User:Cristian Monea/Fotodioda

O fotodiodă este un tip de fotodetector capabil să convertească lumina în curent electric sau în tensiune electrică, în funcție de modul de operare.^[1] Fotocelula obișnuită, folosită pentru a genera energie electrică folosind energia solară, este de fapt o fotodiodă dispusă pe o suprafață mai mare.

Fotodiodele sunt similare diodelor semiconductoare, cu excepția că pot fi expuse (pentru a detecta radiațiile ultraviolete din vid sau razele X) sau încapsulate cu o fereastră sau conexiune pentru fibră optică, pentru a permite luminii să ajungă la partea fotosensibilă a dispozitivului. Multe diode proiectate pentru a fi folosite ca fotodiode utilizează mai degrabă o joncțiune PIN, decât o joncțiune p-n, pentru a crește viteza de răspuns. O fotodiodă este proiectată să funcționeze în polarizare inversă.^[2]

Principiul de funcționare edit

O fotodiodă este o joncțiune p-n sau joncțiune PIN. Când un foton cu suficientă energie întâlnește dioda, acesta excită un electron generând astfel un electron liber (și un gol). Acest mecanism se mai numește efectul fotoelectric intern. Dacă absorbția are loc în zona joncțiunii, sau la o distanță egală cu o lungime de difuzie, acești purtători sunt îndepărtați sub efectul câmpului electric existent. Astfel, golurile se deplasează către anod, iar electronii către catod, și un fotocurent se formează. Curentul total prin fotodiodă este suma dintre curentul de întuneric (curentul prin aceasta în absența sau prezența luminii) și fotocurent, astfel că pentru a mări sensibilitatea dispozitivului trebuie micșorată intensitatea curentului de întuneric.^[3]

Modul fotovoltaic edit

Când este nepolarizată sau în modul fotovoltaic, circulația fotocurentului ieșind din dispozitiv este limitată și se generează o tensiune electrică. Acest mod exploatează efectul fotovoltaic, care stă la baza celulelor solare – o celulă solară obișnuită este doar fotodiodă dispusă pe o suprafață mare.

Modul fotoconductiv edit

În acest mod dioda este adesea polarizată invers (având catodul conectat la potențialul pozitiv față de anod). În comparație cu polarizarea directă, aceasta reduce semnificativ timpul de răspuns, însă crescând zgomotul, deoarece mărește lățimea joncțiunii, care la rândul său scade capacitatea sa. Tensiunea inversă de polarizare induce un curent de intensitate mică (numit curent de saturație sau de întuneric) care circulă în sensul tensiunii de polarizare, pe când fotocurentul rămâne practic constant. Pentru o anumită distribuție spectrală, intensitatea fotocurentului este direct proporțională cu iluminarea (și cu iradianța).^[4]

Deși acest mod este mai rapid, modul fotoconductiv tinde să prezinte mai mult zgomot electronic.^{[citation needed]} Curentul rezidual al unei diode PIN performante este atât de mic (<1 nA) încât este depășit de zgomotul Johnson–Nyquist al rezistenței de sarcină într-un circuit obișnuit.

Alte moduri de funcționare edit

Fotodiodele cu avalanșă au o structură asemănătoare fotodiodelor obișnuite, dar sunt polarizate cu tensiuni inverse mult mai mari. Acest fapt permite ca fiecare purtător foto-generat să fie multiplicat prin fenomenul de străpungere prin avalanșă, rezultând un câștig intern al fotodiodei, care crește sensibilitatea efectivă a dispozitivului.

Un fototranzistor este, în esență, un tranzistor bipolar împachetat într-o capsulă transparentă astfel încât lumina să ajungă la joncțiunea bază-colector. A fost inventat de către Dr. John N. Shive (cunoscut pentru mașina de generat unde Shive) de la Laboratoarele Bell, creată în 1948,^[5]^: 205 dar anunțată abia în anul 1950.^[6] Electronii generați de fotoni în joncțiunea bază-colector sunt injectați în bază, iar acest curent de fotodiodă este amplificat cu factorul de câștig în curent al tranzistorului, β (sau h_fe). Dacă emitorul este neconectat, fototranzistorul se comportă ca o fotodiodă. Deși fototranzistoarele au o sensibilitate mai mare, ele nu pot detecta nivelurile mici de lumină mai bine decât fotodiodele.^{[citation needed]} De asemenea, fototranzistoarele prezintă timpi de răspuns considerabil mai mari.

Materiale edit

Materialul folosit pentru a crea o fotodiodă este esențial pentru definirea proprietăților sale, deoarece doar fotonii cu energie suficientă pentru a excita electronii să traverseze banda interzisă a materialului, vor produce fotocurenți semnificativi.

Materialele folosite de obicei pentru a realiza fotodiode sunt^[7]:

Material	Intervalul lungimilor de undă ale spectrului electromagnetic (nm)
Siliciu	190–1100
Germaniu	400–1700
Arseniură de galiu indiu	800–2600
Sulfură de plumb (II)	<1000–3500

Datorită benzii interzise mai mari, fotodiodele pe bază de siliciu generează mai puțin zgomot decât fotodiodele pe bază de germaniu.

Fotodiode nedorite edit

Orice joncțiune p-n, dacă este iluminată, este o potențială fotodiodă. Dispozitivele semiconductoare ca tranzistoarele și circuitele integrate conțin joncțiuni p-n, și nu vor funcționa corect dacă sunt iluminate de radiație electromagnetică (lumină) nedorită, cu lungimea de undă adecvată producerii unui fotocurent; acest lucru este evitat prin încapsularea dispozitivelor în carcase opace. Dacă aceste carcase nu sunt complet opace radiației de energie ridicată (ultraviolete, raze X, raze gamma), tranzistoarele și circuitele integrate pot să se defecteze datorită fotocurenților generați. Carcasele de plastic sunt mai vulnerabile decât cele de metal.

Caracteristici edit

Răspunsul unei fotodiode cu siliciu în funcție de lungimea de undă a luminii incidente

Parametrii critici de performanță ai unei fotodiode sunt:

Sensibilitatea: Raportul dintre fotocurentul generat și puterea luminii incidente, de obicei exprimat în A/W, când este utilizată în modul fotoconductiv. Sensibilitatea mai poate fi exprimată ca randament cuantic, sau ca raportul dintre numărul purtătorilor generați și numărul fotonilor incidenți, fiind astfel o cantitate adimensională.

Curentul de întuneric: Curentul prin fotodiodă în absența luminii, când operează în modul fotoconductiv. Curentul de întuneric include fotocurentul generat de radiația de fundal și curentul de saturație al joncțiunii semiconductoare. Curentul de întuneric trebuie avut în vedere la calibrare, dacă fotodioda este folosită pentru a face o măsurătoare de precizie a puterii radiației luminoase, și este de asemenea o sursă de zgomot când fotodioda este folosită într-un sistem de comunicație optică.

Timpul de răspuns: Un foton absorbit de materialul semiconductor va genera o pereche electron-gol care, la rândul său, se va deplasa prin material sub efectul câmpului electric și astfel va genera un curent electric. Durata de timp finită a acestui curent este cunoscută ca durata timpului de tranzit și poate fi evaluată folosind teorema lui Ramo. Se poate arăta folosind această teoremă că sarcina totală generată în circuitul exterior este e și nu 2e, cum ar părea datorită prezenței celor două tipuri de purtători. Într-adevăr, integrala în timp a curentului datorat de electron și gol trebuie să fie egală cu e. Rezistența și capacitatea fotodiodei și a circuitului exterior dau naștere altui timp de răspuns, numit constanta de timp RC $\tau =RC$ . Această combinație între R și C integrează în timp răspunsul fotodiodei mărind astfel răspunsul la impuls al acesteia. Când este folosită într-un sistem de comunicație optică, timpul de răspuns determină lățimea de bandă disponibilă modulării semnalului și deci pentru transmisia de date.

Puterea echivalenta zgomotului: (NEP) Puterea minimă a radiației luminoase incidente pentru a genera fotocurentul, egală cu intensitatea curentului de zgomot efectiv (RMS) într-o bandă de 1 hertz. NEP este în esență puterea minimă detectabilă. Caracteristica capacității de detecție (detectivitatea) ( $D$ ) este inversa NEP, 1/NEP. De asemenea, există și o capacitate de detecție specifică ( $D^{\star }$ ), care reprezintă detectivitatea înmulțită cu rădăcina pătrată a suprafeței ( $A$ ) fotodetectorului, ( $D^{\star }=D{\sqrt {A}}$ ) pentru o lățime de bandă de 1 Hz. Detectivitatea specifică permite diferitelor sisteme să poată fi comparate fără a ține cont de suprafața senzorului și a lățimii de bandă a sistemului; o detectivitate mai mare indică un dispozitiv sau sistem cu zgomot redus.^[8] Deși se obișnuiește să se ofere ( $D^{\star }$ ) în multe cataloage ca o măsură a calității diodei, în practică rar este acesta parametrul cheie.

Când o fotodiodă este folosită într-un sistem de comunicație optică, toți acești parametri contribuie la sensibilitatea receptorului optic, care reprezintă puterea minimă de intrare necesară ca receptorul să realizeze o rată a erorilor binare precizată.

Aplicații edit

Fotodiodele P-N sunt folosite în aplicații asemănătoare altor fotodetectoare, cum ar fi fotoconductoare, dispozitive cu cuplare de sarcină, și tuburi fotomultiplicatoare. Ele pot fi folosite pentru a genera o formă de undă care este dependentă de iluminare (analogic; pentru măsurători și alte aplicații asemănătoare), sau pentru a modifica starea unor circuite (digital; fie pentru control și comutare, sau procesare digitală de semnal).

Fotodiodele sunt folosite în dispozitivele electronice de consum, cum ar fi dispozitivele de redare a compact discurilor, detectoare de fum, și receptoarele de infraroșu ale telecomenzilor utilizate pentru a controla echipamente, de la televizoare la aparate de aer condiționat. În cazul multor aplicații pot fi folosite fie fotodiode, fie fotoconductoare. Oricare tip de senzor optic poate fi utilizat pentru măsurări optice, ca în dispozitivelor de măsurat cantitatea de lumină din camerele de fotografiat, sau pentru a răspunde la diferite niveluri de lumină, cum ar fi aprinderea luminii stradale după lăsarea întunericului.

Senzorii optici de toate tipurile pot fi folosiți pentru a genera un răspuns la lumina incidentă, sau la o sursă de lumină care face parte din același circuit sau sistem. O fotodiodă este adesea combinată, într-o singură componentă, cu un emițător de lumină, de obicei un LED, fie pentru a detecta prezența unei obturări mecanice a fascicului luminos (comutator cu comandă optică), sau pentru a cupla două circuite analogice sau digitale menținând în același timp gradul de izolație electrică foarte mare între ele, deseori pentru siguranță (optocuplor).

Fotodiodele sunt adesea folosite pentru măsurători precise ale intensității luminoase în știință și industrie. Acestea au în general un răspuns mai liniar decât al fotoconductoarelor.

De asemenea, acestea sunt utilizate în diferite aplicații medicale, cum ar fi detectoare pentru [[computed tomography|tomografie electronică] (cuplate cu scintilatoare), instrumente folosite pentru analiza mostrelor (analiză imunologică), și pulsoximetre.

diodele PIN sunt mult mai rapide și mai sensibile decât diodele cu joncțiune p-n, fiind des folosite pentru comunicații optice în stabilizarea luminii.

Fotodiodele P-N nu sunt folosite pentru a măsură intensități luminoase foarte mici. În schimb, dacă este nevoie de sensibilitate ridicată, fotodiodele cu avalanșă, dispozitivele cu cuplare de sarcină sau tuburile fotomultiplicatoare au aplicații înastronomie, spectroscopie, echipamente cu vedere nocturnă și telemetrie laser.

Comparație cu fotomultiplicatoarele edit

Avantaje comparativ cu fotomultiplicatoarele^[9]:

Liniaritate excelentă a curentului de ieșire în funcție de lumina incidentă
Răspuns spectral de la 190 nm la 1100 nm (siliciu), lungimi de undă mai mari dacă se folosesc alte materiale semiconductoare
Zgomot redus
Rezistență la stres mecanic
Cost redus
Compact și greutate redusă
Durată de viață mare
Randament cuantic mare, tipic 80% ^{[failed verification]}
Nu necesită tensiuni ridicate

Dezavantaje comparativ cu fotomultiplicatoarele:

Suprafață mică
Nu prezintă câștig intern (cu excepția fotodiodelor cu avalanșă, dar câștigul lor este tipic 10²–10³ în comparație cu 10⁸ pentru fotomultiplicator)
Sensibilitate globală mult mai redusă
Numărarea fotonilor este posibilă doar cu fotodiode special proiectate, de obicei răcite, cu circuite electronice
Timpul de răspuns este mai mic

Rețea de fotodiode edit

O rețea unidimensională de sute sau mii de fotodiode poate fi folosită ca senzor de poziție, de exemplu ca parte dintr-un senzor unghiular.^[10] Un avantaj al rețelelor de fotodiode (PDA-uri) este că permit citire paralelă rapidă, deoarece electronica de comandă nu trebuie proiectată ca pentru un senzor CMOS sau CCD obișnuit.

Vezi și edit

References edit

This article incorporates public domain material from Federal Standard 1037C. General Services Administration. Archived from the original on 2022-01-22.

^ IUPAC, Compendium of Chemical Terminology, 2nd ed. (the "Gold Book") (1997). Online corrected version: (2006–) "Photodiode". doi:10.1351/goldbook.P04598
^ James F. Cox (26 June 2001). Fundamentals of linear electronics: integrated and discrete. Cengage Learning. pp. 91–. ISBN 978-0-7668-3018-9. Retrieved 20 August 2011.
^ 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
^ "Photodiode slide".
^ Michael Riordan and Lillian Hoddeson. Crystal Fire: The Invention of the Transistor and the Birth of the Information Age. ISBN 9780393318517.
^ "The phototransistor". Bell Laboratories RECORD. May 1950.
^ Held. G, Introduction to Light Emitting Diode Technology and Applications, CRC Press, (Worldwide, 2008). Ch. 5 p. 116. ISBN 1-4200-7662-0
^ Graham Brooker, Introduction to Sensors for Ranging and Imaging, ScitTech Publishing, 2009 ISBN 9781891121746 page 87
^ Photodiode Technical Guide on Hamamatsu website
^ Wei Gao (2010). Precision Nanometrology: Sensors and Measuring Systems for Nanomanufacturing. Springer. pp. 15–16. ISBN 978-1-84996-253-7.

Gowar, John, Optical Communication Systems, 2 ed., Prentice-Hall, Hempstead UK, 1993 (ISBN 0-13-638727-6)

External links edit

[1] IUPAC, Compendium of Chemical Terminology, 2nd ed. (the "Gold Book") (1997). Online corrected version: (2006–) "Photodiode". doi:10.1351/goldbook.P04598

[2] James F. Cox (26 June 2001). Fundamentals of linear electronics: integrated and discrete. Cengage Learning. pp. 91–. ISBN 978-0-7668-3018-9. Retrieved 20 August 2011.

[3] 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

[4] "Photodiode slide".

[crystal-fire-5] Michael Riordan and Lillian Hoddeson. Crystal Fire: The Invention of the Transistor and the Birth of the Information Age. ISBN 9780393318517.

[6] "The phototransistor". Bell Laboratories RECORD. May 1950.

[7] Held. G, Introduction to Light Emitting Diode Technology and Applications, CRC Press, (Worldwide, 2008). Ch. 5 p. 116. ISBN 1-4200-7662-0

[8] Graham Brooker, Introduction to Sensors for Ranging and Imaging, ScitTech Publishing, 2009 ISBN 9781891121746 page 87

[9] Photodiode Technical Guide on Hamamatsu website

[10] Wei Gao (2010). Precision Nanometrology: Sensors and Measuring Systems for Nanomanufacturing. Springer. pp. 15–16. ISBN 978-1-84996-253-7.

[1]

[2]

[3]

[4]

[5]

[6]

[7]

[8]

[9]

[10]