포토 다이오드 란 무엇인가 : 작동 원리 및 특성

포토 다이오드 란 무엇인가 : 작동 원리 및 특성

포토 다이오드는 PN 접합 다이오드 빛 에너지를 소비하여 전류를 생성합니다. 때로는 광 검출기, 광 검출기 및 광 센서라고도합니다. 이 다이오드는 특히 역 바이어스 조건에서 작동하도록 설계되었습니다. 즉, 포토 다이오드의 P 측이 배터리의 음극 단자와 연결되고 n 측이 배터리의 양극 단자에 연결된다는 의미입니다. 이 다이오드는 빛이 매우 복잡하여 빛이 다이오드에 떨어지면 빛을 전류로 쉽게 변화시킵니다. 태양 전지는 또한 대 면적 포토 다이오드로 브랜드화됩니다. 태양 에너지를 전기 에너지로 변환 . 그러나 태양 전지는 밝은 빛에서만 작동합니다.



포토 다이오드 란?

포토 다이오드는 장치의 작동 모드에 따라 빛을 전류 또는 전압으로 변환하는 데 사용되는 빛 감지기의 한 유형입니다. 광학 필터, 내장 렌즈 및 표면 영역으로 구성됩니다. 이러한 다이오드는 포토 다이오드의 표면적이 증가 할 때 응답 시간이 느립니다. 포토 다이오드는 일반 반도체 다이오드와 비슷하지만 빛이 장치의 섬세한 부분에 도달하도록 가시적으로 보일 수 있습니다. 다음을위한 여러 다이오드 포토 다이오드로 정확히 사용하면 일반적인 PN 접합보다 다소 PIN 접합을 사용합니다.


일부 포토 다이오드는 다음과 같습니다. 발광 다이오드 . 그들은 끝에서 오는 두 개의 터미널이 있습니다. 다이오드의 더 작은 끝은 음극 단자이고 다이오드의 긴 끝은 양극 단자입니다. 양극 및 음극 측면은 다음 회로도를 참조하십시오. 순방향 바이어스 조건에서 기존 전류는 다이오드 기호의 화살표를 따라 양극에서 음극으로 흐릅니다. 광전류는 역방향으로 흐릅니다.





포토 다이오드의 종류

시장에는 수많은 유형의 포토 다이오드가 있으며 모두 동일한 기본 원리로 작동하지만 일부는 다른 효과에 의해 개선됩니다. 서로 다른 유형의 포토 다이오드의 작동은 약간 다른 방식으로 작동하지만 이러한 다이오드의 기본 작동은 동일하게 유지됩니다. 포토 다이오드의 종류는 구조와 기능에 따라 다음과 같이 분류 할 수 있습니다.

PN 포토 다이오드

최초로 개발 된 포토 다이오드 유형은 PN 유형입니다. 다른 유형과 비교할 때 성능이 뛰어나지는 않지만 현재 여러 응용 프로그램에서 사용됩니다. 광 검출은 주로 다이오드의 공핍 영역에서 발생합니다. 이 다이오드는 매우 작지만 감도는 다른 다이오드에 비해 크지 않습니다. PN 다이오드에 대한 자세한 내용은이 링크를 참조하십시오.



PIN 포토 다이오드

현재 가장 일반적으로 사용되는 포토 다이오드는 PIN 유형입니다. 이 다이오드는 P 영역과 N 영역 사이의 넓은 고유 영역이 더 많은 빛을 수집 할 수 있도록하고이 외에도 더 낮은 커패시턴스를 제공하기 때문에 표준 PN 포토 다이오드에 비해 더 강력하게 빛 광자를 수집합니다. PIN 다이오드에 대한 자세한 내용은이 링크를 참조하십시오.


눈사태 포토 다이오드

이러한 종류의 다이오드는 높은 이득 레벨로 인해 저조도 영역에서 사용됩니다. 그것은 높은 수준의 소음을 생성합니다. 따라서이 기술은 모든 애플리케이션에 적합하지 않습니다. Avalanche 다이오드에 대한 자세한 내용은이 링크를 참조하십시오.

쇼트 키 포토 다이오드

쇼트 키 포토 다이오드는 쇼트 키 다이오드를 사용하며 작은 다이오드 접합을 포함하고있어 접합 커패시턴스가 작아 고속으로 동작합니다. 따라서 이러한 종류의 포토 다이오드는 광섬유 링크와 같은 고 대역폭 (BW) 광통신 시스템에서 자주 사용됩니다. 쇼트 키 다이오드에 대한 자세한 내용은이 링크를 참조하십시오.

각 유형의 포토 다이오드에는 고유 한 장점과 단점이 있습니다. 이 다이오드는 애플리케이션에 따라 선택할 수 있습니다. 포토 다이오드를 선택하는 동안 고려해야 할 다른 매개 변수에는 주로 노이즈, 파장, 역방향 바이어스 제약, 이득 등이 포함됩니다. 포토 다이오드의 성능 매개 변수에는 응답 성, 양자 효율, 전송 시간 또는 응답 시간이 포함됩니다.

이 다이오드는 빛, 색상, 위치, 강도의 존재를 감지해야하는 응용 분야에서 널리 사용됩니다. 이 다이오드의 주요 기능은 다음과 같습니다.

  • 다이오드의 선형성은 입사광에 대해 우수합니다.
  • 소음이 적습니다.
  • 응답은 넓은 스펙트럼입니다
  • 기계적으로 견고 함
  • 가볍고 컴팩트
  • 장수

포토 다이오드를 만드는 데 필요한 재료와 전자기 스펙트럼 파장 범위의 범위는 다음과 같습니다.

  • 실리콘 재료의 경우 전자기 스펙트럼 파장 범위는 (190-1100) nm입니다.
  • 게르마늄 재료의 경우 전자기 스펙트럼 파장 범위는 (400-1700) nm입니다.
  • 인듐 갈륨 비소 물질의 경우 전자기 스펙트럼 파장 범위는 (800-2600) nm입니다.
  • 납 (II) 황화물 재료의 경우 전자기 스펙트럼 파장 범위는<1000-3500) nm
  • 수은, 카드뮴 텔루 라이드 재료의 경우 전자기 스펙트럼 파장 범위는 (400-14000) nm입니다.

더 나은 밴드 갭으로 인해 Si 기반 포토 다이오드는 Ge 기반 포토 다이오드보다 노이즈가 적습니다.

구성

포토 다이오드 구성은 P 형과 N 형과 같은 두 가지 반도체를 사용하여 수행 할 수 있습니다. 이 설계에서 P 형 물질의 형성은 가볍게 도핑 된 P 형 기판의 확산으로부터 수행 될 수 있습니다. 따라서 확산 방식으로 인해 P + 이온층을 형성 할 수 있습니다. N 형 기판 상에 N 형 에피 택 셜층을 성장시킬 수있다.

포토 다이오드 구조

포토 다이오드 구조

P + 확산 층의 개발은 고농도로 도핑 된 N 형 에피 택셜 층 위에 수행 될 수 있습니다. 접점은 양극 및 음극과 같은 두 개의 단자를 만들기 위해 금속으로 설계되었습니다. 다이오드의 전면 영역은 활성 및 비활성 표면과 같은 두 가지 유형으로 구분할 수 있습니다.

비활성 표면의 설계는 이산화 규소 (SiO2)로 수행 할 수 있습니다. 활성 표면에서는 광선이 그 위에 비칠 수있는 반면 비활성 표면에서는 광선이 비칠 수 없습니다. & 반사 방지 물질로 활성 표면을 덮을 수 있으므로 빛의 에너지가 손실되지 않고 가장 높은 에너지가 전류로 바뀔 수 있습니다.

