Vad är en fotodiod?

Vad är en fotodiod?

Definition av fotodiod

En fotodiod definieras som en PN-knutdiod som genererar ström när den exponeras för ljus. Denna knut bildas genom att kombinera P-typ och N-typ halvledarmaterial. P-typmaterial har extra positiva laddningsbärare (hål), medan N-typmaterial har extra negativa laddningsbärare (elektroner). När dessa material möts flyttar elektroner från N-typregionen till P-typregionen, återförenas med hål och skapar en uttömd region. Denna region fungerar som en barriär mot ytterligare diffusion av laddningsbärare.

En fotodiod har två terminaler, en anod och en katod, som är anslutna till P-typ- respektive N-typregionerna. Anoden markeras vanligtvis med en flik eller en prick på enhetens paket. Symbolen för en fotodiod visas nedan, med två pilar som pekar mot knuten för att indikera att den är känslig för ljus.

Arbetsprincip

När en fotodiod är ansluten i omvänt bias till en extern krets flödar en liten omvänd ström från anoden till katoden. Denna ström, känd som mörkström, orsakas av termisk generering av minoritetsladdningsbärare i halvledaren. Mörkströmmen beror inte på den applicerade omvända spänningsnivån utan varierar med temperatur och dopning.

När ljus med tillräcklig energi träffar fotodioden skapas elektron-hålpar i halvledarmaterialet. Denna process kallas också inre fotoelektrisk effekt. Om absorbering av ljus inträffar i eller nära uttömda regionen sveps dessa laddningsbärare av det elektriska fältet över knuten, vilket skapar en fotostrom som läggs till mörkströmmen. Sålunda rör sig hål mot anoden, och elektroner mot katoden, och den omvända strömmen ökar med ökande ljusintensitet.

Fotostrommen är proportionell mot ljusintensiteten för en specifik våglängd och temperatur. Om ljusintensiteten är för hög når fotostrommen ett maximalt värde kallat sättningsspanning, bortom vilket den inte längre ökar. Denna sättningsspanning beror på enhetens geometri och materialgenskaper.

Fotodioden kan fungera i två lägen: fotovoltaiskt läge och fotoledande läge.

Fotovoltaiskt läge

I fotovoltaiskt läge appliceras ingen extern omvänd spänning till fotodioden, vilket gör att den fungerar som en solcell som genererar energi från ljus. Fotostrommen flödar genom en kortslutning eller belastningsimpedans ansluten till terminalerna. Om kretsen är öppen eller har hög impedans byggs en spänning upp över enheten, vilket frambringar den. Denna spänning, känd som öppen-krets-spänning, beror på ljusintensitet och våglängd.

Fotovoltaiskt läge utnyttjar fotovoltaiskeffekten, som används för att producera solenergi från solljus. Dock har detta läge vissa nackdelar, såsom låg respons tid, hög serie-resistans och låg känslighet.

Fotoledande läge

I fotoledande läge appliceras en extern omvänd spänning till fotodioden, och den fungerar som en variabel resistor som ändrar sin resistans med ljusintensiteten. Fotostrommen flödar genom en extern krets som ger en bias-spänning och mäter utgångsström eller spänning.

Fotoledande läge har vissa fördelar jämfört med fotovoltaiskt läge, såsom hög respons tid, låg serie-resistans, hög känslighet och bred dynamiskt område. Dock har detta läge också vissa nackdelar, såsom högre brusnivåer, högre energiförbrukning och lägre linjäritet.

Egenskaper hos fotodioden

Egenskaperna hos en fotodiod beskriver dess prestanda under olika villkor av ljusintensitet, våglängd, temperatur, bias-spänning, etc. Några av dessa egenskaper är:

Tillämpningar av fotodiod

• Optisk kommunikation

• Optiska mätningar

• Optisk bildning

• Optisk växling

• Solenergiutvinning

Slutsats

En fotodiod är en halvledarenhet som omvandlar ljus till elektrisk ström. Den fungerar enligt principen om inre fotoelektrisk effekt, som skapar elektron-hålpar när fotoner träffar PN-knutdioden. En fotodiod fungerar i omvänt bias-förhållanden och har två lägen: fotovoltaiskt läge och fotoledande läge. En fotodiod har olika egenskaper, såsom responsivitet, kvanteffektivitet, spektral respons, mörkström, mörkresistans, brus, linjäritet och respons tid.

En fotodiod har många tillämpningar inom optisk kommunikation, optiska mätningar, optisk bildning, optisk växling och solenergiutvinning. En fotodiod kan användas för att skapa larmsirkuit och räknarsirkuit genom att detektera avbrott i ljusstrålar. En fotodiod är en mångsidig och användbar enhet som kan upptäcka och omvandla ljus till el.