Wat is een fotodiod?
Wat is een fotodiod?
Definitie van een fotodiod
Een fotodiod wordt gedefinieerd als een PN-junctiediod die stroom genereert wanneer deze blootgesteld wordt aan licht. Deze junctie wordt gevormd door P-type en N-type halfgeleidermaterialen te combineren. P-type materiaal heeft extra positieve ladingsdragers (holes), terwijl N-type materiaal extra negatieve ladingsdragers (electronen) heeft. Wanneer deze materialen elkaar ontmoeten, verplaatsen de elektronen zich uit de N-type regio naar de P-type regio, waar ze met holes recombineren en een depletiegebied creëren. Dit gebied werkt als een barrière voor verdere diffusie van ladingsdragers.
Een fotodiod heeft twee terminals, een anode en een kathode, die respectievelijk verbonden zijn met de P-type en N-type regio's. De anode wordt meestal gemarkeerd met een tab of een stip op de behuizing. Het symbool van een fotodiod is hieronder getoond, met twee pijlen die naar de junctie wijzen om aan te geven dat het gevoelig is voor licht.
Werkingsprincipe
Wanneer een fotodiod in omgekeerde voeding is aangesloten op een externe schakeling, stroomt er een kleine omgekeerde stroom van de anode naar de kathode. Deze stroom, bekend als donkere stroom, is het resultaat van de thermische generatie van minderheidsladingsdragers in de halfgeleider. Donkere stroom hangt niet af van de toegepaste omgekeerde spanning, maar varieert met temperatuur en dopingsniveau.
Wanneer licht met voldoende energie de fotodiod raakt, worden elektron-hole paren in het halfgeleidermateriaal gecreëerd. Dit proces wordt ook wel het interne foto-elektrisch effect genoemd. Als de absorptie van licht plaatsvindt in of nabij het depletiegebied, worden deze ladingsdragers door het elektrisch veld over de junctie meegevoerd, waardoor een fotostroom ontstaat die bij de donkere stroom wordt opgeteld. Zo bewegen holes zich richting de anode, en elektronen richting de kathode, en neemt de omgekeerde stroom toe naarmate de lichtintensiteit toeneemt.
De fotostroom is evenredig met de lichtintensiteit voor een specifieke golflengte en temperatuur. Als de lichtintensiteit te hoog is, bereikt de fotostroom een maximumwaarde, de verzadigingsstroom, waarna deze niet meer toeneemt. Deze verzadigingsstroom hangt af van de geometrie en de materiaaleigenschappen van het apparaat.
De fotodiod kan in twee modi werken: fotovoltaïsche modus en fotoconductieve modus.
Fotovoltaïsche modus
In de fotovoltaïsche modus wordt geen externe omgekeerde spanning toegepast op de fotodiod, waardoor deze fungeert als een zonnecel die energie genereert uit licht. De fotostroom stroomt door een kortsluiting of een belastingimpedantie die aan de terminals is aangesloten. Als het circuit open is of een hoge impedantie heeft, bouwt zich een spanning op over het apparaat, waardoor het voorwaarts wordt gepolariseerd. Deze spanning, de open-circuitspanning, hangt af van de lichtintensiteit en de golflengte.
De fotovoltaïsche modus maakt gebruik van het fotovoltaïsche effect, dat wordt gebruikt om zonne-energie uit zonlicht te produceren. Echter, deze modus heeft enkele nadelen, zoals een lage responssnelheid, hoge serie-impedantie en lage gevoeligheid.
Fotoconductieve modus
In de fotoconductieve modus wordt een externe omgekeerde spanning toegepast op de fotodiod, en werkt deze als een variabele weerstand die zijn weerstand verandert met de lichtintensiteit. De fotostroom stroomt door een externe schakeling die een polarisatiespanning levert en de uitvoerstroom of -spanning meet.
De fotoconductieve modus heeft enkele voordelen ten opzichte van de fotovoltaïsche modus, zoals hoge responssnelheid, lage serie-impedantie, hoge gevoeligheid en een brede dynamische range. Echter, deze modus heeft ook enkele nadelen, zoals hogere ruisniveaus, hogere energieverbruik en lagere lineariteit.
Kenmerken van een fotodiod
De kenmerken van een fotodiod beschrijven de prestaties onder verschillende omstandigheden van lichtintensiteit, golflengte, temperatuur, polarisatiespanning, enz. Sommige van deze kenmerken zijn:
Toepassingen van een fotodiod
Optische communicatie
Optische meting
Optische beeldvorming
Optische schakeling
Zonne-energieopwekking
Conclusie
Een fotodiod is een halfgeleiderapparaat dat licht omzet in elektrische stroom. Het werkt volgens het principe van het interne foto-elektrisch effect, dat elektron-hole paren creëert wanneer fotonen de PN-junctiediod raken. Een fotodiod werkt onder omgekeerde polarisatiecondities en heeft twee modi: fotovoltaïsche modus en fotoconductieve modus. Een fotodiod heeft verschillende kenmerken, zoals responsiviteit, kwantumefficiëntie, spectraal respons, donkere stroom, donkere weerstand, ruis, lineariteit en responstijd.
Een fotodiod heeft veel toepassingen in optische communicatie, optische meting, optische beeldvorming, optische schakeling en zonne-energieopwekking. Een fotodiod kan worden gebruikt om alarmschakelingen en tellerschakelingen te maken door het onderbreken van lichtstralen te detecteren. Een fotodiod is een veelzijdig en nuttig apparaat dat licht kan detecteren en omzetten in elektriciteit.