포토 다이오드의 작동

광 다이오드의 작동 원리는 충분한 에너지의 광자가 다이오드에 부딪히면 두 개의 전자 구멍을 만드는 것입니다. 이 메커니즘은 내부 광전 효과라고도합니다. 공핍 영역 접합에서 흡수가 발생하면 공핍 영역의 내장 된 전기장에 의해 캐리어가 접합에서 제거됩니다.

포토 다이오드 작동 원리

포토 다이오드 작동 원리

따라서 해당 영역의 정공은 양극쪽으로 이동하고 전자는 음극쪽으로 이동하여 광전류가 발생합니다. 다이오드를 통과하는 전체 전류는 빛의 부재와 광전류의 합입니다. 따라서 장치의 감도를 최대화하려면 부재 전류를 줄여야합니다.

작동 모드

광 다이오드의 작동 모드에는 광전지 모드, 광전도 모드, 눈사태 다이오드 모드의 세 가지 모드가 있습니다.

태양 광 모드 : 이 모드는 제로 바이어스 모드라고도하며, 조명이 켜진 포토 다이오드에 의해 전압이 생성됩니다. 매우 작은 동적 범위 및 형성된 전압의 비선형 필요성을 제공합니다.

광전도 모드 : 이 광전도 모드에서 사용되는 광 다이오드는 일반적으로 역방향 바이어스입니다. 역 전압 적용은 공 핍층의 폭을 증가시켜 응답 시간과 접합 커패시턴스를 감소시킵니다. 이 모드는 너무 빠르며 전자 노이즈를 표시합니다.

눈사태 다이오드 모드 : 눈사태 다이오드는 높은 역 바이어스 조건에서 작동하므로 각 사진 생성 전자-정공 쌍에 대한 눈사태 파괴가 증가 할 수 있습니다. 이 결과는 포토 다이오드의 내부 이득이며 장치 응답을 천천히 증가시킵니다.

포토 다이오드가 역 바이어스로 작동하는 이유는 무엇입니까?

포토 다이오드는 광전도 모드에서 작동합니다. 다이오드가 역 바이어스로 연결되면 공 핍층 폭을 늘릴 수 있습니다. 따라서 이것은 접합의 커패시턴스 및 응답 시간을 감소시킵니다. 실제로이 바이어스는 다이오드의 응답 시간을 더 빠르게합니다. 따라서 광전류와 조도의 관계는 선형 적으로 비례합니다.

더 나은 포토 다이오드 또는 포토 트랜지스터는 무엇입니까?

포토 다이오드와 포토 트랜지스터는 모두 빛의 에너지를 전기로 변환하는 데 사용됩니다. 그러나 포토 트랜지스터는 트랜지스터를 사용하기 때문에 포토 다이오드에 비해 반응성이 더 높습니다.

트랜지스터는 광 흡수로 인해 발생하는베이스 전류를 변경하므로 트랜지스터의 컬렉터 단자 전체에서 엄청난 출력 전류를 얻을 수 있습니다. 광 다이오드 시간 응답은 광 트랜지스터에 비해 매우 빠릅니다. 따라서 회로의 변동이 발생하는 곳에 적용 가능합니다. 더 나은 절제를 위해 여기에 포토 다이오드 대 포토 레지스터의 몇 가지 포인트를 나열했습니다.

포토 다이오드

포토 트랜지스터

빛의 에너지를 전류로 변환하는 반도체 장치를 포토 다이오드라고합니다.광 트랜지스터는 트랜지스터를 사용하여 빛의 에너지를 전류로 바꾸는 데 사용됩니다.
전류와 전압을 모두 생성합니다.그것은 현재를 생성합니다
응답 시간은 속도입니다응답 시간이 느립니다.
광 트랜지스터에 비해 반응성이 낮습니다.응답 성이 뛰어나고 엄청난 O / P 전류를 생성합니다.
이 다이오드는 두 가지 바이어스 조건에서 작동합니다.이 다이오드는 순방향 바이어스에서만 작동합니다.
조도계, 태양 광 발전소 등에 사용됩니다.빛을 감지하는 데 사용됩니다.

