Co je PIN fotodioda? | Je to 5+ důležité použití a vlastnosti

Téma diskuse: PIN fotodioda

Co je PIN fotodioda?

Fotodioda je přechodová dioda PN, která pracuje v obráceném předpětí. Jak název napovídá, PIN fotodioda je zvláštní typ fotodiody, ve které je vnitřní vrstva umístěna mezi silně dotovanou vrstvu typu p a silně dotovanou vrstvu typu n. Protože odpor klesá s nárůstem nečistot a naopak, vrstvy p a n mají velmi nízký odpor, zatímco odpor ve vrstvě I je velmi vysoký. PIN-fotodioda má velkou oblast vyčerpání, která se používá při příjmu světla.

PIN fotodioda Symbol

Symbolické znázornění fotodiody PIN je stejné jako u standardní pn spojovací diody, kromě šipek dolů nad diodou, které indikují světlo.

Struktura fotodiody PIN

PIN-fotodioda obsahuje tři vrstvy – p-vrstvu, I neboli vnitřní vrstvu a n-vrstvu. P-vrstva je dotována trojmocnou nečistotou a N-vrstva je dotována pětimocnou nečistotou. I-vrstva je nedopovaná nebo velmi slabě dotovaná. P terminál funguje jako anoda a N terminál se chová jako katoda. Na rozdíl od generála Přechodová dioda PN, šířka vnitřní vrstvy v PIN-fotodiodě je větší.

Lze jej postavit dvěma způsoby:

• Rovinná struktura: U tohoto typu struktury se na p-vrstvě vyrábí tenký epitaxní film.
• Struktura Mesa: V tomto typu struktury jsou již dopované polovodičové vrstvy pěstovány na vnitřní vrstvě.

Schéma zapojení fotodiody PIN

PIN-fotodioda funguje jako fotodetektor pouze v případě, že pracuje v obráceném předpětí. Anoda je spojena se záporným pólem baterie. Kladná strana baterie je připojena ke katodě přes odpor.

Provoz pinové fotodiody Princip fungování fotodiody PIN

• Když se na zařízení použije reverzní zkreslení, oblast vyčerpání se začne rozšiřovat ve vnitřní vrstvě. Šířka se zvětšuje, dokud nedosáhne tloušťky I. vrstvy.
• Výsledkem je, že oblast vyčerpání neobsahuje žádné mobilní nosiče poplatků. Takže neteče žádný proud. V tomto bodě nedochází v oblasti vyčerpání k žádné rekombinaci elektronových děr.
• Když světlo dostatečné energie ( h? ≥ bandgapová energie polovodiče) vstupuje do oblasti I, každý absorbovaný foton generuje jeden pár elektron-díra. Tyto páry zažívají silnou sílu v důsledku bariérového elektrického pole přítomného v oblasti vyčerpání. Tato síla odděluje páry a nosiče náboje se pohybují v opačných směrech a generuje se proud. Optická energie se tak převede na elektrickou energii.
• Když je proud generován světelnou energií, je nazýván fotoproud a psáno jako I_p.

Vlastnosti fotodiody PIN

• Odpor: Nabízí nízký měrný odpor ve vrstvách P a N (méně než 1 kΩ / cm) a vysoký odpor ve vrstvě I (až 100 kΩ / cm)

• Kapacitní: Protože kapacita je nepřímo úměrná mezeře mezi vrstvami P a N, je kapacita v této fotodiodě nižší než standardní dioda.    

Kde?₀= dielektrická hodnota volného prostoru

             ?_r= dielektrická konstanta polovodiče

             A = oblast vnitřní vrstvy

             d = šířka oblasti vyčerpání

• Poruchové napětí: Vnitřní vrstva rozšiřuje oblast vyčerpání, v důsledku čehož je průrazné napětí velmi vysoké.

• Tok proudu: Proudový tok je přímo úměrný množství světla dopadajícího na detektor.

• Podmínka předpětí: Pokud je provozován v režimu dopředného zkreslení, šířka vyčerpané vrstvy se zmenšuje a proudy proudu. V tomto případě se dioda chová jako proměnný rezistor.

• Kvantová účinnost (?): To se vztahuje k počtu párů elektron-díra generovaných na foton, který má energii h?

• Odpovědnost: Měří výstupní zisk na vstup (foton).

Provozní režimy v PIN fotodiodě

Má primárně dva režimy provozu -

• Nestranný fotovoltaický režim 
• Fotovodivý režim s obráceným předpětím 

Křivky PIN Photodiode IV

Schéma fotodiody

Konfigurace fotodiodového kolíku

3kolíková fotodioda

Tříkolíkové fotodiody jsou vysokorychlostní křemíkové PIN fotodiody speciálně určené k detekci blízkého infračerveného světla. Při nízkém zkreslení poskytují tato zařízení možnost širokopásmových charakteristik, což je činí použitelnými pro optickou komunikaci a další fotometrii.

Šum v fotodiodě PIN

Hluk označuje jakýkoli nežádoucí výskyt nebo chybu v přijatém informačním signálu. Jedná se o sloučení rušivých energií pocházejících z různých zdrojů.

Následují zvuky, které se připisují celkovému šumu fotodiody:

• Kvantový nebo výstřelný šum
• Šum temného proudu
• Tepelný hluk

Zatímco první dva typy šumů jsou generovány ze statistické povahy postupu přeměny fotonu na elektron, tepelný šum je spojen s obvody zesilovače.

Kvantový nebo výstřelový šum: 

Stává se to díky protonovému procesu přeměny elektronů. Zde je sledován Poissonův proces. Střední čtvercová hodnota šumu Shot i_q na fotoproudu i_p je,

Kde, q = náboj elektronu

             B = šířka pásma

Šum temného proudu:

Temný proud je proud, který protéká obvodem, když na fotodetektor ne dopadá žádné světlo. Má dvě hlavní součásti - hromadný hluk tmavého proudu  a  hluk svodového proudu povrchu. Sypký temný proud je výsledkem tepelně generovaných děr a elektronů v PN přechodu.

Střední kvadratická hodnota šumu hromadného proudu_db na temný proud i_d je,

Střední kvadratická hodnota šumu svodového proudu povrchu i_ds na povrchovém svodovém proudu i_L je,

Tepelný šum:

Také se tomu říká Johnsonův šum. Tepelný šum zátěžového odporu je mnohem vyšší než tepelný šum zesilovače, protože odpor zátěže má menší hodnotu než odpor zesilovače.

Proto střední kvadratická hodnota tepelného šumu i_r kvůli zatěžovacímu odporu R_L

 Kde K._B= Boltzmannova konstanta

             T = absolutní teplota

             B = šířka pásma

Fotodioda PIN InGaAs

InGaAs (arsenid india galia) je slitina arsenidu india a arsenidu galia. Arsenid galia může účinně přeměňovat elektřinu na koherentní světlo.

PIN-fotodioda nebo fotodetektory InGaAs jsou optoelektronická zařízení schopná zajistit velmi vysokou kvantovou účinnost, která se může pohybovat od 800 do 1700 nm. Vykazují nízkou kapacitu v rozšířené šířce pásma, vysokou linearitu, vysokou citlivost v důsledku zvýšeného odporu, nízký temný proud a uniformitu v celé aktivní oblasti detektoru. Všechny tyto vlastnosti pomáhají zvyšovat flexibilitu a nabízejí širokou škálu aplikací.

Fotodioda PIN GaAs

GaAs (Gallium arsenide) je polovodič, který má vysokou pohyblivost elektronů a vysokou rychlost elektronů než křemík. Může fungovat na velmi vysokých frekvencích.

PIN fotodiody GaAs se používají k detekci optických signálů při 850 nm. Má velkou aktivační oblast, která zajišťuje stabilní a citlivou odezvu. To lze také použít v optických telekomunikacích jako optické přijímače, v testovacích zařízeních atd. Fotodiody GaAs poskytují rychlou odezvu, nízký temný proud a vysokou spolehlivost.

Detektor PIN fotodiody

Fotodetektor slouží k převodu světelného signálu na elektrický signál, jejich zesílení a další zpracování. V systémech z optických vláken je fotodetektor nezbytným prvkem. Polovodičové fotodiody patří mezi nejpoužívanější detektory, protože nabízejí vynikající výkon, jsou malé velikosti a nízké náklady.

Příklad: fotodioda arsenidu gália, fotodioda arsenidu india galia, atd

PIN fotodioda v optické komunikaci

 Fotodetektory se živě používají v automobilovém průmyslu, lékařských zařízeních, bezpečnostních zařízeních, kamerách, průmyslu, astronomii a hlavně v komunikacích. K dispozici jsou dva odlišné fotoelektrické mechanismy pro fotodetekci:

1. Vnější efekt: Zkumavky PMT nebo fotonásobiče
2. Vnitřní efekt: PN přechodové fotodiody, PIN-fotodiody, lavinové fotodiody         

Princip fotodetekce:       

• Dochází k foteneraci dvojice elektronových děr
• Spojení PIN je předpjato
• V oblasti vyčerpání dochází k posunu nosiče
• Dvojice elektron-díra se pohybuje v opačném směru a způsobuje fotoproud

PIN Fotodiodový detektor záření | PIN fotodiodový gama detektor

PIN fotodiody jsou schopny detekovat jednotlivé fotony v gama záření. PIN fotodioda, komparátor a čtyři nízké šumy operační zesilovače se v tomto procesu používají společně.  

 Ve stavu obráceného zkreslení, když fotony narazí na oblast vyčerpání, produkují malý náboj přímo úměrný energii fotonů. Výsledný signál dostane zesílený a filtrovaný operačními zesilovači. Komparátor rozlišuje signál a šum. Konečný výstup komparátoru ukazuje vysoký puls pokaždé, když gama foton s minimální potřebnou energií dopadne na PIN fotodiodu.

Přijímač fotodiody PIN

Optické přijímače jsou zodpovědné za přeměnu optické na elektrickou energii. Nejdůležitějším prvkem optického přijímače je fotodioda.

Přijímač musí nejprve detekovat zkreslené a slabé signály a poté na základě zesílené verze tohoto signálu rozhodnout, který typ dat byl odeslán. Se signálem lze najít chyby pocházející z různých zdrojů. Signály by tedy měly být řízeny a zpracovávány s maximální přesností, protože zohlednění šumu je významným faktorem v konstrukci přijímače.

Křemíková PIN fotodioda

Křemíkové nebo Si PIN fotodiody mohou vyhovovat různým aplikacím. Díky struktuře PIN produkuje rychlou odezvu a vysokou kvantovou frekvenci pro detekci fotonů. Jsou schopné detekce světla v rozsahu 250 nm až 1.1 μm. Detekuje vysokoenergetické záření ve vysokých frekvencích. Šířka oblasti vyčerpání se pohybuje od 0.5 do 0.7 mm.

Si PIN fotodiodový detektor

Ve fotodiodách PIN se oblast vyčerpání téměř shoduje s vnitřní vrstvou. Ke generování nosiče náboje dochází v důsledku dopadajícího záření.

 Spolu se světelným zářením, gama zářením, X zářením, mohou také částice generovat nosiče náboje.

Když se fotony setkají s kovovým kontaktem diody, produkuje ve velkém počtu páry elektron-díra. Elektrody je shromažďují a generuje se signál. Dvojice elektronových děr, které jsou mobilnější, pomáhají přijímat snadno zjistitelné signály. Ty jsou následně zpracovány pomocí nízkošumového zesilovače a analyzátor detekuje množství záření z pulzů.

PIN fotodiodové pole

Fotodiodová pole se obecně používají v rentgenových přístrojích skenováním objektu v obraze řádek po řádku. Rentgenové paprsky se transformují do světla skrz scintilátorový krystal. Poté fotodioda měří intenzitu světla.

Vysokorychlostní PIN fotodioda

Vysokorychlostní PIN-fotodiody jsou preferovány pro jejich přesné spouštění proti síle signálu, zvýšené citlivosti, nízkému operačnímu napětí a vysoké šířce pásma.

Zesilovač fotodiody PIN

Operační zesilovače se používají se zpětnovazebním rezistorem k převodu fotoproudu na měřitelné napětí. Také se mu říká transimpedanční zesilovač.

Aplikace pinové fotodiody

PIN-fotodiody jsou jednou z nejpopulárnějších fotodiod, které mají různé vlastnosti, takže jsou vhodné pro různé aplikace. Kromě detekce fotografií se používá v DVD přehrávačích, CD mechanikách, přepínačích, lékařských ošetřeních a mnoha dalších.

• ‌ Vysokonapěťový usměrňovač: Vnitřní vrstva poskytuje větší oddělení mezi P a N oblastí, což umožňuje tolerovat vyšší reverzní napětí.

• ‌RF a DC řízené mikrovlnné spínače: Vnitřní vrstva zvětšuje vzdálenost mezi P a N vrstvami. Rovněž snižuje kapacitu, čímž zvyšuje izolaci ve stavu s předpětím.

• ‌Fotodetektor a fotovoltaické články: Konverzace Light to Current probíhá v oblasti vyčerpání. Jelikož je šířka vnitřní vrstvy větší, zlepšuje se výkon zachycování světla.

• ‌RF a variabilní tlumiče
• CircuitRF modulátorový obvod
• ‌MRI stroj

Výhody a nevýhody fotodiody PIN

Výhody fotodiody PIN

• ‌Má vysokou citlivost na světlo.
• SpeedRychlost odezvy je vysoká.
• ‌Jeho šířka pásma je široká.
• ‌Implementační náklady jsou nízké.
• ‌Vytváří nízký šum.
• Sensitivity Citlivost na teplotu je nízká.
• „Má malou velikost.
• OngDlouhodobá životnost lepší než standardní diody.

Nevýhody fotodiody PIN

• ‌Může být provozován pouze v opačném směru.
• AppliedPřipojené napětí musí být nízké.
• „Je citlivý na každý druh světla.
• Specifications Musí být zachovány specifikace teploty.

Nejčastější dotazy

Jaké je použití polární kapacity ve fotodetektoru PIN?

Polární kapacita znamená kondenzátor desky jsou elektrody s kladnou a zápornou polaritou. Ve fotodetektoru PIN působí vrstvy P a N jako elektrody, a protože šířka vrstvy vyčerpání je obrovská; hodnota kapacity je nízká. Díky nízké kapacitě se rychlost zlepšuje.

Jaká je výhoda PIN fotodiody?

Má vysokou citlivost, nízkou hlučnost, širokou šířku pásma, nízké náklady na implementaci. podrobné vysvětlení je v horní části.

Co znamená PIN fotodioda?

I v PIN fotodiodě znamená Vnitřní vrstvu.

Jaký je rozdíl mezi běžnou fotodiodou a PIN fotodiodou?

Díky zvýšené vnitřní vrstvě jsou PIN fotodiody schopné přenášet více proudu a také zlepšují frekvenční odezvu. Podrobné vysvětlení je v horní části.

Jaké jsou nevýhody fotodiody PIN?

Je vysoce citlivý na světlo a může dobře fungovat pouze v opačném zkreslení.

Co je to fotodioda a její symbol?

Fotodioda je polovodič, který převádí světelnou energii na elektrickou energii.

Co je to fotodiodové pole?

Jedná se o senzor používaný ve fotodetekci, spektrofotometrii atd.

Co se nejčastěji používá fotodioda?

Nejčastěji se používá fotodioda PIN fotodioda.

Další článek klikněte zde

Kaushikee Banerjee

Ahoj……já jsem Kaushikee Banerjee dokončil svůj magisterský titul v oboru elektronika a komunikace. Jsem nadšenec do elektroniky a v současnosti se věnuji oboru Elektronika a komunikace. Můj zájem spočívá v objevování špičkových technologií. Jsem nadšený student a pohrávám si s open-source elektronikou.