Apa Itu Fotodioda? (Bagian 1)

Fotodiodaadalah perangkat semikonduktor yang mengubah cahaya menjadi arus, dan antara lapisan p (positif) dan n (negatif), terdapat lapisan intrinsik. Fotodioda menerima energi cahaya sebagai input untuk menghasilkan arus listrik. Fotodioda juga dikenal sebagai fotodetektor, sensor fotolistrik atau detektor cahaya.

Fotodioda beroperasi dalam kondisi bias terbalik, yaitu sisi-P fotodioda dihubungkan ke elektroda negatif baterai (atau catu daya), dan sisi-N dihubungkan ke elektroda positif baterai. Bahan fotodioda tipikal adalah silikon, germanium, indium gallium arsenide phosphide, dan indium gallium arsenide.

Di dalam, fotodioda memiliki filter cahaya, lensa bawaan, dan luas permukaan. Ketika luas permukaan fotodioda bertambah, waktu respons berkurang. Sangat sedikit fotodioda yang terlihat seperti dioda pemancar cahaya (LED). Ini memiliki dua terminal, seperti yang ditunjukkan di bawah ini. Terminal yang lebih kecil berfungsi sebagai katoda dan terminal yang lebih panjang berfungsi sebagai anoda.

Simbol fotodioda mirip dengan simbol LED, tetapi panah menunjuk ke dalam, bukan ke luar pada LED. Gambar di bawah ini menunjukkan simbol fotodioda.

1. Prinsip fotodioda

Fotodioda bekerja dengan menciptakan sepasang lubang elektron ketika foton energik mengenai dioda. Mekanisme ini juga dikenal sebagai efek fotolistrik internal. Jika penyerapan terjadi di persimpangan daerah penipisan, pembawa dihilangkan dari persimpangan oleh medan listrik internal di daerah penipisan.

Biasanya, ketika cahaya menyinari persimpangan PN, ikatan kovalen terionisasi. Ini menciptakan lubang dan pasangan elektron. Arus foto dihasilkan karena generasi pasangan elektron-lubang. Ketika foton dengan energi lebih besar dari 1,1eV mengenai dioda, pasangan elektron-lubang terbentuk. Ketika foton memasuki daerah penipisan dioda, ia mengenai atom dengan energi tinggi. Ini menghasilkan pelepasan elektron dari struktur atom. Ketika elektron dilepaskan, elektron bebas dan lubang tercipta.

Secara umum, elektron memiliki muatan negatif dan lubang memiliki muatan positif. Energi yang terkuras akan memiliki medan listrik bawaan. Karena medan listrik ini, pasangan lubang elektron berada jauh dari sambungan PN. Dengan demikian, lubang bergerak menuju anoda dan elektron bergerak menuju katoda untuk menghasilkan arus foto.

Intensitas penyerapan foton dan energi foton sebanding satu sama lain. Semakin sedikit energi yang dimiliki foto, semakin banyak energi yang diserapnya. Seluruh proses ini disebut efek fotolistrik internal.

Eksitasi intrinsik dan eksitasi ekstrinsik adalah dua metode eksitasi foton. Proses eksitasi intrinsik terjadi ketika elektron pada pita valensi dieksitasi oleh foton ke pita konduksi.

2. Rangkaian kerja fotodioda

Fotodioda terutama bekerja dalam tiga mode berbeda, yaitu:

(1)Mode fotovoltaik

(2)Mode fotokonduktif

(3)Mode dioda Longsor

(1)Mode fotovoltaik

Mode ini juga disebut mode bias nol. Mode ini lebih disukai saat fotodioda beroperasi pada aplikasi frekuensi rendah dan aplikasi lampu tingkat energi super. Saat lampu kilat menyentuh fotodioda, itu menciptakan tegangan. Tegangan yang dihasilkan akan memiliki rentang dinamis yang sangat kecil dan akan memiliki karakteristik nonlinier. Ketika fotodioda dikonfigurasi dengan OP-AMP dalam mode ini, perubahan temperatur akan sangat kecil.

(2)Mode fotokonduktif

Dalam mode ini, fotodioda akan beroperasi pada kondisi bias mundur. Katoda positif dan anoda negatif. Saat tegangan balik meningkat, lebar lapisan penipisan juga meningkat. Akibatnya, waktu respons dan kapasitansi persimpangan akan berkurang. Sebaliknya, mode operasi ini cepat dan menimbulkan gangguan elektronik.

(3)Mode dioda Longsor

Dioda longsoran beroperasi di bawah kondisi bias balik yang tinggi, yang memungkinkan kerusakan longsoran untuk berlipat ganda ke setiap pasangan lubang elektron yang dihasilkan oleh listrik foto. Hasilnya adalah penguatan internal fotodioda, yang secara perlahan meningkatkan respons perangkat.

(4) Sirkuit fotodioda

Diagram rangkaian fotodioda ditunjukkan di bawah ini. Rangkaian dapat dibangun dengan resistor 10k dan fotodioda. Setelah fotodioda memperhatikan cahaya, ini memungkinkan arus melewatinya. Jumlah arus yang dipasok melalui dioda dapat sebanding dengan jumlah cahaya yang diamati melalui dioda.

3. Hubungkan fotodioda ke sirkuit eksternal

Fotodioda beroperasi dalam rangkaian bias balik. Anoda terhubung ke ground rangkaian dan katoda terhubung ke tegangan supply positif dari rangkaian. Ketika diterangi oleh cahaya, arus listrik mengalir dari katoda ke anoda.

Ketika fotodioda digunakan dengan sirkuit eksternal, mereka terhubung ke catu daya di sirkuit. Arus yang dihasilkan oleh photodiode akan sangat kecil. Nilai saat ini tidak cukup untuk menggerakkan perangkat elektronik. Oleh karena itu, ketika mereka terhubung ke catu daya eksternal, ini memberikan lebih banyak arus ke sirkuit. Jadi baterai digunakan sebagai sumber listrik. Sumber baterai membantu meningkatkan nilai saat ini, berkontribusi pada kinerja perangkat eksternal yang lebih baik.

4. Proses pembuatan fotodioda

Bahan fotodioda

Bahan fotodioda menentukan banyak karakteristiknya. Karakteristik utamanya adalah gelombang cahaya yang ditanggapi oleh fotodioda, dan yang lainnya adalah tingkat kebisingan, yang keduanya sangat bergantung pada bahan yang digunakan dalam fotodioda.

Respon yang berbeda terhadap panjang gelombang terjadi karena penggunaan bahan yang berbeda karena hanya foton dengan energi yang cukup untuk membangkitkan elektron di celah pita bahan yang menghasilkan energi yang signifikan untuk menghasilkan arus dari fotodioda.

Sementara sensitivitas panjang gelombang bahan sangat penting, parameter lain yang dapat berdampak signifikan terhadap kinerja fotodioda adalah tingkat kebisingan yang dihasilkan.

Karena celah pitanya yang lebih besar, fotodioda silikon menghasilkan lebih sedikit noise daripada fotodioda germanium. Namun, ada juga kebutuhan untuk mempertimbangkan panjang gelombang fotodioda yang diperlukan, dan fotodioda germanium harus digunakan untuk panjang gelombang yang lebih panjang dari sekitar 1000 nm.

Buka Bagian 2 untuk mempelajari lebih lanjut.

Kontak informasi:

Jika Anda punya ide, jangan ragu untuk berbicara dengan kami. Di mana pun pelanggan kami berada dan apa persyaratan kami, kami akan mengikuti tujuan kami untuk menyediakan pelanggan kami dengan kualitas tinggi, harga rendah, dan layanan terbaik.