Fotodiódák
(202)A fotodiódák a félvezető p-n átmenet eszközök kiterjedt családjába tartoznak. Néha fényérzékelőnek vagy fotodetektoroknak is nevezik őket. Ezeket az elemeket arra használják, hogy a fotonok energiáját, vagy a fényenergiát elektromos árammá alakítsák, ellentétben a LED-ekkel (fénykibocsátó diódákkal), amelyek elektromos áramot használnak annak előállításához. Az első alkalmazás, ami általában mindenkinek az eszébe jut, a fotovoltaikus panelek, de erre a célra létezik egy speciális, napelemnek nevezett fotodióda-család. A fényérzékelők másik alkalmazása az alkony-hajnal érzékelők, azaz az alkonyatkor automatikusan felkapcsoló lámpák vagy lézerdiódával együtt működő érzékelők használata, amelyek közvetlenül a fotodióda-átmeneten világítanak. Ilyen megoldás található például az iparban használt lézeres sorompófüggönyökben, amelyeknek köszönhetően képesek érzékelni a lézersugár megszakadását, és így tájékoztatják a vezérlőrendszert, például a veszélyes zónába érő testről, akár egy működő ipari robot közelében. Mérőkben és vezérlő- vagy kapcsolóáramkörökben is használják őket, de infravörös fényérzékelőként, távolságmérőként vagy száloptikás kommunikációban is.
Fotodiódák
általában érzékelőként használatosak. Az ilyen típusú elemek elektronikus áramkörben történő használatával a felhasználó megmérheti a fényintenzitást fotodióda segítségével. Ahhoz, hogy ez megtörténhessen, a rendszerben lévő fotoszenzor p-n átmenetének záróirányban előfeszítettnek kell lennie. Ez azt jelenti, hogy az átmenet belső területe kibővül, és a többségi hordozók diffúziója az ellenkező doppingtípusba kerül. Ha azonban kellően nagy energiájú fotonok esnek a fotodióda p-n átmenetére, képesek elektronokat kiütni a vegyértéksávból a vezetési sávba. Ha ez elég messze történik a p-n átmenettől, akkor az elektronnak és a lyuknak elegendő ideje lesz a rekombinációra. Ha azonban ez elég közel történik a p-n átmenethez, az elektront bevonzza a pozitív terminál, a lyukat pedig a negatív terminál. Ezután áram áramlik át egy egyszerű elektromos áramkörön fotodióda segítségével. Ha időegységenként több foton esik a fényérzékelőre, több lyuk-elektron pár jön létre, így az elem nagyobb intenzitású áramot generál. Ennek a működési elvnek köszönhetően a fotodióda (vagy valójában az azt érzékelőként használó mérőrendszer) képes mérni a rá eső fény intenzitását.
Amikor fotodiódákról beszélünk, az ilyen típusú alkatrészek jellemzőit, amelyeket az aktuális diagram ábrázol, gyakran amperben [A] adják meg, a feszültségtől függően, amelyet V-ban [V] adnak meg. Mivel a fotodiódák általában záróirányban előfeszítettek, és az általuk termelt áram fordított irányban folyik, mindkét érték negatív lesz, és a grafikon legfontosabb része a koordinátarendszer harmadik negyedébe kerül. Egy ilyen grafikon az áramerősség növekedését mutatja a fotodióda-terminálok közötti feszültségkülönbség növekedésével, de csak nagyon szűk tartományban, a nulla potenciálkülönbségtől számítva, majd ez az érték nagyon gyorsan stabilizálódik. A feszültségkülönbség további növelése csak minimális hatással van a diódán átáramló áram fordított irányú növekedésére, mivel az áramerősség növekedése főleg a p-n átmenetre eső fény intenzitásától függ. Emiatt számos vonal figyelhető meg, amelyek meghatározzák az áram hullámformáit, attól függően, hogy milyen feszültséget alkalmaznak a kivezetéseiken, és milyen intenzitású fény esik a p-n átmenetre. A fotodiódák esetében a rajtuk átfolyó áram függése a fény intenzitásától szinte lineáris. Amikor nem esik fény a fotodióda átmenetére, akkor is megfigyelhető egy elhanyagolható mennyiségű áram, amelyet sötétáramnak neveznek. Ez annak a hőenergiának köszönhető, amely a vegyérték-sávban lévő elektronokhoz való ellátáskor kis mennyiségben képes kiütni őket a vezetési sávba.
A fotodióda fotovoltaikus üzemmódban is működhet. Ekkor a p-n átmenetre nem kerül külső feszültség. Az áram - és valójában a kisebbségi hordozó - áramlása akkor következik be, amikor a fotodióda fénynek van kitéve.
PIN fotodióda
A fotodióda különleges változata a p-n átmenet használatával a PIN-fotodióda. Széles, nem leplezett belső félvezető régióval rendelkezik a p típusú félvezető és az n típusú félvezető régiói között. Így a széles belső tartomány azt jelenti, hogy a dióda viszonylag alacsony kapacitással és tehetetlenséggel rendelkezik. Ez nagyon gyors reakciót eredményez a fényintenzitás változásaira.
Lavina (avalanche) fotodióda
A fotodiódák másik típusa a lavina fotodiódák. Felépítése és működési elve majdnem megegyezik egy szabványos fotodiódával. A különbség az, hogy nagyon magas záróirányú előfeszítési feszültséggel alkalmazzák. A fotodióda átmenetre eső fotonok hatására az elektronok a vezetési sávba mozdulnak el, és olyan mértékben felgyorsulnak, hogy más kötött elektronokat szabaddá tesznek. Ez az úgynevezett lavinajelenség. Ily módon a fényérzékelő átmenetre eső legkisebb mennyiségű fény is észlelhető.
Fotodióda paraméterei
A fotodiódák számos kulcsparaméterrel rendelkeznek, amelyeket figyelembe kell venni az adott alkalmazáshoz megfelelő elem kiválasztásakor. Ezek közül az első a letörési feszültség, ami általában néhány és több tucat volt között mozog. Ennek a paraméternek a túllépése károsíthatja a fotodiódát. Érdemes figyelembe venni a sötétáram nagyságát is, amelyet nanoamperben [nA] adunk meg. Ez egy nagyon kicsi érték, de bizonyos alkalmazásokban jelentős szerepet játszhat. Egy másik paraméter, amelyet nem szabad figyelmen kívül hagyni, a hullámhossz-tartomány, valamint a maximális érzékenységű hullámhossz, amelynél a fotodióda által előállított áram értékének változása a pn-átmenetre eső fény intenzitásától függően lesz a legnagyobb. Ha nem választja ki ezt a paramétert egy adott alkalmazáshoz vagy a rendszerben már használt elemekhez, az olyan helyzethez vezethet, amelyben a dióda nem "látja" a kívánt hullámhosszú jelet, és előfordulhat, hogy az egész rendszer nem működik majd megfelelően. Egyes diódák infravörös szűrővel rendelkezhetnek, hogy csak az emberi szem számára láthatatlan hullámhosszakra reagáljanak. Ezenkívül fontos a látószög, amely 10°-tól (például lézerdiódával dolgozó érzékelők esetén) 150°-ig változhat alkony- és hajnal érzékelők esetén. A fotodióda által termelt áram mennyiségének és a p-n átmenetnek adott feszültségnek az eredménye az optikai teljesítmény értéke, amelyet a gyártók is gyakran feltűntetnek. Alapmértékegysége a Watt [W].
A fotodiódák, mint a legtöbb más elektronikus alkatrész, megtalálhatók felületre szerelt alkatrészek, úgynevezett SMD és furatszerelt, ún. THT formában. Ez befolyásolja a ház típusát is, amelybe beépítik. A legnépszerűbbek például: 0805, DIL (Dual In Line), 3 mm vagy TO5.
Raktár:
