Hvad er en fotodiod?

Hvad er en fotodiod?

Definition af fotodiod

En fotodiod er defineret som en PN-forbindelsesdiode, der genererer strøm, når den udsættes for lys. Denne forbindelse dannes ved at kombinere P-type og N-type halvledermaterialer. P-typen har ekstra positive ladningsbærere (huller), mens N-typen har ekstra negative ladningsbærere (elektroner). Når disse materialer mødes, bevæger elektroner fra N-regionen sig ind i P-regionen, genforenes med hullerne og skaber en udhulet region. Denne region fungerer som en barriere mod yderligere diffusion af ladningsbærere.

En fotodiod har to terminaler, en anode og en katode, der er forbundet til P-typen og N-typen regioner henholdsvis. Anoden er normalt markeret med en flås eller et punkt på enhedens pakke. Symbolet for en fotodiod vises nedenfor, med to pile, der peger mod forbindelsen for at indikere, at den er følsom for lys.

Arbejdsgang

Når en fotodiod er forbundet i omvendt polaritet til en ekstern kredsløb, flyder en lille omvendt strøm fra anoden til katoden. Denne strøm, kendt som mørkestrøm, skyldes termisk frembragt mindretalsladningsbærere i halvlederen. Mørkestrømmen afhænger ikke af den anvendte omvendte spænding, men varierer med temperatur og dopning.

Når lys med tilstrækkelig energi rammer fotodioden, skaber det elektron-hul par i halvledermaterialet. Dette process kaldes også for den indre fotoelektriske effekt. Hvis absorpsionen af lys finder sted i eller nær udhulet region, bliver disse ladningsbærere båret af elektrisk felt over forbindelsen, hvilket skaber en fotostrøm, der lægger til mørkestrømmen. Derfor bevæger hullerne sig mod anoden, og elektronerne bevæger sig mod katoden, og den omvendte strøm øges med øget lysintensitet.

Fotostrømmen er proportional med lysintensiteten for en bestemt bølgelængde og temperatur. Hvis lysintensiteten er for høj, rammer fotostrømmen en maksimal værdi kaldet mætningsstrøm, hvorved den ikke længere øges. Denne mætningsstrøm afhænger af enhedens geometri og materialeegenskaber.

Fotodioden kan fungere i to tilstande: fotovoltaisk tilstand og fotoledende tilstand.

Fotovoltaisk tilstand

I fotovoltaisk tilstand anvendes ingen ekstern omvendt spænding til fotodioden, hvilket gør, at den fungerer som en solcelle, der genererer strøm fra lys. Fotostrømmen flyder gennem en kortslutning eller belastningsimpedans, der er forbundet til terminalerne. Hvis kredsløbet er åbent eller har høj impedans, opbygges en spænding over enheden, der fremskynder den. Denne spænding, kaldet åben-kredsløbs-spænding, afhænger af lysintensiteten og bølgelængden.

Fotovoltaisk tilstand udnytter fotovoltaisk effekt, der bruges til at producere solenergi fra solskin. Dog har denne tilstand nogle ulemper, såsom lav respons hastighed, høj serie-resistans og lav sensitivitet.

Fotoledende tilstand

I fotoledende tilstand anvendes en ekstern omvendt spænding til fotodioden, og den fungerer som en variabel resistor, der ændrer sin resistans med lysintensiteten. Fotostrømmen flyder gennem en ekstern kredsløb, der leverer en bias-spænding og måler output-strøm eller -spænding.

Fotoledende tilstand har nogle fordele i forhold til fotovoltaisk tilstand, såsom høj respons hastighed, lav serie-resistans, høj sensitivitet og bred dynamisk rækkevidde. Dog har denne tilstand også nogle ulemper, såsom højere støjniveau, højere strømforsyning og lavere lineæritet.

Egenskaber for fotodiod

Egenskaberne for en fotodiod beskriver dens præstation under forskellige forhold af lysintensitet, bølgelængde, temperatur, bias-spænding osv. Nogle af disse egenskaber er:

Anvendelser af fotodiod

• Optisk kommunikation

• Optisk måling

• Optisk billedtagning

• Optisk switching

• Solenergi-generering

Konklusion

En fotodiod er en halvlederenhed, der konverterer lys til elektrisk strøm. Den virker på princippet om den indre fotoelektriske effekt, der skaber elektron-hul par, når fotoner rammer PN-forbindelsesdioden. En fotodiod fungerer under omvendt polaritet og har to tilstande: fotovoltaisk tilstand og fotoledende tilstand. En fotodiod har forskellige egenskaber, såsom responsivitet, kvante-effektivitet, spektral respons, mørkestrøm, mørke-resistans, støj, lineæritet og respons tid.

En fotodiod har mange anvendelser i optisk kommunikation, optisk måling, optisk billedtagning, optisk switching og solenergi-generering. En fotodiod kan bruges til at lave alarmkredsløb og tæller-kredsløb ved at detektere afbrydelse af lysstråler. En fotodiod er en universel og nyttig enhed, der kan registrere og konvertere lys til elektricitet.