Что такое фотодиод?

Что такое фотодиод?

Определение фотодиода

Фотодиод определяется как PN-переходный диод, который генерирует ток при воздействии света. Этот переход образуется путем соединения P-типа и N-типа полупроводниковых материалов. Материал P-типа имеет дополнительные положительные носители заряда (дырки), в то время как материал N-типа имеет дополнительные отрицательные носители заряда (электроны). Когда эти материалы встречаются, электроны из области N-типа переходят в область P-типа, рекомбинируя с дырками и создавая обедненную область. Эта область действует как барьер для дальнейшего диффузии носителей заряда.

Фотодиод имеет два вывода: анод и катод, которые подключены к областям P-типа и N-типа соответственно. Анод обычно маркируется язычком или точкой на корпусе устройства. Символ фотодиода показан ниже, с двумя стрелками, указывающими на переход, чтобы показать, что он чувствителен к свету.

Принцип работы

Когда фотодиод подключен в обратном направлении к внешней цепи, через него протекает небольшой обратный ток от анода к катоду. Этот ток, называемый темновым током, возникает из-за термогенерации меньшинства носителей заряда в полупроводнике. Темновой ток не зависит от приложенного обратного напряжения, но изменяется с температурой и уровнем легирования.

Когда свет с достаточной энергией попадает на фотодиод, он создает пары электрон-дырка в полупроводниковом материале. Этот процесс также известен как внутренний фотоэлектрический эффект. Если поглощение света происходит в или около обедненной области, эти носители заряда захватываются электрическим полем через переход, создавая фотоэлектрический ток, который добавляется к темновому току. Таким образом, дырки движутся к аноду, а электроны — к катоду, и обратный ток увеличивается с увеличением интенсивности света.

Фототок пропорционален интенсивности света для определенной длины волны и температуры. Если интенсивность света слишком высока, фототок достигает максимального значения, называемого током насыщения, после которого он больше не увеличивается. Этот ток насыщения зависит от геометрии устройства и свойств материала.

Фотодиод может работать в двух режимах: фотovoltaический режим и фотопроводящий режим.

Фотovoltaический режим

В фотovoltaическом режиме на фотодиод не подается внешнее обратное напряжение, и он действует как солнечная батарея, генерирующая энергию от света. Фототок протекает через короткое замыкание или нагрузочное сопротивление, подключенное к выводам. Если цепь открыта или имеет высокое сопротивление, напряжение накапливается на устройстве, форвардно смещая его. Это напряжение, называемое напряжением холостого хода, зависит от интенсивности и длины волны света.

Фотovoltaический режим использует фотovoltaический эффект, который используется для производства солнечной энергии от солнечного света. Однако этот режим имеет некоторые недостатки, такие как низкая скорость отклика, высокое последовательное сопротивление и низкая чувствительность.

Фотопроводящий режим

В фотопроводящем режиме на фотодиод подается внешнее обратное напряжение, и он действует как переменное сопротивление, которое изменяет свое сопротивление с интенсивностью света. Фототок протекает через внешнюю цепь, которая обеспечивает смещение и измеряет выходной ток или напряжение.

Фотопроводящий режим имеет некоторые преимущества по сравнению с фотovoltaическим режимом, такие как высокая скорость отклика, низкое последовательное сопротивление, высокая чувствительность и широкий динамический диапазон. Однако этот режим также имеет некоторые недостатки, такие как более высокий уровень шума, более высокое потребление энергии и меньшая линейность.

Характеристики фотодиода

Характеристики фотодиода описывают его работу в различных условиях интенсивности света, длины волны, температуры, смещения напряжения и т.д. Некоторые из этих характеристик:

Применение фотодиода

• Оптическая связь

• Оптические измерения

• Оптическое изображение

• Оптическое переключение

• Генерация солнечной энергии

Заключение

Фотодиод — это полупроводниковое устройство, которое преобразует свет в электрический ток. Он работает на принципе внутреннего фотоэлектрического эффекта, который создает пары электрон-дырка, когда фотоны попадают на PN-переходный диод. Фотодиод работает в условиях обратного смещения и имеет два режима: фотovoltaический режим и фотопроводящий режим. У фотодиода есть различные характеристики, такие как ответственность, квантовая эффективность, спектральная реакция, темновой ток, темное сопротивление, шум, линейность и время отклика.

У фотодиода много применений в оптической связи, оптических измерениях, оптическом изображении, оптическом переключении и генерации солнечной энергии. Фотодиод можно использовать для создания цепей тревоги и счетных цепей, обнаруживая прерывания световых лучей. Фотодиод — это универсальное и полезное устройство, которое может воспринимать и преобразовывать свет в электричество.