Fotodiyot Nedir: Çalışma Prensibi ve Özellikleri

Bir fotodiyot, PN bağlantı diyotu elektrik akımı üretmek için ışık enerjisi tüketen. Bazen bir foto-dedektör, bir ışık dedektörü ve bir foto-sensör olarak da adlandırılır. Bu diyotlar özellikle ters önyargı koşullarında çalışmak üzere tasarlanmıştır; bu, fotodiyotun P tarafının pilin negatif terminali ile ilişkili olduğu ve n tarafının pilin pozitif terminaline bağlı olduğu anlamına gelir. Bu diyotun ışığı çok karmaşıktır, bu nedenle ışık diyot üzerine düştüğünde ışığı kolayca elektrik akımına dönüştürür. Güneş pili ayrıca geniş alanlı bir fotodiyot olarak da markalanmıştır çünkü güneş enerjisini elektrik enerjisine dönüştürür . Yine de, güneş pili yalnızca parlak ışıkta çalışır.

Fotodiyot nedir?

Fotodiyot, cihazın çalışma moduna bağlı olarak ışığı akıma veya gerilime dönüştürmek için kullanılan bir tür ışık detektörüdür. Optik filtreler, yerleşik lensler ve ayrıca yüzey alanlarından oluşur. Bu diyotlar, fotodiyotun yüzey alanı arttığında yavaş tepki süresine sahiptir. Fotodiyotlar normal yarı iletken diyotlara benzer, ancak ışığın cihazın hassas kısmına ulaşmasına izin verecek şekilde görünür olabilirler. Amaçlanan birkaç diyot tam olarak bir fotodiyot olarak kullanılması, normal PN bağlantısından biraz daha fazla bir PIN bağlantısı kullanacaktır.

Bazı fotodiyotlar şöyle görünecek ışık yayan bir diyot . Sondan gelen iki terminalleri var. Diyotun daha küçük ucu katot terminali iken, diyotun daha uzun ucu anot terminalidir. Anot ve katot tarafları için aşağıdaki şematik diyagrama bakın. İleri yanlılık koşulu altında, geleneksel akım diyot sembolündeki oku takip ederek anottan katoda akacaktır. Foto akım ters yönde akar.

Fotodiyot Türleri

Piyasada çok sayıda fotodiyot türü bulunmasına ve hepsi aynı temel prensipler üzerinde çalışmasına rağmen, bazıları başka etkilerle iyileştirilmiştir. Farklı fotodiyot türlerinin çalışması biraz farklı bir şekilde çalışır, ancak bu diyotların temel çalışması aynı kalır. Fotodiyot türleri, yapılarına ve işlevlerine göre aşağıdaki şekilde sınıflandırılabilir.

• PN Fotodiyot
• Schottky Fotoğraf Diyotu
• PIN Fotodiyot
• Çığ Fotodiyot

PN Fotodiyot

Geliştirilen ilk fotodiyot türü PN tipidir. Diğer türlere kıyasla performansı gelişmiş değildir, ancak şu anda birçok uygulamada kullanılmaktadır. Foto algılama, esas olarak diyotun tükenme bölgesinde gerçekleşir. Bu diyot oldukça küçüktür ancak duyarlılığı diğerlerine kıyasla çok iyi değildir. PN diyotu hakkında daha fazla bilgi edinmek için lütfen bu bağlantıya bakın.

PIN Fotodiyot

Şu anda, en yaygın kullanılan fotodiyot bir PIN türüdür. Bu diyot, ışık fotonlarını standart PN fotodiyotuna kıyasla daha güçlü bir şekilde toplar çünkü P ve N bölgeleri arasındaki geniş iç alan daha fazla ışığın toplanmasına izin verir ve buna ek olarak daha düşük bir kapasite sunar. PIN diyotu hakkında daha fazla bilgi edinmek için lütfen bu bağlantıya bakın.

Çığ Fotodiyot

Bu tür bir diyot, yüksek kazanç seviyeleri nedeniyle düşük ışıklı alanlarda kullanılır. Yüksek seviyede gürültü üretir. Dolayısıyla bu teknoloji tüm uygulamalar için uygun değildir. Çığ diyotu hakkında daha fazla bilgi edinmek için lütfen bu bağlantıya bakın.

Schottky Fotodiyot

Schottky fotodiyotu, Schottky diyotunu kullanır ve küçük bir diyot bağlantısı içerir, yani küçük bir bağlantı kapasitesi vardır, bu nedenle yüksek hızlarda çalışır. Bu nedenle, bu tür bir fotodiyot, fiber optik bağlantılar gibi yüksek bant genişliğine sahip (BW) optik iletişim sistemlerinde sıklıkla kullanılır. Schottky diyotu hakkında daha fazla bilgi edinmek için lütfen bu bağlantıya bakın.

Her bir fotodiyot türünün kendi yararları ve dezavantajları vardır. Bu diyotun seçimi uygulamaya göre yapılabilir. Fotodiyot seçerken dikkate alınacak farklı parametreler temel olarak gürültü, dalga boyu, ters önyargı kısıtlamaları, kazanç, vb. İçerir. Fotodiyotun performans parametreleri, yanıt verme, kuantum verimliliği, geçiş süresi veya yanıt süresini içerir.

Bu diyotlar, ışık, renk, konum, yoğunluk varlığının tespit edilmesinin gerekli olduğu uygulamalarda yaygın olarak kullanılmaktadır. Bu diyotların temel özellikleri aşağıdakileri içerir.

• Diyotun doğrusallığı, gelen ışığa göre iyidir
• Gürültü düşük.
• Yanıt geniş spektraldir
• Mekanik olarak sağlam
• Hafif ve kompakt
• Uzun yaşam

Bir fotodiyot yapmak için gerekli malzemeler ve elektromanyetik spektrum dalga boyu aralığı aşağıdakileri içerir

• Silikon malzeme için elektromanyetik spektrum dalga boyu aralığı (190-1100) nm olacaktır.
• Germanyum malzemesi için elektromanyetik spektrum dalga boyu aralığı (400-1700) nm olacaktır.
• Indium galyum arsenide malzemesi için elektromanyetik spektrum dalga boyu aralığı (800-2600) nm olacaktır.
• Kurşun (II) sülfür malzemesi için elektromanyetik spektrum dalga boyu aralığı<1000-3500) nm
• Cıva, kadmiyum Telluride malzemesi için elektromanyetik spektrum dalga boyu aralığı (400-14000) nm olacaktır

Daha iyi bant aralıkları nedeniyle Si tabanlı fotodiyotlar Ge tabanlı fotodiyotlardan daha düşük gürültü üretir.

İnşaat

Fotodiyot yapımı, P tipi ve N tipi gibi iki yarı iletken kullanılarak yapılabilir. Bu tasarımda, P-tipi malzemenin oluşumu, hafifçe katkılı olan P-tipi substratın difüzyonundan yapılabilir. Böylece difüzyon yöntemi sayesinde P + iyonları tabakası oluşturulabilir. N tipi substrat üzerinde, N tipi epitaksiyel katman büyütülebilir.

Fotodiyot Yapımı

Bir P + difüzyon katmanının geliştirilmesi, yoğun şekilde katkılı N-tipi epitaksiyel katman üzerinde gerçekleştirilebilir. Kontaklar, anot ve katot gibi iki terminal yapmak için metallerle tasarlanmıştır. Diyotun ön bölgesi, aktif ve aktif olmayan yüzeyler gibi iki türe ayrılabilir.

Aktif olmayan yüzeyin tasarımı silikon dioksit (SiO2) ile yapılabilir. Aktif bir yüzeyde ışık ışınları üzerine çarpabilirken, aktif olmayan bir yüzeyde ışık ışınları çarpamaz. & Aktif yüzey, yansıma önleyici malzeme ile kaplanabilir, böylece ışık enerjisi kaybedilmez ve en büyüğü akıma dönüştürülebilir.

Fotodiyotun Çalışması

Bir fotodiyotun çalışma prensibi, bol enerjili bir fotonun diyota çarptığında, bir çift elektron deliği oluşturmasıdır. Bu mekanizmaya içsel fotoelektrik etki de denir. Emilim tükenme bölgesi bağlantı noktasında ortaya çıkarsa, taşıyıcılar, tükenme bölgesinin dahili elektrik alanı tarafından bağlantı noktasından çıkarılır.

Fotodiyot Çalışma Prensibi

Bu nedenle bölgedeki delikler anoda doğru hareket eder ve elektronlar katoda doğru hareket eder ve bir foto akım üretilir. Diyottan geçen tüm akım, ışık yokluğu ve foto akımın toplamıdır. Bu nedenle, cihazın hassasiyetini en üst düzeye çıkarmak için mevcut olmayan akımın azaltılması gerekir.

Operasyon modları

Fotodiyotun çalışma modları, Fotovoltaik mod, Fotoiletken mod, çığ diyot modu olmak üzere üç modu içerir.

Fotovoltaik Mod: Bu mod, aynı zamanda, aydınlatılmış fotodiyot tarafından bir voltajın üretildiği sıfır önyargı modu olarak da bilinir. Oldukça küçük bir dinamik aralık ve oluşan voltajın doğrusal olmayan gerekliliğini verir.

Fotoiletken Mod: Bu fotoiletken modda kullanılan fotodiyot daha genel olarak ters yanlıdır. Ters voltaj uygulaması, tükenme katmanının genişliğini artıracak ve bu da yanıt süresini ve bağlantı kapasitansını azaltacaktır. Bu mod çok hızlı ve elektronik gürültü gösteriyor

Çığ Diyot Modu: Çığ diyotları, yüksek bir ters önyargı koşulunda çalışır ve bu, bir çığ kırılmasının her bir foto-üretilen elektron deliği çiftine çarpılmasına izin verir. Bu sonuç, fotodiyotta cihaz tepkisini yavaşça artıran dahili bir kazançtır.

Fotodiyot Neden Ters Eğilimde Çalışır?

Fotodiyot, fotoiletken modda çalışır. Diyot ters yönde bağlandığında, tükenme tabakası genişliği artırılabilir. Yani bu, bağlantının kapasitansını ve yanıt süresini azaltacaktır. Aslında, bu önyargı, diyot için daha hızlı yanıt sürelerine neden olacaktır. Dolayısıyla, foto akım ve aydınlatma arasındaki ilişki doğrusal olarak orantılıdır.

Hangisi daha iyi Fotodiyot veya Fototransistör?

Işık enerjisini elektriğe dönüştürmek için hem fotodiyot hem de fototransistör kullanılır. Bununla birlikte, fototransistör, transistörün kullanımı nedeniyle fotodiyotun aksine daha duyarlıdır.

Transistör, ışık absorpsiyonundan kaynaklanan temel akımı değiştirir ve bu nedenle transistörün kollektör terminali boyunca büyük çıkış akımı elde edilebilir. Fotodiyot zaman tepkisi, fototransistör ile karşılaştırıldığında çok hızlıdır. Bu nedenle, devrede dalgalanmanın meydana geldiği yerlerde uygulanabilir. Daha iyi anlamak için, burada fotodiyot ve foto direnç ile ilgili bazı noktaları listeledik.

Fotodiyot Devresi

Fotodiyotun devre şeması aşağıda gösterilmiştir. Bu devre 10k'lık bir direnç ve fotodiyot ile inşa edilebilir. Fotodiyot ışığı fark ettiğinde, ışık boyunca bir miktar akım akışına izin verir. Bu diyottan beslenen akımın toplamı, diyot aracılığıyla fark edilen ışığın toplamıyla doğru orantılı olabilir.

Devre şeması

Harici Devreye Fotodiyot Bağlama

Herhangi bir uygulamada, fotodiyot ters önyargı modunda çalışır. Devrenin anot terminali toprağa bağlanabilirken, katot terminali güç kaynağına bağlanır. Işıkla aydınlatıldığında, akım katot terminalinden anot terminaline akar.

Fotodiyotlar dış devrelerle birlikte kullanıldığında, devre içindeki bir güç kaynağına bağlanırlar. Dolayısıyla, bir fotodiyot aracılığıyla üretilen akım miktarı son derece küçük olacaktır, bu nedenle bu değer bir elektronik cihaz yapmak için yeterli değildir.

Harici bir güç kaynağına bağlandığında, devreye doğru daha fazla akım iletir. Bu devrede batarya, harici cihazların daha iyi performans vermesi için akımın değerini artırmaya yardımcı olmak için bir güç kaynağı olarak kullanılır.

Fotodiyot Verimliliği

Fotodiyotun kuantum verimliliği, foto akıma bağış yapan soğurulmuş fotonların bölünmesi olarak tanımlanabilir. Bu diyotlar için, çığ etkisi olmaksızın açık bir şekilde 'S' duyarlılığı ile ilişkilendirilir, bu durumda foto akım şu şekilde ifade edilebilir:

Ben = S P = ηe / hv. P

Nerede,

'Η' kuantum verimliliğidir

'E' elektronun yüküdür

'Hν' fotonun enerjisidir

Fotodiyotların kuantum verimliliği son derece yüksektir. Bazı durumlarda,% 95'in üzerinde olacaktır, ancak dalga boyu ile büyük ölçüde değişir. Yüksek kuantum verimliliği, yansıma önleyici kaplama gibi yüksek iç verimlilikten ayrı olarak yansımaların kontrolünü gerektirir.

Duyarlılık

Bir fotodiyotun tepkisi, üretilen foto akımın oranıdır ve soğurulan optik güç tepkinin doğrusal bölümünde belirlenebilir. Fotodiyotlarda, foton enerjisinin bant aralığı enerjisinden oldukça yüksek olduğu ve absorpsiyonun azaldığı her yerde bant aralığı bölgesinde azaldığı bir dalga boyu alanında normalde maksimumdur.

Fotodiyot hesaplaması aşağıdaki denkleme göre yapılabilir

R = η (e / hv)

Burada, yukarıdaki denklemde, 'h ν', fotonun enerjisidir 'η', kuantumun verimliliğidir ve 'e', ​​temelin yüküdür. Örneğin, bir fotodiyotun kuantum verimliliği 800 nm dalga boyunda% 90'dır, bu durumda yanıt 0,58 A / W olacaktır.

Fotoçoğaltıcılar ve çığ fotodiyotları için, iç akımın çarpımı için ekstra bir faktör vardır, böylece olası değerler 1 A / W'nin üzerinde olacaktır. Genel olarak, akımın çarpımı kuantum verimliliğine dahil değildir.

PIN Fotodiyot Vs PN Fotodiyot

Hem PN hem de PIN gibi fotodiyotlar birçok tedarikçiden elde edilebilir. Gerekli performansa ve özelliklere göre bir devre tasarlarken bir fotodiyot seçimi çok önemlidir.
Bir PN fotodiyot ters yönde çalışmaz ve sonuç olarak gürültü performansını artırmak için düşük ışık uygulamaları için daha uygundur.

Ters önyargılı çalışan PIN fotodiyot, S / N oranını düşürmek için bir gürültü akımı sağlayabilir.
Yüksek dinamik aralık uygulamaları için, ters önyargı iyi performans sağlayacaktır.
Yüksek BW uygulamaları için, ters önyargı, P & N bölgeleri arasındaki kapasitans ve şarj kapasitesinin küçük olması gibi iyi bir performans sağlayacaktır.

Avantajlar

fotodiyotun avantajları aşağıdakileri dahil edin.

• Daha az direnç
• Hızlı ve yüksek çalışma hızı
• Uzun ömür
• En hızlı fotodetektör
• Spektral yanıt iyidir
• Yüksek voltaj kullanmaz
• Frekans tepkisi iyidir
• Sağlam ve düşük ağırlıklı
• Işığa son derece duyarlıdır
• Karanlık akım lees
• Yüksek kuantum verimliliği
• Daha az gürültü

Dezavantajları

fotodiyotun dezavantajları aşağıdakileri dahil edin.

• Sıcaklık kararlılığı zayıf
• Akım içindeki değişim son derece azdır, bu nedenle devreyi sürmek için yeterli olmayabilir
• Aktif alan küçük
• Normal PN eklem fotodiyotu, yüksek yanıt süresi içerir
• Daha az hassasiyeti var
• Esas olarak sıcaklığa bağlı olarak çalışır
• Ofset voltajı kullanır

Fotodiyot Uygulamaları

• Fotodiyot uygulamaları, yüke bağlı cihazlar, fotoiletkenler ve fotomultipler tüpler gibi fotodedektörlerin benzer uygulamalarını içerir.
• Bu diyotlar gibi tüketici elektroniği cihazlarında kullanılır. duman dedektörleri , kompakt disk oynatıcılar ve VCR'lerde televizyonlar ve uzaktan kumandalar.
• Saatli radyolar, kamera ışık ölçerler ve sokak lambaları gibi diğer tüketici cihazlarında fotoiletkenler fotodiyotlardan daha sık kullanılır.
• Fotodiyotlar, bilim ve endüstride ışığın yoğunluğunun kesin ölçümü için sıklıkla kullanılır. Genel olarak, fotoiletkenlerden daha gelişmiş, daha doğrusal bir tepkiye sahiptirler.
• Fotodiyotlar da yaygın olarak kullanılmaktadır. çok sayıda tıbbi uygulama Örnekleri analiz eden aletler, bilgisayarlı tomografi için dedektörler ve ayrıca kan gazı monitörlerinde kullanılan gibi.
• Bu diyotlar, normal PN bağlantı diyotlarından çok daha hızlı ve karmaşıktır ve bu nedenle, aydınlatma düzenlemesi ve optik iletişimde sıklıkla kullanılır.

Fotodiyotun V-I Özellikleri

Bir fotodiyot sürekli olarak ters önyargı modunda çalışır. Fotodiyotun özellikleri, aşağıdaki şekilde, foto akımın uygulanan ters ön gerilimden neredeyse bağımsız olduğu açıkça gösterilmektedir. Sıfır parlaklık için, küçük karanlık akım hariç, foto akım neredeyse sıfırdır. Nano amper düzeyindedir. Optik güç arttıkça, foto akım da doğrusal olarak yükselir. Maksimum foto akım, fotodiyotun güç kaybı ile eksiktir.

Özellikler

Dolayısıyla, bu tamamen fotodiyot çalışma prensibi , özellikler ve uygulamalar. Fotodiyotlar gibi optoelektronik cihazlar, hemen hemen tüm elektronik cihazlarda kullanılan farklı tiplerde mevcuttur. Bu diyotlar neon, lazer LED ve floresan gibi IR ışık kaynakları ile kullanılır. Diğer ışık algılama diyotlarıyla karşılaştırıldığında bu diyotlar pahalı değildir. Bu kavramı daha iyi anladığınızı umuyoruz. Ayrıca, bu konseptle ilgili herhangi bir sorgu veya uygulama Mühendislik Öğrencileri için elektrik ve elektronik projeler . Lütfen aşağıdaki yorum bölümünde yorum yaparak değerli önerilerinizi iletin. İşte sana bir soru bir fotodiyotun işlevi nedir ?

Fotoğrafa katkı verenler:

• Fotodiyot Hamamatsu
• Fotodiyotun Çalışması fizik-ve-radyo-elektronik
• Fotodiyotun V-I Özellikleri ecetutorials