Fotodioda – polovodičový světelný senzor

Fotodioda je polovodičový senzor v pevném stavu, navržený k převodu světla na elektrický proud s výjimečnou rychlostí, přesností a linearitou. Fotodiody hrají klíčovou roli ve fotometrii – vědě o měření světla – stejně jako v optických komunikacích, environmentálních senzorech, lékařské diagnostice a vědeckém výzkumu.

Jak fotodioda funguje?

Základem fotodiody je přechod mezi dvěma různě dotovanými oblastmi polovodiče – obvykle s PN nebo PIN (p-type, intrinsic, n-type) strukturou. Když fotony dopadnou na vyčerpanou oblast (oblast u přechodu, kde jsou nosiče náboje vyčerpány), jejich energie generuje elektron-děrové páry. Vestavěné elektrické pole tyto nosiče rychle odděluje: elektrony jsou taženy ke straně N, díry ke straně P, což vede ke vzniku měřitelného fotoproudu. Tento proces je řízen vnitřním fotoelektrickým jevem.

Fotodiody se obvykle provozují v režimu zpětného předpětí (kde je P-strana spojena se záporným a N-strana s kladným pólem), což rozšiřuje vyčerpanou oblast, snižuje kapacitu a zlepšuje rychlost odezvy. V některých přesných aplikacích mohou být použity v režimu bez předpětí (fotovoltaický režim).

Klíčové parametry a výkonnostní metriky

1. Kvantová účinnost (QE)

Kvantová účinnost je poměr zachycených nosičů náboje k dopadajícím fotonům, vyjádřený v procentech. Odrazí, jak efektivně fotodioda převádí světlo na elektrický proud a mění se podle vlnové délky. Křemíkové fotodiody dosahují hodnot QE 80–95 % ve viditelném spektru. Vysoká QE je zásadní pro citlivost na slabé světlo a přesná fotometrická měření.

2. Citlivost (responsivity)

Citlivost (A/W) udává fotoproud generovaný na jednotku dopadajícího optického výkonu při dané vlnové délce. Přímo souvisí s kvantovou účinností a je klíčová pro určení, kolik elektrického signálu fotodioda vyprodukuje při daném množství světla. Typické křemíkové fotodiody mají maximální citlivost kolem 0,6 A/W při 900 nm.

3. Temný proud

Temný proud je unikající proud přítomný i v naprosté tmě, vznikající díky tepelně generovaným nosičům a povrchovým únikům. Je zdrojem šumu a omezuje citlivost, zejména v aplikacích se slabým světlem. Kvalitní fotodiody mají temné proudy jen několik pikampér.

4. Lineární dynamický rozsah (LDR)

LDR určuje rozsah intenzit světla, ve kterém je výstup lineárně úměrný dopadajícímu světlu. Vyjadřuje se v decibelech (dB); vysoký LDR (často >120 dB u PIN fotodiod) zajišťuje přesné měření od velmi slabého po velmi silné světlo.

5. Výkon ekvivalentní šumu (NEP) a detektivita (D*)

NEP je minimální optický výkon potřebný ke generování signálu rovného RMS šumu zařízení v šířce pásma 1 Hz. Nižší NEP znamená lepší citlivost. Detektivita (D*) normalizuje NEP podle plochy zařízení a šířky pásma, což umožňuje přímé srovnání různých fotodiod. Vysoké D* znamená vysokou citlivost.

6. Kapacita přechodu

Kapacita přechodu vzniká separací náboje ve vyčerpané oblasti; nižší kapacita umožňuje vyšší šířku pásma a rychlejší odezvu, což je zásadní v aplikacích s vysokou rychlostí.

7. Paralelní odpor (shunt resistance)

Paralelní odpor je odpor napříč přechodem, představující nežádoucí únikové cesty. Vysoký paralelní odpor zajišťuje nízký šum a lepší linearitu, zejména při fotovoltaickém (bezpředpěťovém) provozu.

8. Fotosenzitivní plocha

Fotosenzitivní plocha určuje, kolik světla může fotodioda zachytit. Větší plocha zvyšuje citlivost, ale také kapacitu, což může zpomalit odezvu.

Struktury a materiály fotodiod

• PN přechod: Jednoduchý a cenově dostupný, vhodný pro obecné aplikace.
• PIN přechod: Obsahuje vnitřní vrstvu pro vyšší citlivost a rychlejší odezvu.
• Lavinové fotodiody (APD): Poskytují vnitřní zesílení pro detekci extrémně slabého světla.
• Materiály: Křemík je standardem pro viditelné a blízké IR; germanium a InGaAs se používají pro blízké IR a telekomunikační vlnové délky.

Příklady použití

• Fotometrie: Používají se v luxmetrech, luminančních metrech a kolorimetrech pro přizpůsobení odezvy lidskému oku (V(λ)) při návrhu osvětlení a kontrole kvality.
• Optické komunikace: Slouží jako vysokorychlostní přijímače pro přenos digitálních dat.
• Lékařská diagnostika: Umožňují přesné měření světla v přístrojích jako jsou analyzátory krve a pulzní oxymetry.
• Environmentální senzory: Detekují úroveň okolního světla, UV nebo IR záření pro monitorování a řízení.
• Vědecký výzkum: Poskytují vysoce lineární a citlivou detekci v analytických přístrojích, spektroskopii a sčítání fotonů.

Vyčerpaná oblast: význam a inženýrství

Vyčerpaná oblast je ústředním prvkem funkce fotodiody. Její šířka, určená úrovní dotace a zpětným předpětím, ovlivňuje citlivost, rychlost a spektrální odezvu. PIN struktury ji maximalizují pro optimální výkon, zatímco povrchové inženýrství zajišťuje efektivní absorpci požadovaných vlnových délek.

Optimalizace výkonu

Výběr fotodiody znamená vyvážení parametrů:

• Vysoká citlivost a QE pro citlivost.
• Nízký temný proud a NEP pro detekci slabého světla.
• Vysoký LDR a paralelní odpor pro linearitu a přesnost.
• Nízká kapacita pro vysokorychlostní aplikace.
• Vhodná plocha a spektrální odezva pro měřenou úlohu.

Správný návrh obvodu – použití nízkošumových zesilovačů, ochrana proti úniku a přizpůsobení impedance – dále zvyšuje výkon.

Často používané obrázky

Typická křivka citlivosti křemíkové fotodiody s maximem ve viditelné/NIR oblasti.

Ekvivalentní obvodové schéma ukazující kapacitu přechodu a paralelní odpor.

Shrnutí

Fotodioda je nepostradatelným nástrojem pro přesné měření světla, nabízející bezkonkurenční linearitu, rychlost a citlivost. Porozuměním klíčovým parametrům, jako je kvantová účinnost, citlivost, temný proud a dynamický rozsah, mohou uživatelé vybrat vhodnou fotodiodu pro aplikace od fotometrie a vědecké analýzy po komunikace a zdravotnictví.

Pro odborné poradenství s výběrem ideální fotodiody pro vaše měření nás kontaktujte nebo si domluvte ukázku s naším týmem.