Cos'è un fotodiodo? (Parte 2)

I seguenti problemi possono essere risolti utilizzandoFotodiodoo fototransistor. Ad esempio, la fotocamera del telefono deve misurare la luce ambientale per determinare se è necessario attivare il flash. Come valutare in modo non invasivo i livelli di ossigeno nel sangue? Questi dispositivi optoelettronici convertono la luce (fotoni) in segnali elettrici che un microprocessore (o microcontrollore) può "vedere". In questo modo è possibile controllare il posizionamento e la disposizione degli oggetti, determinare l'intensità della luce e misurare le proprietà fisiche del materiale in base alla sua interazione con la luce.

Ora parliamo della seconda parte.

1. Struttura del fotodiodo

Uno dei requisiti chiave per un fotodiodo è un'area adatta per raccogliere la luce. All'interno di una giunzione PN standard, questa è relativamente piccola, ma l'area può essere aumentata utilizzando un diodo PIN. Poiché la regione intrinseca è contenuta nella giunzione attiva utilizzata per la raccolta della luce, la regione utilizzata per la raccolta della luce è molto più ampia, rendendo il fotodiodo PIN più efficiente.

Nel processo di fabbricazione del fotodiodo, vengono inseriti spessi strati intrinseci tra gli strati di tipo P e di tipo N. Lo strato auto intermedio può essere completamente autoigeno o drogato molto leggermente per renderlo uno strato N. In alcuni casi, può crescere sul substrato come strato epitassiale, oppure può essere contenuto all'interno del substrato stesso.

Lo strato di diffusione P plus può essere sviluppato su uno strato epitassiale di tipo N fortemente drogato. Il contatto è realizzato in metallo e può essere trasformato in due terminali come un anodo e un catodo. L'area frontale del diodo può essere suddivisa in due tipi, come superficie attiva e superficie passiva.

Il disegno della superficie inattiva può essere realizzato con biossido di silicio (SiO2). Su una superficie attiva, la luce può brillare su di essa, mentre su una superficie inattiva, la luce non può brillare. Coprendo la superficie attiva con un materiale antiriflesso, l'energia della luce non viene persa e il massimo può essere convertito in corrente elettrica.

Uno dei requisiti principali di un fotodiodo è garantire che la massima quantità di luce raggiunga lo strato intrinseco. Uno dei modi più efficienti per raggiungere questo obiettivo è posizionare i contatti elettrici sul lato del dispositivo, come mostrato nell'immagine. Ciò consente alla massima quantità di luce di raggiungere la regione effettiva. Si trova che poiché il substrato è fortemente drogato, non vi è quasi alcuna perdita di luce poiché questa non è una regione attiva.

Poiché la luce viene assorbita principalmente a una certa distanza, lo spessore dello strato intrinseco di solito corrisponde a questo. Qualsiasi aumento oltre questo spessore ridurrà la velocità di funzionamento - un fattore importante in molte applicazioni - e non aumenterà notevolmente l'efficienza.

La luce può anche entrare nel fotodiodo da un lato della giunzione. Azionando il fotodiodo in questo modo, è possibile realizzare meno strati intrinseci per aumentare la velocità di funzionamento, anche se con efficienza ridotta.

In alcuni casi, possono essere utilizzate eterogiunzioni. Questa forma di costruzione ha la flessibilità aggiuntiva di ricevere la luce dal substrato e ha un gap energetico maggiore, che lo rende trasparente alla luce.

Essendo un processo meno standard, è più costoso da implementare e quindi tende ad essere utilizzato per prodotti più specializzati.

2. Caratteristiche del fotodiodo

(1) caratteristiche voltampere

Si riferisce al rapporto tra la fotocorrente sul fotodiodo e la tensione ad esso applicata.

(2) Caratteristiche di illuminazione

Si riferisce al rapporto tra flusso luminoso e fotocorrente quando la tensione del fotodiodo tra catodo e anodo è costante. La pendenza della curva caratteristica della luce è detta sensibilità del fotodiodo.

(3) Caratteristiche spettrali

La relazione tra la fotocorrente e la lunghezza d'onda della luce incidente è detta proprietà spettrale. L'energia del fotone è correlata alla lunghezza d'onda della luce: maggiore è la lunghezza d'onda, minore è l'energia del fotone; Più corta è la lunghezza d'onda, più energico è il fotone.

3. Funzione del fotodiodo

(1) Controllo della luce

Il fotodiodo può essere utilizzato come interruttore fotoelettrico e il suo circuito è mostrato nella figura seguente. Quando non c'è luce, il fotodiodo VD1 viene interrotto a causa della tensione inversa. Anche i transistor VT1 e VT2 sono interrotti senza corrente di base. Il relè è nello stato di rilascio.

Quando la luce viene emessa su VD1, passa dall'interruzione alla conduzione. Di conseguenza, VT1 e VT2 si accendono successivamente, il relè K si disegna e il circuito di controllo si accende.

(2) ricezione del segnale ottico

I fotodiodi possono essere utilizzati per ricevere segnali luminosi. L'immagine seguente mostra il circuito del fotodiodo di amplificazione che riceve il segnale ottico. Il segnale luminoso viene ricevuto dal fotodiodo VD, amplificato da VT ed emesso dal condensatore di accoppiamento C.

4. Applicazioni a fotodiodo

(1) Fotocellula

La fotocellula è essenzialmente un'ampia area della giunzione PN. Quando la luce viene emessa su una superficie di giunzione PN, come la superficie della regione P, ogni fotone nella regione P produce una coppia elettrone-lacuna libera se l'energia del fotone è maggiore della larghezza di banda proibita del materiale semiconduttore.

La coppia elettrone-lacuna si diffonde rapidamente verso l'interno e forma una forza elettromotrice correlata all'intensità della luce sotto il campo elettrico di giunzione. In questo momento, se lo usiamo come alimentatore e lo colleghiamo a un circuito esterno, finché c'è luce, continuerà a fornire energia, che è una fotocellula. In altre parole, la fotocellula è un dispositivo fotoelettrico a giunzione PN privo di tensione di polarizzazione. Può convertire direttamente l'energia luminosa in elettricità.

(2) Celle solari

Una cella solare è un dispositivo a semiconduttore. Quando la luce solare colpisce un semiconduttore, parte di essa viene riflessa e il resto viene assorbito o penetra nel semiconduttore. Parte della luce assorbita diventa calore, mentre altri fotoni entrano in collisione con gli elettroni di valenza che costituiscono il semiconduttore, creando coppie elettrone-lacuna. In questo modo l'energia luminosa viene convertita in elettricità.

Pertanto, dopo che la luce solare è stata irradiata, le due estremità della cella solare genereranno tensione continua, convertendo così l'energia solare direttamente in corrente continua. Se saldiamo i conduttori metallici agli strati P e N e colleghiamo il carico, la corrente fluirà attraverso il circuito esterno.

In questo modo, se colleghiamo in parallelo la serie di fotocellule, si può generare una certa tensione e corrente per la potenza in uscita.

(3) impianto di illuminazione fotovoltaico

Un sistema di generazione di energia fotovoltaica è un sistema di generazione di energia che utilizza celle solari per convertire l'energia solare in elettricità. Utilizza l'effetto fotovoltaico.

I componenti principali sono celle solari, batterie, controller e inverter. Elevata affidabilità, lunga durata, nessun inquinamento, generazione di energia indipendente, funzionamento collegato alla rete con fotodiodo.

Poiché la modalità fotodiodo fotovoltaico è fortemente influenzata da fattori ambientali esterni come la luce e la temperatura, il punto di funzionamento cambia rapidamente. Esistono sistemi di generazione di energia indipendenti e sistemi di generazione di energia connessi alla rete.

① Sistema di generazione di energia fotovoltaica indipendente

Un sistema di generazione di energia fotovoltaica indipendente è un metodo di generazione di energia che non è connesso alla rete. Ha bisogno di batterie per immagazzinare energia per la notte. La generazione indipendente di energia solare fotovoltaica viene utilizzata principalmente in villaggi e case remoti

Schema della struttura del sistema generatore di volt

② sistema di generazione di energia fotovoltaica connesso alla rete

Il sistema di generazione di energia fotovoltaica connesso alla rete è collegato alla rete nazionale per fornire energia alla rete. Non ha bisogno di batterie. I sistemi di generazione di energia fotovoltaica residenziale sono per lo più in casa. Sono anche utilizzati nei servizi pubblici, nei sistemi di illuminazione notturna del paesaggio e nei parchi solari.

(4) Altre applicazioni dei fotodiodi sono:

•Un fotodiodo viene utilizzato come sensore di luce. Poiché la corrente in esso è proporzionale all'intensità della luce, viene utilizzata anche per misurare l'intensità della luce.

•I fotodiodi nei rilevatori di fumo possono essere utilizzati per rilevare fumo e fuoco.

•Fotodiodi e LED sono combinati per realizzare isolatori ottici e accoppiatori ottici

•Utilizzato come cella solare nei pannelli solari

•Utilizzato per uno scanner di codici a barre, riconoscimento dei caratteri

•Per i sistemi di rilevamento degli ostacoli,

•Può essere utilizzato come presenza pagine e conta pagine nelle stampanti

•Per il rilevamento di prossimità, un ossimetro

•Viene utilizzato anche per codificatori e decodificatori ottici

•Trasmissione ottica delle informazioni, basata sulla comunicazione in fibra ottica

•Sensore di posizione

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