Фотодиода

Фотодиода^[1] је диода са ПН спојем који је приступачан светлости. При паду светлости на ПН спој долази до тока електрона.^[2] Због те особине, налази примену као електронски сензор. Битна особина фотодиоде је да врши само (изузетно брзу) детекцију, а не врши улогу појачавача, за разлику од фототранзистора. Уколико поларишемо ПН спој инверзно, кроз диоду тече повећана инверзна струја. Повећање инверзне струје I_r кроз диоду је приближно сразмјерно повећању осветљености Е. Типично повећање струје је око 100 n A/lx. Фотодиода је начињена од пулупроводног материјала као и обична диода.

Пакет фотодиоде омогућава светлости (или инфрацрвеном или ултраљубичастом зрачењу, или рендгенским зрацима) да допре до осетљивог дела уређаја. Пакет може укључивати сочива или оптичке филтере. Уређаји дизајнирани за употребу посебно као фотодиоде користе PIN спој, а не p–n спој, како би повећали брзину одговора. Фотодиоде обично имају спорије време одзива како се њихова површина повећава. Фотодиода је дизајнирана да ради са реверзним бајасом.^[3] Соларна ћелија која се користи за производњу електричне соларне енергије је фотодиода велике површине.

Принцип рада

Фотодиода је PIN structure структура или п–н спој. Када фотон довољне енергије удари у диоду, он ствара пар електрон-шупљина. Овај механизам је такође познат као унутрашњи фотоелектрични ефекат. Ако се апсорпција догоди у области просторног товара споја, или једну дифузиону дужину од њега, ови носиоци се уклањају са споја уграђеним електричним пољем у области исцрпљивања. Тако се шупљине крећу ка аноди, а електрони ка катоди и ствара се фотоструја. Укупна струја кроз фотодиоду је збир тамне струје (струја која се генерише у одсуству светлости) и фотострује, тако да тамна струја мора бити минимизирана да би се максимизирала осетљивост уређаја.^[4]

Првог реда, за дату спектралну дистрибуцију, фотоструја је линеарно пропорционална зрачењу.^[5]

Фотопроводни мод

У фотокондуктивном режиму, диода је обрнуто пристрасна, то јест, са катодом позитивно вођеном у односу на аноду. Ово смањује време одзива јер додатна обрнута пристрасност повећава ширину слоја исцрпљивања, што смањује капацитет споја и повећава област са електричним пољем које ће проузроковати брзо сакупљање електрона. Реверзна пристрасност такође ствара тамну струју без много промене у фотоструји.

Иако је овај режим бржи, фотокондуктивни режим може да покаже више електронског шума услед тамних струја или ефеката лавине.^[6] Струја цурења добре PIN диоде је толико ниска (<1 nA) да Џонсон-Најквистов шум отпора оптерећења у типичном колу често доминира.

Сродни уређаји

Лавинске диоде су фотодиоде са структуром оптимизованом за рад са великим реверзним пристрасношћу, приближавајући се обрнутом пробојном напону.^[7] Ово омогућава да се сваки фото-генерисани носач помножи лавинским прекидом, што резултира унутрашњим појачањем унутар фотодиоде, што повећава ефективну реакцију уређаја.^[8]

Електронски симбол за фототранзистор

Фототранзистор је транзистор осетљив на светлост. Уобичајени тип фототранзистора, биполарни фототранзистор, је у суштини биполарни транзистор затворен у провидно кућиште тако да светлост може доћи до споја база-колектор. Измислио га је др Џон Н. Шив (познатији по својој таласној машини) у Беловим лабораторијама 1948. године,^[9]^‍:205 али је то објављено тек 1950. године.^[10]

Соларистор је фототранзистор са два терминала без капије. Истраживачи ICN2 су 2018. демонстрирали компактну класу фототранзистора са два терминала или солариста. Нови концепт је два у једном извор напајања плус транзисторски уређај који ради на соларну енергију користећи мемресистивни ефекат у току фотогенерисаних носача.^[11]

Нежељени и жељени ефекти фотодиода

Било који p–n спој, ако је осветљен, потенцијално је фотодиода. Полупроводнички уређаји као што су диоде, транзистори и IC садрже p–n спојеве и неће исправно функционисати ако су осветљени нежељеним електромагнетним зрачењем (светлошћу) таласне дужине погодне за производњу фотострује.^[12]^[13] Ово се избегава капсулирањем уређаја у непрозирна кућишта. Ако ова кућишта нису потпуно непрозирна за зрачење високе енергије (ултраљубичасто, рендгенско зрачење, гама зрачење), диоде, транзистори и IC-ови могу да неадекватно функционисати^[14] због индукованих фотоструја. Позадинско зрачење из амбалаже је такође значајно.^[15] Очвршћавање радијацијом ублажава ове ефекте.

У неким случајевима, ефекат је заправо пожељан, на пример да се LED диоде користе као уређаји осетљиви на светлост (види LED као светлосни сензор) или чак за прикупљање енергије, који се понекад називају диоде које емитују и апсорбују светлост (LEAD).^[16]

Примјена

Због брзе реакције на свјетлосни ниво, користе се за примјене у оптоелектроници, гдје је брзина рада најважнија. Примјер употребе су оптички изолациони парови (оптокаплери), сензори позиције (енкодери), веома брзе комуникације преко оптичког кабла и други.

Материјал

Од материјала зависи осјетљивост у одређеном дијелу електромагнетског спектра.^[17]

Материјал	Таласна дужина (nm)
Силицијум	190—1100
Германијум	400—1700
Индијум-галијум-арсенид	800—2600
Оловни сулфид	< 1000—3500

Симбол

Симбол фотодиоде је приказан на слици.

Симбол фотодиоде

Предности и мане

Предности су ниска цијена и веома брз рад (у односу на фотоотпорник и фототранзистор). Мана је одсуство појачања, осим код лавинске фотодиоде.

Види још

Референце

^ Правопис српскога језика. Матица српска. 2010. т. 84. стр. 89
^ Pearsall, Thomas (2010). Photonics Essentials, 2nd edition. McGraw-Hill. ISBN 978-0-07-162935-5. Архивирано из оригинала 2021-08-17. г. Приступљено 2021-02-25.
^ Cox, James F. (2001). Fundamentals of linear electronics: integrated and discrete. Cengage Learning. стр. 91—. ISBN 978-0-7668-3018-9.
^ Tavernier, Filip and Steyaert, Michiel (2011). High-Speed Optical Receivers with Integrated Photodiode in Nanoscale CMOS. . Springer. ISBN 1-4419-9924-8. Chapter 3 From Light to Electric Current – The Photodiode
^ Häberlin, Heinrich (2012). Photovoltaics: System Design and Practice. John Wiley & Sons. стр. SA3—PA11—14. ISBN 9781119978381. Приступљено 19. 4. 2019.
^ „Photodiode Application Notes – Excelitas – see note 4” (PDF). Архивирано из оригинала (PDF) 2014-11-13. г. Приступљено 2014-11-13.
^ „Jun-ichi Nishizawa - Engineer, Sophia University Special Professor - JAPAN QUALITY REVIEW”. Архивирано из оригинала 2018-07-21. г. Приступљено 2017-05-15.
^ Pearsall, Thomas; Pollack, Martin (1985). Compound Semiconductor Photodiodes, Semiconductors and Semimetals, Vol 22D. Elsevier. стр. 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. мај 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 (на језику: енглески). 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 (ed.) (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 (на језику: немачки). Архивирано из оригинала 2017-02-14. г. Приступљено 2017-02-14.
^ Held. G, Introduction to Light Emitting Diode Technology and Applications, CRC Press, (Worldwide, 2008). Ch. 5 p. 116. ISBN 1-4200-7662-0

Литература

Doherty, Bill, MicroNotes: PIN Diode Fundamentals (PDF), Watertown, MA: Microsemi Corp., MicroNote Series 701, Архивирано (PDF) из оригинала 2022-10-09. г.
„Microwave Switches: Application Notes”. Herley General Microwave. Архивирано из оригинала 2013-10-30. г.
Dummer, G. W. A. (22. 10. 2013). Electronic Inventions and Discoveries: Electronics from Its Earliest Beginnings to the Present Day. Elsevier. ISBN 9781483145211. Приступљено 14. 4. 2018 — преко Google Books.
„Discovery semiconductor 40G InGaAs photodetector modules”.
„Si photodiodes | Hamamatsu Photonics”. hamamatsu.com. Приступљено 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 (на језику: енглески). 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 (на језику: енглески). Приступљено 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”. Архивирано из оригинала 19. 9. 2018. г. Приступљено 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.

Спољашње везе

Мјерење јачине свјетлости фотодиодом
Photodiode I–V characteristics Архивирано на сајту Wayback Machine (26. фебруар 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 Архивирано 2009-02-12 на сајту 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

[1] Правопис српскога језика. Матица српска. 2010. т. 84. стр. 89

[pears1-2] Pearsall, Thomas (2010). Photonics Essentials, 2nd edition. McGraw-Hill. ISBN 978-0-07-162935-5. Архивирано из оригинала 2021-08-17. г. Приступљено 2021-02-25.

[3] Cox, James F. (2001). Fundamentals of linear electronics: integrated and discrete. Cengage Learning. стр. 91—. ISBN 978-0-7668-3018-9.

[4] Tavernier, Filip and Steyaert, Michiel (2011). High-Speed Optical Receivers with Integrated Photodiode in Nanoscale CMOS. . Springer. ISBN 1-4419-9924-8. Chapter 3 From Light to Electric Current – The Photodiode

[haberlin-5] Häberlin, Heinrich (2012). Photovoltaics: System Design and Practice. John Wiley & Sons. стр. SA3—PA11—14. ISBN 9781119978381. Приступљено 19. 4. 2019.

[6] „Photodiode Application Notes – Excelitas – see note 4” (PDF). Архивирано из оригинала (PDF) 2014-11-13. г. Приступљено 2014-11-13.

[7] „Jun-ichi Nishizawa - Engineer, Sophia University Special Professor - JAPAN QUALITY REVIEW”. Архивирано из оригинала 2018-07-21. г. Приступљено 2017-05-15.

[pears2-8] Pearsall, Thomas; Pollack, Martin (1985). Compound Semiconductor Photodiodes, Semiconductors and Semimetals, Vol 22D. Elsevier. стр. 173—245. doi:10.1016/S0080-8784(08)62953-1.

[crystal-fire-9] Riordan, Michael; Hoddeson, Lillian (1998). Crystal Fire: The Invention of the Transistor and the Birth of the Information Age. ISBN 9780393318517.

[10] „The phototransistor”. Bell Laboratories Record. мај 1950.

[11] Pérez-Tomás, Amador; Lima, Anderson; Billon, Quentin; Shirley, Ian; Catalan, Gustau; Lira-Cantú, Mónica (2018). „A Solar Transistor and Photoferroelectric Memory”. Advanced Functional Materials (на језику: енглески). 28 (17): 1707099. ISSN 1616-3028. doi:10.1002/adfm.201707099. hdl:10261/199048  .

[12] Shanfield, Z. et al (1988) Investigation of radiation effects on semiconductor devices and integrated circuits, DNA-TR-88-221

[13] Iniewski, Krzysztof (ed.) (2010), Radiation Effects in Semiconductors. CRC Press. , ISBN 978-1-4398-2694-2

[14] 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.

[15] 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].”

[16] Erzberger, Arno (2016-06-21). „Halbleitertechnik Der LED fehlt der Doppelpfeil”. Elektronik (на језику: немачки). Архивирано из оригинала 2017-02-14. г. Приступљено 2017-02-14.

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

[1]

[2]

[3]

[4]

[5]

[6]

[7]

[8]

[9]

[10]

[11]

[12]

[13]

[14]

[15]

[16]

[17]