Fotodiodă

Fotodiodă
Unele tipuri de fotodiode
Tip	pasiv
Principiul de funcționare	efect fotovoltaic
Simbol electric

Configurarea pinului	Anod și catod
Vezi: componentă electronică
Manual

În electronică, fotodioda este un anumit tip de diodă fotodetector care funcționează ca un senzor optic prin exploatarea efectului fotovoltaic , adică capabil să recunoască o anumită lungime de undă a undei electromagnetice incidente ( absorbția fotonului ) și să transforme acest eveniment într-un electric semnal curent prin aplicarea unui potențial electric adecvat la capetele sale. Prin urmare, este un traductor de la un semnal optic la un semnal electric.

Structura

O fotodiodă este practic o diodă semiconductoare caracterizată printr-o joncțiune pn dopată asimetric. Zona p, situată foarte aproape de structura externă a fotodiodei, este la rândul ei acoperită cu un strat antireflex și echipată cu doi electrozi de oxid de siliciu . O lentilă este de obicei inserată deasupra stratului antireflex, al cărei scop este de a face razele de lumină incidente pe suprafață perpendicular.

Polarizarea directă

Fotodioda, dacă este direct polarizată, se comportă ca o diodă comună. Curentul pe care îl poate conduce urmează, ca primă aproximare, legea exponențială a diodei . Cu toate acestea, nefiind conceput pentru polarizare directă, nu va avea o capacitate curentă de a sugera o astfel de utilizare, deoarece supraîncălzirea datorată trecerii curentului ar putea deteriora elementele optice.

Polarizarea inversă

Fotodioda funcționează corect dacă este polarizată invers, adică dacă tensiunea la bornele sale este mai mare în zona n decât în zona p. În acest caz, câmpul electric încorporat, prezent în toate dispozitivele de joncțiune, va tinde să crească în intensitate favorizând crearea unei zone de epuizare (regiune de epuizare). Această regiune golită poate fi considerată ca o zonă rezistivă sau ca o zonă neutră. Când un foton lovește suprafața fotodiodei, energia, dată de ecuație

{E_{g}}={h}{\nu }

{\ displaystyle {E_ {g}} = {h} {\ nu}}

{E_ {g}} = {h} {\ nu}

dacă este mai mare decât intervalul de bandă dintre banda de valență și banda de conducere a dispozitivului, va provoca crearea unei perechi libere de găuri electronice ( EHP ). Un EHP gratuit constă dintr-un electron excitat într-o bandă de conducere și o gaură într-o bandă de valență. Odată generat cuplul, acesta va fi supus câmpului electric generat de diferența de potențial aplicată. Electronul va fi apoi atras spontan spre zona n în timp ce gaura spre zona p. Datorită prezenței unei perechi de găuri electronice în zona epuizată, regiunea nu va mai fi neutră. Deoarece nu mai este neutru, dispozitivul va compensa această situație cu o mișcare a găurilor de electroni prelevate de la generatorul de polarizare, provocând astfel prezența unui fotocurent invers care reprezintă semnalul electric produs de incidența fotonului.

Utilizare apolarizată

Dacă fotodioda nu este supusă niciunei polarizări, va acționa, dacă este conectată corect la o sarcină, ca un generator de curent la o tensiune dată. Această utilizare se mai numește și utilizare fotovoltaică. Curentul livrat și puterea electrică generată în consecință sunt întotdeauna prezente sub formă de curent invers. Acest mod de funcționare este principiul cu care funcționează celula fotovoltaică .

Materiale

Materialul din care este fabricată fotodioda este de o importanță critică pentru funcționarea sa. De fapt, energia minimă pe care trebuie să o aibă fotonul pentru a genera fotocurentul depinde de acestea.

Cele mai utilizate materiale pentru producerea fotodiodelor sunt:

Material	Lungime de undă (nm)
Siliciu	190–1100
Germaniu	800-1700
Arsenid de galiu de indiu	800-2600
Sulfura de plumb	<1000-3500

Funcționarea circuitului

Din punct de vedere al circuitului, fotodioda este o diodă care este utilizată în polarizare inversă și care include (dar nu limitează funcționarea sa) la toate caracteristicile diodelor.

Parametrii de eficiență

La evaluarea fotodiodelor, doi parametri de eficiență sunt folosiți întotdeauna pentru a evalua și compara performanța lor: eficiența cuantică și capacitatea de reacție . Acestea sunt definite astfel:

Eficiența cuantică : Eficiența cuantică este numărul de EHP generate pentru fiecare foton incident .
Ecuația care reprezintă acest parametru este:

{\eta }={\frac {\frac {I_{ph}}{e}}{\frac {P_{0}}{h\nu }}}

{\ displaystyle {\ eta} = {\ frac {\ frac {I_ {ph}} {e}} {\ frac {P_ {0}} {h \ nu}}}}

{\ eta} = {\ frac {{\ frac {I _ {{ph}}} {e}}} {{\ frac {P_ {0}} {h \ nu}}}}

unde este ${I_{ph}}$ ${\ displaystyle {I_ {ph}}}$ ${I _ {{ph}}}$ este fotocurentul generat, e este sarcina electronică, h constanta lui Planck e ${\nu }$ ${\ displaystyle {\ nu}}$ ${\ nu}$ este frecvența luminii incidente.

