Jaké typy fotodiod existují?

Fotodioda je dioda optimalizovaná pro vytváření toku elektronů v reakci na ozáření ultrafialovým, viditelným nebo infračerveným světlem. K výrobě fotodiod se nejčastěji používá křemík; ačkoli lze použít jak germanium, tak arsenid galia. Spojení, kterým světlo vstupuje do polovodiče, musí být dostatečně tenké, aby umožnilo většině světla projít do aktivní oblasti (oblast vyčerpání), kde se světlo přemění na páry elektronů a děr.

Na obrázku níže, mělká difúze typu P v destičce typu N vytváří PN přechod blízko povrchu destičky. Vrstva typu P musí být tenká, aby propouštěla ​​co nejvíce světla. Silná difúze N+ na zadní straně waferu se dotýká metalizace. Vrchní metalizací pro velké články může být tenká kovová síťka na horní straně desky. U malých fotodiod může být horní kontakt jednoduše jeden drát, který vytváří přímý kontakt nahoře s křemíkem typu P.

Intenzita světla dopadajícího na horní povrch fotodiody exponenciálně klesá s rostoucí hloubkou. Tenká horní vrstva typu P umožňuje většině fotonů projít do oblasti vyčerpání, kde se tvoří páry elektron-díra. Elektrické pole přes oblast vyčerpání v důsledku vestavěného potenciálu diody způsobí posun elektronů do N-vrstvy a díry do P-vrstvy. Ve skutečnosti se páry elektron-díra mohou tvořit v jakékoli oblasti polovodiče. Avšak ty, které se tvoří v oblasti vyčerpání, budou pravděpodobně rozděleny do odpovídajících oblastí N a P. Mnoho párů elektron-díra vytvořených v P a N oblastech se rekombinuje. Málokdo to dělá v oblasti opotřebení. Několik párů elektron-díra v oblastech N a P a většina v oblasti vyčerpání tedy přispívá k fotoproudu, tj. proudu vyplývajícímu ze světla dopadajícího na fotodiodu.

Na svorkách fotodiody se může objevit napětí. Pracujte v tomto fotovoltaické režim ve velkém dynamickém rozsahu není lineární, i když je citlivý a má nízkou hladinu šumu při frekvencích nižších než 100 kHz. Nejčastěji preferované fotodioda režimu, protože proud je lineárně úměrný světelnému toku ve velkém rozsahu a lze dosáhnout vyšší frekvenční odezvy. Režim fotodiody je dosažen zpětným nebo nulovým předpětím fotodiody. V režimu fotodiody musí být ve spojení s fotodiodou použit proudový zesilovač. Linearity a chování fotodiody je dosaženo, pokud dioda není dopředně zatížena.

Fotodiody na rozdíl od solárních článků často vyžadují vysoké provozní rychlosti. Rychlost je funkcí kapacity diody, kterou lze minimalizovat zmenšením plochy článku. Snímač pro vysokorychlostní spojení z optických vláken tedy použije plochu nepřesahující požadovanou plochu, například 1 mm2. Kapacita může být také snížena zvýšením tloušťky oblasti vyčerpání nebo zvýšením zpětného předpětí diody.

PIN diodapin dioda nebo PIN dioda je fotodioda s vnitřní vrstvou vlastního polovodiče mezi oblastmi P a N, jak je znázorněno na obrázku níže. Struktura P–I(vlastní)-N zvětšuje vzdálenost mezi vodivými vrstvami typu P a N, snižuje kapacitu a zvyšuje rychlost. Objem fotosenzitivní oblasti se také zvětší, čímž se zvýší účinnost konverze. Šířka pásma může dosahovat desítek gigahertzů. PIN fotodiody jsou preferovány tam, kde je požadována vysoká citlivost a vysoká rychlost za mírnou cenu.

Lavinová fotodioda.Lavinová fotodioda (APD), navržený tak, aby fungoval při vysokém zpětném předpětí, vykazuje efekt elektronového multiplikátoru podobný fotonásobiče. Reverzní předpětí se může pohybovat od desítek voltů do téměř 2000 voltů. Vysoká úroveň zpětného zkreslení urychluje vytváření párů elektron-díra v oblasti vnitřního polovodiče na vysokou rychlost dostatečnou k uvolnění dalších nosičů náboje v důsledku srážek s krystalovou mřížkou. Výsledkem je tedy mnoho elektronů na foton. Účelem použití lavinových fotodiod je dosáhnout zesílení uvnitř fotodiody pro překonání úrovní šumu v externích zesilovačích. Do určité míry se tento cíl daří naplňovat. Lavinová fotodioda však vytváří svůj vlastní šum. Při vysokých rychlostech předčí lavinová fotodioda kombinaci PIN fotodiody a zesilovače, i když v nízkorychlostních aplikacích tomu tak není. Lavinové fotodiody jsou drahé, přibližně stejně jako fotonásobič. Konkurují tedy pouze PIN fotodiodám ve specializovaných aplikacích. Jednou z takových aplikací je jednofotonové počítání, jak je aplikováno v jaderné fyzice.