Um fotodiodo é um Diodo de junção PN que consome energia da luz para produzir uma corrente elétrica. Às vezes também é chamado de fotodetector, detector de luz e fotossensor. Esses diodos são especialmente projetados para funcionar em condições de polarização reversa, o que significa que o lado P do fotodiodo está associado ao terminal negativo da bateria e o lado n está conectado ao terminal positivo da bateria. Este diodo é muito complexo para a luz, então quando a luz incide sobre o diodo, ele facilmente transforma a luz em corrente elétrica. A célula solar também é marcada como um fotodiodo de grande área porque converte energia solar em energia elétrica . Porém, a célula solar funciona apenas com luz forte.

O que é fotodiodo?

Um fotodiodo é um tipo de detector de luz, usado para converter a luz em corrente ou voltagem com base no modo de operação do dispositivo. É composto por filtros ópticos, lentes embutidas e também áreas de superfície. Esses diodos têm um tempo de resposta lento quando a área de superfície do fotodiodo aumenta. Os fotodiodos são semelhantes aos diodos semicondutores regulares, mas podem ser visíveis para permitir que a luz alcance a parte delicada do dispositivo. Vários diodos destinados a usar exatamente como um fotodiodo também usará uma junção PIN um pouco do que a junção PN usual.

Alguns fotodiodos parecerão um diodo emissor de luz . Eles têm dois terminais saindo do final. A extremidade menor do diodo é o terminal do cátodo, enquanto a extremidade mais longa do diodo é o terminal do ânodo. Veja o seguinte diagrama esquemático para os lados do ânodo e cátodo. Na condição de polarização direta, a corrente convencional fluirá do ânodo para o cátodo, seguindo a seta no símbolo do diodo. A fotocorrente flui na direção reversa.

Tipos de fotodiodo

Embora existam vários tipos de fotodiodo disponíveis no mercado e todos eles funcionem com os mesmos princípios básicos, alguns são aprimorados por outros efeitos. O funcionamento de diferentes tipos de fotodiodos funciona de uma maneira ligeiramente diferente, mas a operação básica desses diodos permanece a mesma. Os tipos de fotodiodos podem ser classificados com base em sua construção e funções como segue.

Fotodiodo PN
Schottky Photo Diode
Fotodiodo PIN
Fotodiodo Avalanche

Fotodiodo PN

O primeiro tipo de fotodiodo desenvolvido é o tipo PN. Em comparação com outros tipos, seu desempenho não é avançado, mas atualmente é utilizado em diversas aplicações. A fotodetecção ocorre principalmente na região de depleção do diodo. Este diodo é muito pequeno, mas sua sensibilidade não é grande em comparação com outros. Consulte este link para saber mais sobre o diodo PN.

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Fotodiodo PIN

Atualmente, o fotodiodo mais comumente usado é o tipo PIN. Este diodo reúne os fótons de luz de forma mais poderosa em comparação com o fotodiodo PN padrão porque a ampla área intrínseca entre as regiões P e N permite que mais luz seja coletada e, além disso, também oferece uma capacitância menor. Consulte este link para saber mais sobre o diodo PIN.

Fotodiodo Avalanche

Este tipo de diodo é usado em áreas de pouca luz devido aos seus altos níveis de ganho. Ele gera altos níveis de ruído. Portanto, essa tecnologia não é adequada para todas as aplicações. Consulte este link para saber mais sobre o diodo Avalanche.

Fotodiodo Schottky

O fotodiodo Schottky usa o diodo Schottky, e inclui uma pequena junção de diodo, ou seja, há uma pequena capacitância de junção, então, ele opera em altas velocidades. Portanto, esse tipo de fotodiodo é frequentemente utilizado em sistemas de comunicação óptica de alta largura de banda (BW), como links de fibra óptica. Consulte este link para saber mais sobre o diodo Schottky.

Cada tipo de fotodiodo tem suas próprias vantagens e desvantagens. A seleção deste diodo pode ser feita com base na aplicação. Os diferentes parâmetros a serem considerados ao selecionar o fotodiodo incluem principalmente ruído, comprimento de onda, restrições de polarização reversa, ganho, etc. Os parâmetros de desempenho do fotodiodo incluem responsividade, eficiência quântica, tempo de trânsito ou tempo de resposta.

Esses diodos são amplamente utilizados em aplicações onde a detecção da presença de luz, cor, posição e intensidade é necessária. As principais características desses diodos incluem o seguinte.

A linearidade do diodo é boa em relação à luz incidente
O ruído está baixo.
A resposta é ampla espectral
Robusto mecanicamente
Leve e compacto
Vida longa

Os materiais necessários para fazer um fotodiodo e a faixa de comprimento de onda do espectro eletromagnético incluem o seguinte

Para material de silício, a faixa de comprimento de onda do espectro eletromagnético será (190-1100) nm
Para material de germânio, a faixa de comprimento de onda do espectro eletromagnético será (400-1700) nm
Para o material de arseneto de índio e gálio, a faixa de comprimento de onda do espectro eletromagnético será (800-2600) nm
Para material de sulfeto de chumbo (II), a faixa de comprimento de onda do espectro eletromagnético será<1000-3500) nm
Para Mercúrio, material de telureto de cádmio, a faixa de comprimento de onda do espectro eletromagnético será (400-14000) nm

Devido ao seu melhor bandgap, os fotodiodos baseados em Si produzem menos ruído do que os fotodiodos baseados em Ge.

Construção

A construção do fotodiodo pode ser feita usando dois semicondutores como tipo P e tipo N. Neste projeto, a formação do material tipo P pode ser feita a partir da difusão do substrato tipo P que é levemente dopado. Assim, a camada de íons P + pode ser formada por causa do método de difusão. No substrato do tipo N, a camada epitaxial do tipo N pode crescer.

Construção de Fotodiodo

O desenvolvimento de uma camada de difusão P + pode ser feito sobre a camada epitaxial do tipo N fortemente dopada. Os contatos são projetados com metais para fazer dois terminais como ânodo e cátodo. A região frontal do diodo pode ser separada em dois tipos, como superfícies ativas e não ativas.

O desenho da superfície não ativa pode ser feito com dióxido de silício (SiO2). Em uma superfície ativa, os raios de luz podem incidir sobre ela, enquanto, em uma superfície não ativa, os raios de luz não podem incidir. E a superfície ativa pode ser coberta com o material de anti-reflexo, de modo que a energia da luz não se perca e a mais alta dela possa ser transformada em corrente.

Trabalho de fotodiodo

O princípio de funcionamento de um fotodiodo é, quando um fóton de ampla energia atinge o diodo, ele cria um par de buracos de elétrons. Esse mecanismo também é chamado de efeito fotoelétrico interno. Se a absorção surgir na junção da região de depleção, os portadores são removidos da junção pelo campo elétrico embutido na região de depleção.

Princípio de funcionamento do fotodiodo

Portanto, os buracos na região se movem em direção ao ânodo, e os elétrons se movem em direção ao cátodo, e uma fotocorrente será gerada. Toda a corrente que passa pelo diodo é a soma da ausência de luz e da fotocorrente. Portanto, a corrente ausente deve ser reduzida para maximizar a sensibilidade do dispositivo.

Modos de operação

Os modos de operação do fotodiodo incluem três modos, ou seja, modo fotovoltaico, modo fotocondutor, modo de diodo avalanche

Modo fotovoltaico: Este modo também é conhecido como modo de polarização zero, no qual uma tensão é produzida pelo fotodiodo iluminado. Ele fornece uma faixa dinâmica muito pequena e uma necessidade não linear da tensão formada.

Modo fotocondutor: O fotodiodo usado neste modo fotocondutor é mais comumente polarizado reverso. A aplicação de tensão reversa aumentará a largura da camada de depleção, o que por sua vez diminui o tempo de resposta e a capacitância da junção. Este modo é muito rápido e exibe ruído eletrônico

Modo de diodo de avalanche: Os diodos de avalanche operam em uma condição de polarização reversa alta, o que permite a multiplicação de uma avalanche para cada par elétron-buraco foto-produzido. Esse resultado é um ganho interno no fotodiodo, que aumenta lentamente a resposta do dispositivo.

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Por que o fotodiodo é operado em polarização reversa?

O fotodiodo opera no modo fotocondutor. Quando o diodo é conectado em polarização reversa, a largura da camada de depleção pode ser aumentada. Portanto, isso diminuirá a capacitância da junção e o tempo de resposta. Na verdade, essa polarização causará tempos de resposta mais rápidos para o diodo. Portanto, a relação entre fotocorrente e iluminância é linearmente proporcional.

Qual é o melhor fotodiodo ou fototransistor?

Tanto o fotodiodo quanto o fototransistor são usados para converter a energia da luz em elétrica. No entanto, o fototransistor é mais responsivo em comparação com o fotodiodo devido à utilização do transistor.

O transistor altera a corrente de base que causa devido à absorção de luz e, portanto, a enorme corrente de saída pode ser obtida em todo o terminal coletor do transistor. O tempo de resposta dos fotodiodos é muito rápido em comparação com o fototransistor. Portanto, é aplicável onde ocorre flutuação no circuito. Para melhor compreender, listamos aqui alguns pontos de fotodiodo vs fotoresistor.

Foto-diodo	Fototransistor
O dispositivo semicondutor que converte a energia da luz em corrente elétrica é conhecido como fotodiodo.	O fototransistor é usado para transformar a energia da luz em uma corrente elétrica usando o transistor.
Ele gera a corrente e a tensão	Gera corrente
O tempo de resposta é a velocidade	O tempo de resposta é lento
É menos responsivo em comparação com um fototransistor	É responsivo e gera uma grande corrente de o / p.
Este diodo funciona em ambas as condições de polarização	Este diodo funciona apenas na polarização direta.
É usado em um medidor de luz, usina de energia solar, etc.	É usado para detectar a luz

Circuito Fotodiodo

O diagrama do circuito do fotodiodo é mostrado abaixo. Este circuito pode ser construído com um resistor de 10k e fotodiodo. Uma vez que o fotodiodo percebe a luz, ele permite algum fluxo de corrente através dele. A soma da corrente que fornece através deste diodo pode ser diretamente proporcional à soma da luz percebida através do diodo.

Diagrama de circuito

Conectando um fotodiodo em um circuito externo

Em qualquer aplicação, o fotodiodo funciona no modo de polarização reversa. O terminal anódico do circuito pode ser conectado ao solo, enquanto o terminal catódico é conectado à fonte de alimentação. Depois de iluminado pela luz, a corrente flui do terminal catódico para o terminal anódico.

Uma vez que os fotodiodos são utilizados com circuitos externos, eles são aliados a uma fonte de energia dentro do circuito. Portanto, a quantidade de corrente gerada por meio de um fotodiodo será extremamente pequena, portanto este valor não é suficiente para fazer um dispositivo eletrônico.

Uma vez que eles estão conectados a uma fonte de alimentação externa, ele fornece mais corrente para o circuito. Neste circuito, a bateria é utilizada como fonte de alimentação para auxiliar no aumento do valor da corrente para que os dispositivos externos tenham um melhor desempenho.

Eficiência de fotodiodo

A eficiência quântica do fotodiodo pode ser definida como a divisão dos fótons absorvidos que doam para a fotocorrente. Para esses diodos, é abertamente associado com a responsividade 'S' sem efeito de uma avalanche, então a fotocorrente pode ser expressa como

I = S P = ηe / hv. P

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Onde,

‘Η’ é a eficiência quântica

'E' é a carga do elétron

‘Hν’ é a energia do fóton

A eficiência quântica dos fotodiodos é extremamente alta. Em alguns casos, estará acima de 95%, porém muda extensivamente ao longo do comprimento de onda. A alta eficiência quântica requer o controle dos reflexos além de uma alta eficiência interna como um revestimento anti-reflexo.

Responsividade

A responsividade de um fotodiodo é a razão da fotocorrente que é gerada, assim como a potência óptica absorvida pode ser determinada dentro da seção linear da resposta. Em fotodiodos, é normalmente máximo em uma área de comprimento de onda onde a energia do fóton é bastante maior do que a energia do bandgap e diminui dentro da região do bandgap onde a absorção se reduz.

O cálculo do fotodiodo pode ser feito com base na seguinte equação

R = η (e / hv)

Aqui, na equação acima, 'h ν' é a energia do fóton 'η' é a eficiência do quantum e 'e' a carga do elementar. Por exemplo, a eficiência quântica de um fotodiodo é 90% em um comprimento de onda de 800 nm, então a responsividade será 0,58 A / W.

Para fotomultiplicadores e fotodiodos de avalanche, existe um fator extra para a multiplicação da corrente interna, de forma que os valores possíveis sejam acima de 1 A / W. Geralmente, a multiplicação da corrente não está incluída na eficiência quântica.

Fotodiodo PIN x Fotodiodo PN

Ambos os fotodiodos como PN e PIN podem ser obtidos de diversos fornecedores. Uma seleção de fotodiodo é muito importante ao projetar um circuito com base no desempenho necessário, bem como nas características.
Um fotodiodo PN não funciona em polarização reversa e, consequentemente, é mais apropriado para aplicações de pouca luz para melhorar o desempenho do ruído.

O fotodiodo PIN que funciona em polarização reversa pode introduzir uma corrente de ruído para diminuir a relação S / R
Para as aplicações de alta faixa dinâmica, a polarização reversa dará um bom desempenho
Para aplicações de alto BW, a polarização reversa fornecerá um bom desempenho, como a capacitância entre as regiões de P & N e o armazenamento da capacidade de carga é pequeno.

Vantagens

O vantagens do fotodiodo inclui o seguinte.

Menos resistência
Velocidade de operação rápida e alta
Longa vida útil
Fotodetector mais rápido
A resposta espectral é boa
Não usa alta tensão
A resposta de frequência é boa
Sólido e leve
É extremamente sensível à luz
Corrente negra é borras
Alta eficiência quântica
Menos barulho

Desvantagens

O desvantagens do fotodiodo inclui o seguinte.

A estabilidade da temperatura é fraca
A mudança na corrente é extremamente pequena, portanto pode não ser suficiente para conduzir o circuito
A área ativa é pequena
O fotodiodo de junção PN usual inclui um alto tempo de resposta
Tem menos sensibilidade
Funciona principalmente dependendo da temperatura
Ele usa tensão de compensação

Aplicações de Fotodiodo

As aplicações de fotodiodos envolvem aplicações semelhantes de fotodetectores, como dispositivos de carga acoplada, fotocondutores e tubos fotomultiplicadores.
Esses diodos são usados em dispositivos eletrônicos de consumo como detectores de fumaça , leitores de discos compactos e televisores e controles remotos em videocassetes.
Em outros dispositivos de consumo, como rádios-relógios, medidores de luz de câmera e luzes de rua, os fotocondutores são usados com mais frequência do que os fotodiodos.
Os fotodiodos são freqüentemente usados para a medição exata da intensidade da luz na ciência e na indústria. Geralmente, eles têm uma resposta aprimorada e mais linear do que os fotocondutores.
Os fotodiodos também são amplamente usados em numerosas aplicações médicas como instrumentos para análise de amostras, detectores para tomografia computadorizada e também utilizados em monitores de gases do sangue.
Esses diodos são muito mais rápidos e mais complexos do que os diodos de junção PN normais e, portanto, são freqüentemente usados para regulação de iluminação e em comunicações ópticas.

Características V-I do fotodiodo

Um fotodiodo opera continuamente em modo de polarização reversa. As características do fotodiodo são mostradas claramente na figura a seguir, que a fotocorrente é quase independente da tensão de polarização reversa que é aplicada. Para luminância zero, a fotocorrente é quase zero, excluindo para pequena corrente escura. É da ordem de nano amperes. Conforme a potência óptica aumenta, a fotocorrente também aumenta linearmente. A fotocorrente máxima está incompleta pela dissipação de energia do fotodiodo.

Características

Portanto, tudo se trata de princípio de funcionamento do fotodiodo , características e aplicações. Dispositivos optoeletrônicos como fotodiodos estão disponíveis em diferentes tipos, que são usados em quase todos os dispositivos eletrônicos. Esses diodos são usados com fontes de luz IV, como néon, LED laser e fluorescente. Em comparação com outros diodos de detecção de luz, esses diodos não são caros. Esperamos que você tenha entendido melhor este conceito. Além disso, quaisquer dúvidas sobre este conceito ou para implementar projetos elétricos e eletrônicos para estudantes de engenharia . Por favor, dê suas sugestões valiosas, comentando na seção de comentários abaixo. Aqui está uma pergunta para você, qual a função de um fotodiodo ?

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