Fotodiody
(197)Fotodiody jsou druhem součástek z četné rodiny polovodičových součástek typu p-n. Občas jsou známé jako fotosenzory nebo fotodetektory. Tyto součástky slouží k přeměně energie fotonů neboli energie světla, na elektrický proud, na rozdíl od diod LED (angl. Light-Emitting Diode), které spotřebovávají elektrický proud pro jeho vytvoření. Prvním použitím, které nás napadne, jsou fotovoltaické panely, avšak k tomuto účelu slouží speciální rodina fotodiod, nazývaná solární články. Jiným použitím fotosenzorů je jejich použití v čidlech soumraku, ve svítidlech, která se automaticky rozsvěcují po soumraku, nebo v čidlech fungujících spolu s laserovou diodou, která svítí přímo na přechod fotodiody. S takovým řešením se setkáváme např. v laserových závorách používaných v průmyslu, díky kterému jsou schopny detekovat přerušení paprsku laseru a pak informovat řídicí obvod, že se např. objevil člověk v nebezpečné zóně, např. v blízkosti pracujícího průmyslového robota. Používají se rovněž v čítačích a v řídicích či přepínacích obvodech, ale také jako detektory infračerveného světla, měřiče vzdálenosti nebo pro světlovodnou komunikaci.
Použití fotodiody
Výchozím použitím fotodiod je funkce detektoru. Díky použití tohoto druhu součástky v elektronickém obvodu je uživatel schopen měřit intenzitu světla dopadajícího na fotodiodu. Aby se tak stalo, musí být přechod p-n fotosenzoru nacházejícího se v obvodu polarizován v závěrném směru. Znamená to, že se depletiční vrstva přechodu zvětší a difuze majoritních nosičů do oblasti s opačným druhem příměsi bude obtížnější. Pokud však na p-n přechod fotodiody dopadají fotony s patřičně vysokou energií, jsou schopny vyrazit elektrony z valenčního pásma do vodivostního pásma. Jestli k tomu dojde v dostatečně velké vzdálenosti od kontaktu přechodu p-n, elektron spolu s dírou, která tímto způsobem vznikne, budou mít dost času na to, aby rekombinovaly. Pokud však tento jev nastane dostatečně blízko přechodu p-n, elektron bude přitáhnut k vývodu s kladným potenciálem a díra k vývodu se záporným potenciálem. Jednoduchým elektrickým obvodem používajícím fotodiodu pak poteče proud. Pokud na fotosenzor dopadne za jednotku času větší množství fotonů, bude vznikat více párů díra-elektron, v důsledku toho bude tímto prvkem procházet větší proud. Díky tomuto principu funkce je fotodioda (a v podstatě měřicí obvod, který ji využívá v roli čidla) schopna měřit intenzitu světla, které na ni dopadá.
Hovoříme-li o fotodiodách, často se můžeme setkat s charakteristikou součástek tohoto typu, která je vykreslovaná jako diagram proudu, udávaného v ampérech [A], v závislosti na napětí, uváděném ve voltech [V]. Jelikož se fotodioda zapojuje nejčastěji v závěrném směru, bude také jí generovaný proud téct v závěrném směru, obě veličiny budou záporné a nejdůležitější část charakteristiky se bude nacházet ve třetím kvadrantu souřadnic. Takový graf ukazuje vzrůst velikosti proudu současně se vzrůstem rozdílu napětí mezi vývody fotodiody, avšak pouze v úzkém rozsahu počítáno od nulového rozdílu potenciálů, poté se tato hodnota velmi rychle stabilizuje. Další vzrůst rozdílu napětí pouze minimální měrou ovlivňuje zvětšení proudu tekoucího diodou v závěrném směru, kdy přírůstek velikosti proudu závisí hlavně na množství světla dopadajícího na přechod fotodiody. I z toho důvodu můžeme na jejích charakteristikách pozorovat několik křivek představujících průběhy proudu v závislosti na hodnotě rozdílu napětí přivedeného na její vývody pro různé intenzity světla dopadajícího na její přechod. U fotodiod je závislost proudu, který jimi protéká, na intenzitě světla téměř lineární. V případě, kdy na přechod fotodiody nedopadá žádné světlo, lze nadále pozorovat zanedbatelnou velikost protékajícího proudu, který se označuje jako proud za tmy (angl. black current). Děje se tak z důvodu existence tepelné energie, která, když je dodaná elektronům ve valenčním pásmu v nevelkém množství, je schopná je vyrazit do vodivého pásma.
Fotodioda může pracovat rovněž ve fotovoltaickém režimu. Tehdy není k vývodům přechodu p-n přiveden žádný vnější rozdíl potenciálů. Průtok proudu, a v principu minoritního nosiče pak vzniká v důsledku vystavení fotodiody působení světla.
Fotodioda PIN
Speciálním druhem fotodiody využívajícím přechod p-n je fotodioda PIN. Má širokou nedopovanou polovodičovou oblast neboli pro svou konstrukci využívá intrinsický polovodič, který se nachází mezi polovodičovou oblastí typu n a polovodičovou oblastí typu p. Díky tomu má bariérová vrstva velkou tloušťku, v důsledku toho je kapacita, a tím i setrvačnost funkce takové fotodiody poměrně malá. To způsobuje velmi rychlou reakci na změny intenzity světla.
Lavinová fotodioda
Existuje rovněž fotodioda nazývaná lavinová. Její konstrukce a princip funkce jsou téměř identické jak u standardní fotodiody. Rozdíl spočívá v tom, že ji lze polarizovat velmi velkým napětím v závěrném směru. Elektrony, které jsou v důsledku dopadu fotonů na přechod fotodiody vyráženy pro propustného pásma, jsou urychlovány do té míry, že způsobují vyrážení dalších elektronů. Dochází k tak zvanému lavinovému efektu. Tímto způsobem lze detekovat i nejmenší množství světla dopadajícího na přechod fotosenzoru.
Parametry fotodiod
Fotodiody jsou charakteristické několika klíčovými parametry, které je třeba vzít v úvahu při výběru vhodné součástky pro dané použití. Prvním z nich je maximální závěrné napětí fotodiody. Obvykle se pohybuje od několika do několika desítek voltů. Překročení tohoto parametru může způsobit tzv. proražení diody a v důsledku tedy její nevratné poškození. V úvahu je třeba rovněž vzít velikost proudu za tmy, která se udává v nanoampérech [nA]. Je to velmi malá hodnota, přestože v některých aplikacích může hrát významnou roli. Dalším parametrem, který nesmíme opomenout, je délka vlny, jakou je dioda schopna detekovat, a také délka vlny v místě maximální citlivosti, pro kterou změna velikosti proudu, který fotodioda generuje v závislosti na intenzitě světla dopadajícího na přechod, bude největší. Nezohledníme-li tento parametr pro dané použití nebo pro součástky již v obvodu použité, může dojít k situaci, že dioda nebude „vidět” signál požadované vlnové délky a celé zapojení nebude pracovat správně. Některé diody mohou mít infračervený filtr, aby reagovaly pouze na délku vlny, která není pro lidské oko viditelná. Bez významu rovněž není zorný úhel fotodiody, který může být od 10°, např. v případě čidel spolupracujících s laserovou diodou, po až 150° v případě čidel soumraku. Výsledkem součinu velikosti proudu generovaného fotodiodou a napětí přiloženého k jejím vývodům je velikost optického výkonu, kterou často výrobci udávají. Základní jednotkou výkonu je watt [W].
S fotodiodami, stejně jak většinou jiných elektronických součástek, se můžeme setkat v podobě součástek pro povrchovou montáž, tzv. SMD, nebo vývodovou, tzv. THT. Má to rovněž vliv na typ pouzdra, v jakém budou umístěny. Jedny z nejpopulárnějších jsou např. 0805, DIL (angl. Dual In Line), 3 mm nebo TO5.
Sklad:
