Apa itu Fotodioda: Prinsip Kerja & Karakteristiknya

Fotodioda adalah a Dioda PN-junction yang mengkonsumsi energi cahaya untuk menghasilkan arus listrik. Terkadang juga disebut sebagai pendeteksi foto, pendeteksi cahaya, dan sensor foto. Dioda ini dirancang khusus untuk bekerja dalam kondisi bias balik, artinya sisi P dari fotodioda dikaitkan dengan terminal negatif baterai, dan sisi-n terhubung ke terminal positif baterai. Dioda ini sangat kompleks terhadap cahaya sehingga ketika cahaya jatuh ke dioda dengan mudahnya mengubah cahaya menjadi arus listrik. Sel surya juga dicap sebagai fotodioda area luas karena itu mengubah energi matahari menjadi energi listrik . Padahal, sel surya hanya bekerja dalam cahaya terang.

Apa itu Photodiode?

Fotodioda adalah salah satu jenis detektor cahaya, digunakan untuk mengubah cahaya menjadi arus atau tegangan berdasarkan mode pengoperasian perangkat. Ini terdiri dari filter optik, lensa built-in, dan juga area permukaan. Dioda ini memiliki waktu respons yang lambat ketika luas permukaan fotodioda meningkat. Fotodioda mirip dengan dioda semikonduktor biasa, tetapi dapat terlihat untuk membiarkan cahaya mencapai bagian perangkat yang sensitif. Beberapa dioda ditujukan untuk penggunaan persis seperti dioda juga akan menggunakan sambungan PIN daripada sambungan PN biasa.

Beberapa fotodioda akan terlihat seperti sebuah dioda pemancar cahaya . Mereka memiliki dua terminal yang datang dari ujung. Ujung dioda yang lebih kecil adalah terminal katoda, sedangkan ujung dioda yang lebih panjang adalah terminal anoda. Lihat diagram skema berikut untuk sisi anoda dan katoda. Dalam kondisi bias maju, arus konvensional akan mengalir dari anoda menuju katoda mengikuti tanda panah pada simbol dioda. Arus foto mengalir dalam arah sebaliknya.

Jenis Fotodioda

Meskipun ada banyak jenis fotodioda yang tersedia di pasaran dan semuanya bekerja dengan prinsip dasar yang sama, meskipun beberapa ditingkatkan oleh efek lain. Cara kerja berbagai jenis fotodioda bekerja dengan cara yang sedikit berbeda, tetapi cara kerja dasar dioda ini tetap sama. Jenis-jenis fotodioda dapat diklasifikasikan berdasarkan konstruksi dan fungsinya sebagai berikut.

• PN Photodiode
• Dioda Foto Schottky
• Fotodioda PIN
• Fotodioda Longsor

PN Photodiode

Jenis fotodioda yang pertama kali dikembangkan adalah jenis PN. Dibandingkan dengan jenis lain, kinerjanya tidak canggih, tetapi saat ini digunakan di beberapa aplikasi. Fotodeteksi terutama terjadi di daerah penipisan dioda. Dioda ini cukup kecil tetapi sensitivitasnya tidak terlalu bagus dibandingkan dengan yang lain. Silakan merujuk ke tautan ini untuk mengetahui lebih banyak tentang dioda PN.

Fotodioda PIN

Saat ini, fotodioda yang paling umum digunakan adalah jenis PIN. Dioda ini mengumpulkan foton cahaya lebih kuat dibandingkan dengan dioda PN standar karena luas area intrinsik antara daerah P dan N memungkinkan lebih banyak cahaya untuk dikumpulkan, dan selain itu, ia juga menawarkan kapasitansi yang lebih rendah. Silakan merujuk ke tautan ini untuk mengetahui lebih lanjut tentang dioda PIN.

Fotodioda Longsor

Dioda jenis ini digunakan di area dengan cahaya rendah karena level penguatannya yang tinggi. Ini menghasilkan tingkat kebisingan yang tinggi. Jadi teknologi ini tidak sesuai untuk semua aplikasi. Silakan merujuk ke tautan ini untuk mengetahui lebih banyak tentang dioda Avalanche.

Fotodioda Schottky

Fotodioda Schottky menggunakan dioda Schottky, dan ini termasuk persimpangan dioda kecil yang berarti, ada kapasitansi persimpangan kecil sehingga beroperasi pada kecepatan tinggi. Dengan demikian, fotodioda jenis ini sering digunakan dalam sistem komunikasi optik bandwidth tinggi (BW) seperti tautan serat optik. Silakan merujuk ke tautan ini untuk mengetahui lebih banyak tentang dioda Schottky.

Setiap jenis fotodioda memiliki kelebihan dan kekurangannya masing-masing. Pemilihan dioda ini dapat dilakukan berdasarkan aplikasi. Parameter yang berbeda untuk dipertimbangkan saat memilih fotodioda terutama mencakup kebisingan, panjang gelombang, batasan bias balik, penguatan, dll. Parameter kinerja fotodioda termasuk daya tanggap, efisiensi kuantum, waktu transit, atau waktu respons.

Dioda ini banyak digunakan dalam aplikasi di mana deteksi keberadaan cahaya, warna, posisi, intensitas diperlukan. Fitur utama dioda ini meliputi yang berikut ini.

• Linearitas dioda baik sehubungan dengan cahaya datang
• Kebisingan rendah.
• Responnya spektrum luas
• Kasar secara mekanis
• Ringan dan kompak
• Panjang umur

Bahan yang dibutuhkan untuk membuat fotodioda dan kisaran rentang panjang gelombang spektrum elektromagnetik meliputi yang berikut ini

• Untuk bahan silikon, rentang panjang gelombang spektrum elektromagnetik adalah (190-1100) nm
• Untuk material Germanium, rentang panjang gelombang spektrum elektromagnetik adalah (400-1700) nm
• Untuk material Indium gallium arsenide, rentang panjang gelombang spektrum elektromagnetik adalah (800-2600) nm
• Untuk bahan Timbal (II) sulfida, rentang panjang gelombang spektrum elektromagnetik adalah<1000-3500) nm
• Untuk Merkuri, bahan Telluride kadmium, rentang panjang gelombang spektrum elektromagnetik akan menjadi (400-14000) nm

Karena celah pita yang lebih baik, fotodioda berbasis Si menghasilkan derau yang lebih rendah daripada fotodioda berbasis Ge.

Konstruksi

Konstruksi fotodioda dapat dilakukan dengan menggunakan dua semikonduktor seperti tipe-P & tipe-N. Dalam desain ini, pembentukan material tipe-P dapat dilakukan dari difusi substrat tipe-P yang didoping ringan. Jadi lapisan ion P + dapat terbentuk karena metode difusi. Pada substrat tipe-N, lapisan epitaxial tipe-N dapat tumbuh.

Konstruksi Fotodioda

Pengembangan lapisan difusi P + dapat dilakukan di atas lapisan epitaxial tipe-N yang sangat terdoping. Kontak dirancang dengan logam untuk membuat dua terminal seperti anoda dan katoda. Wilayah depan dioda dapat dipisahkan menjadi dua jenis seperti permukaan aktif & non-aktif.

Perancangan permukaan non-aktif dapat dilakukan dengan silikon dioksida (SiO2). Pada permukaan aktif, sinar cahaya dapat menerobosnya sedangkan pada permukaan non-aktif, sinar cahaya tidak dapat menyerang. & permukaan aktif dapat ditutup melalui bahan anti pantulan sehingga energi cahaya tidak dapat hilang dan yang tertinggi dapat diubah menjadi arus.

Bekerja dari Photodiode

Prinsip kerja fotodioda adalah, ketika foton dengan energi yang cukup menghantam dioda, ia membuat sepasang lubang elektron. Mekanisme ini juga disebut efek fotolistrik bagian dalam. Jika absorpsi muncul di persimpangan daerah penipisan, maka pembawa dikeluarkan dari persimpangan oleh medan listrik yang ada di daerah penipisan.

Prinsip Kerja Fotodioda

Oleh karena itu, lubang di daerah tersebut bergerak menuju anoda, dan elektron bergerak menuju katoda, dan arus foto akan dihasilkan. Seluruh arus yang melalui dioda adalah jumlah dari tidak adanya cahaya dan arus foto. Jadi arus yang tidak ada harus dikurangi untuk memaksimalkan sensitivitas perangkat.

Mode Operasi

Modus operasi dioda mencakup tiga modus, yaitu modus Fotovoltaik, modus Fotokonduktif, modus dioda longsoran.

Mode Fotovoltaik: Mode ini juga dikenal sebagai mode bias nol, di mana tegangan dihasilkan oleh fotodioda yang diringankan. Ini memberikan rentang dinamis yang sangat kecil & kebutuhan non-linier dari tegangan yang terbentuk.

Mode Fotokonduktif: Fotodioda yang digunakan dalam mode fotokonduktif ini biasanya lebih bias terbalik. Aplikasi tegangan balik akan meningkatkan lebar lapisan penipisan, yang pada gilirannya mengurangi waktu respons & kapasitansi persimpangan. Mode ini terlalu cepat dan menampilkan derau elektronik

Mode Dioda Avalanche: Dioda avalanche beroperasi dalam kondisi bias balik yang tinggi, yang memungkinkan perkalian dari kerusakan longsoran ke setiap pasangan lubang elektron yang dihasilkan foto. Hasil ini adalah penguatan internal di dioda, yang secara perlahan meningkatkan respons perangkat.

Mengapa Photodiode Dioperasikan dalam Reverse Bias?

Fotodioda beroperasi dalam mode fotokonduktif. Ketika dioda terhubung dalam bias balik, maka lebar lapisan penipisan dapat ditingkatkan. Jadi ini akan mengurangi kapasitansi sambungan & waktu respons. Faktanya, bias ini akan menyebabkan waktu respon yang lebih cepat untuk dioda. Jadi hubungan antara arus foto & iluminasi berbanding lurus.

Mana yang lebih baik Photodiode atau Phototransistor?

Baik fotodioda dan fototransistor digunakan untuk mengubah energi cahaya menjadi listrik. Namun, fototransistor lebih responsif dibandingkan dengan fotodioda karena penggunaan transistor.

Transistor mengubah arus basis yang disebabkan karena penyerapan cahaya & oleh karena itu arus keluaran yang besar dapat diperoleh di seluruh terminal kolektor transistor. Respon waktu fotodioda sangat cepat dibandingkan dengan fototransistor. Jadi itu berlaku di mana fluktuasi sirkuit terjadi. Untuk pemahaman yang lebih baik, di sini kami telah mencantumkan beberapa poin dari fotodioda vs fotoresistor.

Sirkuit Photodiode

Diagram rangkaian dioda ditunjukkan di bawah ini. Sirkuit ini dapat dibangun dengan resistor dan fotodioda 10k. Setelah fotodioda memperhatikan cahaya, maka itu memungkinkan aliran arus ke seluruh itu. Jumlah arus yang disuplai melalui dioda ini dapat berbanding lurus dengan jumlah cahaya yang diperhatikan melalui dioda.

Diagram Sirkuit

Menghubungkan Photodiode di Sirkuit Eksternal

Dalam aplikasi apa pun, dioda bekerja dalam mode bias terbalik. Terminal anoda dari rangkaian dapat dihubungkan ke tanah sedangkan terminal katoda dihubungkan ke sumber daya. Setelah diterangi melalui cahaya, selanjutnya arus mengalir dari terminal katoda menuju terminal anoda.

Setelah fotodioda digunakan dengan sirkuit luar, kemudian mereka terhubung dengan sumber daya di dalam sirkuit. Jadi, besaran arus yang dihasilkan melalui fotodioda akan sangat kecil, sehingga nilai ini tidak cukup untuk membuat sebuah alat elektronik.

Begitu mereka terhubung ke sumber daya eksterior, maka itu memberikan lebih banyak arus ke sirkuit. Pada rangkaian ini baterai digunakan sebagai sumber tenaga untuk membantu dalam meningkatkan nilai arus sehingga perangkat eksternal memberikan kinerja yang lebih baik.

Efisiensi Fotodioda

Efisiensi kuantum fotodioda dapat didefinisikan sebagai pembagian foton yang diserap yang disumbangkan ke arus foto. Untuk dioda ini, secara terbuka dikaitkan dengan responsivitas 'S' tanpa efek longsoran, maka arus foto dapat dinyatakan sebagai

I = S P = ηe / hv. P.

Dimana,

'Η' adalah efisiensi kuantum

'E' adalah muatan elektron

'Hν' adalah energi foton

Efisiensi kuantum fotodioda sangat tinggi. Dalam beberapa kasus, itu akan di atas 95% namun berubah secara ekstensif melalui panjang gelombang. Efisiensi kuantum tinggi memerlukan kontrol pantulan selain dari efisiensi bagian dalam yang tinggi seperti lapisan anti pantulan.

Responsivitas

Responsivitas fotodioda adalah rasio arus foto yang dihasilkan serta daya optik yang diserap dapat ditentukan dalam bagian linier dari respon. Dalam fotodioda, biasanya maksimum di daerah panjang gelombang di mana energi foton cukup tinggi daripada energi celah pita & menurun dalam daerah celah pita di mana pun penyerapan berkurang.

Perhitungan fotodioda dapat dilakukan berdasarkan persamaan berikut

R = η (e / hv)

Di sini, dalam persamaan di atas, 'h ν' adalah energi foton 'η' adalah efisiensi kuantum & 'e' muatan elementer. Misalnya, efisiensi kuantum dioda adalah 90% pada panjang gelombang 800 nm, maka responsivitasnya adalah 0,58 A / W.

Untuk fotomultiplier & fotodioda longsoran, terdapat faktor tambahan untuk perkalian arus dalam, sehingga nilai yang mungkin di atas 1 A / W. Umumnya, perkalian arus tidak termasuk dalam efisiensi kuantum.

Fotodioda PIN Vs Fotodioda PN

Kedua fotodioda seperti PN & PIN dapat diperoleh dari banyak pemasok. Pemilihan fotodioda sangat penting saat mendesain rangkaian berdasarkan kinerja dan karakteristik yang diperlukan.
Fotodioda PN tidak bekerja dalam bias terbalik & akibatnya, ini lebih sesuai untuk aplikasi cahaya rendah untuk meningkatkan kinerja noise.

Fotodioda PIN yang bekerja dalam bias balik dapat menimbulkan arus derau untuk menurunkan rasio S / N
Untuk aplikasi high dynamic range, reverse biasing akan memberikan kinerja yang baik
Untuk aplikasi BW tinggi, bias balik akan memberikan kinerja yang baik seperti kapasitansi di antara wilayah P & N dan kapasitas penyimpanan muatan kecil.

Keuntungan

Itu keuntungan dari fotodioda termasuk yang berikut ini.

• Lebih sedikit perlawanan
• Kecepatan operasi cepat dan tinggi
• Rentang umur panjang
• Photodetector tercepat
• Respon spektral bagus
• Tidak menggunakan tegangan tinggi
• Respon frekuensinya bagus
• Padat dan berbobot rendah
• Ini sangat responsif terhadap cahaya
• Arus gelap adalah lees
• Efisiensi kuantum tinggi
• Lebih sedikit kebisingan

Kekurangan

Itu kerugian dari fotodioda termasuk yang berikut ini.

• Stabilitas suhu buruk
• Perubahan arus sangat kecil, oleh karena itu mungkin tidak cukup untuk menggerakkan sirkuit
• Area aktifnya kecil
• Fotodioda persimpangan PN biasa memiliki waktu respons yang tinggi
• Sensitivitasnya kurang
• Ini terutama bekerja dengan bergantung pada suhu
• Ini menggunakan tegangan offset

Aplikasi Photodiode

• Aplikasi fotodioda melibatkan aplikasi serupa dari detektor foto seperti perangkat yang digabungkan dengan muatan, fotokonduktor, dan tabung pengganda foto.
• Dioda ini digunakan pada perangkat elektronik konsumen seperti pendeteksi asap , pemutar CD, dan televisi dan remote control di VCR.
• Di perangkat konsumen lain seperti radio jam, pengukur cahaya kamera, dan lampu jalan, fotokonduktor lebih sering digunakan daripada dioda.
• Fotodioda sering digunakan untuk pengukuran yang tepat dari intensitas cahaya dalam sains & industri. Umumnya, mereka memiliki respon yang lebih linier daripada fotokonduktor.
• Fotodioda juga banyak digunakan dalam berbagai aplikasi medis seperti instrumen untuk menganalisis sampel, detektor untuk computed tomography, dan juga digunakan dalam monitor gas darah.
• Dioda ini jauh lebih cepat & lebih kompleks daripada dioda PN junction normal dan karenanya sering digunakan untuk pengaturan pencahayaan dan komunikasi optik.

Karakteristik V-I dari Photodiode

Fotodioda terus beroperasi dalam mode bias terbalik. Ciri-ciri fotodioda ditunjukkan dengan jelas pada gambar berikut, bahwa arus foto hampir tidak tergantung pada tegangan bias balik yang diterapkan. Untuk pencahayaan nol, arus foto hampir nol tidak termasuk arus gelap kecil. Ini adalah urutan nano ampere. Saat daya optik meningkat, arus foto juga meningkat secara linier. Arus foto maksimum tidak lengkap oleh disipasi daya dioda.

Karakteristik

Jadi, ini semua tentang prinsip kerja fotodioda , karakteristik, dan aplikasi. Perangkat optoelektronik seperti Photodiode tersedia dalam berbagai jenis yang digunakan di hampir semua perangkat elektronik. Dioda ini digunakan dengan sumber cahaya IR seperti neon, laser LED & fluorescent. Dibandingkan dengan dioda pendeteksi cahaya lainnya, dioda ini tidak mahal. Kami berharap Anda mendapatkan pemahaman yang lebih baik tentang konsep ini. Selanjutnya, setiap pertanyaan tentang konsep ini atau untuk diterapkan proyek listrik dan elektronik untuk Mahasiswa Teknik . Tolong berikan saran berharga Anda dengan berkomentar di bagian komentar di bawah. Ini pertanyaan untukmu, apa fungsi fotodioda ?

Kredit Foto:

• Fotodioda hamamatsu
• Bekerja dari Photodiode fisika-dan-radio-elektronik
• Karakteristik V-I dari Photodiode ecetutorials