Fotodiódy
(195)Fotodiódy sú typom súčiastky vo veľkej skupine polovodičových prvkov typu p-n. Niekedy sa nazývajú fotosenzory alebo fotodetektory. Tieto prvky sa používajú na premenu energie fotónov alebo svetelnej energie na elektrickú energiu, na rozdiel od LED diód (Light-Emitting Diode), ktoré na jej výrobu spotrebúvajú elektrickú energiu. Prvá aplikácia, ktorá vám napadne, sú fotovoltické panely, ale na tento účel existuje špeciálna skupina fotodiód nazývaných solárne články. Ďalšie využitie fotosenzorov nájdeme v súmrakových senzoroch, v svietidlách, ktoré sa automaticky rozsvietia, keď nastane tma, alebo v senzoroch, ktoré spolupracujú s laserovou diódou, ktorá svieti priamo na fotodiódový spoj. Takéto riešenie sa nachádza napríklad v laserových závesoch používaných v priemysle, ktoré sú schopné detegovať prerušenie laserového lúča, a tak informovať riadiaci systém napríklad o výskyte osoby v nebezpečnom priestore, napríklad v blízkosti pracujúceho priemyselného robota. Používajú sa aj v čítačkách a riadiacich alebo spínacích obvodoch, ale aj ako detektory infračerveného svetla, merače vzdialenosti alebo pre optickú komunikáciu.
Použitie fotodiódy
Predvoleným použitím fotodiód je funkcia detektora. Použitím tohto typu prvku v elektronickom obvode je používateľ schopný merať úroveň intenzity svetla, ktoré dopadá na fotodiódu. Aby sa tak stalo, musí byť p-n priechod fotosenzora v obvode záporne polarizovaný. To znamená, že bariérová vrstva priechodu sa zväčší a difúzia majoritných nosičov do opačne dotovanej oblasti bude sťažená. Ak však na p-n priechod fotodiódy dopadajú fotóny s dostatočne vysokou energiou, sú schopné vyraziť elektróny z valenčného pásma do vodivostného pásma. Ak sa tak stane v dostatočne veľkej vzdialenosti od p-n priechodu, elektrón a vzniknutá diera budú mať dostatok času na rekombináciu. Ak sa však tento jav vyskytne v dostatočnej blízkosti p-n priechodu, elektrón bude priťahovaný k vývodu s kladným potenciálom a diera k vývodu so záporným potenciálom. Jednoduchým elektrickým obvodom pomocou fotodiódy potom bude pretekať prúd. Ak na fotosenzor dopadne za jednotku času viac fotónov, vytvorí sa viac párov diera-elektrón a prvok bude produkovať vyšší prúd. Vďaka tomuto princípu fungovania je fotodióda (alebo skôr merací systém, ktorý ju využíva ako senzor) schopná merať intenzitu svetla, ktoré na ňu dopadá.
Keď sa hovorí o fotodiódach, často sa stretávame s charakteristikou tohto typu súčiastky, ktorá je znázornená na závislosti intenzity prúdu, udávanej v ampéroch [A], v závislosti od napätia, ktoré sa udáva vo voltoch [V]. Keďže polarizácia fotodiódy je najčastejšie záporná a aj ňou produkovaný prúd tečie v závernom smere, obe hodnoty budú prezentované ako záporné a najdôležitejšia časť grafu bude v treťom kvadrante súradnicového systému. Takáto závislosť znázorňuje nárast prúdu so zvyšovaním rozdielu napätí medzi vodičmi fotodiódy, ale len vo veľmi úzkom rozsahu od nulového rozdielu potenciálov, po ktorom sa hodnota veľmi rýchlo stabilizuje. Ďalšie zvýšenie rozdielu napätí má len minimálny vplyv na zvýšenie prúdu pretekajúceho diódou v závernom smere, pretože zvýšenie prúdu závisí najmä od množstva svetla dopadajúceho na priechod fotodiódy. Z tohto dôvodu možno na charakteristike diódy vidieť niekoľko čiar, ktoré zobrazujú priebeh prúdu v závislosti od rozdielu napätí privádzaných na vodiče diódy pre rôzne intenzity svetla dopadajúceho na priechod diódy. V prípade fotodiód je závislosť prúdu, ktorý nimi preteká, od intenzity svetla takmer lineárna. Ak na prechod fotodiódy nedopadá žiadne svetlo, stále možno pozorovať zanedbateľný prúd, ktorý sa označuje ako čierny prúd. Je to dôsledok tepelnej energie, ktorá dodaná elektrónom vo valenčnom páse, v malých dávkach, je schopná vyraziť ich do vodivostného pásma.
Fotodióda môže pracovať aj vo fotovoltickom režime. V tomto prípade sa na vodiče p-n priechodu neprikladá žiadny vonkajší rozdiel potenciálov. Tok prúdu a vlastne aj minoritného nosiča je potom spôsobený pôsobením svetla na fotodiódu.
Fotodióda PIN
Špeciálnou verzioufotodiódy využívajúcej p-n priechod je PIN dióda. Má širokú nedotovanú polovodičovú oblasť, t. j. používa vnútorný polovodič, ktorý sa nachádza medzi polovodičovou oblasťou typu n a polovodičovou oblasťou typu p. V dôsledku toho je bariérová vrstva veľmi hrubá, čo spôsobuje, že kapacita a tiež prevádzková zotrvačnosť takejto fotodiódy je relatívne nízka. Výsledkom je veľmi rýchla reakcia na zmeny intenzity svetla.
Lavínová fotodióda
Existuje aj fotodióda nazývaná lavínová fotodióda. Jej konštrukcia a princíp fungovania sú takmer identické so štandardnou fotodiódou. Rozdiel je v tom, že sa dá polarizovať veľmi vysokým napätím v závernom smere. Elektróny, ktoré sú v dôsledku dopadania fotónov na priechod fotodiódy vyrážané vo vyčerpanej oblasti, sa zrýchľujú do takej miery, že spôsobujú vyrážanie ďalších. To je takzvaný lavínový efekt – fotonásobenie. Takýmto spôsobom môže byť detegované aj najmenšie množstvo svetla dopadajúceho na priechod fotosenzora.
Parametre fotodiód
Fotodiódy sa vyznačujú niekoľkými kľúčovými parametrami, ktoré treba zohľadniť pri výbere správneho komponentu pre danú aplikáciu. Prvým z nich je maximálne napätie fotodiódy v závernom smere. Zvyčajne sa pohybuje od niekoľkých voltov do desiatok voltov. Prekročenie tohto parametra môže spôsobiť tzv. prieraz diódy a následne jej nezvratné poškodenie. Je tiež potrebné vziať do úvahy veľkosť čierneho prúdu, ktorý sa udáva v nanoampéroch [nA]. Je to veľmi malá hodnota, ale v niektorých aplikáciách môže zohrávať významnú úlohu. Ďalším parametrom, ktorý sa nesmie opomenúť, je vlnová dĺžka, ktorú je dióda schopná detegovať, ako aj vlnová dĺžka v bode maximálnej citlivosti, pre ktorú bude zmena hodnoty prúdu produkovaného fotodiódou v závislosti od intenzity svetla dopadajúceho na jej priechod najväčšia. Nedostatočná voľba tohto parametra pre danú aplikáciu alebo pre prvky už použité v obvode môže viesť k situácii, keď dióda "neuvidí" signál požadovanej vlnovej dĺžky, takže celý systém nemusí fungovať správne. Niektoré diódy môžu mať infračervený filter, aby reagovali len na vlnové dĺžky, ktoré sú pre ľudské oko neviditeľné. Nezanedbateľný je aj zorný uhol fotodiódy, ktorý sa môže pohybovať od 10°, napr. pri snímačoch pracujúcich s laserovou diódou, až po 150° pri súmrakových snímačoch. Výsledkom súčinu veľkosti prúdu produkovaného fotodiódou a napätia privedeného na jej vodiče je hodnota optického výkonu, ktorú často uvádzajú aj výrobcovia. Jeho základnou jednotkou je watt [W].
Fotodiódy, podobne ako väčšina ostatných elektronických súčiastok, sa vyskytujú vo forme elektronických súčiastok pre povrchovú montáž, tzv. SMD alebo otvorovú montáž, tzv. THT. To ovplyvňuje aj typ puzdra, v ktorom bude umiestnená. Medzi najobľúbenejšie patria napr. 0805, DIL (Dual In Line), 3 mm alebo TO5.
Sklad:
