Fotodiody
(192)Fotodiody to typ komponentów z licznej rodziny elementów półprzewodnikowych typu p-n. Czasami znane są jako fotosensory lub fotodetektory. Elementy te służą do zamiany energii fotonów, czyli energii światła, na prąd elektryczny, w przeciwieństwie do diod LED (ang. Light-Emitting Diode), które pobierają prąd elektryczny w celu jego wytworzenia. Pierwszym zastosowaniem jakie przychodzi na myśl, są panele fotowoltaiczne, jednak do tego celu służy specjalna rodzina fotodiod, nazywana ogniwami słonecznymi. Innym zastosowaniem fotosensorów jest wykorzystywanie ich w czujnikach zmierzchu, w lampach, które automatycznie zapalają się, gdy zapadnie zmrok lub w czujnikach działających wraz z diodą laserową, świecącą wprost na złącze fotodiody. Takie rozwiązanie spotyka się np. w kurtynach laserowych wykorzystywanych w przemyśle, dzięki czemu są one w stanie wykrywać przerwanie wiązki lasera, a co za tym idzie informować układ sterujący np. o pojawieniu się człowieka w strefie niebezpiecznej, dla przykładu w pobliżu pracującego robota przemysłowego. Wykorzystuje się je również w licznikach i obwodach sterujących bądź przełączających, ale także jako detektory światła podczerwonego, mierniki odległości lub do komunikacji światłowodowej.
Zastosowanie fotodiody
Domyślnym zastosowaniem fotodiod jest funkcja detektora. Dzięki wykorzystaniu w układzie elektronicznym tego rodzaju elementu, użytkownik jest w stanie mierzyć poziom natężenia światła, jakie pada na fotodiodę. Aby tak się stało, złącze p-n fotosensora znajdującego się w układzie musi być spolaryzowane zaporowo. Oznacza to, że warstwa zaporowa złącza zostanie powiększona, a dyfuzja nośników większościowych do obszaru o przeciwnym rodzaju domieszkowania będzie utrudniona. Jeśli na złącze p-n fotodiody padają jednak fotony o odpowiednio wysokiej energii, są one w stanie wybić elektrony z pasma walencyjnego do pasma przewodnictwa. Jeśli stanie się to w wystarczająco dużej odległości od styku złącza p-n, elektron wraz z dziurą, która w ten sposób powstanie, będą miały wystarczająco dużo czasu, aby rekombinować. Jeśli jednak zjawisko to zajdzie odpowiednio blisko złącza p-n, elektron zostanie przyciągnięty do wyprowadzenia o potencjale dodatnim, a dziura do wyprowadzenia o potencjale ujemnym. Przez prosty układ elektryczny wykorzystujący fotodiodę popłynie wtedy prąd. Jeśli na fotosensor, w jednostce czasu, będzie padać większa ilość fotonów, to powstawać będzie większa ilość par dziura-elektron, przez co element ten będzie wytwarzać prąd o większym natężeniu. Dzięki tej zasadzie działania fotodioda (a w zasadzie układ pomiarowy wykorzystujący ją w roli czujnika), jest w stanie mierzyć natężenie padającego na nią światła.
Mówiąc o fotodiodach, często spotkać się można z charakterystyką tego typu komponentów, która rysowana jest na wykresie natężenia, podawanego w amperach [A], w zależności od napięcia, które podawane jest w woltach [V]. Jako że polaryzacja fotodiody najczęściej jest zaporowa, a także prąd wytwarzany przez nią płynie w kierunku zaporowym, obie wartości będą przedstawiane jako ujemne, a najważniejsza część wykresu będzie znajdowała się w trzeciej ćwiartce układu współrzędnych. Wykres taki wskazuje na wzrost natężenia prądu wraz ze wzrostem różnicy napięć między wyprowadzeniami fotodiody, jednak tylko w bardzo wąskim zakresie licząc od zerowej różnicy potencjałów, po czym bardzo szybko wartość ta się stabilizuje. Dalszy wzrost różnicy napięć tylko w minimalnym stopniu wpływa na zwiększenie prądu płynącego przez diodę w kierunku zaporowym, gdyż przyrost natężenia prądu zależy głównie od ilości światła padającego na złącze fotodiody. Z tego też względu na ich charakterystykach zauważyć można kilka linii wyznaczających przebiegi natężenia prądu, w zależności od wartości przyłożonej różnicy napięć na jej wyprowadzenia, dla różnych natężeń padającego na jej złącze światła. Dla fotodiod zależność płynącego przez nie prądu od natężenia światła jest niemalże liniowa. W przypadku, kiedy na złącze fotodiody nie pada żadne światło, nadal można zaobserwować znikomą wartość płynącego prądu, który określa się jako prąd ciemny (ang. black current). Dzieje się tak z powodu występowania energii cieplnej, która dostarczona do elektronów w pasmie walencyjnym jest w stanie, w niewielkich ilościach, wybić je na pasmo przewodnictwa.
Fotodioda może również pracować w trybie fotowoltaicznym. Wówczas do wyprowadzeń złącza p-n nie jest przyłożona żadna zewnętrzna różnica potencjałów. Przepływ prądu, a w zasadzie nośnika mniejszościowego, następuje wtedy na skutek wystawienia fotodiody na działanie światła.
Fotodioda PIN
Specjalną odmianą fotodiody wykorzystującej złącze p-n jest fotodioda PIN. Posiada ona szeroki, niedomieszkowany obszar półprzewodnikowy, czyli wykorzystuje w swej budowie półprzewodnik samoistny, znajdujący się między regionem półprzewodnikowym typu n a regionem półprzewodnikowym typu p. Dzięki temu warstwa zaporowa ma dużą grubość, co sprawia, że pojemność, a zarazem bezwładność działania takiej fotodiody jest stosunkowo niska. Powoduje to bardzo szybką reakcję na zmiany natężenia światła.
Fotodioda lawinowa
Istnieje również fotodioda nazywana lawinową. Jej budowa oraz zasada działania jest niemal identyczna jak standardowej fotodiody. Różnica polega na tym, że może ona zostać spolaryzowana bardzo wysokim napięciem wstecznym. Elektrony, które w wyniku padania fotonów na złącze fotodiody są wybijane na pasmo przewodnictwa, są przyśpieszane do tego stopnia, że powodują wybijanie kolejnych. Jest to tak zwany efekt lawinowy. W ten sposób wykryta może zostać nawet najmniejsza ilość światła padającego na złącze fotosensora.
Parametry fotodiod
Fotodiody cechują się kilkoma kluczowymi parametrami, które należy wziąć pod uwagę przy doborze odpowiedniego elementu do danego zastosowania. Pierwszym z nich jest maksymalne napięcie wsteczne fotodiody. Zazwyczaj waha się ono od kilku do kilkudziesięciu woltów. Przekroczenie tego parametru może spowodować tzw. przebicie diody, a w konsekwencji jej nieodwracalne uszkodzenie. Pod uwagę warto wziąć również wielkość natężenia prądu ciemnego, który podawany jest w nanoamperach [nA]. Jest to bardzo mała wartość, jednak w niektórych zastosowaniach może odgrywać znaczącą rolę. Kolejnym parametrem, którego nie wolno pominąć, jest długość fali, jaką dioda jest w stanie wykryć, a także długość fali w punkcie maksymalnej czułości, dla której zmiana wartości natężenia prądu wytwarzanego przez fotodiodę w zależności od natężenia światła padającego na jej złącze, będzie największa. Brak dobrania tego parametru pod dane zastosowanie albo pod wykorzystywane już w układzie elementy, może doprowadzić do sytuacji, w której dioda nie będzie „widzieć” sygnału o pożądanej długości fali, przez co cały układ może nie działać poprawnie. Niektóre diody mogą posiadać filtr podczerwieni, aby reagować tylko na długość fali, która jest niewidoczna dla ludzkiego oka. Nie bez znaczenia jest również kąt widzenia fotodiody, który może wahać się od 10°, np. w przypadku czujników współpracujących z diodą laserową, do nawet 150° w przypadku czujników zmierzchu. Wynikiem iloczynu ilości prądu wytwarzanego przez fotodiodę oraz napięcia przyłożonego na jej wyprowadzenia jest wartość mocy optycznej, która również często jest podawana przez producentów. Jej jednostką podstawową jest wat [W].
Fotodiody, tak samo jak większość innych komponentów elektronicznych, spotkać można w postaci elementów montowanych powierzchniowo, tzw. SMD lub przewlekanych, tzw. THT. Wpływa to również na typ obudowy w jakiej będzie ona umieszczona. Jednymi z najpopularniejszych są np. 0805, DIL (ang. Dual In Line), 3 mm czy TO5.
Magazyn:
