Fotodioder
(191)Fotodioder tilhører en stor familie af halvleder p-n junction-enheder. De kaldes undertiden fotosensorer eller fotodetektorer. Disse elementer bruges til at konvertere energien fra fotoner, eller lysenergi, til en elektrisk strøm, i modsætning til LED'er (Light-Emitting Diodes), som trækker en elektrisk strøm for at producere den. Den første anvendelse, man kommer i tanke om, er solcellepaneler, men til dette formål findes der en særlig familie af fotodioder, der kaldes solceller. En anden anvendelse af fotosensorer er at bruge dem i skumringssensorer, dvs. lamper, der automatisk tændes i skumringen, eller i sensorer, der arbejder sammen med en laserdiode, der lyser direkte på photodiode junction. En sådan løsning findes f.eks. i laserbarriereforhæng, der bruges i industrien, hvor de er i stand til at registrere enhver afbrydelse af laserstrålen og dermed informere kontrolsystemet, f.eks. om kroppen, der når ind i den farlige zone, f.eks. i nærheden af en arbejdende industrirobot. De bruges også i målere og kontrol- eller koblingskredsløb, men også som infrarøde lysdetektorer, afstandsmålere eller til fiberoptisk kommunikation.
Fotodioder
bruges typisk som detektorer. Ved at bruge denne type element i det elektroniske kredsløb kan brugeren måle lysintensiteten ved hjælp af en fotodiode. For at dette kan ske, skal p-n-forbindelsen i fotosensoren i systemet være omvendt forspændt. Det betyder, at det indre område af forbindelsen forstørres, og diffusionen af majoritetsbærere ind i området med den modsatte dopingtype hindres. Men hvis fotoner med tilstrækkelig høj energi rammer fotodiodens p-n-overgang, er de i stand til at slå elektroner ud fra valensbåndet til ledningsbåndet. Hvis dette sker langt nok væk fra p-n-overgangen, vil elektronen og hullet have tid nok til at rekombinere. Men hvis det sker tæt nok på p-n-forbindelsen, vil elektronen blive tiltrukket af den positive terminal, og hullet vil blive tiltrukket af den negative terminal. En strøm vil derefter flyde gennem et simpelt elektrisk kredsløb ved hjælp af en fotodiode. Hvis der falder flere fotoner på fotosensoren pr. tidsenhed, vil der blive skabt flere hul-elektronpar, så elementet genererer en strøm med større intensitet. Takket være dette funktionsprincip er fotodioden (eller faktisk det målesystem, der bruger den som sensor) i stand til at måle intensiteten af det lys, der falder på den.
Når man taler om fotodioder, kan man ofte finde egenskaberne for denne type komponenter, som er optegnet på strømdiagrammet, angivet i ampere[A], afhængigt af spændingen, som er angivet i volt [V]. Da fotodioder normalt er omvendt forspændte, og den strøm, der produceres af den, flyder i modsat retning, vil begge værdier blive præsenteret som negative, og den vigtigste del af grafen vil være i den tredje kvadrant af koordinatsystemet. En sådan graf viser en stigning i strømintensiteten med en stigning i spændingsforskellen mellem fotodiode-terminalerne, men kun i et meget snævert område, regnet fra nul-potentialforskellen, og derefter stabiliserer denne værdi sig meget hurtigt. En yderligere stigning i spændingsforskellen har kun en minimal effekt på stigningen i den strøm, der flyder gennem dioden i modsat retning, fordi stigningen i strømintensiteten hovedsageligt afhænger af intensiteten af det lys, der rammer p-n-forbindelsen. Af denne grund kan man se flere linjer, der bestemmer strømbølgeformerne, afhængigt af den spænding, der er påført terminalerne, og forskellige intensiteter af det lys, der falder på p-n-forbindelsen. For fotodioder er afhængigheden af den strøm, der flyder gennem dem, af lysintensiteten næsten lineær. Når der ikke falder lys på fotodiodeforbindelsen, kan der stadig observeres en ubetydelig strøm, som kaldes sort strøm. Det skyldes den termiske energi, som, når den tilføres elektronerne i valensbåndet, er i stand til at slå dem ud i ledningsbåndet i små mængder.
Fotodioden kan også fungere i fotovoltaisk tilstand. Så tilføres der ingen ekstern spænding til p-n-forbindelsen. Strømmen, og faktisk en minoritetsbærer, opstår så som følge af, at fotodioden udsættes for lys.
PIN-fotodiode
En særlig variant af fotodiode, der bruger p-n-forbindelsen, er PIN-fotodioden. Den har et bredt, udopereret indre halvlederområde mellem en halvleder af p-typen og et halvlederområde af n-typen. Det brede indre område betyder, at dioden har en relativt lav kapacitans og inerti. Det resulterer i en meget hurtig reaktion på ændringer i lysintensiteten.
Lavinefotodiode
En anden type fotodiode er en lavinefotodiode. Dens design og funktionsprincip er næsten identisk med en standardfotodiode. Forskellen er, at den anvendes med en meget høj omvendt forspænding. Som et resultat af fotoner, der falder på fotodiodeforbindelsen, bevæger elektroner sig til ledningsbåndet og accelereres i en sådan grad, at de slår andre bundne elektroner fri. Dette er den såkaldte lavineeffekt. På den måde kan selv den mindste mængde lys, der falder på photosensor junction, registreres.
Parametre for fotodioden
Fotodioder er kendetegnet ved flere nøgleparametre, som bør overvejes, når man vælger det rigtige element til en given applikation. Den første af disse er breakdown voltage. Den varierer normalt fra nogle få til flere dusin volt. Overskridelse af denne parameter kan beskadige fotodioden. Det er også værd at overveje størrelsen af mørkestrømmen, som angives i nanoampere [nA]. Det er en meget lille værdi, men den kan spille en væsentlig rolle i nogle anvendelser. En anden parameter, der ikke må ignoreres, er bølgelængdeområdet samt bølgelængden ved den maksimale følsomhed, hvor ændringen i værdien af den strøm, der produceres af fotodioden, afhængigt af intensiteten af det lys, der falder på p-n-overgangen, vil være størst. Hvis man ikke vælger denne parameter til en given anvendelse eller til elementer, der allerede bruges i systemet, kan det føre til en situation, hvor dioden ikke "ser" signalet med den ønskede bølgelængde, og hele systemet fungerer muligvis ikke korrekt. Nogle dioder kan have et infrarødt filter, så de kun reagerer på bølgelængder, der er usynlige for det menneskelige øje. Det er også vigtigt at se synsvinkel, som kan variere fra 10°, f.eks. for sensorer, der arbejder med en laserdiode, til helt op til 150° for skumrings- og daggryssensorer. Resultatet af produktet af den mængde strøm, der produceres af fotodioden, og den spænding, der tilføres p-n-forbindelsen, er værdien af optisk effekt, som også ofte leveres af producenterne. Den grundlæggende enhed er Watt [W].
Fotodioder findes, som de fleste andre elektroniske komponenter, i form af overflademonterede komponenter, de såkaldte SMD'er, og komponenter med gennemgående huller, de såkaldte THT'er. THT. Dette påvirker også den type hus, som den skal installeres i. Nogle af de mest populære er for eksempel: 0805, DIL (Dual In Line), 3 mm eller TO5.
Lagerbygning:
