Fotodiod adalah Diod persimpangan PN yang menggunakan tenaga cahaya untuk menghasilkan arus elektrik. Kadang-kadang ia juga disebut pengesan foto, pengesan cahaya, dan sensor foto. Diod ini direka khas untuk berfungsi dalam keadaan bias terbalik, ini bermaksud sisi-sisi fotodioda dihubungkan dengan terminal negatif bateri, dan sisi-n dihubungkan ke terminal positif bateri. Diod ini sangat kompleks untuk cahaya sehingga apabila cahaya jatuh pada dioda dengan mudah menukar cahaya menjadi arus elektrik. Sel suria juga dijenamakan sebagai fotodioda luas kerana ia menukar tenaga suria menjadi tenaga elektrik . Walaupun begitu, sel suria hanya berfungsi dalam cahaya terang.

Apa itu Photodiod?

Photodiode adalah salah satu jenis pengesan cahaya, yang digunakan untuk menukar cahaya menjadi arus atau voltan berdasarkan mod operasi peranti. Ia terdiri daripada penapis optik, lensa terbina dalam, dan juga kawasan permukaan. Diod ini mempunyai masa tindak balas yang perlahan apabila luas permukaan fotodiod meningkat. Fotodiod sama dengan diod semikonduktor biasa, tetapi ia mungkin kelihatan untuk membiarkan cahaya sampai ke bahagian halus peranti. Beberapa diod yang dimaksudkan untuk gunakan sama seperti fotodioda juga akan menggunakan persimpangan PIN agak daripada persimpangan PN biasa.

Beberapa fotodiod akan kelihatan seperti diod pemancar cahaya . Mereka mempunyai dua terminal yang datang dari akhir. Hujung diod yang lebih kecil adalah terminal katod, manakala hujung diod yang lebih panjang adalah terminal anod. Lihat rajah skematik berikut untuk sisi anod dan katod. Di bawah keadaan bias ke hadapan, arus konvensional akan mengalir dari anoda ke katod, mengikuti anak panah pada simbol diod. Mata wang mengalir ke arah terbalik.

Jenis Fotodiod

Walaupun terdapat banyak jenis fotodioda yang tersedia di pasaran dan semuanya berfungsi berdasarkan prinsip asas yang sama, walaupun ada yang ditingkatkan dengan kesan lain. Cara kerja pelbagai jenis fotodiod berfungsi dengan cara yang sedikit berbeza, tetapi operasi asas dioda ini tetap sama. Jenis fotodiod boleh dikelaskan berdasarkan pembinaan dan fungsinya seperti berikut.

Fotodiod PN
Diod Foto Schottky
Fotodiod PIN
Fotodiod Avalanche

Fotodiod PN

Jenis fotodiod yang dikembangkan pertama adalah jenis PN. Jika dibandingkan dengan jenis lain, kinerjanya tidak maju, tetapi pada masa ini, ia digunakan dalam beberapa aplikasi. Fotodeteksi terutamanya berlaku di kawasan penipisan diod. Diod ini agak kecil tetapi kepekaannya tidak besar jika dibandingkan dengan yang lain. Sila rujuk pautan ini untuk mengetahui lebih lanjut mengenai dioda PN.

“Kuasa 3 fasa dari fasa tunggal ”

Fotodiod PIN

Pada masa ini, fotodioda yang paling biasa digunakan adalah jenis PIN. Diod ini mengumpulkan foton cahaya dengan lebih kuat berbanding dengan fotodioda PN standard kerana kawasan intrinsik yang luas antara wilayah P dan N memungkinkan lebih banyak cahaya dikumpulkan, dan selain itu, ia juga menawarkan kapasitansi yang lebih rendah. Sila rujuk pautan ini untuk mengetahui lebih lanjut mengenai diod PIN.

Fotodiod Avalanche

Diod jenis ini digunakan di kawasan cahaya rendah kerana tahap penguatannya yang tinggi. Ia menghasilkan tahap kebisingan yang tinggi. Jadi teknologi ini tidak sesuai untuk semua aplikasi. Sila rujuk pautan ini untuk mengetahui lebih lanjut mengenai dioda Avalanche.

Schottky Photodiode

Fotodioda Schottky menggunakan dioda Schottky, dan ia merangkumi persimpangan diod kecil yang bermaksud, terdapat kapasitansi simpang kecil sehingga, ia beroperasi pada kelajuan tinggi. Oleh itu, jenis fotodiod ini sering digunakan dalam sistem komunikasi optik lebar jalur lebar (BW) seperti pautan gentian optik. Sila rujuk pautan ini untuk mengetahui lebih lanjut mengenai dioda Schottky.

Setiap jenis fotodiod mempunyai kelebihan dan kekurangannya sendiri. Pemilihan dioda ini dapat dilakukan berdasarkan aplikasi. Parameter yang berbeza yang harus dipertimbangkan ketika memilih fotodioda terutama meliputi kebisingan, panjang gelombang, kekangan bias terbalik, keuntungan, dan lain-lain. Parameter prestasi fotodioda merangkumi daya tindak, kecekapan kuantum, waktu transit, atau waktu tindak balas.

Diod ini banyak digunakan dalam aplikasi di mana pengesanan kehadiran cahaya, warna, posisi, intensitas diperlukan. Ciri-ciri utama diod ini merangkumi yang berikut.

Linieritas dioda baik berkaitan dengan cahaya kejadian
Bunyi rendah.
Tindak balas adalah spektrum luas
Tahan lasak secara mekanikal
Ringan dan padat
Panjang umur

Bahan yang diperlukan untuk membuat fotodioda dan julat jarak gelombang spektrum elektromagnetik merangkumi yang berikut

Untuk bahan silikon, julat panjang gelombang spektrum elektromagnetik adalah (190-1100) nm
Untuk bahan Germanium, julat panjang gelombang spektrum elektromagnetik adalah (400-1700) nm
Untuk bahan indium gallium arsenide, julat panjang gelombang spektrum elektromagnetik adalah (800-2600) nm
Untuk bahan sulfida plumbum (II), julat panjang gelombang spektrum elektromagnetik adalah<1000-3500) nm
Untuk Mercury, bahan kadmium Telluride, julat panjang gelombang spektrum elektromagnetik adalah (400-14000) nm

Oleh kerana bandgap yang lebih baik, photodiodes berasaskan Si menghasilkan bunyi yang lebih rendah daripada photodiodes berasaskan Ge.

Pembinaan

Pembinaan fotodiod boleh dilakukan dengan menggunakan dua semikonduktor seperti P-type & N-type. Dalam reka bentuk ini, pembentukan bahan jenis-P dapat dilakukan dari penyebaran substrat jenis-P yang didoping ringan. Jadi, lapisan ion P + dapat terbentuk kerana kaedah penyebaran. Pada substrat jenis-N, lapisan epitaxial jenis-N dapat ditanam.

Pembinaan Photodiod

Pengembangan lapisan penyebaran P + dapat dilakukan di atas lapisan epitaxial jenis-N yang sangat besar. Kenalan direka dengan logam untuk membuat dua terminal seperti anod dan katod. Kawasan depan diod boleh dipisahkan menjadi dua jenis seperti permukaan aktif & tidak aktif.

Perancangan permukaan yang tidak aktif boleh dilakukan dengan silikon dioksida (SiO2). Pada permukaan aktif, sinar cahaya dapat menyerang di atasnya sedangkan, di permukaan yang tidak aktif, sinar cahaya tidak dapat menyerang. & permukaan aktif dapat ditutup melalui bahan anti-pantulan sehingga tenaga cahaya tidak dapat hilang dan yang tertinggi dapat diubah menjadi arus.

Kerja Photodiode

Prinsip kerja photodiode adalah, apabila foton tenaga yang cukup menyerang dioda, ia menjadikan beberapa lubang elektron. Mekanisme ini juga disebut kesan fotolistrik dalaman. Sekiranya penyerapan timbul di persimpangan kawasan penipisan, maka pembawa dikeluarkan dari persimpangan oleh medan elektrik terbina dalam kawasan penipisan.

Prinsip Kerja Fotodiod

Oleh itu, lubang di rantau ini bergerak ke arah anod, dan elektron bergerak ke arah katod, dan satu mata wang akan dihasilkan. Keseluruhan arus melalui diod adalah jumlah ketiadaan cahaya dan mata wang. Oleh itu, arus yang tidak ada mesti dikurangkan untuk memaksimumkan kepekaan peranti.

Kaedah Operasi

Mod operasi photodiode merangkumi tiga mod, iaitu mod Photovoltaic, mod Photoconductive, mode avalanche diode

Mod Fotovoltaik: Mod ini juga dikenali sebagai mod bias sifar, di mana voltan dihasilkan oleh fotodioda ringan. Ia memberikan julat dinamik yang sangat kecil & keperluan tak linear bagi voltan yang terbentuk.

Mod Photoconductive: Fotodiod yang digunakan dalam mod fotokonduktif ini biasanya bias terbalik. Aplikasi voltan terbalik akan meningkatkan lebar lapisan penipisan, yang seterusnya mengurangkan masa tindak balas & kapasitansi persimpangan. Mod ini terlalu pantas dan memaparkan bunyi elektronik

Mod Diod Avalanche: Dioda longsor beroperasi dalam keadaan bias terbalik yang tinggi, yang memungkinkan berlakunya pendaraban pecahan salur salji ke setiap pasangan lubang elektron yang dihasilkan foto. Hasil ini adalah keuntungan dalaman dalam photodiode, yang secara perlahan meningkatkan tindak balas peranti.

Mengapa Photodiode Dikendalikan dalam Reverse Bias?

Photodiod beroperasi dalam mod photoconductive. Apabila diod dihubungkan secara bias terbalik, maka lebar lapisan penipisan dapat ditingkatkan. Oleh itu, ini akan mengurangkan kapasiti persimpangan & masa tindak balas. Sebenarnya, bias ini akan menyebabkan masa tindak balas lebih cepat untuk dioda. Oleh itu, hubungan antara photocurrent & illuminance berkadar linear.

Fotodiod atau Fototransistor mana yang lebih baik?

Kedua-dua fotodiod dan fototransistor digunakan untuk menukar tenaga cahaya menjadi elektrik. Walau bagaimanapun, fototransistor lebih responsif berbanding dengan fotodiod kerana penggunaan transistor.

Transistor mengubah arus asas yang disebabkan oleh penyerapan cahaya & oleh itu arus keluaran yang besar dapat diperoleh di seluruh terminal pemungut transistor. Tindak balas masa fotodiod sangat pantas berbanding dengan fototransistor. Oleh itu, berlaku di mana turun naik litar berlaku. Untuk pengukuran yang lebih baik, di sini kami telah menyenaraikan beberapa titik photodiode vs photoresistor.

“skema penyongsang dc ke ac ”

Fotodiod	Phototransistor
Peranti semikonduktor yang menukar tenaga dari cahaya ke arus elektrik dikenali sebagai fotodioda.	Phototransistor digunakan untuk mengubah tenaga cahaya menjadi arus elektrik menggunakan transistor.
Ia menghasilkan arus dan voltan	Ia menghasilkan arus
Masa tindak balas adalah kepantasan	Masa tindak balas adalah perlahan
Ia kurang responsif berbanding dengan phototransistor	Ia responsif dan menghasilkan arus o / p yang besar.
Diod ini berfungsi dalam kedua-dua keadaan berat sebelah	Diod ini hanya berfungsi untuk memihak ke hadapan sahaja.
Ia digunakan dalam meter cahaya, loji tenaga suria, dll	Ia digunakan untuk mengesan cahaya

Litar Fotodiod

Gambarajah litar fotodiod ditunjukkan di bawah. Litar ini boleh dibina dengan perintang 10k dan fotodiod. Sebaik sahaja fotodiod melihat cahaya, maka ia membolehkan aliran arus melaluinya. Jumlah arus yang membekalkan melalui dioda ini dapat berkadar langsung dengan jumlah cahaya yang diperhatikan melalui dioda.

Rajah Litar

Menyambungkan Fotodiod dalam Litar Luaran

Dalam mana-mana aplikasi, fotodiod berfungsi dalam mod bias terbalik. Terminal anod litar boleh dihubungkan ke tanah sedangkan terminal katod disambungkan ke sumber kuasa. Setelah diterangi melalui cahaya, arus mengalir dari terminal katod ke terminal anod.

Setelah fotodiod digunakan dengan litar luaran, maka ia bersekutu dengan sumber kuasa dalam litar. Jadi, jumlah arus yang dihasilkan melalui fotodioda akan sangat kecil, jadi nilai ini tidak mencukupi untuk membuat alat elektronik.

Setelah mereka disambungkan ke sumber kuasa luaran, maka ia akan memberikan arus lebih banyak ke arah litar. Dalam litar ini, bateri digunakan sebagai sumber kuasa untuk membantu meningkatkan nilai arus sehingga peranti luaran memberikan prestasi yang lebih baik.

Kecekapan Fotodiod

Kecekapan kuantum fotodiod boleh didefinisikan sebagai pembahagian foton yang diserap yang menyumbang kepada mata wang. Untuk dioda ini, ia secara terbuka dikaitkan dengan responsiviti ‘S’ tanpa kesan longsoran salju, maka mata wang boleh dinyatakan sebagai

I = S P = ηe / hv. P

Di mana,

‘Η’ adalah kecekapan kuantum

‘E’ adalah cas elektron

‘Hν’ adalah tenaga foton

Kecekapan kuantum Photodiod sangat tinggi. Dalam beberapa kes, ia akan melebihi 95% namun berubah secara meluas melalui panjang gelombang. Kecekapan kuantum yang tinggi memerlukan kawalan pantulan selain kecekapan dalaman yang tinggi seperti lapisan anti pantulan.

Tanggungjawab

Tindak balas suatu fotodiod adalah nisbah arus wang yang dihasilkan serta daya optik yang diserap dapat ditentukan dalam bahagian linear tindak balas. Dalam photodiodes, biasanya maksimum di kawasan panjang gelombang di mana tenaga foton cukup tinggi daripada tenaga bandgap & menurun di dalam kawasan bandgap di mana sahaja penyerapan berkurang.

Pengiraan fotodiod boleh dilakukan berdasarkan persamaan berikut

R = η (e / hv)

Di sini, dalam persamaan di atas, ‘h ν’ adalah tenaga foton ‘η’ adalah kecekapan kuantum & ‘e’ cas unsur. Sebagai contoh, kecekapan kuantum fotodioda adalah 90% pada panjang gelombang 800 nm, maka daya tindak balasnya adalah 0.58 A / W.

Untuk photomultipliers & avalanche photodiodes, terdapat faktor tambahan untuk pendaraban arus dalaman, sehingga nilai yang mungkin akan melebihi 1 A / W. Secara amnya, pendaraban arus tidak termasuk dalam kecekapan kuantum.

“Lembaran data pemancar dan penerima 433mhz rf ”

PIN Photodiode Vs PN Photodiode

Kedua-dua fotodiod seperti PN & PIN dapat dicapai dari banyak pembekal. Pemilihan fotodiod sangat penting semasa merancang litar berdasarkan prestasi dan ciri yang diperlukan.
Fotodiod PN tidak berfungsi dengan bias terbalik & akibatnya, lebih sesuai untuk aplikasi cahaya rendah untuk meningkatkan prestasi kebisingan.

Fotodiod PIN yang berfungsi dalam bias terbalik dapat memperkenalkan arus kebisingan untuk menurunkan nisbah S / N
Untuk aplikasi julat dinamik tinggi, bias terbalik akan memberikan prestasi yang baik
Untuk aplikasi BW yang tinggi, bias terbalik akan memberikan prestasi yang baik seperti kapasitansi di antara kawasan P&N dan penyimpanan kapasiti cas adalah kecil.

Kelebihan

The kelebihan fotodiod sertakan perkara berikut.

Kurang daya tahan
Kelajuan operasi yang cepat dan tinggi
Jangka hayat yang panjang
Photodetector terpantas
Tindak balas spektrum adalah baik
Tidak menggunakan voltan tinggi
Respons frekuensi adalah baik
Padu dan berat badan rendah
Ia sangat responsif terhadap cahaya
Arus gelap adalah lees
Kecekapan kuantum yang tinggi
Kurang bising

Kekurangan

The kelemahan fotodiod sertakan perkara berikut.

Kestabilan suhu tidak baik
Perubahan dalam arus sangat sedikit, oleh itu mungkin tidak mencukupi untuk menggerakkan litar
Kawasan aktif kecil
Fotodiod persimpangan PN biasa merangkumi masa tindak balas yang tinggi
Ia kurang sensitif
Ia berfungsi terutamanya bergantung pada suhu
Ia menggunakan voltan mengimbangi

Aplikasi Fotodiod

Aplikasi photodiodes melibatkan aplikasi fotodetektor yang serupa seperti peranti yang bercas cas, fotokonduktor, dan tiub fotomultiplier.
Diod ini digunakan dalam peranti elektronik pengguna seperti pengesan asap , pemain cakera padat, dan televisyen dan alat kawalan jauh dalam VCR.
Dalam peranti pengguna lain seperti radio jam, meter cahaya kamera, dan lampu jalan, fotokonduktor lebih kerap digunakan daripada fotodioda.
Fotodiod sering digunakan untuk mengukur tepat intensiti cahaya dalam sains & industri. Secara amnya, mereka mempunyai tindak balas linier yang lebih baik daripada fotokonduktor.
Fotodiod juga banyak digunakan di banyak aplikasi perubatan seperti instrumen untuk menganalisis sampel, pengesan untuk tomografi yang dikira, dan juga digunakan dalam monitor gas darah.
Diod ini jauh lebih cepat & lebih kompleks daripada diod simpang PN biasa dan oleh itu sering digunakan untuk peraturan pencahayaan dan komunikasi optik.

V-I Ciri Fotodiod

Fotodiod terus beroperasi dalam mod bias terbalik. Ciri-ciri fotodiod ditunjukkan dengan jelas dalam rajah berikut, bahawa arus wang hampir bebas daripada voltan bias terbalik yang digunakan. Untuk pencahayaan sifar, mata wang hampir tidak ada kecuali arus gelap kecil. Ia adalah urutan nano amperes. Apabila kuasa optik meningkat, mata wang juga naik secara linear. Mata wang maksimum tidak lengkap dengan penyingkiran kuasa fotodiod.

Ciri-ciri

Oleh itu, ini semua berkaitan dengan prinsip kerja fotodiod , ciri, dan aplikasi. Peranti optoelektronik seperti Photodiodes tersedia dalam pelbagai jenis yang digunakan di hampir semua peranti elektronik. Diod ini digunakan dengan sumber cahaya IR seperti neon, laser LED & pendarfluor. Berbanding dengan diod pengesanan cahaya yang lain, diod ini tidak mahal. Kami harap anda dapat memahami konsep ini dengan lebih baik. Selanjutnya, sebarang pertanyaan mengenai konsep ini atau untuk dilaksanakan projek elektrik dan elektronik untuk Pelajar Kejuruteraan . Sila berikan cadangan berharga anda dengan memberi komen di bahagian komen di bawah. Inilah soalan untuk anda, apakah fungsi fotodiod ?

Kredit Foto: