Fotodiode
(198)Fotodiodele sunt un tip de componentă dintr-o mare familie de dispozitive semiconductoare de tip p-n. Sunt cunoscute uneori sub numele de fotosenzori sau fotodetectori. Aceste elemente sunt utilizate pentru a transforma energia fotonică, adică energia luminoasă, în curent electric, spre deosebire de LED-uri (în limba engleză Light-Emitting Diode), care consumă un curent electric pentru a o produce. Prima aplicație care ne vine în minte este cea a panourilor fotovoltaice, dar în acest scop există o familie specială de fotodiode numite celule solare. O altă aplicație pentru fotosenzori este cea a senzorilor crepusculari, a lămpilor care se aprind automat la lăsarea întunericului sau a senzorilor care lucrează împreună cu o diodă laser care luminează direct pe joncțiunea fotodiodei. O astfel de soluție poate fi găsită, de exemplu, în perdelele laser utilizate în industrie, datorită cărora acestea sunt capabile să detecteze o întrerupere a fasciculului laser și, astfel, să informeze sistemul de control, de exemplu, despre apariția unei persoane într-o zonă periculoasă, cum ar fi, în apropierea unui robot industrial în funcțiune. Acestea sunt, de asemenea, utilizate în contoare și circuite de control sau de comutare, dar și ca detectoare de lumină în infraroșu, distanțieri sau pentru comunicații prin fibră optică.
Aplicații ale fotodiodei
Aplicația implicită a fotodiodelor este funcția de detector. Prin utilizarea acestui tip de element în circuitul electronic, utilizatorul poate măsura nivelul de intensitate a luminii care cade pe fotodiodă. Pentru ca acest lucru să se întâmple, joncțiunea p-n a fotosenzorului din circuit trebuie să fie polarizată negativ. Acest lucru înseamnă că stratul de barieră al joncțiunii va fi mărit, iar difuzia purtătorilor majoritari în regiunea cu tipul de dopaj opus va fi împiedicată. Cu toate acestea, dacă fotonii cu o energie suficient de mare sunt incidenți pe joncțiunea p-n a fotodiodei, aceștia sunt capabili să scoată electronii din banda de valență și să îi aducă în banda de conducție. Dacă acest lucru se întâmplă la o distanță suficient de mare față de contactul joncțiunii p-n, electronul, împreună cu gaura pe care o creează, va avea suficient timp să se recombine. Cu toate acestea, dacă acest fenomen are loc suficient de aproape de joncțiunea p-n, electronul va fi atras de conductorul cu potențial pozitiv, iar gaura de conductorul cu potențial negativ. Un curent va trece apoi printr-un circuit electric simplu, folosind o fotodiodă. Dacă mai mulți fotoni sunt incidenți pe fotosenzor pe unitatea de timp, se vor forma mai multe perechi gaură-electron, astfel încât elementul va produce un curent mai mare. Datorită acestui principiu de funcționare, o fotodiodă (sau, mai degrabă, un sistem de măsurare care o folosește ca senzor) este capabilă să măsoare intensitatea luminii care cade pe ea.
Atunci când vorbim despre fotodiode, întâlnim adesea caracteristicile acestui tip de componentă, care este desenată pe un grafic al intensității, exprimată în amperi [A], în raport cu tensiunea, care este exprimată în volți [V]. Deoarece polarizarea fotodiodei este cel mai adesea negativă și, de asemenea, curentul produs de aceasta circulă în direcția negativă, ambele valori vor fi reprezentate ca fiind negative, iar partea cea mai importantă a graficului se va afla în al treilea cadran al sistemului de coordonate. Un astfel de grafic indică o creștere a curentului odată cu creșterea diferenței de tensiune între firele fotodiodei, dar numai într-un domeniu foarte îngust, pornind de la diferența de potențial zero, după care valoarea se stabilizează foarte repede. O nouă creștere a diferenței de tensiune are doar un efect minim asupra creșterii curentului care trece prin diodă în sens invers, deoarece creșterea curentului depinde în principal de cantitatea de lumină care cade pe joncțiunea fotodiodei. Din acest motiv, pe caracteristicile lor se pot observa mai multe linii care marchează formele de undă ale curentului, în funcție de valoarea diferenței de tensiune aplicată la bornele lor, pentru diferite intensități ale luminii care este incidentă pe joncțiunea lor. Pentru fotodiode, dependența curentului care trece prin ele de intensitatea luminii este aproape liniară. Atunci când nu cade lumină pe joncțiunea fotodiodei, se poate observa totuși un curent neglijabil, care este denumit curent negru (în limba engleză black current). Acest lucru se datorează prezenței energiei termice care, atunci când este furnizată electronilor din banda de valență, este capabilă, în cantități mici, să îi scoată în banda de conducție.
Fotodioda poate funcționa, de asemenea, în modul fotovoltaic. În acest caz, nu se aplică nicio diferență de potențial extern la bornele joncțiunii p-n. Fluxul de curent și, de fapt, purtătorul minoritar, apare ca urmare a expunerii fotodiodei la lumină.
Fotodiodă PIN
O varietate specială de fotodiodă care utilizează o joncțiune p-n este fotodioda PIN. Acesta are o regiune semiconductoare largă, nedopată, adică utilizează un semiconductor intrinsec în structura sa, situat între regiunea semiconductoare de tip n și regiunea semiconductoare de tip p. Prin urmare, stratul barieră are o grosime mare, ceea ce face ca atât capacitatea cât și inerția de funcționare a unei astfel de fotodiode să fie relativ scăzute. Acest lucru are ca rezultat un răspuns foarte rapid la schimbările de intensitate a luminii.
Fotodiodă cu avalanșă
Există, de asemenea, o fotodiodă numită fotodiodă cu avalanșă. Construcția și principiul său de funcționare sunt aproape identice cu cele ale unei fotodiode standard. Diferența constă în faptul că poate fi polarizată cu o tensiune inversă foarte mare. Electronii care sunt scoși din banda de conducție ca urmare a fotonilor care sunt incidenți pe joncțiunea fotodiodei sunt accelerați într-o asemenea măsură încât determină scoaterea mai multor electroni. Acesta este așa-numitul efect de avalanșă. În acest fel, se poate detecta chiar și cantitatea cea mai mică de lumină incidentă pe joncțiunea fotosenzorului.
Parametrii fotodiodei
Fotodiodele sunt caracterizate de mai mulți parametri cheie care trebuie luați în considerare atunci când se selectează componenta potrivită pentru o anumită aplicație. Prima dintre acestea se numără tensiunea inversă maximă a fotodiodei. Acesta variază de obicei de la câțiva volți la câteva zeci de volți. Depășirea acestui parametru poate provoca așa-numita perforare a diodei și, în consecință, deteriorarea ireversibilă a acesteia. Totodată, trebuie să se ia în considerare magnitudinea curentului negru, care este exprimată în nanoamperi [nA]. Aceasta este o valoare foarte mică, dar în unele aplicații poate juca un rol semnificativ. Un alt parametru care nu trebuie neglijat este lungimea de undă pe care dioda este capabilă să o detecteze, precum și lungimea de undă în punctul de sensibilitate maximă pentru care variația valorii curentului produs de fotodiodă, în funcție de intensitatea luminii incidente pe joncțiunea sa, va fi cea mai mare. Neselecționarea acestui parametru pentru o anumită aplicație sau pentru elementele deja utilizate în circuit poate duce la o situație în care dioda să nu „vadă” semnalul cu lungimea de undă dorită, făcând astfel ca încât întreg circuitul să nu funcționeze corect. Unele diode pot avea un filtru infraroșu pentru a răspunde numai la lungimi de undă invizibile pentru ochiul uman. De asemenea, este important și unghiul de vizualizare al fotodiodei, care poate varia de la 10°, de exemplu, în cazul senzorilor care funcționează cu o diodă laser, până la 150° în cazul senzorilor crepusculari. Rezultatul produsului dintre cantitatea de curent produsă de fotodiodă și tensiunea aplicată la bornele sale este valoarea puterii optice, care este, de asemenea, adesea menționată de producători. Unitatea sa de bază este watt [W].
Fotodiodele, la fel ca majoritatea celorlalte componente electronice, pot fi găsite sub formă de componente cu montare pe suprafață, așa-numitele SMD, sau componente cu montare prin inserție, așa-numitele THT. Acest lucru afectează, de asemenea, tipul de carcasă în care vor fi plasate. Unele dintre cele mai populare sunt, de exemplu, 0805, DIL (în limba engleză Dual In Line), 3 mm sau TO5.
Depozit:
