Fotodioda

Obr. 1: Schematická značka

Fotodioda vychází z principu, že polovodičové detektory optického záření ke své činnosti využívá vlastnosti PN přechodu, případně usměrňující přechod kov-polovodič. Je-li PN přechod upraven tak, aby na něj mohlo dopadat optické záření, je možné takto upravenou diodu využít jako fotocitlivou součástku.

Často používanými polovodičovými materiály jsou křemík (Si), gallium arsenid (GaAs), antimonid india (InSb), arsenid india (InAs) a další. Tyto materiály absorbují světelné záření v rozsahu např. 250 nm až 1100 nm – křemík, 800 nm až 2μm GaAs.

Jak je známo, dojde po vytvoření přechodu PN k difúzi děr z oblasti typu P do oblasti typu N a elektronů z oblasti typu N do oblasti typu P.

V okolí PN přechodu tak vznikne úzká oblast, která se nazývá ochuzená a v oblasti přechodu se projevuje vznikem vnitřního elektrického napětí, což způsobuje vytvoření elektrického pole. Maximum intenzity elektrického pole je na přechodu PN, vně ochuzené vrstvy elektrické pole neexistuje. Připojíme-li k diodě zdroj napětí polarizovaný v závěrném směru, ochuzená vrstva se rozšíří. Tloušťka ochuzené vrstvy má velký význam pro činnost fotodiody.

Dokud na polovodičový materiál nedopadá optické záření, dochází k excitaci elektronů do vodivostního pásu pouze v důsledku tepelné energie.

Po osvětlení získávají elektrony vyšší energii. Jestliže je energie fotonu dostatečná k překonání zakázaného pásu, přechází elektron do vodivostního pásu a ponechává na původním místě díru. Vzniká tak pár elektron-díra.

Absorbce optického záření závisí na vlnové délce. Optické záření o krátké vlnové délce je absorbováno v tenké povrchové vrstvě diody (její tloušťka je 1μm nebo menší), pro větší vlnové délky se polovodičový materiál stává průhledným (křemík se stává průhledným pro vlnové délky větší než 120 nm).

Zásluhou vnitřního elektrického pole v okolí PN přechodu jsou elektrony a díry vzniklé působením optického záření odděleny takovým způsobem, že elektrony přejdou do oblasti typu N a díry do oblasti typu P. Vznikne tak na každé straně PN přechodu elektrický náboj, který je možné na vývodech fotodiody detekovat.

Tento přesun elektrických nábojů se nazývá vnitřní „fotovoltaický jev“. Účelem fotodiody je převést nosiče náboje vzniklé působením optického záření na její elektrody předtím, než budou mít možnost rekombinovat.

Generované nosiče náboje mají omezený čas života (než se vrátí na původní energetickou úroveň). Pravděpodobnost toho, že se dostanou do ochuzené vrstvy, je závislá na místě, kde došlo k jejich vybuzení. Příčinou toho je závislost citlivosti fotodiody na vlnové délce optického záření.

Fotovoltaický jev = vybuzení páru elektron (-) díra (+) a přesun nosičů náboje do oblastí s odpovídajícími typy vodivostí.

Uspořádání fotodiody

Obr. 2: Fotodioda firmy Osram

Obrázek znázorňuje vzhled křemíkové fotodiody. V horní části je průhledná antireflexní vrstva, následuje vrstva s vodivostí typu P a oblast s vodivostí typu N. Plocha velmi tenké průhledné oblasti s vodivostí typu P určuje velikost aktivní oblasti fotodiody. Aktivní oblast je pokryta antireflexní vrstvou, která v rozsahu požadovaných vlnových délek omezuje odraz optického záření od povrchu fotodiody. Tloušťka antireflexní vrstvy je optimalizována pro žádanou citlivost na různé vlnové délky optického záření.

Na čelní ploše fotodiody je umístěn malý kontakt anody, na celou spodní stranu diody je nanesena kontaktní kovová vrstva katody.

Optické charakteristiky fotodiody

Citlivost fotodiody

Citlivost fotodiody na optické záření je udávána jako poměr výstupního proudu fotodiody I_f a přijímané světelné energie P (ve Wattech). Světelná energie je obvykle měřena ve W/cm² a proud fotodiody v A/cm². Protože se při vytváření poměru cm² vykrátí, bude mít výsledný vztah rozměr 〔A/W〕.

   [A .W^-1 ; A; W]

Obr. 1 z předchozí kapitoly ukazuje průběh spektrální charakteristiky Si fotodiody. Křemík je průhledný do vlnové délky přibližně 1100 nm. Proto není vhodné používat tyto diody pro délky delší. Spektrální charakteristika je ovlivněna vrstvou antireflexního povrchového povlaku. Spektrální citlivost je v oblasti malých vlnových délek redukována na délky delší než 300 nm.

Z charakteristiky je zřejmé, že křemíková fotodioda má největší citlivost k maximální velikosti použitelné vlnové délky. Dioda vyrobená z InGaAs je určena pro pásmo infračervených vlnových délek NIR v rozsahu 1μm až 2,5 μm, s výhodou ji lze použít pro spojení s optickým vláknem, které má v daném rozsahu vlnových délek nejmenší útlum.

Diodu je možné použít např. pro aplikace v různých typech optoelektronických senzorů, jako jsou nedestruktivní kontrola materiálů, měření vlhkosti, biomedicínské senzory, chemické aplikace, monitorování znečištění apod.

Citlivost fotodiody je pro malou intenzitu optického záření omezena velikostí šumových napětí, při velkých intenzitách optického záření saturační úrovní, nad kterou změny osvětlení mají malý vliv na proud fotodiody.

V-A charakteristiky fotodiody

V-A charakteristika neosvětlené fotodiody je podobná charakteristice usměrňovací diody (viz obr. 3).

Obr. 3: V-A charakteristika fotodiody

Při osvětlení se v závislosti na intenzitě osvětlení charakteristika posune směrem k záporným hodnotám proudu. To, že charakteristika neprochází počátkem a vykazuje proud I_R v závěrném směru, je způsobeno pohybem nosičů náboje vytvořených dopadem světla.

Intenzita osvětlení fotodiody může být udávána v luxech, častěji je udávána ve Wattech /cm².

Principiální zapojení s fotodiodou

Z V-A charakteristiky (obr. 3) je vidět, že fotodioda může pracovat v I., III. a ve IV. kvadrantu, z čehož vyplývají dva základní režimy činnosti:

• odporový (fotovodivostní), kdy se chová jako spotřebič v obvodu napájeném vnějším zdrojem napětí;

• hradlový (fotovoltaický), kdy dodává proud do připojené zátěže.

Při konstrukci zařízení s fotodiodami je nutné dbát na to, aby napětí v závěrném směru nepřekročilo výrobcem stanovenou maximální hodnotu.

Fotovoltaický (hradlový) režim

Ve fotovoltaickém (hradlovém) režimu pracuje fotodioda FD ve IV. kvadrantu V-A charakteristiky. V tomto režimu pracuje dioda jako zdroj elektrické energie.

Obr. 4: Fotodioda - fotovoltaický rezim

Je-li dioda zatížena rezistorem R, intenzita osvětlení je dostatečná, bude dioda dodávat elektrickou energii a rezistorem R_Z bude protékat proud.

Tento režim je využíván např. u solárních baterií, které jsou vytvořeny soustavami velkoplošných fotodiod. Jejich účinnost se pohybuje málo nad 15%.

Odporový (fotovodivostní režim)

V odporovém režimu je pomocí rezistoru měřen proud protékající fotodiodou, když je připojen zdroj napětí v závěrném směru.

Obr. 5: Fotodioda – fotovodivostní režim

Zapojení fotodiody pro odporový režim je znázorněno na obrázku 5. V tomto režimu je na diodu zapojenou v sérii se zatěžovacím rezistorem připojen v závěrném směru zdroj napájecího napětí U_CC.

Při osvětlení takové intenzity, že dioda pracuje ve III. kvadrantu,  platí, že U_R + U_D = U_N.

Při zvětšení osvětlení pracuje dioda ve IV. kvadrantu a napětí na zatěžovacím odporu má velikost U_R = U_N + U_D.

Dopadající fotony generují volné elektrony a díry jako v případě fotovoltaického režimu. V odporovém režimu je z důvodu závěrné polarizace na PN přechodu vyšší intenzita elektrického pole, ochuzená oblast je širší, a proto generované volné elektrony driftují vyšší rychlostí ke kontaktu katody, zatímco díry ke kontaktu anody. S rostoucí rychlostí nosičů se zvyšuje přenosová rychlost fotodiody.

Základní vlastnosti zapojení fotodiody ve fotovodivostním režimu:

• rychlá odezva na změnu osvětlení;

• velký poměrný rozsah výstupního signálu.

Vzhledem k těmto vlastnostem je v obvodech sloužících k měření a detekci optického záření používán tento princip zapojení.

Fotodioda PIN

Nedostatky PN fotodiody spočívají v tom, že šířka ochuzené vrstvy (aktivní oblast detekce optického záření) je malá. Mnoho párů elektron-díra předtím, než mohou v připojeném obvodu vytvořit elektrický proud, rekombinuje. Širší ochuzená oblast snižuje pravděpodobnost rekombinací nosičů náboje, zvyšuje se tím účinnost fotodiody.

V PIN fotodiodě je vytvářena šířka ochuzené vrstvy podle potřeby.

Princip uspořádání PIN diody spočívá v tom, že mezi silně dotované vrstvy typu P a N s velkou vodivostí je vložena slabě dotovaná vrstva, která má velmi malou vodivost téměř na úrovni vodivosti nedotovaného polovodiče (měrný odpor této oblasti je mnohonásobně větší než měrný odpor dotované oblasti). Tuto vrstvu lze chápat jako jistou formu „izolace“. Odtud pochází název diody – PIN. V této oblasti je silné, rovnoměrně rozložené elektrické pole, které zvyšuje rychlost nosičů náboje a tím i mezní kmitočet diody. Velmi rychlé PIN diody mohou pracovat na kmitočtech větších než 100 GHz.

Zdroje

• KOUTNÝ, Jaroslav a Ivo VLK. Elektronika I učebnice.  VYTVOŘENO V RÁMCI PROJEKTU: DIGITÁLNÍ ŠKOLA: ICT VE VÝUCE TECHNICKÝCH PŘEDMĚTŮ, REG. Č. CZ.1.07/1.1.04/01.0137, Vyšší odborná škola a Střední průmyslová škola elektrotechnická, Olomouc 2009

Obrázky

• Obr. 1: KOUTNÝ, Jaroslav a Ivo VLK. Schematická značka, Elektronika I učebnice.  VYTVOŘENO V RÁMCI PROJEKTU: DIGITÁLNÍ ŠKOLA: ICT VE VÝUCE TECHNICKÝCH PŘEDMĚTŮ, REG. Č. CZ.1.07/1.1.04/01.0137, Vyšší odborná škola a Střední průmyslová škola elektrotechnická, Olomouc 2009
• Obr. 2: KOUTNÝ, Jaroslav a Ivo VLK. Fotodioda firmy Osram, Elektronika I učebnice.  VYTVOŘENO V RÁMCI PROJEKTU: DIGITÁLNÍ ŠKOLA: ICT VE VÝUCE TECHNICKÝCH PŘEDMĚTŮ, REG. Č. CZ.1.07/1.1.04/01.0137, Vyšší odborná škola a Střední průmyslová škola elektrotechnická, Olomouc 2009
• Obr. 3: HAVLÍČEK, Tomáš. skriptum.wz.cz. [online]. [cit. 2015-07-10]. Dostupné z: http://skriptum.wz.cz/elektro/Fotoel.htm
• Obr. 4: KOUTNÝ, Jaroslav a Ivo VLK. Fotodioda - fotovoltaický rezim, Elektronika I učebnice.  VYTVOŘENO V RÁMCI PROJEKTU: DIGITÁLNÍ ŠKOLA: ICT VE VÝUCE TECHNICKÝCH PŘEDMĚTŮ, REG. Č. CZ.1.07/1.1.04/01.0137, Vyšší odborná škola a Střední průmyslová škola elektrotechnická, Olomouc 2009
• Obr. 5: KOUTNÝ, Jaroslav a Ivo VLK. Fotodioda – fotovodivostní režim, Elektronika I učebnice.  VYTVOŘENO V RÁMCI PROJEKTU: DIGITÁLNÍ ŠKOLA: ICT VE VÝUCE TECHNICKÝCH PŘEDMĚTŮ, REG. Č. CZ.1.07/1.1.04/01.0137, Vyšší odborná škola a Střední průmyslová škola elektrotechnická, Olomouc 2009