Cos'è un fotodiodo: principio di funzionamento e sue caratteristiche

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Un fotodiodo è un file Diodo di giunzione PN che consuma energia luminosa per produrre una corrente elettrica. A volte è anche chiamato fotosensore, rilevatore di luce e fotosensore. Questi diodi sono particolarmente progettati per funzionare in condizioni di polarizzazione inversa, significa che il lato P del fotodiodo è associato al terminale negativo della batteria e il lato n è collegato al terminale positivo della batteria. Questo diodo è molto complesso da illuminare, quindi quando la luce cade sul diodo cambia facilmente la luce in una corrente elettrica. La cella solare è anche etichettata come un fotodiodo di ampia area perché converte l'energia solare in energia elettrica . Tuttavia, la cella solare funziona solo in piena luce.

Cos'è il fotodiodo?

Un fotodiodo è un tipo di rilevatore di luce, utilizzato per convertire la luce in corrente o tensione in base alla modalità di funzionamento del dispositivo. Comprende filtri ottici, lenti incorporate e anche aree superficiali. Questi diodi hanno un tempo di risposta lento quando la superficie del fotodiodo aumenta. I fotodiodi sono simili ai normali diodi semiconduttori, ma possono essere entrambi visibili per consentire alla luce di raggiungere la parte delicata del dispositivo. Diversi diodi destinati a utilizzare esattamente come un fotodiodo utilizzerà anche una giunzione PIN piuttosto che la solita giunzione PN.




Alcuni fotodiodi appariranno un diodo emettitore di luce . Hanno due terminali provenienti dalla fine. L'estremità più piccola del diodo è il terminale del catodo, mentre l'estremità più lunga del diodo è il terminale dell'anodo. Vedere il seguente diagramma schematico per i lati dell'anodo e del catodo. Nella condizione di polarizzazione diretta, la corrente convenzionale fluirà dall'anodo al catodo, seguendo la freccia nel simbolo del diodo. La fotocorrente scorre in senso inverso.

Tipi di fotodiodo

Sebbene sul mercato siano disponibili numerosi tipi di fotodiodi e funzionino tutti secondo gli stessi principi di base, alcuni sono migliorati da altri effetti. Il funzionamento di diversi tipi di fotodiodi funziona in modo leggermente diverso, ma il funzionamento di base di questi diodi rimane lo stesso. I tipi di fotodiodi possono essere classificati in base alla loro costruzione e funzioni come segue.



Fotodiodo PN

Il primo tipo di fotodiodo sviluppato è il tipo PN. Rispetto ad altri tipi, le sue prestazioni non sono avanzate, ma al momento viene utilizzato in diverse applicazioni. La fotorilevazione avviene principalmente nella regione di esaurimento del diodo. Questo diodo è piuttosto piccolo ma la sua sensibilità non è eccezionale rispetto ad altri. Fare riferimento a questo collegamento per saperne di più sul diodo PN.

Fotodiodo PIN

Al momento, il fotodiodo più comunemente utilizzato è un tipo PIN. Questo diodo raccoglie i fotoni luminosi in modo più potente rispetto al fotodiodo PN standard perché l'ampia area intrinseca tra le regioni P e N consente di raccogliere più luce e, oltre a ciò, offre anche una capacità inferiore. Fare riferimento a questo collegamento per saperne di più sul diodo PIN.


Fotodiodo valanga

Questo tipo di diodo viene utilizzato in aree con scarsa illuminazione a causa dei suoi alti livelli di guadagno. Genera alti livelli di rumore. Quindi questa tecnologia non è appropriata per tutte le applicazioni. Fare riferimento a questo collegamento per saperne di più sul diodo Avalanche.

Fotodiodo Schottky

Il fotodiodo Schottky utilizza il diodo Schottky e include una piccola giunzione a diodi, il che significa che c'è una piccola capacità di giunzione, quindi funziona ad alte velocità. Pertanto, questo tipo di fotodiodo viene spesso utilizzato in sistemi di comunicazione ottica ad alta larghezza di banda (BW) come i collegamenti in fibra ottica. Fare riferimento a questo collegamento per saperne di più sul diodo Schottky.

Ogni tipo di fotodiodo ha i suoi vantaggi e svantaggi. La selezione di questo diodo può essere effettuata in base all'applicazione. I diversi parametri da considerare durante la selezione del fotodiodo includono principalmente rumore, lunghezza d'onda, vincoli di polarizzazione inversa, guadagno, ecc. I parametri di prestazione del fotodiodo includono la reattività, l'efficienza quantistica, il tempo di transito o il tempo di risposta.

Questi diodi trovano largo impiego nelle applicazioni dove è richiesta la rilevazione della presenza di luce, colore, posizione, intensità. Le caratteristiche principali di questi diodi includono quanto segue.

  • La linearità del diodo è buona rispetto alla luce incidente
  • Il rumore è basso.
  • La risposta è ampia spettrale
  • Robusto meccanicamente
  • Leggero e compatto
  • Lunga vita

I materiali necessari per realizzare un fotodiodo e la gamma di lunghezze d'onda dello spettro elettromagnetico includono quanto segue

  • Per il materiale in silicio, l'intervallo di lunghezze d'onda dello spettro elettromagnetico sarà (190-1100) nm
  • Per il materiale germanio, l'intervallo di lunghezze d'onda dello spettro elettromagnetico sarà (400-1700) nm
  • Per il materiale di arseniuro di gallio indio, l'intervallo di lunghezze d'onda dello spettro elettromagnetico sarà (800-2600) nm
  • Per il materiale solfuro di piombo (II), l'intervallo di lunghezze d'onda dello spettro elettromagnetico sarà<1000-3500) nm
  • Per mercurio, materiale tellururo di cadmio, l'intervallo di lunghezze d'onda dello spettro elettromagnetico sarà (400-14000) nm

A causa del loro migliore intervallo di banda, i fotodiodi a base di Si producono un rumore inferiore rispetto ai fotodiodi a base di Ge.

Costruzione

La costruzione del fotodiodo può essere eseguita utilizzando due semiconduttori come il tipo P e il tipo N. In questo progetto, la formazione di materiale di tipo P può essere effettuata dalla diffusione del substrato di tipo P che è leggermente drogato. Quindi, lo strato di ioni P + può essere formato grazie al metodo di diffusione. Sul substrato di tipo N, può essere coltivato lo strato epitassiale di tipo N.

Costruzione del fotodiodo

Costruzione del fotodiodo

Lo sviluppo di uno strato di diffusione P + può essere effettuato sullo strato epitassiale di tipo N fortemente drogato. I contatti sono progettati con metalli per creare due terminali come l'anodo e il catodo. La regione anteriore del diodo può essere separata in due tipi come superfici attive e non attive.

La progettazione della superficie non attiva può essere eseguita con biossido di silicio (SiO2). Su una superficie attiva, i raggi luminosi possono colpirla mentre, su una superficie non attiva, i raggi luminosi non possono colpire. E la superficie attiva può essere ricoperta attraverso il materiale antiriflesso in modo che l'energia della luce non possa perdere e la più alta di essa possa essere trasformata in corrente.

Funzionamento del fotodiodo

Il principio di funzionamento di un fotodiodo è che, quando un fotone di ampia energia colpisce il diodo, crea un paio di lacune elettroniche. Questo meccanismo è anche chiamato effetto fotoelettrico interno. Se l'assorbimento si verifica nella giunzione della regione di svuotamento, i portatori vengono rimossi dalla giunzione dal campo elettrico integrato della regione di svuotamento.

Principio di funzionamento del fotodiodo

Principio di funzionamento del fotodiodo

Pertanto, i fori nella regione si spostano verso l'anodo e gli elettroni si muovono verso il catodo e verrà generata una fotocorrente. L'intera corrente che attraversa il diodo è la somma dell'assenza di luce e della fotocorrente. Quindi la corrente assente deve essere ridotta per massimizzare la sensibilità del dispositivo.

Modalità di funzionamento

Le modalità operative del fotodiodo includono tre modalità, vale a dire modalità fotovoltaica, modalità fotoconduttiva, una modalità diodo valanga

Modalità fotovoltaica: Questa modalità è anche nota come modalità zero-bias, in cui una tensione è prodotta dal fotodiodo illuminato. Fornisce una gamma dinamica molto piccola e la necessità non lineare della tensione formata.

Modalità fotoconduttiva: Il fotodiodo utilizzato in questa modalità fotoconduttiva è più solitamente polarizzato inversamente. L'applicazione della tensione inversa aumenterà la larghezza dello strato di esaurimento, che a sua volta diminuisce il tempo di risposta e la capacità di giunzione. Questa modalità è troppo veloce e visualizza rumore elettronico

Modalità diodo valanga: I diodi a valanga operano in una condizione di polarizzazione inversa elevata, che consente la moltiplicazione di un guasto a valanga per ciascuna coppia elettrone-lacuna prodotta dalla foto. Questo risultato è un guadagno interno nel fotodiodo, che aumenta lentamente la risposta del dispositivo.

Perché il fotodiodo funziona in polarizzazione inversa?

Il fotodiodo opera in modalità fotoconduttiva. Quando il diodo è collegato in polarizzazione inversa, è possibile aumentare la larghezza dello strato di esaurimento. Quindi questo diminuirà la capacità della giunzione e il tempo di risposta. In effetti, questa polarizzazione causerà tempi di risposta più rapidi per il diodo. Quindi la relazione tra fotocorrente e illuminamento è linearmente proporzionale.

Quale è meglio fotodiodo o fototransistor?

Sia il fotodiodo che il fototransistor vengono utilizzati per convertire l'energia della luce in elettrica. Tuttavia, il fototransistor è più reattivo rispetto al fotodiodo a causa dell'utilizzo del transistor.

Il transistor cambia la corrente di base che causa a causa dell'assorbimento della luce e quindi l'enorme corrente di uscita può essere ottenuta attraverso il terminale del collettore del transistor. La risposta temporale dei fotodiodi è molto rapida rispetto al fototransistor. Quindi è applicabile dove si verificano fluttuazioni nel circuito. Per una migliore comprensione, qui abbiamo elencato alcuni punti di fotodiodo vs fotoresistenza.

Fotodiodo

Fototransistor

Il dispositivo a semiconduttore che converte l'energia dalla luce alla corrente elettrica è noto come fotodiodo.Il fototransistor viene utilizzato per trasformare l'energia della luce in una corrente elettrica utilizzando il transistor.
Genera sia la corrente che la tensioneGenera corrente
Il tempo di risposta è la velocitàIl tempo di risposta è lento
È meno reattivo rispetto a un fototransistorÈ reattivo e genera un'enorme corrente o / p.
Questo diodo funziona in entrambe le condizioni di polarizzazioneQuesto diodo funziona solo in polarizzazione diretta.
Viene utilizzato in un esposimetro, in una centrale solare, eccViene utilizzato per rilevare la luce

Circuito fotodiodo

Lo schema del circuito del fotodiodo è mostrato di seguito. Questo circuito può essere costruito con una resistenza da 10k e un fotodiodo. Una volta che il fotodiodo rileva la luce, consente un flusso di corrente attraverso di esso. La somma della corrente che fornisce attraverso questo diodo può essere direttamente proporzionale alla somma della luce rilevata attraverso il diodo.

Schema elettrico

Schema elettrico

Collegamento di un fotodiodo in un circuito esterno

In qualsiasi applicazione, il fotodiodo funziona in modalità di polarizzazione inversa. Il terminale dell'anodo del circuito può essere collegato a massa mentre il terminale del catodo è collegato alla fonte di alimentazione. Una volta illuminata dalla luce, la corrente fluisce dal terminale del catodo al terminale dell'anodo.

Una volta che i fotodiodi vengono utilizzati con i circuiti esterni, vengono associati a una fonte di alimentazione all'interno del circuito. Quindi, la quantità di corrente generata attraverso un fotodiodo sarà estremamente piccola, quindi questo valore non è sufficiente per realizzare un dispositivo elettronico.

Una volta collegati a una fonte di alimentazione esterna, fornisce più corrente verso il circuito. In questo circuito, la batteria viene utilizzata come fonte di alimentazione per aiutare ad aumentare il valore della corrente in modo che i dispositivi esterni offrano prestazioni migliori.

Efficienza dei fotodiodi

L'efficienza quantica del fotodiodo può essere definita come la divisione dei fotoni assorbiti che donano alla fotocorrente. Per questi diodi, è apertamente associato alla reattività 'S' senza effetto di valanga, quindi la fotocorrente può essere espressa come

I = S P = ηe / hv. P

Dove,

'Η' è l'efficienza quantistica

'E' è la carica dell'elettrone

'Hν' è l'energia del fotone

L'efficienza quantica dei fotodiodi è estremamente elevata. In alcuni casi, sarà superiore al 95%, tuttavia cambia ampiamente attraverso la lunghezza d'onda. Un'elevata efficienza quantistica richiede il controllo dei riflessi oltre a un'elevata efficienza interna come un rivestimento antiriflesso.

Reattività

La reattività di un fotodiodo è il rapporto tra la fotocorrente generata e la potenza ottica assorbita può essere determinata all'interno della sezione lineare della risposta. Nei fotodiodi, è normalmente massimo in un'area della lunghezza d'onda dove l'energia del fotone è abbastanza superiore all'energia del bandgap e declina all'interno della regione del bandgap ovunque l'assorbimento si riduce.

Il calcolo del fotodiodo può essere eseguito sulla base della seguente equazione

R = η (e / hv)

Qui, nell'equazione precedente, 'h ν' è l'energia del fotone 'η' è l'efficienza del quanto e 'e' la carica di elementare. Ad esempio, l'efficienza quantistica di un fotodiodo è del 90% a una lunghezza d'onda di 800 nm, quindi la reattività sarà 0,58 A / W.

Per i fotomoltiplicatori e i fotodiodi a valanga, esiste un fattore aggiuntivo per la moltiplicazione della corrente interna, in modo che i valori possibili siano superiori a 1 A / W. Generalmente, la moltiplicazione della corrente non è inclusa nell'efficienza quantistica.

Fotodiodo PIN Vs Fotodiodo PN

Entrambi i fotodiodi come PN e PIN possono essere acquistati da molti fornitori. La selezione di un fotodiodo è molto importante durante la progettazione di un circuito basato sulle prestazioni e sulle caratteristiche richieste.
Un fotodiodo PN non funziona con una polarizzazione inversa e, di conseguenza, è più appropriato per le applicazioni di scarsa illuminazione per migliorare le prestazioni del rumore.

Il fotodiodo PIN che funziona in polarizzazione inversa può introdurre una corrente di rumore per diminuire il rapporto S / N
Per le applicazioni di alta gamma dinamica, la polarizzazione inversa darà buone prestazioni
Per applicazioni ad alto BW, la polarizzazione inversa fornirà buone prestazioni come la capacità tra le regioni di P & N e la capacità di stoccaggio della carica è piccola.

Vantaggi

Il vantaggi del fotodiodo include il seguente.

  • Meno resistenza
  • Velocità di funzionamento rapida e alta
  • Lunga durata
  • Il fotorilevatore più veloce
  • La risposta spettrale è buona
  • Non utilizza alta tensione
  • La risposta in frequenza è buona
  • Solido e leggero
  • È estremamente reattivo alla luce
  • La corrente scura è feccia
  • Alta efficienza quantistica
  • Meno rumore

Svantaggi

Il svantaggi del fotodiodo include il seguente.

  • La stabilità della temperatura è scarsa
  • La variazione della corrente è estremamente ridotta, quindi potrebbe non essere sufficiente per pilotare il circuito
  • L'area attiva è piccola
  • Il normale fotodiodo a giunzione PN include un tempo di risposta elevato
  • Ha meno sensibilità
  • Funziona principalmente a seconda della temperatura
  • Utilizza la tensione di offset

Applicazioni del fotodiodo

  • Le applicazioni dei fotodiodi implicano applicazioni simili di fotorilevatori come dispositivi ad accoppiamento di carica, fotoconduttori e tubi fotomoltiplicatori.
  • Questi diodi sono utilizzati in dispositivi di elettronica di consumo come rilevatori di fumo , lettori di compact disc e televisori e telecomandi nei videoregistratori.
  • In altri dispositivi di consumo come radiosveglie, esposimetri per fotocamere e lampioni stradali, i fotoconduttori vengono utilizzati più frequentemente piuttosto che i fotodiodi.
  • I fotodiodi vengono spesso utilizzati per la misurazione esatta dell'intensità della luce nella scienza e nell'industria. In generale, hanno una risposta migliorata e più lineare rispetto ai fotoconduttori.
  • I fotodiodi sono anche ampiamente utilizzati in numerose applicazioni mediche come strumenti per analizzare campioni, rilevatori per tomografia computerizzata e utilizzati anche nei monitor dei gas del sangue.
  • Questi diodi sono molto più veloci e complessi dei normali diodi a giunzione PN e quindi sono spesso utilizzati per la regolazione dell'illuminazione e nelle comunicazioni ottiche.

Caratteristiche V-I del fotodiodo

Un fotodiodo opera continuamente in modalità di polarizzazione inversa. Le caratteristiche del fotodiodo sono mostrate chiaramente nella figura seguente, che la fotocorrente è quasi indipendente dalla tensione di polarizzazione inversa che viene applicata. Per luminanza zero, la fotocorrente è quasi zero escludendo una piccola corrente di buio. È dell'ordine dei nano ampere. All'aumentare della potenza ottica, anche la fotocorrente aumenta linearmente. La fotocorrente massima è incompleta dalla dissipazione di potenza del fotodiodo.

Caratteristiche

Caratteristiche

Quindi, si tratta di principio di funzionamento del fotodiodo , caratteristiche e applicazioni. I dispositivi optoelettronici come i fotodiodi sono disponibili in diversi tipi che vengono utilizzati in quasi tutti i dispositivi elettronici. Questi diodi vengono utilizzati con sorgenti luminose IR come neon, LED laser e fluorescenti. Rispetto ad altri diodi di rilevamento della luce, questi diodi non sono costosi. Ci auguriamo che tu abbia una migliore comprensione di questo concetto. Inoltre, qualsiasi domanda riguardante questo concetto o da implementare progetti elettrici ed elettronici per studenti di ingegneria . Si prega di dare i vostri preziosi suggerimenti commentando nella sezione commenti qui sotto. Ecco una domanda per te, qual è la funzione di un fotodiodo ?

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