Onderwerp van discussie: PIN-fotodiode
Wat is PIN-fotodiode?
Een fotodiode is een PN-junctiediode die in tegengestelde richting werkt. Zoals de naam al doet vermoeden, is PIN-fotodiode een bepaald type fotodiode waarbij een intrinsieke laag wordt geplaatst tussen een zwaar gedoteerde p-type en een zwaar gedoteerde n-type laag. Aangezien de soortelijke weerstand afneemt met een toename van de onzuiverheid en vice versa, hebben p- en n-lagen een zeer lage soortelijke weerstand, terwijl de soortelijke weerstand in de I-laag erg hoog is. PIN-fotodiode heeft een groot depletiegebied dat wordt gebruikt bij de ontvangst van licht.
PIN Fotodiode Symbool
De symbolische weergave van de PIN-fotodiode is dezelfde als die van de standaard pn-junctiediode, met uitzondering van de neerwaartse pijlen boven de diode, die licht aangeven.
PIN Fotodiode-structuur
PIN-Photodiode bestaat uit drie lagen: p-laag, I of intrinsieke laag en n-laag. P-laag is gedoteerd met een driewaardige onzuiverheid en N-laag is gedoteerd met een vijfwaardige onzuiverheid. De I-laag is ongedoteerd of zeer licht gedoteerd. P-terminal werkt als anode en N-terminal werkt als kathode. In tegenstelling tot de algemene PN-junctiediode, is de breedte van de intrinsieke laag in de PIN-fotodiode groter.
Het kan op twee manieren worden geconstrueerd:
- Planaire structuur: Bij dit type structuur wordt een dunne epitaxiale film op p-laag vervaardigd.
- Mesa-structuur: In dit type structuur worden reeds gedoteerde halfgeleiderlagen op de intrinsieke laag gegroeid.
PIN fotodiode schakelschema
De PIN-fotodiode werkt alleen als fotodetector wanneer deze in omgekeerde richting werkt. De anode is verbonden met de minpool van de batterij. De positieve kant van de batterij is via een weerstand verbonden met de kathode.
Werking van pin-fotodiode | Werkingsprincipe van PIN-fotodiode
- Wanneer reverse bias op het apparaat wordt toegepast, begint het uitputtingsgebied uit te breiden in de intrinsieke laag. De breedte wordt steeds groter totdat deze de dikte van de I-laag bereikt.
- Als gevolg hiervan wordt het uitputtingsgebied vrij van mobiele ladingsdragers. Er vloeit dus geen stroom. Op dit punt vindt geen recombinatie van elektronen-gaten plaats in het uitputtingsgebied.
- Wanneer het licht van voldoende energie ( H? ≥ bandgap-energie van de halfgeleider) het I-gebied binnengaat, genereert elk geabsorbeerd foton één elektron-gatpaar. Deze paren ervaren een sterke kracht vanwege het elektrische barrièreveld dat aanwezig is in het uitputtingsgebied. Deze kracht scheidt de paren en ladingsdragers bewegen in tegengestelde richtingen en er wordt stroom opgewekt. Zo wordt optische energie omgezet in elektrische energie.
- Omdat de stroom wordt opgewekt uit de lichtenergie, wordt het genoemd fotostroom en geschreven als Ip.
PIN-fotodiode-eigenschappen
- Weerstandsvermogen: Het biedt een lage soortelijke weerstand in P- en N-lagen (minder dan 1kΩ / cm) en hoge soortelijke weerstand in I-laag (tot 100 kΩ / cm)
- Capaciteit: Omdat capaciteit omgekeerd evenredig is met de opening tussen P- en N-lagen, is de capaciteit in deze fotodiode lager dan de standaarddiode.
Waar?0= diëlektrische waarde van vrije ruimte
?r= diëlektrische constante van de halfgeleider
A = oppervlakte van de intrinsieke laag
d = breedte van uitputtingsgebied
- Doorslagspanning: De intrinsieke laag verbreedt het uitputtingsgebied, waardoor de doorslagspanning erg hoog is.
- De stroom van stroom: De stroom is recht evenredig met de hoeveelheid licht die op de detector valt.
- Voorwaartse bias voorwaarde: Als het wordt gebruikt in voorwaartse biasmodus, wordt de breedte van de uitputtingslaag kleiner en stroomt er stroom. In dit geval gedraagt de diode zich als een variabele weerstand.
- Kwantumefficiëntie (?): Er wordt verwezen naar het aantal elektron-gatparen dat wordt gegenereerd per foton met energie h?
- Responsiviteit: Het meet de outputwinst per input (foton).
Werkingsmodi in PIN-fotodiode
Het heeft voornamelijk twee werkingsmodi:
- Onbevooroordeelde fotovoltaïsche modus
- Omgekeerde vooringenomen fotogeleidende modus
PIN Fotodiode IV-curven
Fotodiode pin-diagram
Fotodiode pin-configuratie
| Naam van de pin | Identificatie |
| Kathode | Korter in lengte |
| Anode | Langer in lengte |
3-pins fotodiode
afbeelding tegoed: HAMAMATSU Instrumenten
Drie-pins fotodiodes zijn supersnelle Silicon PIN-fotodiodes die speciaal zijn ontworpen om nabij infrarood licht te detecteren. Bij lage voorspanning bieden deze apparaten de mogelijkheid van breedbandkarakteristieken, waardoor ze bruikbaar zijn voor optische communicatie en andere fotometrie.
