Τι είναι μια φωτοδίοδος; (Μέρος 1)

Φωτοδίοδοςείναι μια συσκευή ημιαγωγών που μετατρέπει το φως σε ρεύμα και μεταξύ του p (θετικού) και του n (αρνητικού) στρώματος, υπάρχει ένα εγγενές στρώμα. Μια φωτοδίοδος λαμβάνει φωτεινή ενέργεια ως είσοδο για την παραγωγή ηλεκτρικού ρεύματος. Οι φωτοδίοδοι είναι επίσης γνωστές ως φωτοανιχνευτές, φωτοηλεκτρικοί αισθητήρες ή ανιχνευτές φωτός.

Η φωτοδίοδος λειτουργεί υπό συνθήκες αντίστροφης πόλωσης, δηλαδή, η πλευρά P της φωτοδιόδου συνδέεται με το αρνητικό ηλεκτρόδιο της μπαταρίας (ή το τροφοδοτικό) και η πλευρά Ν συνδέεται με το θετικό ηλεκτρόδιο της μπαταρίας. Τυπικά υλικά φωτοδιόδων είναι το πυρίτιο, το γερμάνιο, το φωσφίδιο του αρσενικού γαλλίου του ινδίου και το αρσενίδιο του ινδίου.

Στο εσωτερικό, η φωτοδίοδος διαθέτει φίλτρο φωτός, ενσωματωμένο φακό και επιφάνεια. Όταν η επιφάνεια της φωτοδιόδου αυξάνεται, ο χρόνος απόκρισης μειώνεται. Πολύ λίγες φωτοδίοδοι μοιάζουν με δίοδοι εκπομπής φωτός (LED). Διαθέτει δύο τερματικά, όπως φαίνεται παρακάτω. Το μικρότερο τερματικό χρησιμεύει ως κάθοδος και το μακρύτερο τερματικό χρησιμεύει ως άνοδος.

Το σύμβολο της φωτοδιόδου είναι παρόμοιο με το σύμβολο του LED, αλλά το βέλος δείχνει μέσα αντί για έξω στο LED. Η παρακάτω εικόνα δείχνει το σύμβολο της φωτοδιόδου.

1. Αρχή φωτοδιόδου

Οι φωτοδίοδοι λειτουργούν δημιουργώντας ένα ζεύγος οπών ηλεκτρονίων όταν ένα ενεργητικό φωτόνιο χτυπά τη δίοδο. Αυτός ο μηχανισμός είναι επίσης γνωστός ως εσωτερικό φωτοηλεκτρικό φαινόμενο. Εάν συμβεί απορρόφηση στη διασταύρωση της περιοχής εξάντλησης, οι φορείς απομακρύνονται από τη διασταύρωση από το εσωτερικό ηλεκτρικό πεδίο στην περιοχή εξάντλησης.

Συνήθως, όταν το φως φωτίζει τη σύνδεση PN, ο ομοιοπολικός δεσμός ιονίζεται. Αυτό δημιουργεί οπές και ζεύγη ηλεκτρονίων. Το φωτορεύμα δημιουργείται λόγω της δημιουργίας ζευγών ηλεκτρονίων-οπών. Όταν φωτόνια με ενέργειες μεγαλύτερες από 1,1 eV χτυπήσουν τη δίοδο, σχηματίζονται ζεύγη ηλεκτρονίων-οπών. Όταν το φωτόνιο εισέρχεται στην περιοχή εξάντλησης της διόδου, χτυπά το άτομο με υψηλή ενέργεια. Αυτό έχει ως αποτέλεσμα την απελευθέρωση ηλεκτρονίων από την ατομική δομή. Όταν απελευθερώνονται ηλεκτρόνια, δημιουργούνται ελεύθερα ηλεκτρόνια και οπές.

Γενικά, τα ηλεκτρόνια έχουν αρνητικό φορτίο και οι τρύπες θετικό. Η εξαντλημένη ενέργεια θα έχει ενσωματωμένο ηλεκτρικό πεδίο. Λόγω αυτού του ηλεκτρικού πεδίου, το ζεύγος ηλεκτρονίων-οπών απέχει πολύ από τη διασταύρωση PN. Έτσι, οι οπές κινούνται προς την άνοδο και τα ηλεκτρόνια κινούνται προς την κάθοδο για να παράγουν φωτορεύμα.

Η ένταση της απορρόφησης φωτονίων και η ενέργεια των φωτονίων είναι ανάλογες μεταξύ τους. Όσο λιγότερη ενέργεια έχει η φωτογραφία, τόσο περισσότερη απορροφά. Όλη αυτή η διαδικασία ονομάζεται εσωτερικό φωτοηλεκτρικό φαινόμενο.

Η εσωτερική διέγερση και η εξωτερική διέγερση είναι δύο μέθοδοι διέγερσης φωτονίων. Η εγγενής διαδικασία διέγερσης συμβαίνει όταν τα ηλεκτρόνια στη ζώνη σθένους διεγείρονται από φωτόνια στη ζώνη αγωγιμότητας.

2. Κύκλωμα λειτουργίας της φωτοδιόδου

Οι φωτοδίοδοι λειτουργούν κυρίως σε τρεις διαφορετικούς τρόπους λειτουργίας, οι οποίοι είναι:

(1)Φωτοβολταϊκός τρόπος λειτουργίας

(2)Φωτοαγώγιμη λειτουργία

(3) Λειτουργία διόδου χιονοστιβάδας

(1)Φωτοβολταϊκός τρόπος λειτουργίας

Αυτή η λειτουργία ονομάζεται επίσης λειτουργία μηδενικής προκατάληψης. Αυτή η λειτουργία προτιμάται όταν οι φωτοδίοδοι λειτουργούν σε εφαρμογές χαμηλής συχνότητας και σε εφαρμογές φωτός υπερ-ενεργειακού επιπέδου. Όταν το φλας χτυπήσει τη φωτοδίοδο, δημιουργεί τάση. Η προκύπτουσα τάση θα έχει πολύ μικρό δυναμικό εύρος και θα έχει μη γραμμικά χαρακτηριστικά. Όταν η φωτοδίοδος έχει διαμορφωθεί με OP-AMP σε αυτήν τη λειτουργία, η αλλαγή στη θερμοκρασία θα είναι πολύ μικρή.

(2)Φωτοαγώγιμη λειτουργία

Σε αυτή τη λειτουργία, η φωτοδίοδος θα λειτουργεί υπό συνθήκες αντίστροφης πόλωσης. Η κάθοδος είναι θετική και η άνοδος αρνητική. Καθώς η αντίστροφη τάση αυξάνεται, το πλάτος του στρώματος εξάντλησης αυξάνεται επίσης. Ως αποτέλεσμα, ο χρόνος απόκρισης και η χωρητικότητα της διασταύρωσης θα μειωθούν. Αντίθετα, αυτός ο τρόπος λειτουργίας είναι γρήγορος και παράγει ηλεκτρονικό θόρυβο.

(3) Λειτουργία διόδου χιονοστιβάδας

Οι δίοδοι χιονοστιβάδας λειτουργούν υπό συνθήκες υψηλής αντίστροφης πόλωσης, οι οποίες επιτρέπουν τη διάσπαση της χιονοστιβάδας να πολλαπλασιάζεται σε κάθε ζεύγος ηλεκτρονίων-οπών που παράγεται από φωτοηλεκτρισμό. Το αποτέλεσμα είναι το εσωτερικό κέρδος της φωτοδιόδου, το οποίο αυξάνει αργά την απόκριση της συσκευής.

(4)Κύκλωμα φωτοδιόδου

Το διάγραμμα κυκλώματος της φωτοδιόδου φαίνεται παρακάτω. Το κύκλωμα μπορεί να κατασκευαστεί με αντίσταση 10k και φωτοδίοδο. Μόλις η φωτοδίοδος παρατηρήσει το φως, επιτρέπει σε κάποιο ρεύμα να περάσει μέσα από αυτό. Το άθροισμα του ρεύματος που παρέχεται μέσω της διόδου μπορεί να είναι ανάλογο με το άθροισμα του φωτός που παρατηρείται μέσω της διόδου.

3. Συνδέστε τη φωτοδίοδο στο εξωτερικό κύκλωμα

Η φωτοδίοδος λειτουργεί σε ένα κύκλωμα αντίστροφης πόλωσης. Η άνοδος συνδέεται με τη γείωση του κυκλώματος και η κάθοδος συνδέεται με τη θετική τάση τροφοδοσίας του κυκλώματος. Όταν φωτίζεται από το φως, ένα ηλεκτρικό ρεύμα ρέει από την κάθοδο στην άνοδο.

Όταν χρησιμοποιούνται φωτοδίοδοι με εξωτερικό κύκλωμα, συνδέονται σε τροφοδοτικό στο κύκλωμα. Το ρεύμα που παράγεται από τη φωτοδίοδο θα είναι πολύ μικρό. Αυτή η τιμή ρεύματος δεν επαρκεί για την οδήγηση της ηλεκτρονικής συσκευής. Επομένως, όταν συνδέονται σε εξωτερικό τροφοδοτικό, παρέχει περισσότερο ρεύμα στο κύκλωμα. Έτσι η μπαταρία χρησιμοποιείται ως πηγή ενέργειας. Η πηγή μπαταρίας βοηθά στην αύξηση της τρέχουσας τιμής, συμβάλλοντας στην καλύτερη απόδοση των εξωτερικών συσκευών.

4. Διαδικασία κατασκευής φωτοδιόδου

Υλικό φωτοδίοδος

Το υλικό μιας φωτοδιόδου καθορίζει πολλά από τα χαρακτηριστικά της. Το βασικό χαρακτηριστικό είναι το κύμα φωτός στο οποίο ανταποκρίνεται η φωτοδίοδος και το άλλο είναι το επίπεδο θορύβου, που και τα δύο εξαρτώνται σε μεγάλο βαθμό από το υλικό που χρησιμοποιείται στη φωτοδίοδο.

Διαφορετικές αποκρίσεις στα μήκη κύματος εμφανίζονται λόγω της χρήσης διαφορετικών υλικών, επειδή μόνο φωτόνια με αρκετή ενέργεια για να διεγείρουν ηλεκτρόνια στο διάκενο ζώνης του υλικού παράγουν σημαντική ενέργεια για τη δημιουργία ρεύματος από τη φωτοδίοδο.

Ενώ η ευαισθησία του υλικού στο μήκος κύματος είναι πολύ σημαντική, μια άλλη παράμετρος που μπορεί να έχει σημαντικό αντίκτυπο στην απόδοση της φωτοδιόδου είναι το επίπεδο του παραγόμενου θορύβου.

Λόγω του μεγαλύτερου κενού ζώνης τους, οι φωτοδίοδοι πυριτίου παράγουν λιγότερο θόρυβο από τις φωτοδίοδοι γερμανίου. Ωστόσο, υπάρχει επίσης ανάγκη να ληφθεί υπόψη το μήκος κύματος της φωτοδιόδου που απαιτείται και οι φωτοδίοδοι γερμανίου πρέπει να χρησιμοποιούνται για μήκη κύματος μεγαλύτερα από περίπου 1000 nm.

Μεταβείτε στο Μέρος 2 για να μάθετε περισσότερα.

Στοιχεία επικοινωνίας:

Εάν έχετε οποιεσδήποτε ιδέες, μη διστάσετε να μιλήσετε μαζί μας. Ανεξάρτητα από το πού βρίσκονται οι πελάτες μας και ποιες είναι οι απαιτήσεις μας, θα ακολουθήσουμε τον στόχο μας να παρέχουμε στους πελάτες μας υψηλή ποιότητα, χαμηλές τιμές και την καλύτερη εξυπηρέτηση.