Co je fotodioda?

Co je fotodioda?

Definice fotodiody

Fotodioda je definována jako PN přechodová dioda, která generuje proud, když je vystavena světlu. Tento přechod je tvořen kombinací P-typu a N-typu polovodičových materiálů. P-typ materiál má navíc kladné nosiče náboje (díry), zatímco N-typ materiál má navíc záporné nosiče náboje (elektrony). Když se tyto materiály setkají, elektrony z N-typu oblasti se přesunou do P-typu oblasti, kde se spojí s dírami a vytváří depleční oblast. Tato oblast působí jako bariéra pro další difuzi nosičů náboje.

Fotodioda má dvě terminály, anodu a katodu, které jsou připojeny k P-typu a N-typu oblastem, respektive. Anoda je obvykle označena kartou nebo tečkou na obalu zařízení. Symbol fotodiody je zobrazen níže, s dvěma šipkami ukazujícími směrem k přechodu, což naznačuje, že je citlivá na světlo.

Princip fungování

Když je fotodioda připojena v opačném napětí k externímu obvodu, malý reverzní proud proudí od anody k katodě. Tento proud, známý jako tmavý proud, vzniká termálním generováním menšinových nosičů náboje v polovodiči. Tmavý proud nezávisí na aplikovaném reverzním napětí, ale mění se s teplotou a stupněm dopingu.

Když světlo dostatečné energie dopadne na fotodiodu, vytváří páry elektron-díra v polovodičovém materiálu. Tento proces je také znám jako vnitřní fotoelektrický efekt. Pokud absorpce světla probíhá v nebo poblíž depleční oblasti, tyto nosiče náboje jsou unášeny elektrickým polem přes přechod, což vytváří fotoelektrický proud, který se přidává k tmavému proudu. Tak se díry pohybují směrem k anodě a elektrony směrem k katodě, a reverzní proud roste s rostoucí intenzitou světla.

Fotoelektrický proud je úměrný intenzitě světla pro specifickou vlnovou délku a teplotu. Pokud je intenzita světla příliš vysoká, fotoelektrický proud dosáhne maximální hodnoty zvané nasycovací proud, před kterou již neustupuje. Tento nasycovací proud závisí na geometrii a materiálových vlastnostech zařízení.

Fotodioda může pracovat ve dvou režimech: fotovoltaickém režimu a fotovodivém režimu.

Fotovoltaický režim

V fotovoltaickém režimu není na fotodiodu aplikováno žádné externí reverzní napětí, což ji činí podobnou sluneční buňce, která generuje energii ze světla. Fotoelektrický proud protéká krátkým obvodem nebo impedancí zátěže připojenou k terminálům. Pokud je obvod otevřený nebo má vysokou impedanci, napětí se vyvíjí přes zařízení, které je vpřed polarizováno. Tohle napětí, známé jako otevřenocircuitové napětí, závisí na intenzitě a vlnové délce světla.

Fotovoltaický režim využívá fotovoltaický efekt, který se používá k výrobě solární energie ze slunečního světla. Nicméně, tento režim má některé nevýhody, jako je nízká rychlost odezvy, vysoký sériový odpor a nízká citlivost.

Fotovodivý režim

V fotovodivém režimu je na fotodiodu aplikováno externí reverzní napětí a chová se jako proměnný odporník, který mění svůj odpor s intenzitou světla. Fotoelektrický proud protéká externím obvodem, který poskytuje polarizační napětí a měří výstupní proud nebo napětí.

Fotovodivý režim má některé výhody oproti fotovoltaickému režimu, jako je vysoká rychlost odezvy, nízký sériový odpor, vysoká citlivost a široký dynamický rozsah. Nicméně, tento režim má také některé nevýhody, jako jsou vyšší hladiny šumu, vyšší spotřeba energie a nižší lineárnost.

Charakteristiky fotodiody

Charakteristiky fotodiody popisují její výkon pod různými podmínkami intenzity světla, vlnové délky, teploty, polarizačního napětí atd. Některé z těchto charakteristik jsou:

Aplikace fotodiody

• Optická komunikace

• Optické měření

• Optické zobrazování

• Optické přepínání

• Generování solární energie

Závěr

Fotodioda je polovodičové zařízení, které převádí světlo na elektrický proud. Funguje na principu vnitřního fotoelektrického efektu, který vytváří páry elektron-díra, když foton dopadne na PN přechodovou diodu. Fotodioda pracuje v opačném napětí a má dva režimy: fotovoltaický a fotovodivý. Fotodioda má různé charakteristiky, jako jsou odpověď, kvantová efektivita, spektrální odezva, tmavý proud, tmavý odpor, šum, lineárnost a doba odezvy.

Fotodioda má mnoho aplikací v optické komunikaci, optickém měření, optickém zobrazování, optickém přepínání a generování solární energie. Fotodioda může být použita k vytváření alarmových obvodů a počítacích obvodů detekcí přerušení světelných paprsků. Fotodioda je univerzální a užitečné zařízení, které může cítit a převádět světlo na elektrický proud.