Sensibilitate : Sensibilitatea este raportul dintre fotocurentul generat și puterea optică incidentă .
De asemenea, are o ecuație care o definește:

R={\frac {I_{ph}}{P_{o}}}

{\ displaystyle R = {\ frac {I_ {ph}} {P_ {o}}}}

R = {\ frac {I _ {{ph}}} {P_ {o}}}

.

Există o relație între parametrii de eficiență pentru care:

R={\eta }{\frac {e}{{h}{\nu }}}

{\ displaystyle R = {\ eta} {\ frac {e} {{h} {\ nu}}}}

R = {\ eta} {\ frac {e} {{h} {\ nu}}}

Datorită acestei relații este posibil să treceți de la un parametru de eficiență la altul în mod convenabil. Amintindu-ne apoi că frecvența $\nu$ ${\ displaystyle \ nu}$ $\ nu$ poate fi rescris ca

\nu ={\frac {c}{\lambda }}

{\ displaystyle \ nu = {\ frac {c} {\ lambda}}}

\ nu = {\ frac {c} {\ lambda}}

cu $c$ ${\ displaystyle c}$ $c$ viteza luminii e $\lambda$ ${\ displaystyle \ lambda}$ $\ lambda$ lungimea de undă a luminii incidente, poate fi scrisă

R=\eta {\frac {e}{hc}}\lambda

{\ displaystyle R = \ eta {\ frac {e} {hc}} \ lambda}

R = \ eta {\ frac {e} {hc}} \ lambda

unde, exprimând cu $\lambda _{\mu m}$ ${\ displaystyle \ lambda _ {\ mu m}}$ $\ lambda _ {{\ mu m}}$ lungimea de undă în microni a semnalului luminos incident și dezvoltarea produsului constantelor, obținem relația:

R=0.807\eta \lambda _{\mu m}

{\ displaystyle R = 0.807 \ eta \ lambda _ {\ mu m}}

R = 0,807 \ eta \ lambda _ {{\ mu m}}

Frecventa de operare

La fel ca toate dispozitivele de joncțiune, fotodioda are și capacități parazitare datorită prezenței joncțiunii în sine. În cazul fotodiodei, efectul capacitiv parazit este sporit și mai mult de faptul că dispozitivul trebuie utilizat în polarizare inversă, prin urmare o creștere semnificativă a regiunii de epuizare și, prin urmare, a capacității parazitare. Capacitatea poate fi de obicei aproximată cu următoarea ecuație:

{C_{dep}}={\varepsilon _{0}}{\varepsilon _{r}}{\frac {A}{L}}

{\ displaystyle {C_ {dep}} = {\ varepsilon _ {0}} {\ varepsilon _ {r}} {\ frac {A} {L}}}

{C _ {{dep}}} = {\ varepsilon _ {0}} {\ varepsilon _ {r}} {\ frac {A} {L}}

.

Unde A este suprafața interfețelor zonelor dopate și L este lungimea zonei epuizate.
Capacitatea aproximată aici va fi afectată de rezistența de încărcare a detectorului. Această situație va face ca fotodioda să aibă propria frecvență de tăiere a cărei constantă ${\tau }$ ${\ displaystyle {\ tau}}$ ${\ tau}$ Sara:

{\tau }={R}{C_{dep}}

{\ displaystyle {\ tau} = {R} {C_ {dep}}}

{\ tau} = {R} {C _ {{dep}}}

.

Tipuri

Cip unic cu matrice de 200 diode

Există multe tipuri de fotodiode, care diferă în ceea ce privește designul intern și eficiența.
Cel mai comun, utilizat pentru aplicații cu zgomot redus este modelul PiN , în timp ce pentru aplicațiile care necesită semnal ridicat a fost creată fotodioda APD (sau fotodiodă de avalanșă ).

Pentru aplicații cu semnale luminoase foarte scăzute, sunt utilizate adesea diode de avalanșă cu un singur foton în care este generat un impuls de curent pentru fiecare foton absorbit.

Utilizări

Un fotodetector pentru CD-ROM care conține 3 fotodiode.

Printre nenumăratele utilizări ale fotodiodei, cele mai răspândite sunt cele din domeniul fibrelor optice sau din comunicațiile optice , unde sunt utilizate pentru recunoașterea semnalului care conține informațiile sau ca dispozitive de recepție, în domeniul măsurării de precizie și în domeniul fotografiei digitale.

Ca tip particular de fotodetector poate fi utilizat în celule fotoelectrice și celule fotovoltaice .

Utilizările particulare sunt cele găsite în izolatoarele optice .

În domeniul biomedical, merită menționată utilizarea fotodiodelor în experimentarea vederii artificiale , un proiect care vede utilizarea fotodetectorilor pentru a înlocui conurile deteriorate. Un exemplu de astfel de utilizare poate fi găsit în proiectul MARC.

Fotodiodele sunt utilizate și în senzorii de imagine.