Fotodióda
Fotodióda je polovodičový prvok - dióda - určený predovšetkým pre detekciu zmien svetla a premenu svetla na elektrický prúd/napätie.
Fotodiódy môžu obsahovať optické filtre, zabudované šošovky a môžu mať veľké alebo malé povrchy. Fotodiódy so zvyšovaním plochy majú zvyčajne pomalší čas odozvy. Bežná, tradičná solárna bunka používaná na výrobu elektrickej solárnej energie je veľkoplošná fotodióda.
Fotodiódy sú podobné bežným polovodičovým diódam s tým rozdielom, že môžu byť buď exponované (na detekciu vákuových UV alebo röntgenových lúčov) alebo sú zabalené s okienkom alebo optickým vláknom, aby umožnili svetlu dosiahnuť citlivú časť zariadenia. Mnohé diódy špecifický určené na použitie ako fotodióda používajú namiesto p-n spojenia spojenie PIN, aby sa zvýšila rýchlosť odozvy. Fotodióda je konštruovaná tak, aby fungovala zapojená v opačnom smere, kladne napätie sa pripája na katódu.
Princíp fungovania
Fotodióda je p-n spojenia alebo PIN štruktúra. Keď fotón s dostatočnou energiou zasiahne diódu, vytvorí sa pár elektrón - diera. Tento mechanizmus je tiež známy ako vnútorný fotoelektrický efekt. Ak absorpcia nastane v oblasti vyčerpania spojenia alebo v jednej difúznej dĺžke od nej, tieto nosiče sú unesené zo spojenia prostredníctvom zabudovaného elektrického poľa oblasti vyčerpania. Diery sa teda pohybujú smerom k anóde a elektróny smerujú k katóde a vytvára sa fotoelektrický prúd. Celkový prúd cez fotodiódu je súčet tmavého prúdu (prúd, ktorý sa generuje pri absencii svetla) a svetelného prúdu, takže tmavý prúd musí byť minimalizovaný, aby sa maximalizovala citlivosť zariadenia.
Fotovoltaický režim
Pri použití v režime s nulovým napätím v obvode alebo fotovoltaickým režimom, je tok fotovoltaického prúdu zo zariadenia obmedzený a vzniká napätie. Tento režim využíva fotovoltaický efekt, ktorý je základom solárnych článkov - tradičná solárna jednotka je len fotodióda veľkého priestoru.
Fotovodivý režim
V tomto režime je dióda často zapojená v opačnom smere (s kladnou katódou vzhľadom na anódu). Tým sa skracuje čas odozvy, pretože dodatočné opačné napätie zvyšuje šírku vyčerpávajúcej vrstvy, čo znižuje kapacitu spojky. Zapojenie v opačnom smere taktiež zvyšuje tmavý prúd bez veľkej zmeny fotoelektrického prúdu. Pre danú spektrálnu distribúciu je fotoelektrický prúdu lineárne úmerný osvetleniu (a ožiareniu).
Aj keď je tento režim rýchlejší, fotovodivý režim má tendenciu vykazovať väčší elektronický šum. Unikový prúd dobrej PIN diódy je tak nízky (<1 nA), že v bežnom obvode často dominuje Johnson-Nyquistov šum zaťaženia.
Príprava
- bežné mikroelektronické postupy
- MESA leptanie, prstencový kontakt
Varianty
- PIN
- lavínová fotodióda
- plošné senzory (CCD)
- fotovoltaický článok
- kvantové štruktúry
Materiály a ich vlastnosti
- kremík
- kompozitné polovodiče
Problémy
- prúd za tmy
- rýchlosť vs. predpätie
- účinnosť absorpcie
- sériový odpor
- plocha/citlivosť/nevýhody
- šum
Použitie
- telekomunikácie
- priemyselné senzory
- prijímače infračerveného diaľkového ovládania v spotrebnej elektronike
- optočleny
- CD/DVD, kamery
