Фотодиоди
(193)Фотодиодите са тип елементи от многобройното семейство на полупроводникови елементи от тип p-n. Понякога са наричани фотосензори или фотодетектори. Тези елементи се използват за преобразуване на енергията на фотоните, т.е. светлинната енергия, в електрически ток, за разлика от светодиодите (на анг. Light-Emitting Diode), които използват електричество за създаването на такава енергия. Първото приложение, за което се сещаме, са фотоволтаичните панели, но за тази цел има специално семейство фотодиоди, наречени соларни клетки. Друго приложение на фотосензорите е тяхното използване в сензорите за здрач, в лампите, които автоматично светват при здрачаване, или в сензори, които работят с лазерен диод, който свети директно върху фотодиодния преход. Такова решение се среща например в светлинни завеси, използвани в промишлеността, благодарение на което те са в състояние да открият прекъсването на лазерния лъч и по този начин да информират системата за управление, например за присъствието на човек в опасната зона, например в близост до работещ индустриален робот. Те се използват и в измервателни уреди и вериги за управление или превключващи вериги, но също така като инфрачервени детектори, измервателни устройства за разстояние или за оптична комуникация.
Използване на фотодиодите
По подразбиране фотодиодът се използва като детектор. Благодарение на използването на този тип елементи в електронната система, потребителят е в състояние да измери нивото на интензивност на светлината, която пада върху фотодиода. За тази цел p-n преходът на фотосензора в системата трябва да бъде с обратна поляризация. Това означава, че бариерният слой на прехода ще бъде увеличен и дифузията на основните носители в зоната с противоположен вид поляризация ще бъде затруднена. Ако обаче върху p-n прехода на фотодиода попаднат фотони с достатъчно висока енергия, те са в състояние да избият електроните от валентната зона към зоната на проводимост. Ако това се случи на достатъчно голямо разстояние от p-n прехода, електронът, заедно с образуваната по този начин дупка, ще има достатъчно време за рекомбинация. Ако обаче това се случи достатъчно близо до pn прехода, електронът ще бъде привлечен към извода с положителен потенциал, а дупката ще бъде привлечена към извода с отрицателен потенциал. Тогава в проста електрическа система, използваща фотодиод, ще протече ток. Ако за единица време върху фотосензора попаднат повече фотони, ще бъдат създадени повече двойки електрон-дупка, поради което елементът ще генерира ток с по-голяма стойност. Благодарение на този принцип на действие фотодиодът (или всъщност измервателната система, която го използва като сензор) е в състояние да измери интензитета на падащата върху него светлина.
При фотодиодите често можете да намерите характеристиката на този тип компоненти, която е нанесена на диаграмата на тока, посочен в ампери [A], в зависимост от напрежението, дадено във волт [V]. Тъй като поляризацията на фотодиода най-често е обратна и създаденият ток протича в обратна посока, и двете стойности ще бъдат показани като отрицателни, а най-важната част от характеристиката ще бъде в третия квадрант на координатната система. Такава диаграма показва увеличаване на стойността на тока с увеличаване на напрежението между изводите на фотодиода, но само в много тесен диапазон, отчитайки от нулевата разлика в потенциалите, а след това тази стойност се стабилизира много бързо. По-нататъшното увеличаване на напрежението има само минимален ефект върху увеличаването на тока, протичащ през диода в обратна посока, тъй като увеличаването на тока зависи главно от количеството светлина, падаща върху фотодиодния преход. Поради тази причина в техните характеристики могат да се забележат няколко линии, определящи характеристиките на тока, в зависимост от стойността на приложеното напрежението върху изводите, за различна интензивност на светлината, падаща на прехода. За фотодиодите зависимостта на протичащия през тях ток от интензитета на светлината е почти линейна. В случай, че върху фотодиодния преход не пада светлина, все още може да се наблюдава незначителна стойност на протичащия ток, която се нарича тъмен ток (на англ. dark current). Това се дължи на топлинната енергия, която, подадена към електроните във валентната зона, е в състояние да ги избие в малки количества в зоната на проводимост.
Фотодиодът може да работи и във фотоволтаичен режим. Тогава към изводите на p-n прехода не се прилага външно напрежение. Протичането на тока възниква в резултат на излагане на фотодиода на въздействието на светлината.
Фотодиод PIN
Специален вид фотодиод, който използва прехода p-n, е фотодиодът PIN. Той има широка, нелегирана полупроводникова област, т.е. използва в своята структура вътрешен полупроводник, разположен между полупроводниковия участък от тип n и полупроводниковия участък тип р. Благодарение на това бариерният слой има голяма дебелина, което прави капацитета и инерцията на такъв фотодиод относително нисък. Това води до много бърза реакция на промяната на интензитета на светлината.
Лавинен фотодиод
Има също така фотодиод, наречен лавинен. Неговата конструкция и принцип на действие е почти същата като на стандартен фотодиод. Разликата се състои в това, че той може да се поляризира с много високо обратно напрежение. Електроните, които са избити в проводимата лента в резултат на падането на фотони върху фотодиодния преход, се ускоряват до такава степен, че причиняват избиването на следващите. Това е така нареченият лавинен ефект. По този начин може да бъде открито дори най-малкото количество светлина, падаща върху прехода на фотодиода.
Параметри на фотодиодите
Фотодиодите се характеризират с няколко ключови параметъра, които трябва да се имат предвид при избора на подходящ елемент за дадено приложение. Първият от тях е максимално обратно напрежение на фотодиода. Обикновено то е в обхвата от няколко до няколко десетки волта. Надвишаването на този параметър може да доведе до т. нар. пробив на диода и в резултат необратимо увреждане на диода. Заслужава си да се вземе предвид и стойността на тъмния ток, която се посочва в наноампери [nA]. Това е много малка стойност, но в някои приложения може да играе важна роля. Друг параметър, който не трябва да се пренебрегва, е дължината на вълната, която диодът може да открие, както и дължината на вълната в точката на максимална чувствителност, за която промяната в стойността на тока, генериран от фотодиода в зависимост от интензитета на светлината падаща на прехода му, ще бъде най-голяма. Неизбирането на този параметър за дадено приложение или за вече използвани в системата елементи може да доведе до ситуация, в която диодът няма да „вижда“ сигнала с желаната дължина на вълната и цялата система може да не работи правилно. Някои диоди може да имат инфрачервен филтър, за да реагират само на дължина на вълната, която е невидима за човешкото око. Друг важен фактор е ъгълът на виждане на фотодиода, който може да варира от 10°, например в случай на сензори, работещи с лазерен диод, до дори 150° в случай на сензори за здрач. Резултатът от произведението на количеството ток, генериран от фотодиода, и напрежението, приложено към неговите изводи, е стойността на оптичната мощност, която също често се посочва от производителите. Нейната основна единица е ват [W].
Фотодиодите, подобно на повечето други електронни компоненти, се предлагат под формата на елементи за повърхностен монтаж, т.нар. SMD или монтаж в проходен отвор, т.нар THT. Това също влияе върху вида на корпуса, в който ще бъде разположен фотодиодът. Едни от най-популярните са например 0805, DIL (на англ. Dual In Line), 3 mm или TO5.
Склад:
