Fotodiodi
(196)I fotodiodi appartengono alla grande famiglia di componenti a semiconduttori del tipo p-n. A volte sono noti come fotosensori o fotorivelatori. Questi elementi vengono utilizzati per convertire l'energia dei fotoni, ossia l'energia della luce, in corrente elettrica, a differenza dei LED (dall'inglese Light-Emitting Diode), che assorbono corrente elettrica per produrre luce. La prima applicazione che viene in mente sono i pannelli fotovoltaici, ma a questo scopo viene utilizzata una speciale famiglia di fotodiodi, chiamati celle solari. Un'altra applicazione dei fotosensori è l'impiego nei sensori crepuscolari, in lampade che si accendono automaticamente quando cala l'oscurità, o in sensori utilizzati insieme a un diodo laser, illuminando direttamente la giunzione del fotodiodo. Tale soluzione si trova, ad esempio, nelle barriere laser utilizzate nell'industria, che in questo modo sono in grado di rilevare l'interruzione del fascio laser e informare il sistema di comando, ad es. della presenza di un essere umano in una zona pericolosa, ad esempio vicino a un robot industriale funzionante. Vengono utilizzati anche nei contatori e nei circuiti di comando o commutazione, ma anche come rilevatori di luce a infrarossi, misuratori di distanza o per la comunicazione in fibra ottica.
Applicazione del fotodiodo
L'utilizzo per definizione dei fotodiodi è la funzione del rilevatore. Grazie all'utilizzo di questo tipo di elemento nel circuito elettronico, l'utente è in grado di misurare il livello di intensità luminosa che cade sul fotodiodo. Affinché ciò accada, la giunzione p-n del fotosensore situato nel circuito deve essere polarizzato in modo inverso. Ciò significa che lo strato barriera della giunzione sarà ingrandito e la diffusione delle cariche di maggioranza in un'area con drogaggio opposto sarà difficile. Se, tuttavia, sulla giunzione p-n del fotodiodo cadono dei fotoni con energia sufficientemente elevata, questi saranno in grado di far passa gli elettroni dalla banda di valenza alla banda di conduzione. Se ciò accade a una distanza sufficientemente grande dal contatto della giunzione p-n, l'elettrone insieme alla lacuna, che si formerà in questo modo, avrà abbastanza tempo per ricombinarsi. Tuttavia, se questo fenomeno si verifica abbastanza vicino alla giunzione p-n, l'elettrone sarà attratto dall'uscita con potenziale positivo e la lacuna dall'uscita con potenziale negativo. Attraverso un semplice circuito che utilizza un fotodiodo in questo modo passerà della corrente elettrica. Se in un'unità di tempo un numero maggiore di fotoni cade sul fotosensore, si formerà un numero maggiore di coppie lacuna-elettrone, che produrrà una corrente di maggiore intensità. Grazie a questo principio di funzionamento il fotodiodo (o meglio il sistema di misura che sfrutta come sensore) è in grado di misurare l'intensità della luce che cade su di esso.
Parlando dei fotodiodi, spesso possiamo incontrare le caratteristiche di questo tipo di componenti, presentate nel grafico dell'intensità, espressa in ampere [A], in funzione della tensione, espressa in volt [V]. Poiché la polarizzazione del fotodiodo è più spesso inversa, così come la corrente prodotta da esso scorre nella direzione inversa, entrambi i valori saranno presentati come negativi e la parte più importante del grafico sarà nel terzo quarto del sistema di coordinate. Tale grafico raffigura un aumento dell'intensità di corrente assieme ad un aumento della differenza di tensione tra le uscite del fotodiodo, ma solo in un intervallo molto ristretto contando dalla differenza di potenziale zero, dopo di che questo valore si stabilizza molto rapidamente. Un ulteriore aumento della differenza di tensione solo minimamente causa un aumento della corrente che scorre attraverso il diodo nella direzione inversa, poiché l'aumento dell'intensità di corrente dipende principalmente dalla quantità di luce che cade sulla giunzione del fotodiodo. Per questo motivo, nelle caratteristiche si possono notare diverse linee che determinano le forme d'onda di intensità della corrente, a seconda del valore della differenza di tensione applicata alle sue uscite, per diverse intensità di luce che cade sulla sua giunzione. Per i fotodiodi la dipendenza tra la corrente che li attraversa e l'intensità della luce è quasi lineare. Nel caso in cui nessuna luce cada sulla giunzione del fotodiodo, è ancora possibile osservare un valore trascurabile della corrente che scorre, chiamato corrente nera (ing. black current). Ciò è dovuto alla presenza di energia termica, che trasmessa agli elettroni nella banda di valenza è in grado, in piccole quantità, di trasportare questi ultimi nella banda di conduzione.
Il fotodiodo può funzionare anche in modalità fotovoltaica. In questo caso, nessuna differenza di potenziale esterno viene applicata ai pin della giunzione p-n. Il flusso di corrente, in realtà un vettore minoritario, si verifica quindi a seguito dell'esposizione del fotodiodo alla luce.
Fotodiodo PIN
Una variante speciale del fotodiodo che sfrutta la giunzione p-n è il fotodiodo PIN. Quest'ultimo presenta un'ampia regione di semiconduttori non drogati, ossia sfrutta un semiconduttore intrinseco nella sua struttura, situato tra la regione del semiconduttore di tipo n e la regione del semiconduttore di tipo p. Grazie a questa soluzione, lo strato barriera ha uno spessore elevato, che rende relativamente bassa la capacità e allo stesso tempo l'inerzia di tale fotodiodo. Ciò si traduce in una risposta molto rapida ai cambiamenti nell'intensità della luce.
Fotodiodo a valanga
Esiste inoltre un fotodiodo chiamato a valanga. La sua struttura e il principio di funzionamento sono quasi identici a quelli di un fotodiodo standard. La differenza è che può essere polarizzato con una tensione inversa molto elevata. Gli elettroni, che a seguito della caduta di fotoni sulla giunzione del fotodiodo passano nella banda di conduzione, vengono accelerati a tal punto da causare il passaggio forzato di altri elettroni. Si tratta del cosiddetto effetto valanga. In questo modo, è possibile rilevare anche la più piccola quantità di luce che cade sulla giunzione del fotosensore.
Parametri dei fotodiodi
I fotodiodi sono caratterizzati da diversi parametri chiave che devono essere presi in considerazione quando si sceglie l'elemento giusto per una determinata applicazione. Il primo è la tensione inversa massima del fotodiodo. Di solito varia da poche a diverse dozzine di volt. Il superamento di questo parametro può causare la cosiddetta perforazione del diodo, e di conseguenza il suo danneggiamento irreversibile. Vale anche la pena di prendere in considerazione la grandezza dell'intensità della corrente oscura, espressa in nanoampere [nA]. Si tratta di un valore molto piccolo, tuttavia, in alcune applicazioni può svolgere un ruolo significativo. Un ulteriore parametro che non deve essere trascurato è la lunghezza d'onda che il diodo è in grado di rilevare, così come la lunghezza d'onda nel punto di massima sensibilità, per la quale la variazione del valore della corrente prodotta dal fotodiodo a seconda dell'intensità della luce che cade sulla sua giunzione, sarà la maggiore. La mancata scelta di questo parametro per un'applicazione specifica o per elementi già utilizzati nel circuito, può condurre a una situazione in cui il diodo non "vedrà" il segnale della lunghezza d'onda desiderata, ciò potrebbe causare il mancato funzionamento dell'intero circuito. Alcuni diodi possono disporre di un filtro a infrarossi per rispondere solo a una lunghezza d'onda invisibile all'occhio umano. Non privo di significato è anche l'angolo di visione del fotodiodo, che può variare da 10°, nel caso di sensori che cooperano con un diodo laser, a persino 150° nel caso di sensori crepuscolari. Il risultato del prodotto della quantità di corrente prodotta dal fotodiodo e della tensione applicata alla sua uscita costituisce il valore della potenza ottica, che viene spesso espresso dai produttori dei componenti. La sua unità base è il watt [W].
I fotodiodi, come la maggior parte degli altri componenti elettronici, sono disponibili in forma di elementi a montaggio superficiale, il cosiddetto SMD, o a foro passante, il cosiddetto THT. Ciò influisce anche sul tipo di alloggiamento in cui verrà collocato questo componente. Alcuni dei più popolari sono, ad es. 0805, DIL (inglese: Dual In Line), 3 mm o TO5.
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