Fotodioda

Simboli

Fotodioda është pajisje gjysmëpërçuese që konverton dritën në rrymë. Rryma gjenerohet kur fotonet absordohen në fotodiodë. Një sasi e vogël e rrymës po ashtu prodhohet kur drita nuk është prezente. Fotodiodat mund të përmbajnë edhe filtra optikë, Fotodiodat zakonisht kanë kohë të vogël të reagimit me rritjen e sipërfaqeve të tyre. Qelizat e zakonshme solare të përdorura për gjenerimin e fuqisë solare elektrike janë zona të mëdha fotodiodash.

Fotodiodat janë të ngjashme me diodat e rregullta gjysmëpërçuese përveç faktit se ato mund të ekspozohen (për të vërejtur rrezat UV ose rrezet X) ose të pakteohen me një dritare ose fibra optik të lidhur për të lejuar dritën të arrijë pjesën sensitive të pajisjes. Shumë dioda dizajnohen si fotodioda me përbërje PIN e jo p-n për të rritur shpejtësinë e reagimit. ^[1]

Funksionimi

Një fotodiodë është bashkim p–n ose strukturë PIN . Kur një foton me energji të mjaftueshme godet diodën, krijon një palë elektron-vrimë. Ky mekanizëm njihet edhe si efekt fotoelektrik i brendshëm. Nëse absorbimi ndodh në regjionin e boshatisur të bashkimit atëherë këto bartës fshihen nga vendbashkimiv me ndërtimin e fushës elektrike në regjionin e boshatisur. Kështu, vrimat lëzivin kah anoda, dhe elektronet kah katoda, dhe një fotorrymë prodhohet. Rryma totale në fotodiodë është shuma e rrymës së errët (rrymë që gjenerohet me thihjen e dritës) dhe fotorrymës, kështu që rryma e errët duhet të minimizohet që të maksimizohet sensitiviteti i pajisjes. ^[2]

Materialet

Materiali që përdoret për të bërë një fotodiodë është kritik për të definuar vetitë e veta, sepse vetëm fotonet me energji të mjaftueshme për t'i eksituar elektronet përreth boshëllekut të materialit mund të prodhojnë fotorryma signifikante.

Materialet që përdoren zakonisht për të prodhuar fotodioda janë:^[3]

Materiali	Shkalla e gjatësisë valore të spektrikt elektromagnetik (nm)
Silici	190–1100
Germaniumi	400–1700
Indium gallium arsenide	800–2600
Lead(II) sulfide	<1000–3500
Mercury cadmium telluride	400–14000

Për shkak të boshëllëkut të madh të tyre, fotodiodat nga silici gjenerojnë më pak zhurmë sesa fotodiodat e germaniumit.

Efektet e padëshirueshme të fotodiodës

Çfarëdo bashkimi p–n, nëse ndriçohet, është potencialisht një fotodiodë. Pajisjet gjysmëpërçuese si tranzistorët përmbajnë bashkimin p-n dhe nuk do të funksionojnë në mënyrë korrekte nëse ndriçohen nga rrezatime të padëshirueshme elektromagnetike me gjatësi valore të atillë që prodhon rrymë;^[4]^[5] kjo menjanohet nga pajisjet hermetike në strehime të errëta. Nëse këto strehime nuk janë plotësisht të errëta ngaj rrezatimit me energji të lartë (ultavioletë, rrezet-X, rrezet gama), tranzistorët mund të mosfunksionojnë^[6] për shkak të fotorrymave të induktuara. Rrezatimi i sfondit nga paketimi është gjithashtu i rëndësishëm.^[7] Rrezatimi i forcuar i zbut këto efekte.

Karakteristikat

Parametrat kritik të fotodiodës janë:

Përgjegjshmëria: Përgjegjshmëria spektrale është një raport i fotorrymës së induktar për fuqinë e dritës incidente, e shprehur në A/W kur përdoret në mënyrë fotokonduktive. Varësia e gjatësisë valore mund të shprehet si Quantum efficiency, ose raport i numrit të ngarkesave të fotogjeneruara të fotoneve incidente, një madhësi pa njësi.

Rryma e errët: Rryma e errët përfshin fotorrymën e gjeneruar nga rrezatimi i mjedisit dhe rrymën e ngopur të regjionit gjysmëpërçues.; .

Koha e reagimit: Një foton i abosurbuar nga materiali gjysmëpërçues do të gjenerojë një çift elektron-vrimë e cila do të fillojë të lëzivë nën ndikimin e fushës elektrike dhe kështu do të gjenerojë një rrymë. Rezistenca dhe kapaciteti i fotodiodës dhe qarku i jashtëm japin një tjetër kohë të reagimit të njohur si konstanta kohore RC $\tau =RC$ .

Fuqia zhurmë-barabartë: Hyrja minimale për të gjeneruar një fotorrymë është e barabartë me zhurmën prej 1 hertz.

Aplikimi

Fotodiodat p-n përdoren në të njëjtat vende si fotodektetorët e tjerë, si fotokonduktorët për shembull.

Fotodiodat përdoren edhe në pajisje si compact disc, detektorët e tymit, apo telekomandat.

Diodat PIN janë më të shpejta dhe më sensitive se diodat p-n, dhe kështu përdoren për komunikimet optike dhe në rregullimin e ndriçimit.

Referimet

^ James F. Cox (26 June 2001).
^ Filip Tavernier, Michiel Steyaert High-Speed Optical Receivers with Integrated Photodiode in Nanoscale CMOS Springer, 2011 ISBN 1-4419-9924-8, Chapter 3 From Light to Electric Current - The Photodiode
^ Held.
^ Z. Shanfield et al, 1988, Investigation of radiation effects on semiconductor devices and integrated circuits, DNA-TR-88-221, www.dtic.mil/cgi-bin/GetTRDoc?
^ Krzysztof Iniewski, ed, 2010, Radiation Effects in Semiconductors, CRC Press, ISBN 978-1-4398-2694-2
^ Zeller, H.R. (1995).
^ T. May and M. Woods, Alpha-particle-induced soft errors in dynamic memories", IEEE Trans.

Lidhjet e jashtme

Hamamatsu Application Note
Using the Photodiode to convert the PC to a Light Intensity Logger
Design Fundamentals for Phototransistor Circuits
Working principles of photodiodes Arkivuar 12 shkurt 2009 tek Wayback Machine
Excelitas Application Notes on Pacer Website

[1] James F. Cox (26 June 2001).

[2] Filip Tavernier, Michiel Steyaert High-Speed Optical Receivers with Integrated Photodiode in Nanoscale CMOS Springer, 2011 ISBN 1-4419-9924-8, Chapter 3 From Light to Electric Current - The Photodiode

[3] Held.

[4] Z. Shanfield et al, 1988, Investigation of radiation effects on semiconductor devices and integrated circuits, DNA-TR-88-221, www.dtic.mil/cgi-bin/GetTRDoc?

[5] Krzysztof Iniewski, ed, 2010, Radiation Effects in Semiconductors, CRC Press, ISBN 978-1-4398-2694-2

[6] Zeller, H.R. (1995).

[7] T. May and M. Woods, Alpha-particle-induced soft errors in dynamic memories", IEEE Trans.

[1]

[2]

[3]

[4]

[5]

[6]

[7]