Was ist eine Fotodiode? (Teil 1)

Fotodiodeist ein Halbleiterbauelement, das Licht in Strom umwandelt. Zwischen der p-Schicht (positiv) und der n-Schicht (negativ) befindet sich eine intrinsische Schicht. Eine Fotodiode empfängt Lichtenergie als Eingabe, um einen elektrischen Strom zu erzeugen. Fotodioden werden auch als Fotodetektoren, fotoelektrische Sensoren oder Lichtdetektoren bezeichnet.

Die Fotodiode arbeitet unter Sperrvorspannungsbedingungen, d. h. die P-Seite der Fotodiode ist mit der negativen Elektrode der Batterie (oder Stromversorgung) verbunden und die N-Seite ist mit der positiven Elektrode der Batterie verbunden. Typische Fotodiodenmaterialien sind Silizium, Germanium, Indiumgalliumarsenidphosphid und Indiumgalliumarsenid.

Im Inneren verfügt die Fotodiode über einen Lichtfilter, eine eingebaute Linse und eine Oberfläche. Wenn die Oberfläche der Fotodiode vergrößert wird, verkürzt sich die Reaktionszeit. Nur sehr wenige Fotodioden sehen aus wie Leuchtdioden (LEDs). Es verfügt über zwei Anschlüsse, wie unten gezeigt. Der kleinere Anschluss dient als Kathode und der längere Anschluss als Anode.

Das Symbol der Fotodiode ähnelt dem Symbol der LED, allerdings zeigt der Pfeil bei der LED nach innen statt nach außen. Das Bild unten zeigt das Symbol der Fotodiode.

1. Photodiodenprinzip

Fotodioden erzeugen ein Paar Elektronenlöcher, wenn ein energiereiches Photon auf die Diode trifft. Dieser Mechanismus wird auch als interner photoelektrischer Effekt bezeichnet. Tritt im Verarmungsbereich eine Absorption auf, werden die Ladungsträger durch das interne elektrische Feld im Verarmungsbereich vom Übergang entfernt.

Wenn Licht den PN-Übergang beleuchtet, wird die kovalente Bindung normalerweise ionisiert. Dadurch entstehen Löcher und Elektronenpaare. Der Photostrom entsteht durch die Erzeugung von Elektron-Loch-Paaren. Wenn Photonen mit Energien größer als 1,1 eV auf die Diode treffen, entstehen Elektron-Loch-Paare. Wenn das Photon in den Verarmungsbereich der Diode gelangt, trifft es mit hoher Energie auf das Atom. Dies führt zur Freisetzung von Elektronen aus der Atomstruktur. Bei der Freisetzung von Elektronen entstehen freie Elektronen und Löcher.

Im Allgemeinen sind Elektronen negativ und Löcher positiv geladen. Bei verbrauchter Energie entsteht ein eingebautes elektrisches Feld. Aufgrund dieses elektrischen Feldes ist das Elektron-Loch-Paar weit vom PN-Übergang entfernt. Dadurch bewegen sich die Löcher zur Anode und die Elektronen zur Kathode, um einen Photostrom zu erzeugen.

Photonenabsorptionsintensität und Photonenenergie sind proportional zueinander. Je weniger Energie das Foto hat, desto mehr absorbiert es. Dieser gesamte Vorgang wird als interner photoelektrischer Effekt bezeichnet.

Intrinsische Anregung und extrinsische Anregung sind zwei Methoden der Photonenanregung. Der intrinsische Anregungsprozess findet statt, wenn Elektronen im Valenzband durch Photonen zum Leitungsband angeregt werden.

2. Arbeitskreis der Fotodiode

Fotodioden arbeiten hauptsächlich in drei verschiedenen Modi:

(1)Photovoltaik-Modus

(2)Fotoleitender Modus

(3) Lawinendiodenmodus

(1)Photovoltaik-Modus

Dieser Modus wird auch Zero-Bias-Modus genannt. Dieser Modus wird bevorzugt, wenn Fotodioden in Niederfrequenzanwendungen und Lichtanwendungen mit Superenergieniveau betrieben werden. Wenn der Blitz auf die Fotodiode trifft, erzeugt er eine Spannung. Die resultierende Spannung hat einen sehr kleinen Dynamikbereich und nichtlineare Eigenschaften. Wenn die Fotodiode in diesem Modus mit OP-AMP konfiguriert ist, ist die Temperaturänderung sehr gering.

(2)Fotoleitender Modus

In diesem Modus arbeitet die Fotodiode unter Sperrvorspannungsbedingungen. Die Kathode ist positiv und die Anode ist negativ. Mit zunehmender Sperrspannung nimmt auch die Breite der Sperrschicht zu. Dadurch werden die Reaktionszeit und die Sperrschichtkapazität reduziert. Im Gegensatz dazu ist diese Betriebsart schnell und erzeugt elektronisches Rauschen.

(3) Lawinendiodenmodus

Lawinendioden arbeiten unter Bedingungen hoher Sperrvorspannung, wodurch sich der Lawinendurchbruch auf jedes durch Photoelektrizität erzeugte Elektron-Loch-Paar vervielfachen kann. Das Ergebnis ist die interne Verstärkung der Fotodiode, die die Reaktion des Geräts langsam erhöht.

(4)Fotodiodenschaltung

Das Schaltbild der Fotodiode ist unten dargestellt. Die Schaltung kann mit einem 10k-Widerstand und einer Fotodiode aufgebaut werden. Sobald die Fotodiode das Licht erkennt, lässt sie etwas Strom durch sie fließen. Die Summe des durch die Diode gelieferten Stroms kann proportional zur Summe des durch die Diode beobachteten Lichts sein.

3. Schließen Sie die Fotodiode an den externen Stromkreis an

Die Fotodiode arbeitet in einer umgekehrt vorgespannten Schaltung. Die Anode ist mit der Schaltungsmasse verbunden und die Kathode ist mit der positiven Versorgungsspannung der Schaltung verbunden. Bei Beleuchtung mit Licht fließt ein elektrischer Strom von der Kathode zur Anode.

Wenn Fotodioden mit einem externen Stromkreis verwendet werden, werden sie an eine Stromversorgung im Stromkreis angeschlossen. Der von der Fotodiode erzeugte Strom ist sehr gering. Dieser Stromwert reicht nicht aus, um das elektronische Gerät anzutreiben. Wenn sie daher an eine externe Stromversorgung angeschlossen sind, versorgt diese den Stromkreis mit mehr Strom. Die Batterie dient also als Stromquelle. Die Batteriequelle trägt zur Erhöhung des Stromwerts bei und trägt so zur besseren Leistung externer Geräte bei.

4. Herstellungsprozess der Fotodiode

Fotodiodenmaterial

Das Material einer Fotodiode bestimmt viele ihrer Eigenschaften. Das entscheidende Merkmal ist die Lichtwelle, auf die die Fotodiode reagiert, und das andere ist der Rauschpegel, die beide weitgehend vom in der Fotodiode verwendeten Material abhängen.

Aufgrund der Verwendung unterschiedlicher Materialien treten unterschiedliche Reaktionen auf Wellenlängen auf, da nur Photonen mit ausreichend Energie, um Elektronen in der Bandlücke des Materials anzuregen, eine signifikante Energie zur Erzeugung des Stroms von der Fotodiode erzeugen.

Während die Wellenlängenempfindlichkeit des Materials sehr wichtig ist, ist der erzeugte Rauschpegel ein weiterer Parameter, der einen erheblichen Einfluss auf die Leistung der Fotodiode haben kann.

Aufgrund ihrer größeren Bandlücke erzeugen Silizium-Fotodioden weniger Rauschen als Germanium-Fotodioden. Allerdings muss auch die Wellenlänge der benötigten Fotodiode berücksichtigt werden, und für Wellenlängen über etwa 1000 nm müssen Germanium-Fotodioden verwendet werden.

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