Was ist eine Fotodiode? Funktionsprinzip und seine Eigenschaften

Eine Fotodiode ist a PN-Sperrschichtdiode das verbraucht Lichtenergie, um elektrischen Strom zu erzeugen. Manchmal wird es auch als Fotodetektor, Lichtdetektor und Fotosensor bezeichnet. Diese Dioden sind speziell für den Betrieb unter Sperrbedingungen ausgelegt. Dies bedeutet, dass die P-Seite der Fotodiode dem Minuspol der Batterie zugeordnet ist und die N-Seite mit dem Pluspol der Batterie verbunden ist. Diese Diode ist sehr komplex zu beleuchten. Wenn Licht auf die Diode fällt, wandelt sie Licht leicht in elektrischen Strom um. Die Solarzelle wird deshalb auch als großflächige Fotodiode bezeichnet wandelt Sonnenenergie in elektrische Energie um . Solarzellen arbeiten jedoch nur bei hellem Licht.

Was ist eine Fotodiode?

Eine Fotodiode ist eine Art von Lichtdetektor, der verwendet wird, um das Licht basierend auf der Betriebsart des Geräts in Strom oder Spannung umzuwandeln. Es umfasst optische Filter, eingebaute Linsen sowie Oberflächen. Diese Dioden haben eine langsame Reaktionszeit, wenn die Oberfläche der Fotodiode zunimmt. Fotodioden ähneln normalen Halbleiterdioden, können jedoch entweder sichtbar sein, damit Licht in den empfindlichen Teil des Geräts gelangt. Mehrere Dioden für Bei Verwendung genau wie bei einer Fotodiode wird auch ein PIN-Übergang verwendet, der etwas über dem üblichen PN-Übergang liegt.

Einige Fotodioden sehen aus wie eine Leuchtdiode . Sie haben zwei Terminals vom Ende. Das kleinere Ende der Diode ist der Kathodenanschluss, während das längere Ende der Diode der Anodenanschluss ist. Siehe das folgende schematische Diagramm für die Anoden- und Kathodenseite. Unter der Vorwärtsvorspannungsbedingung fließt der herkömmliche Strom von der Anode zur Kathode, wobei dem Pfeil im Diodensymbol gefolgt wird. Der Photostrom fließt in umgekehrter Richtung.

Arten von Fotodioden

Obwohl es auf dem Markt zahlreiche Arten von Fotodioden gibt, die alle nach denselben Grundprinzipien arbeiten, werden einige durch andere Effekte verbessert. Die Arbeitsweise verschiedener Arten von Fotodioden funktioniert etwas unterschiedlich, aber die grundlegende Funktionsweise dieser Dioden bleibt gleich. Die Arten von Fotodioden können basierend auf ihrem Aufbau und ihren Funktionen wie folgt klassifiziert werden.

• PN Fotodiode
• Schottky-Fotodiode
• PIN-Fotodiode
• Lawinenphotodiode

PN Fotodiode

Der erste entwickelte Fotodiodentyp ist der PN-Typ. Im Vergleich zu anderen Typen ist seine Leistung nicht fortgeschritten, aber derzeit wird es in mehreren Anwendungen verwendet. Die Photodetektion erfolgt hauptsächlich im Verarmungsbereich der Diode. Diese Diode ist ziemlich klein, aber ihre Empfindlichkeit ist im Vergleich zu anderen nicht groß. Weitere Informationen zur PN-Diode finden Sie unter diesem Link.

PIN-Fotodiode

Derzeit ist die am häufigsten verwendete Fotodiode ein PIN-Typ. Diese Diode sammelt die Lichtphotonen im Vergleich zur Standard-PN-Fotodiode stärker, da der breite Eigenbereich zwischen den P- und N-Bereichen die Sammlung von mehr Licht ermöglicht und darüber hinaus auch eine geringere Kapazität bietet. Weitere Informationen zur PIN-Diode finden Sie unter diesem Link.

Lawinenphotodiode

Diese Art von Diode wird aufgrund ihrer hohen Verstärkungspegel in Bereichen mit wenig Licht verwendet. Es erzeugt hohe Geräuschpegel. Daher ist diese Technologie nicht für alle Anwendungen geeignet. Weitere Informationen zur Avalanche-Diode finden Sie unter diesem Link.

Schottky-Fotodiode

Die Schottky-Fotodiode verwendet die Schottky-Diode und enthält einen kleinen Diodenübergang, was bedeutet, dass eine kleine Übergangskapazität vorhanden ist, so dass sie mit hohen Geschwindigkeiten arbeitet. Daher wird diese Art von Fotodiode häufig in optischen Kommunikationssystemen mit hoher Bandbreite (BW) wie Glasfaserverbindungen verwendet. Weitere Informationen zur Schottky-Diode finden Sie unter diesem Link.

Jeder Fotodiodentyp hat seine eigenen Vor- und Nachteile. Die Auswahl dieser Diode kann je nach Anwendung erfolgen. Die verschiedenen Parameter, die bei der Auswahl der Fotodiode berücksichtigt werden müssen, umfassen hauptsächlich Rauschen, Wellenlänge, Sperrvorspannungsbeschränkungen, Verstärkung usw. Die Leistungsparameter der Fotodiode umfassen Empfindlichkeit, Quanteneffizienz, Laufzeit oder Reaktionszeit.

Diese Dioden werden häufig in Anwendungen verwendet, bei denen die Erfassung des Vorhandenseins von Licht, Farbe, Position und Intensität erforderlich ist. Die Hauptmerkmale dieser Dioden umfassen die folgenden.

• Die Linearität der Diode ist in Bezug auf einfallendes Licht gut
• Der Lärm ist gering.
• Die Antwort ist breit spektral
• Mechanisch robust
• Leicht und kompakt
• Langes Leben

Die erforderlichen Materialien zur Herstellung einer Fotodiode und der Wellenlängenbereich des elektromagnetischen Spektrums umfassen das Folgende

• Für Siliziummaterial beträgt der Wellenlängenbereich des elektromagnetischen Spektrums (190-1100) nm
• Für Germaniummaterial beträgt der Wellenlängenbereich des elektromagnetischen Spektrums (400-1700) nm
• Für Indiumgalliumarsenidmaterial beträgt der Wellenlängenbereich des elektromagnetischen Spektrums (800-2600) nm
• Für Blei (II) sulfidmaterial beträgt der Wellenlängenbereich des elektromagnetischen Spektrums<1000-3500) nm
• Für Quecksilber, Cadmiumtellurid-Material, beträgt der Wellenlängenbereich des elektromagnetischen Spektrums (400-14000) nm

Si-basierte Fotodioden erzeugen aufgrund ihrer besseren Bandlücke ein geringeres Rauschen als Ge-basierte Fotodioden.

Konstruktion

Der Fotodiodenaufbau kann unter Verwendung von zwei Halbleitern wie P-Typ und N-Typ erfolgen. Bei dieser Konstruktion kann die Bildung von Material vom P-Typ aus der Diffusion des Substrats vom P-Typ erfolgen, das leicht dotiert ist. So kann aufgrund des Diffusionsverfahrens die P + -Ionenschicht gebildet werden. Auf dem Substrat vom N-Typ kann die Epitaxieschicht vom N-Typ gezüchtet werden.

Fotodiodenaufbau

Die Entwicklung einer P + -Diffusionsschicht kann über der stark dotierten N-Epitaxieschicht erfolgen. Die Kontakte sind mit Metallen ausgelegt, um zwei Anschlüsse wie Anode und Kathode herzustellen. Der vordere Bereich der Diode kann in zwei Typen wie aktive und nicht aktive Oberflächen unterteilt werden.

Die Gestaltung der nicht aktiven Oberfläche kann mit Siliziumdioxid (SiO2) erfolgen. Auf einer aktiven Oberfläche können die Lichtstrahlen darüber treffen, während auf einer nicht aktiven Oberfläche die Lichtstrahlen nicht auftreffen können. & Die aktive Oberfläche kann durch das Material der Antireflexion bedeckt werden, so dass die Energie des Lichts nicht verlieren kann und die höchste davon in den Strom umgewandelt werden kann.

Arbeitsweise der Fotodiode

Das Arbeitsprinzip einer Fotodiode ist, wenn ein Photon mit reichlich Energie auf die Diode trifft, macht es ein paar Elektronenlöcher. Dieser Mechanismus wird auch als innerer photoelektrischer Effekt bezeichnet. Wenn die Absorption im Übergang des Verarmungsbereichs auftritt, werden die Ladungsträger durch das eingebaute elektrische Feld des Verarmungsbereichs vom Übergang entfernt.

Funktionsprinzip der Fotodiode

Daher bewegen sich Löcher in dem Bereich in Richtung der Anode und Elektronen in Richtung der Kathode, und es wird ein Photostrom erzeugt. Der gesamte Strom durch die Diode ist die Summe aus Lichtabwesenheit und Photostrom. Daher muss der fehlende Strom reduziert werden, um die Empfindlichkeit des Geräts zu maximieren.

Betriebsarten

Die Betriebsmodi der Fotodiode umfassen drei Modi, nämlich den Photovoltaikmodus, den photoleitenden Modus und einen Lawinendiodenmodus

Photovoltaik-Modus: Dieser Modus ist auch als Null-Vorspannungsmodus bekannt, bei dem von der aufgehellten Fotodiode eine Spannung erzeugt wird. Es gibt einen sehr kleinen Dynamikbereich und eine nichtlineare Notwendigkeit der gebildeten Spannung.

Fotoleitender Modus: Die in diesem photoleitenden Modus verwendete Fotodiode ist üblicherweise in Sperrrichtung vorgespannt. Die Sperrspannungsanwendung erhöht die Breite der Verarmungsschicht, was wiederum die Reaktionszeit und die Sperrschichtkapazität verringert. Dieser Modus ist zu schnell und zeigt elektronisches Rauschen an

Lawinendiodenmodus: Lawinendioden arbeiten in einem Zustand mit hoher Sperrvorspannung, der die Multiplikation eines Lawinendurchbruchs mit jedem durch Licht erzeugten Elektron-Loch-Paar ermöglicht. Dieses Ergebnis ist eine interne Verstärkung in der Fotodiode, die die Reaktion des Geräts langsam erhöht.

Warum wird die Fotodiode in Sperrrichtung betrieben?

Die Fotodiode arbeitet im photoleitenden Modus. Wenn die Diode in Sperrrichtung angeschlossen ist, kann die Verarmungsschichtbreite erhöht werden. Dies verringert also die Kapazität des Übergangs und die Reaktionszeit. Tatsächlich führt diese Vorspannung zu schnelleren Reaktionszeiten für die Diode. Das Verhältnis zwischen Photostrom und Beleuchtungsstärke ist also linear proportional.

Welches ist eine bessere Fotodiode oder ein besserer Fototransistor?

Sowohl die Fotodiode als auch der Fototransistor werden zur Umwandlung der Lichtenergie in elektrische Energie verwendet. Der Fototransistor reagiert jedoch im Gegensatz zur Fotodiode aufgrund der Verwendung des Transistors reaktionsfähiger.

Der Transistor ändert den Basisstrom, der aufgrund der Lichtabsorption verursacht wird, und daher kann der enorme Ausgangsstrom über den Kollektoranschluss des Transistors gewonnen werden. Das Zeitverhalten der Fotodioden ist im Vergleich zum Fototransistor sehr schnell. Es ist also anwendbar, wenn Schwankungen in der Schaltung auftreten. Zum besseren Verständnis haben wir hier einige Punkte zwischen Fotodiode und Fotowiderstand aufgelistet.

Fotodiodenschaltung

Das Schaltbild der Fotodiode ist unten dargestellt. Diese Schaltung kann mit einem 10k-Widerstand und einer Fotodiode aufgebaut werden. Sobald die Fotodiode das Licht bemerkt, lässt sie einen gewissen Stromfluss durch das Licht. Die Summe des Stroms, der durch diese Diode geliefert wird, kann direkt proportional zur Summe des durch die Diode wahrgenommenen Lichts sein.

Schaltplan

Anschließen einer Fotodiode an einen externen Stromkreis

In jeder Anwendung arbeitet die Fotodiode im Sperrvorspannungsmodus. Der Anodenanschluss der Schaltung kann mit Masse verbunden werden, während der Kathodenanschluss mit der Stromquelle verbunden ist. Sobald es durch Licht beleuchtet ist, fließt Strom vom Kathodenanschluss zum Anodenanschluss.

Sobald Fotodioden mit externen Schaltkreisen verwendet werden, werden sie mit einer Stromquelle innerhalb des Schaltkreises verbunden. Die durch eine Fotodiode erzeugte Strommenge ist also extrem klein, so dass dieser Wert nicht ausreicht, um ein elektronisches Gerät herzustellen.

Sobald sie an eine externe Stromquelle angeschlossen sind, liefert sie mehr Strom an den Stromkreis. In dieser Schaltung wird die Batterie als Stromquelle verwendet, um den Stromwert zu erhöhen, damit externe Geräte eine bessere Leistung erzielen.

Photodiodenwirkungsgrad

Die Quanteneffizienz der Fotodiode kann als Teilung der absorbierten Photonen definiert werden, die an den Photostrom abgeben. Für diese Dioden ist es offen mit der Empfindlichkeit 'S' ohne Auswirkung einer Lawine verbunden, dann kann der Photostrom ausgedrückt werden als

I = S P = ηe / hv. P.

Wo,

'Η' ist die Quanteneffizienz

'E' ist die Ladung des Elektrons

'Hν' ist die Energie des Photons

Die Quanteneffizienz von Fotodioden ist extrem hoch. In einigen Fällen liegt sie über 95%, ändert sich jedoch stark durch die Wellenlänge. Eine hohe Quanteneffizienz erfordert die Kontrolle von Reflexionen, abgesehen von einer hohen inneren Effizienz wie einer Antireflexionsbeschichtung.

Reaktionsfähigkeit

Die Empfindlichkeit einer Fotodiode ist das Verhältnis des erzeugten Fotostroms sowie der absorbierten optischen Leistung, die innerhalb des linearen Abschnitts der Antwort bestimmt werden kann. In Fotodioden ist es normalerweise in einem Wellenlängenbereich maximal, wo die Photonenenergie ziemlich höher als die Bandlückenenergie ist und innerhalb des Bandlückenbereichs abnimmt, wo die Absorption abnimmt.

Die Fotodiodenberechnung kann basierend auf der folgenden Gleichung durchgeführt werden

R = η (e / hv)

In der obigen Gleichung ist 'h' die Energie des Photons. '‘ 'Ist die Effizienz des Quanten und' e 'die Ladung des Elementars. Beispielsweise beträgt der Quantenwirkungsgrad einer Fotodiode 90% bei einer Wellenlänge von 800 nm, dann beträgt die Empfindlichkeit 0,58 A / W.

Für Fotovervielfacher und Lawinenphotodioden gibt es einen zusätzlichen Faktor für die Multiplikation des Innenstroms, so dass mögliche Werte über 1 A / W liegen. Im Allgemeinen ist die Multiplikation des Stroms nicht in der Quanteneffizienz enthalten.

PIN-Fotodiode gegen PN-Fotodiode

Beide Fotodioden wie PN & PIN sind bei vielen Anbietern erhältlich. Eine Auswahl der Fotodioden ist sehr wichtig, wenn eine Schaltung basierend auf der erforderlichen Leistung und den Eigenschaften entworfen wird.
Eine PN-Fotodiode arbeitet nicht in Sperrrichtung und ist daher besser für Anwendungen mit wenig Licht geeignet, um die Leistung von Rauschen zu verbessern.

Die PIN-Fotodiode, die in Sperrrichtung arbeitet, kann einen Rauschstrom einführen, um das S / N-Verhältnis zu verringern
Für Anwendungen mit hohem Dynamikbereich ergibt die Sperrvorspannung eine gute Leistung
Für Anwendungen mit hohem BW bietet die Sperrvorspannung eine gute Leistung, wie die Kapazität zwischen den Regionen von P & N und die Speicherung der Ladekapazität ist gering.

Vorteile

Das Vorteile der Fotodiode das Folgende einschließen.

• Weniger Widerstand
• Schnelle und hohe Betriebsgeschwindigkeit
• Lange Lebensspanne
• Schnellster Fotodetektor
• Die spektrale Antwort ist gut
• Verwendet keine Hochspannung
• Der Frequenzgang ist gut
• Solide und leicht
• Es reagiert extrem auf das Licht
• Dunkler Strom ist Hefe
• Hohe Quanteneffizienz
• Weniger Lärm

Nachteile

Das Nachteile der Fotodiode das Folgende einschließen.

• Die Temperaturstabilität ist schlecht
• Die Änderung des Stroms ist äußerst gering und reicht daher möglicherweise nicht aus, um die Schaltung anzutreiben
• Der aktive Bereich ist klein
• Die übliche PN-Sperrschicht-Fotodiode weist eine hohe Reaktionszeit auf
• Es hat weniger Empfindlichkeit
• Es funktioniert hauptsächlich abhängig von der Temperatur
• Es wird eine Offset-Spannung verwendet

Anwendungen von Fotodioden

• Die Anwendungen von Fotodioden umfassen ähnliche Anwendungen von Fotodetektoren wie ladungsgekoppelten Bauelementen, Fotoleitern und Fotovervielfacherröhren.
• Diese Dioden werden in Geräten der Unterhaltungselektronik wie verwendet Rauchmelder , CD-Player sowie Fernseher und Fernbedienungen in Videorecordern.
• In anderen Verbrauchergeräten wie Radiowecker, Kameralichtmessern und Straßenlaternen werden Fotoleiter häufiger als Fotodioden verwendet.
• Fotodioden werden häufig zur genauen Messung der Lichtintensität in Wissenschaft und Industrie verwendet. Im Allgemeinen haben sie eine verbesserte, linearere Reaktion als Fotoleiter.
• Fotodioden sind auch in weit verbreitet zahlreiche medizinische Anwendungen wie Instrumente zur Analyse von Proben, Detektoren für die Computertomographie und auch in Blutgasmonitoren verwendet.
• Diese Dioden sind viel schneller und komplexer als normale PN-Sperrschichtdioden und werden daher häufig zur Lichtregulierung und in der optischen Kommunikation verwendet.

V-I-Eigenschaften der Fotodiode

Eine Fotodiode arbeitet kontinuierlich in einem Sperrvorspannungsmodus. Die Eigenschaften der Fotodiode sind in der folgenden Figur deutlich gezeigt, dass der Fotostrom nahezu unabhängig von der angelegten Sperrvorspannung ist. Bei einer Leuchtdichte von Null ist der Photostrom nahezu Null, außer bei einem kleinen Dunkelstrom. Es liegt in der Größenordnung von Nanoampere. Mit steigender optischer Leistung steigt auch der Photostrom linear an. Der maximale Fotostrom ist durch die Verlustleistung der Fotodiode unvollständig.

Eigenschaften

Das ist also alles über die Funktionsprinzip der Fotodiode , Eigenschaften und Anwendungen. Optoelektronische Geräte wie Fotodioden sind in verschiedenen Ausführungen erhältlich, die in fast allen elektronischen Geräten verwendet werden. Diese Dioden werden mit IR-Lichtquellen wie Neon, Laser-LED und Fluoreszenz verwendet. Im Vergleich zu anderen Lichtdetektionsdioden sind diese Dioden nicht teuer. Wir hoffen, dass Sie dieses Konzept besser verstehen. Darüber hinaus alle Fragen zu diesem Konzept oder zu implementieren elektrische und elektronische Projekte für Ingenieurstudenten . Bitte geben Sie Ihre wertvollen Vorschläge, indem Sie im Kommentarbereich unten einen Kommentar abgeben. Hier ist eine Frage an Sie, Was ist die Funktion einer Fotodiode? ?

Bildnachweis:

• Fotodiode Hamamatsu
• Arbeitsweise der Fotodiode Physik und Radioelektronik
• V-I-Eigenschaften der Fotodiode ecetutorials