Що таке фотодіод?

Що таке фотодіод?

Визначення фотодіода

Фотодіод визначається як PN-перехідний діод, який генерує струм при освітленні світлом. Цей перехід утворюється шляхом поєднання P-типового та N-типового напівпровідникових матеріалів. P-типовий матеріал має додаткові додатні носії заряду (порожнини), тоді як N-типовий матеріал має додаткові від'ємні носії заряду (електрони). Коли ці матеріали зустрічаються, електрони з N-типової області переміщуються до P-типової області, рекомбінувати з порожнинами і створюють область зниження. Ця область діє як бар'єр для подальшого розсіяння носіїв заряду.

Фотодіод має два з'єднання: анод і катод, які підключені до P-типової та N-типової областей відповідно. Анод зазвичай позначається закріпленим відрізком або крапкою на корпусі пристрою. Символ фотодіода показаний нижче, з двома стрілками, що вказують на перехід, щоб позначити його чутливість до світла.

Принцип роботи

Коли фотодіод підключений в оберненому напрямку до зовнішнього контуру, малий обернений струм протікає від анода до катода. Цей струм, відомий як темний струм, виникає через теплове генерування меншинних носіїв заряду в напівпровіднику. Темний струм не залежить від прикладеного оберненого напруги, але змінюється з температурою та рівнем легування.

Коли світло достатньої енергії ударяє фотодіод, воно створює пари електрон-порожнина в напівпровідниковому матеріалі. Цей процес також відомий як внутрішній фотоелектричний ефект. Якщо поглинання світла відбувається в або поблизу області зниження, ці носії заряду зминаються електричним полем через перехід, створюючи фотоствор, який додається до темного струму. Таким чином, порожнини переміщуються до анода, а електрони — до катода, і обернений струм зростає зі зростанням інтенсивності світла.

Фотострум пропорційний інтенсивності світла для певної довжини хвилі та температури. Якщо інтенсивність світла занадто висока, фотострум досягає максимального значення, відомого як струм насичення, за яким він більше не зростає. Цей струм насичення залежить від геометрії пристрою та властивостей матеріалу.

Фотодіод може працювати в двох режимах: фотовольтаїчному та фотоекондуктивному.

Фотовольтаїчний режим

У фотовольтаїчному режимі до фотодіода не прикладається зовнішня обернена напруга, що робить його схожим на сонячну батарею, яка генерує енергію від світла. Фотострум протікає через короткозамкнення або опір, під'єднаний до з'єднань. Якщо контур відкритий або має високий опір, на пристрої будується напруга, що прямує його. Ця напруга, відома як напруга відкритого контуру, залежить від інтенсивності та довжини хвилі світла.

Фотовольтаїчний режим використовує фотоелектричний ефект, який використовується для виробництва сонячної енергії від сонячного світла. Однак, цей режим має деякі недоліки, такі як низька швидкість відгуку, високий серійний опір та низька чутливість.

Фотоекондуктивний режим

У фотоекондуктивному режимі до фотодіода прикладається зовнішня обернена напруга, і він діє як змінний резистор, який змінює свою опір з інтенсивністю світла. Фотострум протікає через зовнішній контур, який забезпечує напругу спрацювання та вимірює вихідний струм або напругу.

Фотоекондуктивний режим має деякі переваги над фотовольтаїчним, такі як висока швидкість відгуку, низький серійний опір, висока чутливість та широкий динамічний діапазон. Однак, цей режим також має деякі недоліки, такі як вищий рівень шуму, вища споживана потужність та нижча лінійність.

Характеристики фотодіода

Характеристики фотодіода описують його продуктивність при різних умовах інтенсивності світла, довжини хвилі, температури, напруги спрацювання тощо. Деякі з цих характеристик:

Застосування фотодіода

• Оптична комунікація

• Оптичне вимірювання

• Оптичне зображення

• Оптичне комутування

• Виробництво сонячної енергії

Висновок

Фотодіод — це напівпровідниковий пристрій, який перетворює світло на електричний струм. Він працює на основі внутрішнього фотоелектричного ефекту, який створює пари електрон-порожнина, коли фотони ударяють PN-перехідний діод. Фотодіод працює в оберненому напрямку та має два режими: фотовольтаїчний та фотоекондуктивний. Фотодіод має різні характеристики, такі як відгук, квантовий КПД, спектральний відгук, темний струм, темний опір, шум, лінійність та час відгуку.

Фотодіод має багато застосувань в оптичній комунікації, оптичному вимірюванні, оптичному зображенні, оптичному комутуванні та виробництві сонячної енергії. Фотодіод можна використовувати для створення систем тривоги та лічильних контурів, виявляючи переривання світлових пучків. Фотодіод — це універсальний та корисний пристрій, який може виявляти та перетворювати світло на електричество.