Cos'è un fotodiodo? (Parte 1)

Fotodiodoè un dispositivo a semiconduttore che converte la luce in corrente e tra gli strati p (positivo) e n (negativo) c'è uno strato intrinseco. Un fotodiodo riceve energia luminosa come input per produrre una corrente elettrica. I fotodiodi sono anche noti come fotorilevatori, sensori fotoelettrici o rilevatori di luce.

Il fotodiodo funziona in condizioni di polarizzazione inversa, ovvero il lato P del fotodiodo è collegato all'elettrodo negativo della batteria (o alimentazione) e il lato N è collegato all'elettrodo positivo della batteria. Tipici materiali per fotodiodi sono silicio, germanio, fosfuro di indio gallio arseniuro e indio gallio arseniuro.

All'interno, il fotodiodo ha un filtro luminoso, una lente incorporata e una superficie. Quando la superficie del fotodiodo aumenta, il tempo di risposta si riduce. Pochissimi fotodiodi sembrano diodi emettitori di luce (LED). Ha due terminali, come mostrato di seguito. Il terminale più piccolo funge da catodo e il terminale più lungo funge da anodo.

Il simbolo del fotodiodo è simile al simbolo del LED, ma la freccia punta all'interno invece che all'esterno del LED. L'immagine sotto mostra il simbolo del fotodiodo.

1. Principio del fotodiodo

I fotodiodi funzionano creando una coppia di lacune elettroniche quando un fotone energetico colpisce il diodo. Questo meccanismo è noto anche come effetto fotoelettrico interno. Se l'assorbimento avviene nella giunzione della regione di svuotamento, i portatori vengono rimossi dalla giunzione dal campo elettrico interno nella regione di svuotamento.

Di solito, quando la luce illumina la giunzione PN, il legame covalente viene ionizzato. Questo crea buchi e coppie di elettroni. La fotocorrente viene generata a causa della generazione di coppie elettrone-lacuna. Quando fotoni con energie superiori a 1,1eV colpiscono il diodo, si formano coppie elettrone-lacuna. Quando il fotone entra nella regione di svuotamento del diodo, colpisce l'atomo con alta energia. Ciò si traduce nel rilascio di elettroni dalla struttura atomica. Quando gli elettroni vengono rilasciati, vengono creati elettroni liberi e lacune.

In generale, gli elettroni hanno una carica negativa e le lacune hanno una carica positiva. L'energia esaurita avrà un campo elettrico incorporato. A causa di questo campo elettrico, la coppia elettrone-lacuna è lontana dalla giunzione PN. Pertanto, le lacune si muovono verso l'anodo e gli elettroni si muovono verso il catodo per produrre una fotocorrente.

L'intensità di assorbimento dei fotoni e l'energia dei fotoni sono proporzionali tra loro. Meno energia ha la foto, più ne assorbe. L'intero processo è chiamato effetto fotoelettrico interno.

L'eccitazione intrinseca e l'eccitazione estrinseca sono due metodi di eccitazione del fotone. Il processo di eccitazione intrinseco si verifica quando gli elettroni nella banda di valenza sono eccitati dai fotoni nella banda di conduzione.

2. Circuito di lavoro del fotodiodo

I fotodiodi funzionano principalmente in tre diverse modalità, che sono:

(1)Modalità fotovoltaica

(2) Modalità fotoconduttiva

(3) Modalità diodo a valanga

(1)Modalità fotovoltaica

Questa modalità è anche chiamata modalità zero bias. Questa modalità è preferita quando i fotodiodi funzionano in applicazioni a bassa frequenza e applicazioni con luce a livello di energia super. Quando il flash colpisce il fotodiodo, crea una tensione. La tensione risultante avrà una gamma dinamica molto piccola e avrà caratteristiche non lineari. Quando il fotodiodo è configurato con OP-AMP in questa modalità, la variazione di temperatura sarà molto piccola.

(2) Modalità fotoconduttiva

In questa modalità, il fotodiodo funzionerà in condizioni di polarizzazione inversa. Il catodo è positivo e l'anodo è negativo. All'aumentare della tensione inversa, aumenta anche la larghezza dello strato di svuotamento. Di conseguenza, il tempo di risposta e la capacità di giunzione saranno ridotti. Al contrario, questa modalità di funzionamento è veloce e genera rumore elettronico.

(3) Modalità diodo a valanga

I diodi a valanga operano in condizioni di polarizzazione inversa elevata, che consentono alla rottura a valanga di moltiplicarsi per ciascuna coppia elettrone-lacuna prodotta dalla fotoelettricità. Il risultato è il guadagno interno del fotodiodo, che aumenta lentamente la risposta del dispositivo.

(4) Circuito fotodiodo

Di seguito è riportato lo schema elettrico del fotodiodo. Il circuito può essere costruito con un resistore da 10k e un fotodiodo. Una volta che il fotodiodo rileva la luce, lascia passare della corrente attraverso di essa. La somma della corrente fornita attraverso il diodo può essere proporzionale alla somma della luce osservata attraverso il diodo.

3. Collegare il fotodiodo al circuito esterno

Il fotodiodo funziona in un circuito polarizzato inversamente. L'anodo è collegato alla massa del circuito e il catodo è collegato alla tensione di alimentazione positiva del circuito. Quando è illuminato dalla luce, una corrente elettrica fluisce dal catodo all'anodo.

Quando i fotodiodi vengono utilizzati con un circuito esterno, sono collegati a un alimentatore nel circuito. La corrente generata dal fotodiodo sarà molto piccola. Questo valore di corrente non è sufficiente per pilotare il dispositivo elettronico. Pertanto, quando sono collegati a un alimentatore esterno, fornisce più corrente al circuito. Quindi la batteria viene utilizzata come fonte di alimentazione. La fonte della batteria aiuta ad aumentare il valore corrente, contribuendo alle migliori prestazioni dei dispositivi esterni.

4. Processo di fabbricazione del fotodiodo

Materiale fotodiodo

Il materiale di un fotodiodo determina molte delle sue caratteristiche. La caratteristica chiave è l'onda di luce a cui risponde il fotodiodo, e l'altra è il livello di rumore, entrambi in gran parte dipendenti dal materiale utilizzato nel fotodiodo.

Diverse risposte alle lunghezze d'onda si verificano a causa dell'uso di materiali diversi perché solo i fotoni con energia sufficiente per eccitare gli elettroni nella banda proibita del materiale producono energia significativa per generare la corrente dal fotodiodo.

Mentre la sensibilità alla lunghezza d'onda del materiale è molto importante, un altro parametro che può avere un impatto significativo sulle prestazioni del fotodiodo è il livello di rumore generato.

A causa del loro intervallo di banda maggiore, i fotodiodi al silicio producono meno rumore dei fotodiodi al germanio. Tuttavia, è anche necessario considerare la lunghezza d'onda del fotodiodo richiesto e i fotodiodi al germanio devono essere utilizzati per lunghezze d'onda superiori a circa 1000 nm.

Vai alla Parte 2 per saperne di più.

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