Hva er en fotodiod?

Hva er en fotodiod?

Definisjon av fotodiod

En fotodiod er definert som en PN-forbindelsesdiod som genererer strøm når den er utsatt for lys. Denne forbindelsen dannes ved å kombinere P-type og N-type halvledermaterialer. P-type materiale har ekstra positive ladningsbærere (hull), mens N-type materiale har ekstra negative ladningsbærere (elektroner). Når disse materialene møtes, flytter elektroner fra N-området til P-området, reknitrer med hull og skaper et uttømmelsesområde. Dette området fungerer som en barriere mot ytterligere diffusjon av ladningsbærere.

En fotodiod har to terminaler, en anode og en katode, som er koblet til P-type og N-type områder, henholdsvis. Anoden er vanligvis merket med en flik eller en prikk på enhetens beholder. Symbolet for en fotodiod vises nedenfor, med to pile peker mot forbindelsen for å indikere at den er følsom for lys.

Arbeidsprinsipp

Når en fotodiod er koblet i revers polarisering til et eksternt kretsverk, flytter en liten reversstrøm fra anoden til katoden. Denne strømmen, kjent som mørkestrøm, resulterer fra termisk generasjon av mindretalsladningsbærere i halvlederen. Mørkestrøm avhenger ikke av den anvendte revers spenningen, men varierer med temperatur og dopingsnivå.

Når lys med tilstrekkelig energi treffer fotodioden, oppretter det elektron-hull-par i halvledermaterialet. Denne prosessen er også kjent som den innre fotoelektriske effekten. Hvis absorpsjonen av lys forekommer i eller nær uttømmelsesområdet, svepes disse ladningsbærerne av elektrisk felt over forbindelsen, og skaper en fotostrøm som legges til mørkestrømmen. Dermed beveger hull seg mot anoden, og elektroner mot katoden, og reversstrømmen øker med økende lysintensitet.

Fotostrømmen er proporsjonal med lysintensiteten for en spesifikk bølgelengde og temperatur. Hvis lysintensiteten er for høy, når fotostrømmen en maksimal verdi kalt saturasjonsstrøm, ut over hvilken den lenger ikke øker. Denne saturasjonsstrømmen avhenger av enhetens geometri og materielegenskaper.

Fotodioden kan operere i to moduser: fotovoltamodus og fotoledemodus.

Fotovoltamodus

I fotovoltamodus, blir ingen ekstern revers spenning anvendt på fotodioden, noe som gjør at den fungerer som en solcelle som genererer kraft fra lys. Fotostrømmen flytter gjennom en kortslutning eller lastimpedans koblet til terminalene. Hvis kretsen er åpen eller har høy impedans, bygger en spenning seg opp over enheten, fremskyndingspolerende den. Denne spenningen, kjent som åpen-krets-spenning, avhenger av lysintensitet og bølgelengde.

Fotovoltamodus utnytter fotovoltaisk effekt, som brukes til å produsere solenergi fra sollys. Imidlertid har denne modusen noen ulemper, som lav respons tid, høy serie motstand og lav sensitivitet.

Fotoledemodus

I fotoledemodus, blir en ekstern revers spenning anvendt på fotodioden, og den fungerer som en variabel motstand som endrer sin motstand med lysintensiteten. Fotostrømmen flytter gjennom en ekstern krets som gir en bias spenning og måler utdatastrøm eller spenning.

Fotoledemodus har noen fordeler sammenlignet med fotovoltamodus, som høy respons tid, lav serie motstand, høy sensitivitet og bred dynamisk rekkevidde. Imidlertid har denne modusen også noen ulemper, som høyere støy nivå, høyere energiforbruk og lavere linearitet.

Egenskaper til fotodiod

Egenskapene til en fotodiod beskriver dens ytelse under ulike betingelser av lysintensitet, bølgelengde, temperatur, bias spenning, osv. Noen av disse egenskapene er:

Anvendelser av fotodiod

• Optisk kommunikasjon

• Optisk måling

• Optisk bilding

• Optisk switching

• Solenergigenerering

Konklusjon

En fotodiod er en halvleder-enhet som konverterer lys til elektrisk strøm. Den fungerer basert på prinsippet om den innre fotoelektriske effekten som oppretter elektron-hull-par når fotoner treffer PN-forbindelsesdioden. En fotodiod opererer under revers polariseringsforhold og har to moduser: fotovoltamodus og fotoledemodus. En fotodiod har ulike egenskaper, som responsivitet, kvanteeffektivitet, spektral respons, mørkestrøm, mørke motstand, støy, linearitet og respons tid.

En fotodiod har mange anvendelser i optisk kommunikasjon, optisk måling, optisk bilding, optisk switching og solenergigenerering. En fotodiod kan brukes til å lage alarmkretser og tellerkretser ved å oppdage avbryting av lysstråler. En fotodiod er en versatil og nyttig enhet som kan sense og konvertere lys til elektrisitet.