kautta. Korkea kvanttiteho edellyttää heijastusten hallintaa lukuun ottamatta korkeaa sisäistä hyötysuhdetta, kuten heijastuksenestopinnoite.

Reagoivuus

Fotodiodin herkkyys on muodostuvan valovirran suhde sekä absorboitu optinen teho voidaan määrittää vasteen lineaarisessa osassa. Valodiodeissa se on normaalisti suurin aallonpituusalueella, missä fotonienergia on melko korkeaa kuin kaistanväylän energia ja pienenemässä kaistaleveysalueella missä tahansa absorptio pienenee.

Valodiodilaskenta voidaan tehdä seuraavan yhtälön perusteella

R = η (e / hv)

Tässä, yllä olevassa yhtälössä, ’h ν’ on fotonin energia ’η’ on kvantin hyötysuhde ja ’e’ elementaarivaraus. Esimerkiksi fotodiodin kvanttihyötysuhde on 90% 800 nm: n aallonpituudella, silloin herkkyys on 0,58 A / W.

Valomonistimille ja lumivyöryvalodiodeille on olemassa ylimääräinen kerroin sisäisen virran kertomiseen niin, että mahdolliset arvot ovat yli 1 A / W. Yleensä virran kertolasku ei sisälly kvanttitehokkuuteen.

PIN-valodiodi Vs PN -valodiodi

Molemmat fotodiodit, kuten PN & PIN, voidaan saada monilta toimittajilta. Valodiodin valinta on erittäin tärkeä suunniteltaessa piiriä vaaditun suorituskyvyn ja ominaisuuksien perusteella.
PN-valodiodi ei toimi päinvastaisessa suunnassa, joten melun suorituskyvyn parantaminen on tarkoituksenmukaista hämärässä sovelluksissa.

Käänteisessä esijännitteessä toimiva PIN-valodiodi voi johtaa kohinavirran vähentämään S / N-suhdetta
Suuren dynaamisen alueen sovelluksissa käänteinen esijännitys antaa hyvän suorituskyvyn
Suurissa BW-sovelluksissa käänteinen esijännitys tarjoaa hyvän suorituskyvyn, kuten kapasitanssi P & N-alueiden välillä ja latauskapasiteetin varastointi on vähäistä.

Edut

valodiodin edut Sisällytä seuraavat.

• Vähemmän vastusta
• Nopea ja suuri toimintanopeus
• Pitkä käyttöikä
• Nopein valonilmaisin
• Spektrivaste on hyvä
• Ei käytä suurjännitettä
• Taajuusvaste on hyvä
• Kiinteä ja kevyt
• Se on erittäin herkkä valolle
• Tumma virta on sakkaa
• Korkea kvanttihyötysuhde
• Vähemmän melua

Haitat

fotodiodin haitat Sisällytä seuraavat.

• Lämpötilan vakaus on heikko
• Virran sisällä tapahtuva muutos on erittäin pieni, joten se ei välttämättä riitä piirin käyttämiseen
• Aktiivinen alue on pieni
• Tavallinen PN-liitosvalodiodi sisältää korkean vasteajan
• Sillä on vähemmän herkkyyttä
• Se toimii pääasiassa lämpötilan mukaan
• Se käyttää offset-jännitettä

Valodiodin sovellukset

• Valodiodien sovelluksiin liittyy vastaavia valodetektorien sovelluksia, kuten varauskytkettyjä laitteita, valojohteita ja valomonistinputkia.
• Näitä diodeja käytetään kulutuselektroniikan laitteissa, kuten savunilmaisimet , CD-soittimet, televisiot ja videonauhureiden kaukosäätimet.
• Muissa kuluttajalaitteissa, kuten kelloradiot, kameran valomittarit ja katuvalot, valojohteita käytetään useammin kuin fotodiodeja.
• Valodiodeja käytetään usein valon voimakkuuden tarkkaan mittaamiseen tieteessä ja teollisuudessa. Yleensä niillä on parannettu, lineaarisempi vaste kuin valojohteilla.
• Valodiodeja käytetään myös laajalti lukuisia lääketieteellisiä sovelluksia kuten instrumentit näytteiden analysointiin, ilmaisimet tietokonetomografiaa varten ja joita käytetään myös verikaasumittareissa.
• Nämä diodit ovat paljon nopeampia ja monimutkaisempia kuin tavalliset PN-liitosdiodit, ja siksi niitä käytetään usein valaistuksen säätämiseen ja optiseen viestintään.

V-I-valodiodin ominaisuudet

Valodiodi toimii jatkuvasti päinvastaisessa esijännitetilassa. Valodiodin ominaisuudet on esitetty selvästi seuraavassa kuvassa, että valovirta on melkein riippumaton käytetystä käänteisestä esijännitteestä. Nollavalotiheyden valovirta on lähes nolla lukuun ottamatta pientä pimeää virtaa. Se on luokkaa nanovahvistimia. Optisen tehon noustessa valovirta nousee myös lineaarisesti. Suurin valovirta on epätäydellinen valodiodin tehohäviön vuoksi.

Ominaisuudet

Näin ollen kyse on kaikesta fotodiodin toimintaperiaate , ominaisuudet ja sovellukset. Optoelektronisia laitteita, kuten fotodiodeja, on saatavana erityyppisinä, joita käytetään melkein kaikissa elektronisissa laitteissa. Näitä diodeja käytetään IR-valonlähteiden, kuten neon-, laser-LED- ja fluoresoivien, kanssa. Verrattuna muihin valonilmaisudiodeihin nämä diodit eivät ole kalliita. Toivomme, että olet saanut paremman käsityksen tästä käsitteestä. Lisäksi kaikki tähän konseptiin tai toteutettaviin kysymyksiin liittyvät kysymykset sähköiset ja elektroniset projektit insinööriopiskelijoille . Anna arvokkaat ehdotuksesi kommentoimalla alla olevassa kommenttiosassa. Tässä on kysymys sinulle, mikä on fotodiodin tehtävä ?

Valokuvahyvitykset:

• Valodiodi hamamatsu
• Valodiodin toiminta fysiikka ja radio-elektroniikka
• V-I-valodiodin ominaisuudet ecetutorials