Fotodiodes
(194)Fotodioden zijn een type component uit een grote familie van halfgeleiderelementen van het p-n type. Zij worden ook wel fotosensoren of fotodetectoren genoemd. Deze elementen worden gebruikt om fotonenergie, d.w.z. lichtenergie, om te zetten in elektrische stroom, in tegenstelling tot LED's (Engels “Light-Emitting Diode”), die elektrische stroom verbruiken om licht op te wekken. De eerste toepassing die in gedachten komt zijn fotovoltaïsche panelen, maar voor dit doel bestaat er een speciale familie fotodiodes die zonnecellen worden genoemd. Een andere toepassing van fotosensoren is in schemeringssensoren, in lampen die automatisch aangaan wanneer het donker wordt, of in sensoren die werken in combinatie met een laserdiode die rechtstreeks op een fotodiodeverbinding schijnt. Een dergelijke oplossing kan bijvoorbeeld worden gevonden in lasergordijnen die in de industrie worden gebruikt en die in staat zijn een onderbreking van de laserstraal te detecteren en aldus het besturingssysteem te informeren over het verschijnen van een mens in een gevaarlijke zone, bijvoorbeeld in de nabijheid van een werkende industriële robot. Zij worden ook gebruikt in tellers en regel- of schakelkringen, maar ook als infrarood lichtdetectoren, afstandsmeters of voor glasvezelcommunicatie.
Gebruik van de fotodiode
De standaard toepassing van fotodiodes is de detectorfunctie. Door dit type element in een elektronische schakeling te gebruiken, kan de gebruiker het niveau van de lichtintensiteit meten die op de fotodiode valt. Daartoe moet de p-n-overgang van de fotosensor in de schakeling negatief gepolariseerd zijn. Dit betekent dat de barrièrelaag van de overgang wordt vergroot en de diffusie van meerderheidsdragers in de regio van het tegenovergestelde doperingstype wordt belemmerd. Indien echter fotonen met voldoende hoge energie op de p-n-overgang van de fotodiode vallen, kunnen zij elektronen uit de valentieband in de geleidingsband slaan. Indien dit gebeurt op een voldoende grote afstand van het p-n-overgangscontact, zal het elektron, samen met het gat dat hierdoor ontstaat, voldoende tijd hebben om te recombineren. Indien dit verschijnsel zich echter dicht genoeg bij de p-n-overgang voordoet, zal het elektron worden aangetrokken tot het aansluitpunt met het positieve potentiaal en het gat tot de negatieve potentiaalkabel. Er zal dan een stroom lopen door een eenvoudig elektrisch circuit met een fotodiode. Als er per tijdseenheid meer fotonen op de fotosensor vallen, zullen er meer gat-elektronparen worden gevormd, zodat het element een hogere stroom zal produceren. Dankzij dit werkingsprincipe is een fotodiode (of liever een meetsysteem dat deze als sensor gebruikt) in staat de intensiteit te meten van het licht dat erop valt.
Wanneer men het over fotodioden heeft, komt men vaak de kenmerken van dit type component tegen, die zijn weergegeven in een grafiek van intensiteit, uitgedrukt in ampère [A], versus spanning, die is uitgedrukt in volt [V]. Aangezien de polarisatie van de fotodiode meestal negatief is en ook de door de fotodiode geproduceerde stroom in omgekeerde richting loopt, zullen beide waarden als negatief worden weergegeven en zal het belangrijkste deel van de grafiek in het derde kwadrant van het coördinatenstelsel liggen. Uit een dergelijke grafiek blijkt dat de stroom toeneemt met toenemend spanningsverschil tussen de fotodiode-afleidingen, maar slechts in een zeer smal bereik vanaf een potentiaalverschil van nul, waarna de waarde zich zeer snel stabiliseert. Een verdere toename van het spanningsverschil heeft slechts een minimaal effect op de toename van de stroom die in omgekeerde richting door de diode vloeit, aangezien de toename van de stroom hoofdzakelijk afhangt van de hoeveelheid licht die op de fotodiodeovergang valt. Om deze reden kan men op basis van hun kenmerken verschillende lijnen opmerken die de golfvormen van de stroomintensiteit bepalen, afhankelijk van de waarde van het aangelegde spanningsverschil op de aansluitpunten, voor verschillende intensiteiten van het licht dat op hun knooppunt valt. Bij fotodioden is de afhankelijkheid van de stroom die erdoor loopt en de lichtintensiteit bijna lineair. Wanneer er geen licht op het fotodiodeknooppunt valt, kan nog een verwaarloosbare stroom worden waargenomen, die zwarte stroom wordt genoemd. Dit is te wijten aan de aanwezigheid van thermische energie die, wanneer zij aan de elektronen in de valentieband wordt toegevoerd, in kleine hoeveelheden in staat is hen naar de geleidingsband te leiden.
De fotodiode kan ook werken in fotovoltaïsche modus. Er wordt dan geen extern potentiaalverschil aangelegd op de aansluitpunten van de p-n-overgang. De stroom, of in feite de minderheidsdrager, ontstaat dan als gevolg van de blootstelling van de fotodiode aan licht.
PIN-fotodiode
Een speciaal type-fotodiode die gebruik maakt van een p-n-overgang is de PIN-fotodiode. Het heeft een breed, ongedoteerd halfgeleidergebied, d.w.z. het gebruikt in zijn structuur een intrinsieke halfgeleider die zich tussen het halfgeleidergebied van het n-type en het halfgeleidergebied van het p-type bevindt. Hierdoor heeft de barrièrelaag een grote dikte, waardoor de capaciteit en inertie van zo'n fotodiode relatief laag is. Dit resulteert in een zeer snelle reactie op veranderingen in lichtintensiteit.
Avalanche fotodiode
Er is ook een fotodiode die avalanche fotodiode (of: APD of “lawine fotodiode”) wordt genoemd. De constructie en het werkingsprincipe zijn vrijwel identiek aan die van een standaard-fotodiode. Het verschil is dat het kan worden gepolariseerd met een zeer hoge sperspanning. Elektronen die uit de geleidingsband worden geslagen ten gevolge van fotonen die op de fotodiodeovergang vallen, worden zodanig versneld dat er meer elektronen worden uitgeslagen. Dit is het zogenaamde lawine-effect. Op die manier kan zelfs het kleinste beetje licht dat op de fotosensor-verbinding valt, worden gedetecteerd.
Parameters van de fotodiode
Fotodiodes worden gekenmerkt door een aantal belangrijke parameters waarmee rekening moet worden gehouden bij de keuze van het juiste onderdeel voor een bepaalde toepassing. De eerste hiervan is de maximale fotodiode sperspanning. Het varieert gewoonlijk van enkele volts tot enkele tientallen volts. Overschrijding van deze parameter kan leiden tot de zogenaamde diodestoring, en bijgevolg tot onomkeerbare schade. De grootte van de donkere stroom, die wordt uitgedrukt in nano-ampère [nA], is ook het overwegen waard. Dit is een zeer kleine waarde, maar in sommige toepassingen kan zij een belangrijke rol spelen. Een andere parameter die niet over het hoofd mag worden gezien, is de golflengte die de diode kan detecteren, alsmede de golflengte op het punt van maximale gevoeligheid waarvoor de verandering in de waarde van de stroom die door de fotodiode wordt geproduceerd, afhankelijk van de intensiteit van het licht dat op haar knooppunt valt, het grootst zal zijn. Een gebrekkige keuze van deze parameter voor een bepaalde toepassing of voor de reeds in de schakeling gebruikte elementen kan leiden tot een situatie waarin de diode het signaal van de gewenste golflengte niet zal "zien", zodat de hele schakeling misschien niet goed zal werken. Sommige diodes kunnen een infraroodfilter hebben om alleen te reageren op golflengten die onzichtbaar zijn voor het menselijk oog. Ook belangrijk is de kijkhoek van de fotodiode, die kan variëren van 10°, bijvoorbeeld in het geval van sensoren die met een laserdiode werken, tot wel 150° in het geval van schemeringssensoren. Het resultaat van het product van de hoeveelheid stroom die door de fotodiode wordt geproduceerd en de spanning die op de aansluitdraden wordt aangelegd, is de waarde van het optisch vermogen, die ook vaak door fabrikanten wordt vermeld. De basiseenheid is de watt [W].
Fotodioden kunnen, zoals de meeste andere elektronische componenten, worden gevonden in de vorm van componenten voor oppervlaktebevestiging, de zogenaamde SMD (“surface-mount device”), of componenten voor inbouw, de zogenaamde THT (“through-hole technology”). Dit heeft ook gevolgen voor het soort behuizing waarin het zal worden geplaatst. Enkele van de meest populaire zijn b.v. 0805, DIL (Engels “Dual In Line”), 3 mm of TO5.
Magazijn:
