Ano ang isang Photodiode: Prinsipyo sa Paggawa at Mga Katangian Nito

Ang isang photodiode ay a PN-junction diode na kumukonsumo ng magaan na enerhiya upang makabuo ng isang kasalukuyang kuryente. Minsan ito ay tinatawag ding photo-detector, isang light detector, at photo-sensor. Ang mga diode na ito ay partikular na idinisenyo upang gumana sa mga kondisyon ng reverse bias, nangangahulugan ito na ang P-side ng photodiode ay naiugnay sa negatibong terminal ng baterya, at ang n-side ay konektado sa positibong terminal ng baterya. Ang diode na ito ay napaka-kumplikado sa ilaw kaya't kapag ang ilaw ay bumagsak sa diode madali itong binabago ang ilaw sa isang kasalukuyang kuryente. Ang solar cell ay tatak din bilang isang malawak na lugar na photodiode sapagkat ito binago ang solar na enerhiya sa enerhiya na elektrisidad . Kahit na, ang solar cell ay gumagana lamang sa maliwanag na ilaw.

Ano ang Photodiode?

Ang isang photodiode ay isang uri ng light detector, ginamit upang i-convert ang ilaw sa kasalukuyang o boltahe batay sa mode ng pagpapatakbo ng aparato. Naglalaman ito ng mga optical filter, built-in na lente, at pati na rin mga lugar sa ibabaw. Ang mga diode na ito ay may mabagal na oras ng pagtugon kapag tumataas ang lugar ng ibabaw ng photodiode. Ang mga photodiode ay magkatulad sa mga regular na diode na semiconductor, ngunit maaaring nakikita ito upang maabot ng ilaw ang maselan na bahagi ng aparato. Ilang diode ang inilaan para sa gamitin nang eksakto tulad ng isang photodiode ay gagamit din ng isang PIN junction kaysa sa karaniwang PN junction.

Ang ilang mga photodiode ay magiging hitsura isang light-emitting diode . Mayroon silang dalawang mga terminal na nagmumula sa dulo. Ang mas maliit na dulo ng diode ay ang cathode terminal, habang ang mas mahabang dulo ng diode ay ang anode terminal. Tingnan ang sumusunod na diagram ng eskematiko para sa mga gilid ng anode at cathode. Sa ilalim ng kundisyon sa pasulong na bias, ang maginoo na kasalukuyang dumadaloy mula sa anode patungong katod, na sinusundan ang arrow sa simbolo ng diode. Ang daloy ng photocurrent ay dumadaloy sa pabalik na direksyon.

Mga uri ng Photodiode

Kahit na maraming mga uri ng photodiode na magagamit sa merkado at lahat sila ay gumagana sa parehong pangunahing mga prinsipyo, kahit na ang ilan ay napabuti ng iba pang mga epekto. Ang pagtatrabaho ng iba't ibang mga uri ng photodiode ay gumagana sa isang bahagyang naiiba, ngunit ang pangunahing pagpapatakbo ng mga diode na ito ay mananatiling pareho. Ang mga uri ng photodiode ay maaaring maiuri batay sa kanilang konstruksyon at pag-andar tulad ng sumusunod.

• PN Photodiode
• Schottky Photo Diode
• PIN Photodiode
• Avalanche Photodiode

PN Photodiode

Ang unang nabuong uri ng photodiode ay ang uri ng PN. Kung ihahambing sa iba pang mga uri, ang pagganap nito ay hindi advanced, ngunit sa kasalukuyan, ginagamit ito sa maraming mga application. Pangunahing nangyayari ang photodetection sa rehiyon ng pag-ubos ng diode. Ang diode na ito ay medyo maliit ngunit ang pagiging sensitibo nito ay hindi mahusay kumpara sa iba. Mangyaring mag-refer sa link na ito upang malaman ang tungkol sa diode ng PN.

PIN Photodiode

Sa kasalukuyan, ang pinakakaraniwang ginagamit na photodiode ay isang uri ng PIN. Ang diode na ito ay nangangalap ng mga ilaw na photon nang mas malakas kung ihahambing sa karaniwang PN photodiode sapagkat ang malawak na lugar ng intrinsic sa pagitan ng mga rehiyon ng P at N ay nagbibigay-daan para mas maraming ilaw ang makolekta, at bilang karagdagan dito, nag-aalok din ito ng isang mas mababang capacitance. Mangyaring mag-refer sa link na ito upang malaman ang higit pa tungkol sa diode ng PIN.

Avalanche Photodiode

Ang ganitong uri ng diode ay ginagamit sa mga magaan na lugar dahil sa mataas na antas ng pagkakaroon nito. Bumubuo ito ng mataas na antas ng ingay. Kaya't ang teknolohiyang ito ay hindi naaangkop para sa lahat ng mga aplikasyon. Mangyaring mag-refer sa link na ito upang malaman ang higit pa tungkol sa diode ng Avalanche.

Schottky Photodiode

Ang Schottky photodiode ay gumagamit ng Schottky diode, at may kasamang maliit na diode junction na nangangahulugang, mayroong maliit na capacitance ng junction kaya, nagpapatakbo ito sa matulin na bilis. Sa gayon, ang ganitong uri ng photodiode ay madalas na ginagamit sa mataas na bandwidth (BW) na mga optikal na sistema ng komunikasyon tulad ng mga link ng fiber-optic. Mangyaring mag-refer sa link na ito upang malaman ang higit pa tungkol sa Schottky diode.

Ang bawat uri ng photodiode ay may sariling mga pakinabang at drawbacks. Ang pagpili ng diode na ito ay maaaring gawin batay sa application. Ang magkakaibang mga parameter na isasaalang-alang habang pinipili ang photodiode higit sa lahat ay nagsasama ng ingay, haba ng daluyong, mga hadlang sa bias ng bias, makakuha, atbp. Kasama sa mga parameter ng pagganap ng photodiode ang kakayahang sumagot, kahusayan ng dami, oras ng pagbibiyahe, o oras ng pagtugon.

Ang mga diode na ito ay malawakang ginagamit sa mga application kung saan ang pagtuklas ng pagkakaroon ng ilaw, kulay, posisyon, ang kasidhian ay kinakailangan. Ang mga pangunahing tampok ng mga diode na ito ay kasama ang sumusunod.

• Ang linearity ng diode ay mabuti na may paggalang sa light insidente
• Mababa ang ingay.
• Ang tugon ay malawak na parang multo
• Masungit na mekanikal
• Magaan at siksik
• Mahabang buhay

Ang kinakailangang mga materyales upang makagawa ng isang photodiode at ang saklaw ng saklaw ng haba ng haba ng electromagnetic spectrum ay may kasamang mga sumusunod

• Para sa materyal na silikon, ang saklaw ng haba ng haba ng electromagnetic spectrum ay magiging (190-1100) nm
• Para sa materyal na Germanium, ang saklaw ng haba ng haba ng electromagnetic spectrum ay magiging (400-1700) nm
• Para sa materyal na Indium gallium arsenide, ang saklaw ng haba ng haba ng electromagnetic spectrum ay magiging (800-2600) nm
• Para sa materyal na Lead (II) sulfide, ang saklaw ng haba ng haba ng electromagnetic spectrum ay magiging<1000-3500) nm
• Para sa Mercury, cadmium Telluride na materyal, ang saklaw ng haba ng haba ng electromagnetic spectrum ay (400-14000) nm

Dahil sa kanilang mas mahusay na bandgap, ang mga photodiode na nakabatay sa Si ay gumagawa ng mas mababang ingay kaysa sa mga photodiode na batay sa Ge.

Konstruksyon

Ang konstruksyon ng photodiode ay maaaring gawin gamit ang dalawang semiconductor tulad ng P-type at N-type. Sa disenyo na ito, ang pagbuo ng materyal na uri ng P ay maaaring gawin mula sa pagsasabog ng P-type substrate na gaanong nai-doped. Kaya, ang layer ng P + ions ay maaaring mabuo dahil sa paraan ng pagsasabog. Sa substrate ng N-type, ang N-type epitaxial layer ay maaaring lumago.

Paggawa ng Photodiode

Ang pag-unlad ng isang P + diffusion layer ay maaaring magawa sa labis na naka-doped na N-type na epitaxial layer. Ang mga contact ay dinisenyo gamit ang mga metal upang makagawa ng dalawang mga terminal tulad ng anode at cathode. Ang harap na rehiyon ng diode ay maaaring paghiwalayin sa dalawang uri tulad ng mga aktibo at hindi aktibong mga ibabaw.

Ang pagdidisenyo ng di-aktibong ibabaw ay maaaring gawin sa silicon dioxide (SiO2). Sa isang aktibong ibabaw, ang mga sinag ng ilaw ay maaaring magwasak dito samantalang, sa isang hindi aktibong ibabaw, ang mga sinag ng ilaw ay hindi maaaring hampasin. & ang aktibong ibabaw ay maaaring saklaw sa pamamagitan ng materyal ng anti-pagmuni-muni upang ang enerhiya ng ilaw ay hindi maaaring mawala at ang pinakamataas nito ay maaaring mabago sa kasalukuyang.

Paggawa ng Photodiode

Ang prinsipyo ng pagtatrabaho ng isang photodiode ay, kapag ang isang poton ng sapat na enerhiya ay naaabot sa diode, gumagawa ito ng isang electron-hole. Ang mekanismong ito ay tinatawag ding panloob na photoelectric effect. Kung ang pagsipsip ay lumitaw sa paglawak ng rehiyon na junction, kung gayon ang mga carrier ay aalisin mula sa kantong sa pamamagitan ng inbuilt na patlang ng kuryente ng rehiyon ng pag-ubos.

Prinsipyo sa Paggawa ng Photodiode

Samakatuwid, ang mga butas sa rehiyon ay lumilipat patungo sa anode, at ang mga electron ay lumilipat patungo sa katod, at isang photocurrent ang bubuo. Ang buong kasalukuyang sa pamamagitan ng diode ay ang kabuuan ng kawalan ng ilaw at ang photocurrent. Kaya't ang kasalukuyang absent ay dapat na mabawasan upang ma-maximize ang pagiging sensitibo ng aparato.

Mga Paraan ng Pagpapatakbo

Ang mga operating mode ng photodiode ay may kasamang tatlong mga mode, katulad ng Photovoltaic mode, Photoconductive mode, isang avalanche diode mode

Photovoltaic Mode: Ang mode na ito ay kilala rin bilang zero-bias mode, kung saan ang isang boltahe ay ginawa ng lightened photodiode. Nagbibigay ito ng napakaliit na hanay ng pabagu-bago at hindi linear na pangangailangan ng nabuo na boltahe.

Mode na Photoconductive: Ang photodiode na ginamit sa mode na photoconductive na ito ay mas madalas na bias bias. Ang aplikasyon ng reverse voltage ay tataas ang lapad ng layer ng pag-ubos, na kung saan ay binabawasan ang oras ng pagtugon at ang capacitance ng junction. Ang mode na ito ay masyadong mabilis at nagpapakita ng elektronikong ingay

Avalanche Diode Mode: Ang mga diode ng avalanche ay nagpapatakbo sa isang mataas na kondisyon ng bias na bias, na nagpapahintulot sa pagpaparami ng isang breakdown ng avalanche sa bawat pares ng butas na electron-hole na ginawa ng larawan. Ang kinalabasan na ito ay isang panloob na pakinabang sa photodiode, na dahan-dahang nagdaragdag ng tugon ng aparato.

Bakit Pinapatakbo ang Photodiode sa Reverse Bias?

Ang photodiode ay nagpapatakbo sa mode ng photoconductive. Kapag ang diode ay konektado sa reverse bias, kung gayon ang lapad ng pagkaubos ng layer ay maaaring dagdagan. Kaya't ito ang magpapabawas sa kapasidad ng kantong at ng oras ng pagtugon. Sa katunayan, ang biasing na ito ay magdudulot ng mas mabilis na mga oras ng pagtugon para sa diode. Kaya't ang ugnayan sa pagitan ng photocurrent at pag-iilaw ay tuwid na proporsyonal.

Alin ang mas mahusay na Photodiode o Phototransistor?

Ang parehong photodiode at phototransistor ay ginagamit para sa pag-convert ng enerhiya ng ilaw sa elektrikal. Gayunpaman, ang phototransistor ay mas tumutugon bilang kaibahan sa photodiode dahil sa paggamit ng transistor.

Binabago ng transistor ang kasalukuyang kasalukuyang sanhi na sanhi ng pagsipsip ng ilaw at samakatuwid ang malaking kasalukuyang output ay maaaring makuha sa buong terminal ng kolektor ng transistor. Ang tugon sa oras ng photodiodes ay napakabilis kumpara sa phototransistor. Kaya nalalapat ito kung saan nagaganap ang pagbagu-bago sa circuit. Para sa mas mahusay na understating, narito namin nakalista ang ilang mga punto ng photodiode vs photoresistor.

Photodiode Circuit

Ang circuit diagram ng photodiode ay ipinapakita sa ibaba. Ang circuit na ito ay maaaring itayo sa isang 10k risistor at photodiode. Kapag napansin ng photodiode ang ilaw, pinapayagan nito ang ilang daloy ng kasalukuyang sa buong ito. Ang kabuuan ng kasalukuyang nagbibigay ng sa pamamagitan ng diode na ito ay maaaring direktang proporsyonal sa kabuuan ng ilaw na napansin sa pamamagitan ng diode.

Diagram ng Circuit

Pagkonekta ng isang Photodiode sa isang External Circuit

Sa anumang aplikasyon, gumagana ang photodiode sa reverse bias mode. Ang anode terminal ng circuit ay maaaring konektado sa lupa samantalang ang cathode terminal ay konektado sa pinagmulan ng kuryente. Kapag naiilawan sa pamamagitan ng ilaw, pagkatapos ay ang kasalukuyang daloy mula sa terminal ng cathode patungo sa anode terminal.

Kapag ginamit ang mga photodiode na may mga panlabas na circuit, pagkatapos ay kakampi sila sa isang mapagkukunan ng kuryente sa loob ng circuit. Kaya, ang dami ng kasalukuyang nabuo sa pamamagitan ng isang photodiode ay magiging napakaliit, kaya't ang halagang ito ay hindi sapat upang makagawa ng isang elektronikong aparato.

Kapag nakakonekta ang mga ito sa isang panlabas na mapagkukunan ng kuryente, pagkatapos ay naghahatid ito ng mas maraming kasalukuyang patungo sa circuit. Sa circuit na ito, ang baterya ay ginagamit bilang isang mapagkukunan ng kuryente upang makatulong sa pagtaas ng halaga ng kasalukuyang upang ang mga panlabas na aparato ay magbigay ng isang mas mahusay na pagganap.

Kahusayan sa Photodiode

Ang kahusayan ng kabuuan ng photodiode ay maaaring tukuyin bilang paghati ng mga hinihigop na mga photon na nagbibigay sa photocurrent. Para sa mga diode na ito, ito ay bukas na nauugnay sa kakayahang tumugon sa 'S' na walang epekto ng isang avalanche, pagkatapos ang photocurrent ay maaaring ipahayag bilang

I = S P = ηe / hv. P

Kung saan,

Ang ‘η’ ay ang kahusayan sa kabuuan

Ang ‘e’ ay singilin ng electron

Ang 'hν' ay ang lakas ng photon

Ang kahusayan ng kabuuan ng Photodiodes ay lubos na mataas. Sa ilang mga kaso, ito ay magiging higit sa 95% subalit malaki ang pagbabago sa haba ng haba ng daluyong. Ang mataas na kahusayan sa kabuuan ay nangangailangan ng kontrol ng mga pagsasalamin bukod sa isang mataas na panloob na kahusayan tulad ng isang patong na anti-reflection.

Responsibilidad

Ang kakayahang tumugon ng isang photodiode ay ang ratio ng photocurrent na nabuo pati na rin ang hinihigop na optical power ay maaaring matukoy sa loob ng linear na seksyon ng tugon. Sa mga photodiode, karaniwang ito ay maximum sa isang lugar ng haba ng daluyong kung saan man ang enerhiya ng photon ay mas mataas kaysa sa enerhiya ng bandgap at pagtanggi sa loob ng rehiyon ng bandgap kung saan man nababawasan ang pagsipsip.

Ang pagkalkula ng photodiode ay maaaring gawin batay sa sumusunod na equation

R = η (e / hv)

Dito, sa equation sa itaas, ang 'h ν' ay ang enerhiya ng photon na 'η' ay ang kahusayan ng kabuuan at 'e' ang singil ng elementarya. Halimbawa, ang kabuuan ng kahusayan ng isang photodiode ay 90% sa isang 800 nm haba ng daluyong, pagkatapos ang kakayahang tumugon ay 0.58 A / W.

Para sa mga photomultiplier at avalanche photodiode, mayroong isang labis na kadahilanan para sa pagpaparami ng panloob na kasalukuyang, upang ang mga posibleng halaga ay nasa itaas ng 1 A / W. Pangkalahatan, ang pagdaragdag ng kasalukuyang ay hindi kasama sa loob ng kabuuan ng kahusayan.

PIN Photodiode Vs PN Photodiode

Ang parehong mga photodiode tulad ng PN & PIN ay maaaring makamit mula sa maraming mga supplier. Ang isang pagpipilian ng photodiode ay napakahalaga habang nagdidisenyo ng isang circuit batay sa kinakailangang pagganap pati na rin ang mga katangian.
Ang isang PN photodiode ay hindi gagana sa isang reverse bias at dahil dito, mas naaangkop para sa mga aplikasyon ng mababang ilaw upang mapahusay ang pagganap ng ingay.

Ang PIN photodiode na gumagana sa reverse bias ay maaaring magpakilala ng isang kasalukuyang ingay upang bawasan ang S / N ratio
Para sa mga aplikasyon ng mataas na hanay ng pabagu-bago, ang reverse biasing ay magbibigay ng mahusay na pagganap
Para sa mataas na mga aplikasyon ng BW, ang reverse biasing ay magbibigay ng mahusay na pagganap tulad ng capacitance sa mga rehiyon ng P & N at ang pag-iimbak ng kapasidad ng pagsingil ay maliit.

Mga kalamangan

Ang kalamangan ng photodiode isama ang sumusunod.

• Hindi gaanong resistensya
• Mabilis at mataas na bilis ng operasyon
• Mahabang haba ng buhay
• Pinakamabilis na photodetector
• Ang tugon sa spectral ay mabuti
• Hindi gumagamit ng mataas na boltahe
• Mabuti ang tugon ng dalas
• Solid at mababang timbang
• Ito ay lubos na tumutugon sa ilaw
• Madilim na kasalukuyang ay lees
• Mataas na kahusayan sa kabuuan
• Mas mababa ingay

Mga Dehado

Ang mga kawalan ng photodiode isama ang sumusunod.

• Mahirap ang katatagan ng temperatura
• Ang pagbabago sa loob ng kasalukuyang ay napakaliit, samakatuwid ay maaaring hindi sapat upang himukin ang circuit
• Ang aktibong lugar ay maliit
• Kasama sa karaniwang PN junction photodiode ang isang mataas na oras ng pagtugon
• Ito ay may mas kaunting pagiging sensitibo
• Pangunahin itong gumagana sa pamamagitan ng depende sa temperatura
• Gumagamit ito ng offset boltahe

Mga aplikasyon ng Photodiode

• Ang mga aplikasyon ng photodiode ay nagsasangkot ng magkatulad na aplikasyon ng mga photodetector tulad ng mga aparato na sinamahan ng singil, mga photoconductor, at mga photomultiplier na tubo.
• Ang mga diode na ito ay ginagamit sa mga kagamitang electronics ng consumer tulad ng mga detektor ng usok , mga compact disc player, at telebisyon at mga remote control sa VCRs.
• Sa iba pang mga aparato ng consumer tulad ng mga radio ng orasan, ilaw ng metro ng camera, at ilaw ng kalye, mas madalas gamitin ang mga photoconductor kaysa sa mga photodiode.
• Ang mga photodiode ay madalas na ginagamit para sa eksaktong pagsukat ng tindi ng ilaw sa agham at industriya. Pangkalahatan, mayroon silang isang pinahusay, higit na linear na tugon kaysa sa mga photoconductor.
• Malawakang ginagamit din ang mga photodiode sa maraming mga medikal na aplikasyon tulad ng mga instrumento upang suriin ang mga sample, detektor para sa compute tomography, at ginagamit din sa mga monitor ng gas gas.
• Ang mga diode na ito ay mas mabilis at mas kumplikado kaysa sa normal na mga diode ng PN junction at samakatuwid ay madalas na ginagamit para sa regulasyon sa pag-iilaw at sa mga komunikasyon sa salamin sa mata.

Mga Katangian ng V-I ng Photodiode

Ang isang photodiode ay patuloy na nagpapatakbo sa isang reverse bias mode. Ang mga katangian ng photodiode ay ipinapakita nang malinaw sa sumusunod na pigura, na ang photocurrent ay halos malaya sa reverse bias voltage na inilalapat. Para sa zero luminance, ang photocurrent ay halos zero na hindi kasama para sa maliit na madilim na kasalukuyang. Ito ay nasa pagkakasunud-sunod ng mga nano amperes. Tulad ng pagtaas ng lakas na salamin sa mata ang photocurrent ay tumataas din nang linear. Ang max na photocurrent ay hindi kumpleto sa pamamagitan ng pagwawaldas ng kuryente ng photodiode.

Mga Katangian

Sa gayon, lahat ito ay tungkol sa prinsipyo ng pagtatrabaho ng photodiode , mga katangian, at aplikasyon. Ang mga aparatong Optoelectronic tulad ng Photodiode ay magagamit sa iba't ibang mga uri na ginagamit sa halos lahat ng mga elektronikong aparato. Ang mga diode na ito ay ginagamit sa mga mapagkukunan ng ilaw ng IR tulad ng neon, laser LED at fluorescent. Kung ihahambing sa iba pang mga light diode ng detection, ang mga diode na ito ay hindi mahal. Inaasahan namin na nakakuha ka ng mas mahusay na pag-unawa sa konseptong ito. Bukod dito, ang anumang mga query patungkol sa konseptong ito o upang ipatupad mga proyektong elektrikal at elektroniko para sa Mga Mag-aaral sa Engineering . Mangyaring ibigay ang iyong mahahalagang mungkahi sa pamamagitan ng pagbibigay ng puna sa seksyon ng komento sa ibaba. Narito ang isang katanungan para sa iyo, ano ang pagpapaandar ng isang photodiode ?

Mga Kredito sa Larawan:

• Photodiode hamamatsu
• Paggawa ng Photodiode physics-at-radio-electronics
• Mga Katangian ng V-I ng Photodiode ecetutorials