Какво е фотодиод?
Какво е фотодиод?
Определение на фотодиода
Фотодиод се дефинира като PN-джънкшън диод, който генерира ток, когато е изложен на светлина. Този джънкшън се формира чрез комбиниране на P-типов и N-типов полупроводников материал. P-типовият материал има допълнителни положителни носители на заряд (дупки), докато N-типовият материал има допълнителни отрицателни носители на заряд (електрони). Когато тези материали се срещнат, електроните от N-типовата зона се преместват в P-типовата зона, рекомбинират с дупките и създават област на опразняване. Тази област действа като бариера за по-нататъшната дифузия на носителите на заряд.
Фотодиодът има две терминали – анод и катод, които са свързани с P-типовата и N-типовата зона, съответно. Анодът обикновено е маркиран с таб или точка на упаковката на устройството. Символът на фотодиода е показан по-долу, с два стрелички, сочещи към джънкшъна, за да покажат, че той е чувствителен към светлината.
Принцип на действие
Когато фотодиодът е свързан в обратно напрежение към външен контур, малък обратен ток протича от анод към катод. Този ток, известен като тъмен ток, произлиза от термичното генериране на малцинствени носители на заряд в полупроводника. Тъмният ток не зависи от приложено обратно напрежение, но варира с температурата и концентрацията на допиращия материал.
Когато достатъчно енергетична светлина удари фотодиода, тя създава пари електрон-дупка в полупроводниковия материал. Този процес се нарича и вътрешен фотоелектричен ефект. Ако абсорбцията на светлината се случи в или близо до областта на опразняване, тези носители на заряд се извличат от електричното поле през джънкшъна, създавайки фотоелектричен ток, който добавя към тъмния ток. Така, дупките се движи към анода, а електроните – към катода, и обратният ток се увеличава с увеличаването на интензивността на светлината.
Фотоелектричният ток е пропорционален на интензивността на светлината за специфична дължина на вълна и температура. Ако интензивността на светлината е твърде висока, фотоелектричният ток достига максимална стойност, наречена насищане, след която вече не се увеличава. Този ток на насищане зависи от геометрията и свойствата на материала на устройството.
Фотодиодът може да работи в два режима: фотovoltaic режим и фотоconductive режим.
Фотovoltaic Режим
В фотovoltaic режим, няма приложено обратно напрежение към фотодиода, което го прави подобно на слънчева клетка, която генерира енергия от светлината. Фотоелектричният ток протича през краткосвързан контур или импеданс, свързан с терминалите. Ако контурът е отворен или има висока импеданс, напрежението се натрупва върху устройството, предизвиквайки форварден биас. Това напрежение, наречено отворено-контурно напрежение, зависи от интензивността и дължината на вълната на светлината.
Фотovoltaic режим използва фотovoltaic ефект, който се използва за производство на слънчева енергия от слънчевата светлина. Въпреки това, този режим има някои недостатъци, като ниска реакция, висока сериозна съпротива и ниска чувствителност.
Фотоconductive Режим
В фотоconductive режим, прилага се обратно напрежение към фотодиода, и то действа като променлив резистор, който изменя съпротивлението си с интензивността на светлината. Фотоелектричният ток протича през външен контур, който предоставя биас напрежение и измерва изходния ток или напрежение.
Фотоconductive режим има някои предимства над фотovoltaic режим, като висока реакция, ниска сериозна съпротива, висока чувствителност и широк динамичен диапазон. Въпреки това, този режим също има някои недостатъци, като по-висок шум, по-високо потребителско напрежение и по-ниска линейност.
Характеристики на фотодиода
Характеристиките на фотодиода описват неговото поведение при различни условия на интензивност, дължина на вълната, температура, биас напрежение и т.н. Някои от тези характеристики са:
Приложения на фотодиода
Оптична комуникация
Оптични измервания
Оптично изображение
Оптично управление
Генериране на слънчева енергия
Заключение
Фотодиодът е полупроводниково устройство, което преобразува светлина в електрически ток. То работи на принципа на вътрешния фотоелектричен ефект, който създава пари електрон-дупка, когато фотони ударят PN-джънкшън диода. Фотодиодът работи в условия на обратно напрежение и има два режима: фотovoltaic режим и фотоconductive режим. Фотодиодът има различни характеристики, като отговорност, квантово ефективност, спектрален отговор, тъмен ток, тъмна съпротива, шум, линейност и време на реакция.
Фотодиодът има много приложения в оптичната комуникация, оптични измервания, оптично изображение, оптично управление и генериране на слънчева енергия. Фотодиодът може да се използва за създаване на алармни и бройни цепи, чрез детектиране на прекъсване на светлинни лъчи. Фотодиодът е универсално и полезно устройство, което може да усеща и преобразува светлина в електричество.
