Fotodioda
Fotodioda[1] je dioda sa PN spojem koji je pristupačan svetlosti. Pri padu svetlosti na PN spoj dolazi do toka elektrona.[2] Zbog te osobine, nalazi primenu kao elektronski senzor. Bitna osobina fotodiode je da vrši samo (izuzetno brzu) detekciju, a ne vrši ulogu pojačavača, za razliku od fototranzistora. Ukoliko polarišemo PN spoj inverzno, kroz diodu teče povećana inverzna struja. Povećanje inverzne struje Ir kroz diodu je približno srazmjerno povećanju osvetljenosti Е. Tipično povećanje struje je oko 100 nA/lx. Fotodioda je načinjena od puluprovodnog materijala kao i obična dioda.
Paket fotodiode omogućava svetlosti (ili infracrvenom ili ultraljubičastom zračenju, ili rendgenskim zracima) da dopre do osetljivog dela uređaja. Paket može uključivati sočiva ili optičke filtere. Uređaji dizajnirani za upotrebu posebno kao fotodiode koriste PIN spoj, a ne p–n spoj, kako bi povećali brzinu odgovora. Fotodiode obično imaju sporije vreme odziva kako se njihova površina povećava. Fotodioda je dizajnirana da radi sa reverznim bajasom.[3] Solarna ćelija koja se koristi za proizvodnju električne solarne energije je fotodioda velike površine.
Princip rada
urediFotodioda je PIN structure struktura ili p–n spoj. Kada foton dovoljne energije udari u diodu, on stvara par elektron-šupljina. Ovaj mehanizam je takođe poznat kao unutrašnji fotoelektrični efekat. Ako se apsorpcija dogodi u oblasti prostornog tovara spoja, ili jednu difuzionu dužinu od njega, ovi nosioci se uklanjaju sa spoja ugrađenim električnim poljem u oblasti iscrpljivanja. Tako se šupljine kreću ka anodi, a elektroni ka katodi i stvara se fotostruja. Ukupna struja kroz fotodiodu je zbir tamne struje (struja koja se generiše u odsustvu svetlosti) i fotostruje, tako da tamna struja mora biti minimizirana da bi se maksimizirala osetljivost uređaja.[4]
Prvog reda, za datu spektralnu distribuciju, fotostruja je linearno proporcionalna zračenju.[5]
Fotoprovodni mod
urediU fotokonduktivnom režimu, dioda je obrnuto pristrasna, to jest, sa katodom pozitivno vođenom u odnosu na anodu. Ovo smanjuje vreme odziva jer dodatna obrnuta pristrasnost povećava širinu sloja iscrpljivanja, što smanjuje kapacitet spoja i povećava oblast sa električnim poljem koje će prouzrokovati brzo sakupljanje elektrona. Reverzna pristrasnost takođe stvara tamnu struju bez mnogo promene u fotostruji.
Iako je ovaj režim brži, fotokonduktivni režim može da pokaže više elektronskog šuma usled tamnih struja ili efekata lavine.[6] Struja curenja dobre PIN diode je toliko niska (<1 nA) da Džonson-Najkvistov šum otpora opterećenja u tipičnom kolu često dominira.
Srodni uređaji
urediLavinske diode su fotodiode sa strukturom optimizovanom za rad sa velikim reverznim pristrasnošću, približavajući se obrnutom probojnom naponu.[7] Ovo omogućava da se svaki foto-generisani nosač pomnoži lavinskim prekidom, što rezultira unutrašnjim pojačanjem unutar fotodiode, što povećava efektivnu reakciju uređaja.[8]
_8.6.16.svg)
Fototranzistor je tranzistor osetljiv na svetlost. Uobičajeni tip fototranzistora, bipolarni fototranzistor, je u suštini bipolarni tranzistor zatvoren u providno kućište tako da svetlost može doći do spoja baza-kolektor. Izmislio ga je dr Džon N. Šiv (poznatiji po svojoj talasnoj mašini) u Belovim laboratorijama 1948. godine,[9]:205 ali je to objavljeno tek 1950. godine.[10]
Solaristor je fototranzistor sa dva terminala bez kapije. Istraživači ICN2 su 2018. demonstrirali kompaktnu klasu fototranzistora sa dva terminala ili solarista. Novi koncept je dva u jednom izvor napajanja plus tranzistorski uređaj koji radi na solarnu energiju koristeći memresistivni efekat u toku fotogenerisanih nosača.[11]
Neželjeni i željeni efekti fotodioda
urediBilo koji p–n spoj, ako je osvetljen, potencijalno je fotodioda. Poluprovodnički uređaji kao što su diode, tranzistori i IC sadrže p–n spojeve i neće ispravno funkcionisati ako su osvetljeni neželjenim elektromagnetnim zračenjem (svetlošću) talasne dužine pogodne za proizvodnju fotostruje.[12][13] Ovo se izbegava kapsuliranjem uređaja u neprozirna kućišta. Ako ova kućišta nisu potpuno neprozirna za zračenje visoke energije (ultraljubičasto, rendgensko zračenje, gama zračenje), diode, tranzistori i IC-ovi mogu da neadekvatno funkcionisati[14] zbog indukovanih fotostruja. Pozadinsko zračenje iz ambalaže je takođe značajno.[15] Očvršćavanje radijacijom ublažava ove efekte.
U nekim slučajevima, efekat je zapravo poželjan, na primer da se LED diode koriste kao uređaji osetljivi na svetlost (vidi LED kao svetlosni senzor) ili čak za prikupljanje energije, koji se ponekad nazivaju diode koje emituju i apsorbuju svetlost (LEAD).[16]
Primjena
urediZbog brze reakcije na svjetlosni nivo, koriste se za primjene u optoelektronici, gdje je brzina rada najvažnija. Primjer upotrebe su optički izolacioni parovi (optokapleri), senzori pozicije (enkoderi), veoma brze komunikacije preko optičkog kabla i drugi.
Materijal
urediOd materijala zavisi osjetljivost u određenom dijelu elektromagnetskog spektra.[17]
| Materijal | Talasna dužina (nm) |
|---|---|
| Silicijum | 190—1100 |
| Germanijum | 400—1700 |
| Indijum-galijum-arsenid | 800—2600 |
| Olovni sulfid | < 1000—3500 |
Simbol
urediSimbol fotodiode je prikazan na slici.
Prednosti i mane
urediPrednosti su niska cijena i veoma brz rad (u odnosu na fotootpornik i fototranzistor). Mana je odsustvo pojačanja, osim kod lavinske fotodiode.
Vidi još
urediReference
uredi- ^ Pravopis srpskoga jezika. Matica srpska. 2010. t. 84. str. 89
- ^ Pearsall, Thomas (2010). Photonics Essentials, 2nd edition. McGraw-Hill. ISBN 978-0-07-162935-5. Arhivirano iz originala 2021-08-17. g. Pristupljeno 2021-02-25.
- ^ Cox, James F. (2001). Fundamentals of linear electronics: integrated and discrete. Cengage Learning. str. 91—. ISBN 978-0-7668-3018-9.
- ^ Tavernier, Filip and Steyaert, Michiel (2011). High-Speed Optical Receivers with Integrated Photodiode in Nanoscale CMOS. ISBN 1-4419-9924-8.. Springer.. Chapter 3 From Light to Electric Current – The Photodiode
- ^ Häberlin, Heinrich (2012). Photovoltaics: System Design and Practice. John Wiley & Sons. str. SA3—PA11—14. ISBN 9781119978381. Pristupljeno 19. 4. 2019.
- ^ „Photodiode Application Notes – Excelitas – see note 4” (PDF). Arhivirano iz originala (PDF) 2014-11-13. g. Pristupljeno 2014-11-13.
- ^ „Jun-ichi Nishizawa - Engineer, Sophia University Special Professor - JAPAN QUALITY REVIEW”. Arhivirano iz originala 2018-07-21. g. Pristupljeno 2017-05-15.
- ^ Pearsall, Thomas; Pollack, Martin (1985). Compound Semiconductor Photodiodes, Semiconductors and Semimetals, Vol 22D. Elsevier. str. 173—245. doi:10.1016/S0080-8784(08)62953-1.
- ^ Riordan, Michael; Hoddeson, Lillian (1998). Crystal Fire: The Invention of the Transistor and the Birth of the Information Age. ISBN 9780393318517.
- ^ „The phototransistor”. Bell Laboratories Record. maj 1950.
- ^ Pérez-Tomás, Amador; Lima, Anderson; Billon, Quentin; Shirley, Ian; Catalan, Gustau; Lira-Cantú, Mónica (2018). „A Solar Transistor and Photoferroelectric Memory”. Advanced Functional Materials (na jeziku: engleski). 28 (17): 1707099. ISSN 1616-3028. doi:10.1002/adfm.201707099. hdl:10261/199048
.
- ^ Shanfield, Z. et al (1988) Investigation of radiation effects on semiconductor devices and integrated circuits, DNA-TR-88-221
- ^ Iniewski, Krzysztof, ur. (2010). Radiation Effects in Semiconductors. CRC Press. ISBN 978-1-4398-2694-2.
- ^ Zeller, H.R. (1995). „Cosmic ray induced failures in high power semiconductor devices”. Solid-State Electronics. 38 (12): 2041—2046. Bibcode:1995SSEle..38.2041Z. doi:10.1016/0038-1101(95)00082-5.
- ^ May, T.C.; Woods, M.H. (1979). „Alpha-particle-induced soft errors in dynamic memories”. IEEE Transactions on Electron Devices. 26 (1): 2—9. Bibcode:1979ITED...26....2M. S2CID 43748644. doi:10.1109/T-ED.1979.19370. Cited in Baumann, R. C. (2004). „Soft errors in commercial integrated circuits”. International Journal of High Speed Electronics and Systems. 14 (2): 299—309. doi:10.1142/S0129156404002363. „alpha particles emitted from the natural radioactive decay of uranium, thorium, and daughter isotopes present as impurities in packaging materials were found to be the dominant cause of [soft error rate] in [dynamic random-access memories].”
- ^ Erzberger, Arno (2016-06-21). „Halbleitertechnik Der LED fehlt der Doppelpfeil”. Elektronik (na jeziku: nemački). Arhivirano iz originala 2017-02-14. g. Pristupljeno 2017-02-14.
- ^ Held. G (2008). Introduction to Light Emitting Diode Technology and Applications. CRC Press. str. 116. ISBN 1-4200-7662-0.
Literatura
uredi- Doherty, Bill, MicroNotes: PIN Diode Fundamentals (PDF), Watertown, MA: Microsemi Corp., MicroNote Series 701, Arhivirano (PDF) iz originala 2022-10-09. g.
- „Microwave Switches: Application Notes”. Herley General Microwave. Arhivirano iz originala 2013-10-30. g.
- Dummer, G. W. A. (22. 10. 2013). Electronic Inventions and Discoveries: Electronics from Its Earliest Beginnings to the Present Day. Elsevier. ISBN 9781483145211. Pristupljeno 14. 4. 2018 — preko Google Books.
- „Discovery semiconductor 40G InGaAs photodetector modules”.
- „Si photodiodes | Hamamatsu Photonics”. hamamatsu.com. Pristupljeno 2021-03-26.
- Pérez-Tomás, Amador; Lima, Anderson; Billon, Quentin; Shirley, Ian; Catalan, Gustau; Lira-Cantú, Mónica (2018). „A Solar Transistor and Photoferroelectric Memory”. Advanced Functional Materials (na jeziku: engleski). 28 (17): 1707099. ISSN 1616-3028. doi:10.1002/adfm.201707099. hdl:10261/199048 .
- Paschotta, Dr. Rüdiger. „Encyclopedia of Laser Physics and Technology - responsivity, photodetectors, photodiodes, sensitivity”. www.rp-photonics.com (na jeziku: engleski). Pristupljeno 2018-08-21.
- Kenneth W. Busch, Marianna A. Busch (1990). Multielement Detection Systems for Spectrochemical Analysis. Wiley-Interscience. ISBN 0-471-81974-3.
- „October 1897: The Discovery of the Electron”. Arhivirano iz originala 19. 9. 2018. g. Pristupljeno 2018-09-19.
- Guarnieri, M. (2012). „The age of vacuum tubes: Early devices and the rise of radio communications”. IEEE Ind. Electron. M. 6 (1): 41—43. S2CID 23351454. doi:10.1109/MIE.2012.2182822.
- Guarnieri, M. (2012). „The age of vacuum tubes: the conquest of analog communications”. IEEE Ind. Electron. M. 6 (2): 52—54. S2CID 42357863. doi:10.1109/MIE.2012.2193274.
- Guarnieri, M. (2012). „The age of Vacuum Tubes: Merging with Digital Computing”. IEEE Ind. Electron. M. 6 (3): 52—55. S2CID 41800914. doi:10.1109/MIE.2012.2207830.
Spoljašnje veze
uredi
- Mjerenje jačine svjetlosti fotodiodom
- Photodiode I–V characteristics Arhivirano na sajtu Wayback Machine (26. februar 2022)
- Hamamatsu Application Note
- Using the Photodiode to convert the PC to a Light Intensity Logger
- Design Fundamentals for Phototransistor Circuits (archived on February 5, 2005)
- Working principles of photodiodes Arhivirano 2009-02-12 na sajtu Wayback Machine
- Excelitas Application Notes on Pacer Website (archived on March 4, 2016)
- The PIN Diode Designers' Handbook
- PIN Limiter Diodes in Receiver Protectors, Skyworks application note