O que é um fotodiodo? (Parte 2)

Os seguintes problemas podem ser resolvidos usandoFoto-diodoou Fototransistor. Por exemplo, a câmera do telefone precisa medir a luz ambiente para determinar se o flash precisa ser ativado. Como avaliar de forma não invasiva os níveis de oxigênio no sangue? Esses dispositivos optoeletrônicos convertem luz (fótons) em sinais elétricos que um microprocessador (ou microcontrolador) pode "ver". Dessa forma, é possível controlar o posicionamento e disposição dos objetos, determinar a intensidade da luz e medir as propriedades físicas do material a partir de sua interação com a luz.

Agora vamos falar sobre a segunda parte.

1. Estrutura do fotodiodo

Um dos principais requisitos para um fotodiodo é uma área adequada para a coleta de luz. Dentro de uma junção PN padrão, isso é relativamente pequeno, mas a área pode ser aumentada usando um diodo PIN. Como a região intrínseca está contida na junção ativa usada para coleta de luz, a região usada para coleta de luz é muito maior, tornando o fotodiodo PIN mais eficiente.

No processo de fabricação do fotodiodo, camadas intrínsecas espessas são inseridas entre as camadas do tipo P e do tipo N. A camada própria intermediária pode ser completamente própria ou levemente dopada para torná-la uma N-camada. Em alguns casos, pode crescer no substrato como uma camada epitaxial ou pode estar contido no próprio substrato.

A camada de difusão P mais pode ser desenvolvida em uma camada epitaxial do tipo N fortemente dopada. O contato é feito de design de metal e pode ser feito em dois terminais, como um ânodo e um cátodo. A área frontal do diodo pode ser dividida em dois tipos, como superfície ativa e superfície passiva.

O desenho da superfície inativa pode ser feito com dióxido de silício (SiO2). Em uma superfície ativa, a luz pode incidir sobre ela, enquanto em uma superfície inativa, a luz não pode incidir. Ao cobrir a superfície ativa com um material antirreflexo, a energia da luz não é perdida e o máximo pode ser convertido em corrente elétrica.

Um dos principais requisitos de um fotodiodo é garantir que a quantidade máxima de luz atinja a camada intrínseca. Uma das formas mais eficientes de conseguir isso é colocar os contatos elétricos na lateral do aparelho, conforme mostra a imagem. Isso permite que a quantidade máxima de luz alcance a região efetiva. Verificou-se que, como o substrato é fortemente dopado, quase não há perda de luz, pois essa não é uma região ativa.

Como a luz é absorvida principalmente a uma certa distância, a espessura da camada intrínseca geralmente corresponde a isso. Qualquer aumento nessa espessura reduzirá a velocidade de operação - um fator importante em muitas aplicações - e não aumentará muito a eficiência.

A luz também pode entrar no fotodiodo de um lado da junção. Ao operar o fotodiodo desta forma, menos camadas intrínsecas podem ser feitas para aumentar a velocidade de operação, embora com eficiência reduzida.

Em alguns casos, heterojunções podem ser usadas. Essa forma de construção tem a flexibilidade adicional de receber luz do substrato e possui um gap de energia maior, tornando-o transparente à luz.

Como um processo menos padronizado, é mais caro de implementar e, portanto, tende a ser usado para produtos mais especializados.

2. Características do fotodiodo

(1) características volt-ampère

Refere-se à relação entre a fotocorrente no fotodiodo e a tensão aplicada a ele.

(2) Características de iluminação

Refere-se à relação entre o fluxo luminoso e a fotocorrente quando a tensão do fotodiodo entre o cátodo e o ânodo é constante. A inclinação da curva característica da luz é chamada de sensibilidade do fotodiodo.

(3) Características espectrais

A relação entre a fotocorrente e o comprimento de onda da luz incidente é chamada de propriedade espectral. A energia do fóton está relacionada ao comprimento de onda da luz: quanto maior o comprimento de onda, menor a energia do fóton; Quanto menor o comprimento de onda, mais energético o fóton.

3. Função do fotodiodo

(1) Controle de luz

O fotodiodo pode ser usado como um interruptor fotoelétrico, e seu circuito é mostrado na figura a seguir. Quando não há luz, o fotodiodo VD1 é cortado devido à tensão reversa. Os transistores VT1 e VT2 também são cortados sem corrente de base. O relé está no estado de liberação.

Quando a luz é emitida em VD1, ela transita de corte para condução. Como resultado, VT1 e VT2 ligam sucessivamente, o relé K puxa e o circuito de controle é ligado.

(2) recepção de sinal óptico

Fotodiodos podem ser usados ​​para receber sinais de luz. A figura a seguir mostra o circuito de fotodiodo de amplificação de recepção de sinal óptico. O sinal de luz é recebido pelo fotodiodo VD, amplificado por VT e emitido pelo capacitor de acoplamento C.

4. Aplicações de fotodiodo

(1) Fotocélula

A fotocélula é essencialmente uma grande área da junção PN. Quando a luz é emitida em uma superfície de junção PN, como a superfície da região P, cada fóton na região P produz um par elétron-buraco livre se a energia do fóton for maior que a largura de banda do material semicondutor.

O par elétron-buraco se difunde rapidamente para dentro e forma uma força eletromotriz relacionada à intensidade da luz sob o campo elétrico da junção. Neste momento, se o usarmos como fonte de alimentação e o ligarmos a um circuito externo, enquanto houver luz, continuará a fornecer energia, que é uma fotocélula. Em outras palavras, a fotocélula é um dispositivo fotoelétrico de junção PN sem tensão de polarização. Ele pode converter diretamente a energia da luz em eletricidade.

(2) Células solares

Uma célula solar é um dispositivo semicondutor. Quando a luz solar atinge um semicondutor, parte dela é refletida e o restante é absorvido ou penetra no semicondutor. Parte da luz absorvida se torna calor, enquanto outros fótons colidem com os elétrons de valência que compõem o semicondutor, criando pares elétron-buraco. Desta forma, a energia luminosa é convertida em eletricidade.

Portanto, depois que a luz solar é irradiada, as duas extremidades da célula solar irão gerar tensão DC, convertendo assim a energia solar diretamente em corrente DC. Se soldarmos os condutores de metal às camadas P e N e conectarmos a carga, a corrente fluirá pelo circuito externo.

Desta forma, se conectarmos a série de fotocélulas em paralelo, uma certa tensão e corrente podem ser geradas para a potência de saída.

(3) sistema de iluminação fotovoltaica

Um sistema de geração de energia fotovoltaica é um sistema de geração de energia que usa células solares para converter energia solar em eletricidade. Ele usa o efeito fotovoltaico.

Os principais componentes são células solares, baterias, controladores e inversores. Alta confiabilidade, longa vida útil, sem poluição, geração de energia independente, operação conectada à rede de fotodiodo.

Como o modo fotovoltaico do fotodiodo é muito afetado por fatores ambientais externos, como luz e temperatura, o ponto de operação muda rapidamente. Existem sistemas de geração de energia independentes e sistemas de geração de energia conectados à rede.

① Sistema de geração de energia fotovoltaica independente

Um sistema independente de geração de energia fotovoltaica é um método de geração de energia que não está conectado à rede. Precisa de baterias para armazenar energia durante a noite. A geração independente de energia solar fotovoltaica é usada principalmente em vilas e residências remotas

Diagrama de estrutura do sistema gerador de volts

② sistema de geração de energia fotovoltaica conectado à rede

O sistema de geração de energia fotovoltaica conectado à rede é conectado à rede nacional para fornecer energia à rede. Não precisa de baterias. Os sistemas residenciais de geração de energia fotovoltaica são, em sua maioria, domésticos. Eles também são usados ​​em serviços públicos, sistemas de iluminação noturna de paisagem e fazendas solares.

(4) Outras aplicações de fotodiodos são:

•Um fotodiodo é usado como um sensor de luz. Como a corrente nele é proporcional à intensidade da luz, também é usado para medir a intensidade da luz.

•Os fotodiodos em detectores de fumaça podem ser usados ​​para detectar fumaça e fogo.

• Fotodiodos e LEDs são combinados para fazer isoladores ópticos e acopladores ópticos

• Usado como uma célula solar em painéis solares

• Usado para um leitor de código de barras, reconhecimento de caracteres

• Para sistemas de detecção de obstáculos,

•Pode ser usado como presença de página e contador de páginas em impressoras

• Para detecção de proximidade, um oxímetro

•Também é usado para codificadores e decodificadores ópticos

• Transmissão de informações ópticas, com base na comunicação de fibra óptica

•Sensor de posição

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