Was ist eine Fotodiode? (Teil 2)

Die folgenden Probleme können durch die Verwendung gelöst werdenFotodiodeoder Fototransistor. Beispielsweise muss die Telefonkamera das Umgebungslicht messen, um festzustellen, ob der Blitz aktiviert werden muss. Wie lässt sich der Sauerstoffgehalt im Blut nichtinvasiv bestimmen? Diese optoelektronischen Geräte wandeln Licht (Photonen) in elektrische Signale um, die ein Mikroprozessor (oder Mikrocontroller) „sehen“ kann. Auf diese Weise ist es möglich, die Positionierung und Anordnung von Objekten zu steuern, die Lichtintensität zu bestimmen und die physikalischen Eigenschaften des Materials anhand seiner Wechselwirkung mit dem Licht zu messen.

Lassen Sie uns nun über den zweiten Teil sprechen.

1. Fotodiodenstruktur

Eine der wichtigsten Anforderungen an eine Fotodiode ist ein geeigneter Bereich zum Sammeln von Licht. Innerhalb eines Standard-PN-Übergangs ist dieser relativ klein, die Fläche kann jedoch durch den Einsatz einer PIN-Diode vergrößert werden. Da der intrinsische Bereich im aktiven Übergang zur Lichtsammlung enthalten ist, ist der zur Lichtsammlung verwendete Bereich viel größer, wodurch die PIN-Fotodiode effizienter wird.

Beim Herstellungsprozess der Fotodiode werden dicke intrinsische Schichten zwischen den P-Typ- und N-Typ-Schichten eingefügt. Die dazwischenliegende Eigenschicht kann vollständig eigen oder sehr leicht dotiert sein, um sie zu einer N-Schicht zu machen. In einigen Fällen kann es als Epitaxieschicht auf das Substrat aufgewachsen werden oder im Substrat selbst enthalten sein.

Die P-Plus-Diffusionsschicht kann auf einer stark dotierten Epitaxieschicht vom N-Typ entwickelt werden. Der Kontakt besteht aus Metall und kann in zwei Anschlüsse, beispielsweise eine Anode und eine Kathode, umgewandelt werden. Der vordere Bereich der Diode kann in zwei Typen unterteilt werden, z. B. aktive Oberfläche und passive Oberfläche.

Die Gestaltung der inaktiven Oberfläche kann mit Siliziumdioxid (SiO2) erfolgen. Auf eine aktive Oberfläche kann Licht scheinen, während auf eine inaktive Oberfläche kein Licht scheinen kann. Durch die Abdeckung der aktiven Oberfläche mit einem Antireflexmaterial geht die Energie des Lichts nicht verloren und das Maximum kann in elektrischen Strom umgewandelt werden.

Eine der Hauptanforderungen an eine Fotodiode besteht darin, sicherzustellen, dass die maximale Lichtmenge die intrinsische Schicht erreicht. Eine der effizientesten Möglichkeiten, dies zu erreichen, besteht darin, die elektrischen Kontakte wie im Bild gezeigt an der Seite des Geräts zu platzieren. Dadurch gelangt die größtmögliche Lichtmenge in den Wirkbereich. Da das Substrat stark dotiert ist, zeigt sich, dass nahezu kein Lichtverlust auftritt, da es sich hier nicht um einen aktiven Bereich handelt.

Da Licht in einer bestimmten Entfernung am meisten absorbiert wird, entspricht die Dicke der intrinsischen Schicht normalerweise dieser. Jede Erhöhung dieser Dicke verringert die Arbeitsgeschwindigkeit – ein wichtiger Faktor bei vielen Anwendungen – und steigert die Effizienz nicht wesentlich.

Licht kann auch von einer Seite der Verbindung in die Fotodiode eindringen. Durch den Betrieb der Fotodiode auf diese Weise können weniger intrinsische Schichten hergestellt werden, um die Betriebsgeschwindigkeit zu erhöhen, wenn auch mit verringerter Effizienz.

In einigen Fällen können Heteroübergänge verwendet werden. Diese Konstruktionsform verfügt über die zusätzliche Flexibilität, Licht vom Substrat zu empfangen, und verfügt über eine größere Energielücke, wodurch es für Licht transparent wird.

Da es sich um einen weniger standardmäßigen Prozess handelt, ist die Implementierung teurer und wird daher tendenziell für speziellere Produkte verwendet.

2. Eigenschaften der Fotodiode

(1) Volt-Ampere-Kennlinien

Es bezieht sich auf die Beziehung zwischen dem Fotostrom an der Fotodiode und der an ihr anliegenden Spannung.

(2) Beleuchtungseigenschaften

Es bezieht sich auf den Zusammenhang zwischen Lichtstrom und Photostrom, wenn die Photodiodenspannung zwischen Kathode und Anode konstant ist. Die Steigung der Lichtkennlinie wird als Fotodiodenempfindlichkeit bezeichnet.

(3) Spektrale Eigenschaften

Der Zusammenhang zwischen dem Photostrom und der Wellenlänge des einfallenden Lichts wird als spektrale Eigenschaft bezeichnet. Die Photonenenergie hängt von der Wellenlänge des Lichts ab: Je länger die Wellenlänge, desto kleiner die Photonenenergie. Je kürzer die Wellenlänge, desto energiereicher ist das Photon.

3. Funktion der Fotodiode

(1) Lichtsteuerung

Die Fotodiode kann als fotoelektrischer Schalter verwendet werden. Ihr Schaltkreis ist in der folgenden Abbildung dargestellt. Wenn kein Licht vorhanden ist, wird die Fotodiode VD1 aufgrund der Sperrspannung abgeschaltet. Auch die Transistoren VT1 und VT2 sind ohne Basisstrom abgeschaltet. Das Relais befindet sich im Freigabezustand.

Wenn Licht auf VD1 emittiert wird, geht es vom Sperrzustand in den Leitungszustand über. Dadurch schalten sich VT1 und VT2 nacheinander ein, das Relais K zieht an und der Steuerkreis wird eingeschaltet.

(2) optischer Signalempfang

Mit Fotodioden können Lichtsignale empfangen werden. Das folgende Bild zeigt die Fotodiodenschaltung zur Verstärkung des optischen Signals. Das Lichtsignal wird von der Fotodiode VD empfangen, von VT verstärkt und vom Kopplungskondensator C ausgegeben.

4. Fotodiodenanwendungen

(1) Fotozelle

Die Fotozelle nimmt im Wesentlichen einen großen Bereich des PN-Übergangs ein. Wenn Licht auf einer PN-Übergangsoberfläche, beispielsweise der Oberfläche des P-Bereichs, emittiert wird, erzeugt jedes Photon im P-Bereich ein freies Elektron-Loch-Paar, wenn die Photonenenergie größer als die Bandlückenbandbreite des Halbleitermaterials ist.

Das Elektron-Loch-Paar diffundiert schnell nach innen und bildet eine elektromotorische Kraft, die mit der Lichtintensität unter dem elektrischen Feld des Übergangs zusammenhängt. Wenn wir es zu diesem Zeitpunkt als Stromversorgung verwenden und an einen externen Stromkreis anschließen, liefert es weiterhin Strom, also eine Fotozelle, solange Licht vorhanden ist. Mit anderen Worten handelt es sich bei der Fotozelle um ein fotoelektrisches Gerät mit PN-Übergang ohne Vorspannung. Es kann Lichtenergie direkt in Elektrizität umwandeln.

(2) Solarzellen

Eine Solarzelle ist ein Halbleiterbauelement. Wenn Sonnenlicht auf einen Halbleiter trifft, wird ein Teil davon reflektiert und der Rest wird absorbiert oder dringt in den Halbleiter ein. Ein Teil des absorbierten Lichts wird zu Wärme, während andere Photonen mit den Valenzelektronen, aus denen der Halbleiter besteht, kollidieren und Elektron-Loch-Paare erzeugen. Auf diese Weise wird Lichtenergie in Strom umgewandelt.

Daher erzeugen die beiden Enden der Solarzelle nach der Einstrahlung des Sonnenlichts Gleichspannung und wandeln so die Sonnenenergie direkt in Gleichstrom um. Wenn wir die Metallleitungen an die P- und N-Schichten anlöten und die Last anschließen, fließt der Strom durch den externen Stromkreis.

Wenn wir die Fotozellenreihe parallel schalten, können auf diese Weise eine bestimmte Spannung und ein bestimmter Strom zur Ausgangsleistung erzeugt werden.

(3) Photovoltaik-Beleuchtungssystem

Eine Photovoltaik-Stromerzeugungsanlage ist eine Stromerzeugungsanlage, die Solarzellen nutzt, um Sonnenenergie in Strom umzuwandeln. Es nutzt den photovoltaischen Effekt.

Die Hauptkomponenten sind Solarzellen, Batterien, Controller und Wechselrichter. Hohe Zuverlässigkeit, lange Lebensdauer, keine Umweltverschmutzung, unabhängige Stromerzeugung, netzgekoppelter Fotodiodenbetrieb.

Da der Photodioden-Photovoltaikmodus stark von äußeren Umweltfaktoren wie Licht und Temperatur beeinflusst wird, ändert sich der Arbeitspunkt schnell. Es gibt unabhängige Stromerzeugungssysteme und netzgekoppelte Stromerzeugungssysteme.

① Unabhängiges Photovoltaik-Stromerzeugungssystem

Ein unabhängiges Photovoltaik-Stromerzeugungssystem ist eine Stromerzeugungsmethode, die nicht an das Stromnetz angeschlossen ist. Es benötigt Batterien, um Energie für die Nacht zu speichern. Die unabhängige Photovoltaik-Stromerzeugung wird hauptsächlich in abgelegenen Dörfern und Häusern eingesetzt

Strukturdiagramm des volterzeugenden Systems

② Netzgekoppeltes Photovoltaik-Stromerzeugungssystem

Eine netzgekoppelte Photovoltaik-Stromerzeugungsanlage ist an das nationale Stromnetz angeschlossen, um das Stromnetz mit Strom zu versorgen. Es benötigt keine Batterien. Photovoltaik-Stromerzeugungsanlagen für Privathaushalte befinden sich größtenteils im Eigenheim. Sie werden auch in öffentlichen Versorgungsbetrieben, Nachtlandschaftsbeleuchtungssystemen und Solarparks eingesetzt.

(4) Weitere Anwendungen von Fotodioden sind:

•Als Lichtsensor wird eine Fotodiode verwendet. Da der Strom darin proportional zur Lichtintensität ist, wird er auch zur Messung der Lichtintensität verwendet.

•Fotodioden in Rauchmeldern können zur Erkennung von Rauch und Feuer verwendet werden.

•Fotodioden und LEDs werden kombiniert, um optische Isolatoren und Optokoppler herzustellen

•Wird als Solarzelle in Solarmodulen verwendet

•Wird für einen Barcodescanner und zur Zeichenerkennung verwendet

•Für Hinderniserkennungssysteme,

•Kann als Seitenpräsenz- und Seitenzähler in Druckern verwendet werden

•Zur Annäherungserkennung ein Oximeter

•Es wird auch für optische Encoder und Decoder verwendet

•Optische Informationsübertragung, basierend auf Glasfaserkommunikation

•Positionssensor

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