포토 다이오드 회로

포토 다이오드의 회로도는 아래와 같습니다. 이 회로는 10k 저항과 포토 다이오드로 구축 할 수 있습니다. 광 다이오드가 빛을 감지하면 빛을 통해 약간의 전류 흐름을 허용합니다. 이 다이오드를 통해 공급되는 전류의 합은 다이오드를 통해 감지되는 빛의 합에 정비례 할 수 있습니다.

회로도

회로도

외부 회로에 포토 다이오드 연결

모든 애플리케이션에서 포토 다이오드는 역 바이어스 모드에서 작동합니다. 회로의 양극 단자는 접지에 연결되고 음극 단자는 전원에 연결됩니다. 빛을 통해 조명되면 전류가 음극 단자에서 양극 단자로 흐릅니다.

광 다이오드가 외부 회로와 함께 사용되면 회로 내의 전원에 연결됩니다. 따라서 포토 다이오드를 통해 생성되는 전류의 양은 극히 적기 때문에이 값은 전자 장치를 만들기에 충분하지 않습니다.

외부 전원에 연결되면 회로에 더 많은 전류를 전달합니다. 이 회로에서 배터리는 외부 장치가 더 나은 성능을 제공하도록 전류 값을 높이는 데 도움이되는 전원으로 사용됩니다.

포토 다이오드 효율

광 다이오드의 양자 효율은 광전류에 기부하는 흡수 된 광자의 분할로 정의 할 수 있습니다. 이러한 다이오드의 경우 눈사태의 영향을받지 않는 응답 성 'S'와 공개적으로 연관되어 광전류는 다음과 같이 표현할 수 있습니다.

나는 = S P = ηe / hv. 피

어디,

‘η’는 양자 효율입니다.

‘e’는 전자의 전하입니다

‘hν’는 광자의 에너지입니다

포토 다이오드의 양자 효율은 매우 높습니다. 어떤 경우에는 95 % 이상이지만 파장을 통해 광범위하게 변화합니다. 높은 양자 효율은 반사 방지 코팅과 같은 높은 내부 효율과는 별도로 반사 제어를 필요로합니다.

응답 성

광 다이오드의 응답 성은 생성되는 광전류의 비율이며 흡수 된 광 파워는 응답의 선형 섹션 내에서 결정될 수 있습니다. 포토 다이오드에서는 광자 에너지가 밴드 갭 에너지보다 상당히 높고 흡수가 감소하는 밴드 갭 영역 내에서 감소하는 파장 영역에서 일반적으로 최대입니다.

광 다이오드 계산은 다음 방정식을 기반으로 수행 할 수 있습니다.

R = η (e / hv)

여기에서 위의 방정식에서‘h ν’는 광자의 에너지‘η’는 양자 효율이고‘e’는 기본 전하입니다. 예를 들어, 포토 다이오드의 양자 효율은 800nm ​​파장에서 90 %이고 응답 성은 0.58A / W입니다.

광전자 증 배관 및 눈사태 광 다이오드의 경우 내부 전류의 곱셈에 대한 추가 요소가 있으므로 가능한 값이 1A / W 이상이됩니다. 일반적으로 전류의 곱은 양자 효율에 포함되지 않습니다.

PIN 포토 다이오드 Vs PN 포토 다이오드

PN 및 PIN과 같은 두 광 다이오드는 많은 공급 업체에서 얻을 수 있습니다. 필요한 성능과 특성을 기반으로 회로를 설계하는 동안 포토 다이오드 선택은 매우 중요합니다.
PN 포토 다이오드는 역방향 바이어스에서 작동하지 않으므로 노이즈 성능을 향상시키기 위해 저조도 애플리케이션에 더 적합합니다.

역 바이어스에서 작동하는 PIN 포토 다이오드는 잡음 전류를 도입하여 S / N 비율을 감소시킬 수 있습니다.
높은 동적 범위의 애플리케이션의 경우 역방향 바이어스가 우수한 성능을 제공합니다.
높은 BW 애플리케이션의 경우 역방향 바이어 싱은 P & N 영역 간의 정전 용량과 같은 우수한 성능을 제공하고 충전 용량의 저장 용량이 작습니다.

장점

그만큼 포토 다이오드의 장점 다음을 포함하십시오.

  • 저항 감소
  • 빠르고 빠른 작동 속도
  • 긴 수명
  • 가장 빠른 광 검출기
  • 스펙트럼 반응이 좋다
  • 고전압을 사용하지 않음
  • 주파수 응답이 좋다
  • 견고하고 가벼운
  • 빛에 매우 민감합니다.
  • 암류는리스
  • 높은 양자 효율
  • 적은 소음

단점

그만큼 포토 다이오드의 단점 다음을 포함하십시오.

  • 온도 안정성이 좋지 않음
  • 전류 내 변화는 극히 적으므로 회로를 구동하기에 충분하지 않을 수 있습니다.
  • 활동 영역이 작습니다
  • 일반적인 PN 접합 포토 다이오드는 높은 응답 시간을 포함합니다.
  • 감도가 낮습니다.
  • 주로 온도에 따라 작동합니다.
  • 오프셋 전압을 사용합니다.

포토 다이오드의 응용

  • 광 다이오드의 응용 분야에는 전하 결합 장치, 광 전도체 및 광전자 증 배관과 같은 광 검출기의 유사한 응용 분야가 포함됩니다.
  • 이 다이오드는 다음과 같은 소비자 전자 장치에 사용됩니다. 연기 감지기 , 컴팩트 디스크 플레이어, TV 및 VCR의 리모콘.
  • 시계 라디오, 카메라 조명 미터 및 가로등과 같은 다른 소비자 장치에서는 포토 다이오드보다 포토 컨덕터가 더 자주 사용됩니다.
  • 포토 다이오드는 과학 및 산업에서 빛의 강도를 정확하게 측정하는 데 자주 사용됩니다. 일반적으로 광 전도체보다 향상된 선형 응답을 제공합니다.
  • 광 다이오드는 또한 널리 사용됩니다 수많은 의료 응용 샘플을 분석하기위한 기기, 컴퓨터 단층 촬영용 검출기, 혈액 가스 모니터에도 사용됩니다.
  • 이 다이오드는 일반 PN 접합 다이오드보다 훨씬 빠르고 복잡하므로 조명 조정 및 광 통신에 자주 사용됩니다.

포토 다이오드의 V-I 특성

포토 다이오드는 역방향 바이어스 모드에서 계속 작동합니다. 광 다이오드의 특성은 다음 그림에서 명확하게 보여지며, 광전류는 적용된 역 바이어스 전압과 거의 독립적입니다. 제로 휘도의 경우 작은 암전류를 제외하고 광전류는 거의 0입니다. 나노 암페어 정도입니다. 광 출력이 상승함에 따라 광전류도 선형 적으로 상승합니다. 최대 광전류는 포토 다이오드의 전력 손실로 인해 불완전합니다.

형질

형질

따라서 이것은 포토 다이오드 작동 원리 , 특성 및 응용 프로그램. 포토 다이오드와 같은 광전자 장치는 거의 모든 전자 장치에 사용되는 다양한 유형으로 제공됩니다. 이 다이오드는 네온, 레이저 LED 및 형광등과 같은 IR 광원과 함께 사용됩니다. 다른 광 감지 다이오드와 비교하여이 다이오드는 비싸지 않습니다. 이 개념을 더 잘 이해 하셨기를 바랍니다. 또한이 개념에 관한 질문이나 공학 학생을위한 전기 및 전자 프로젝트 . 아래 댓글 섹션에 댓글을 달아 소중한 제안을 해주세요. 여기에 질문이 있습니다. 포토 다이오드의 기능은 무엇입니까 ?

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