Ruis in PIN-fotodiode
Ruis verwijst naar elk ongewenst optreden of een fout in het ontvangen informatiesignaal. Het is de samensmelting van storende energieën die uit verschillende bronnen komen.
Hieronder volgen de geluiden die bijdragen aan de totale ruis van een fotodiode:
- Kwantum- of schotgeluid
- Donkere huidige ruis
- Thermisch geluid
Hoewel de eerste twee soorten ruis worden gegenereerd door de statistische aard van de foton-naar-elektronenomzettingsprocedure, wordt thermische ruis geassocieerd met de versterkerschakelingen.
Quantum- of schotgeluid:
Het gebeurt vanwege het proton naar het elektronenconversieproces. Het Poisson-proces wordt hier gevolgd. Gemiddelde kwadratische waarde van schotruis iq op fotostroom ip is,
Waar, q = lading van een elektron
B = bandbreedte
Donkere stroomruis:
Donkerstroom is de stroom die door het circuit vloeit wanneer er geen licht op de fotodetector valt. Het heeft twee hoofdcomponenten: bulk donkere stroomruis en oppervlakte lekstroomruis. Bulk donkerstroom is het resultaat van thermisch gegenereerde gaten en elektronen in de PN-overgang.
Gemiddelde kwadraatwaarde van bulk donkere stroomruis idb op donkere stroom id is,
Gemiddelde kwadraatwaarde van lekstroomruis aan het oppervlak ids op oppervlakte lekstroom iL is,
Thermisch geluid:
Het wordt ook wel Johnson-ruis genoemd. De thermische ruis van de belastingsweerstand is veel hoger dan de thermische ruis van de versterker, aangezien de belastingsweerstand een kleinere waarde heeft dan de versterkerweerstand.
Daarom gemiddelde kwadratische waarde van thermische ruis ir vanwege de belastingsweerstand RL
Waar KB= Boltzmann-constante
T = absolute temperatuur
B = bandbreedte
InGaAs PIN-fotodiode
InGaAs (indium gallium arsenide) is een legering van indium arsenide en gallium arsenide. Galliumarsenide kan elektriciteit efficiënt omzetten in coherent licht.
InGaAs PIN-fotodiode of fotodetectoren zijn opto-elektronische apparaten die in staat zijn om een zeer hoge kwantumefficiëntie te leveren die kan variëren van 800 tot 1700 nm. Ze vertonen een lage capaciteit in uitgebreide bandbreedte, hoge lineariteit, hoge gevoeligheid vanwege verhoogde weerstand, lage donkerstroom en uniformiteit over het actieve gebied van de detector. Al deze eigenschappen helpen de flexibiliteit te vergroten en bieden een breed scala aan toepassingen.
GaAs PIN-fotodiode
GaAs (Galliumarsenide) is een halfgeleider met een hoge elektronenmobiliteit en een hoge elektronensnelheid dan silicium. Het kan functioneren op zeer hoge frequenties.
GaAs PIN-fotodiodes worden gebruikt bij het detecteren van optische signalen bij 850 nm. Het heeft een groot activeringsgebied dat zorgt voor een stabiele en gevoelige respons. Dit kan ook worden gebruikt in optische telecommunicatie als optische ontvangers, in testmachines, enz. GaAs-fotodiodes bieden een snelle respons, lage donkerstroom en hoge betrouwbaarheid.
PIN Fotodiode-detector
De fotodetector wordt gebruikt om lichtsignaal om te zetten in elektrisch signaal, hun versterking en verdere verwerking. In optische vezelsystemen is de fotodetector een essentieel element. Halfgeleiderfotodiodes behoren tot de meest gebruikte detectoren omdat ze uitstekende prestaties bieden, klein zijn en goedkoop zijn.
Voorbeeld: fotodiode van galliumarsenide, fotodiode van indium galliumarsenide, enz
PIN-fotodiode in optische communicatie
Fotodetectoren worden levendig gebruikt in de automobielsector, medische doeleinden, veiligheidsuitrusting, camera's, industrie, astronomie en vooral in communicatie. Er zijn twee verschillende foto-elektrische mechanismen beschikbaar voor fotodetectie:
- Externe werking: PMT- of fotovermenigvuldigingsbuizen
- Intern effect: PN-junctie fotodiodes, PIN-fotodiodes, lawine fotodiodes
Fotodetectie principe:
- Fotogeneratie van elektronen-gatenparen treedt op
- De PIN-kruising is in tegengestelde richting voorgespannen
- Het uitputtingsgebied ziet dragers drijven
- Het elektron-gat-paar beweegt in de tegenovergestelde richting en veroorzaakt fotostroom
PIN Fotodiode stralingsdetector | PIN fotodiode gammadetector
PIN-fotodiodes zijn in staat om individuele fotonen in gammastraling te detecteren. Een PIN-fotodiode, een comparator en vier geluidsarme operationele versterkers worden in dit proces samen gebruikt.
In omgekeerde bias-toestand, wanneer fotonen het uitputtingsgebied raken, produceren ze een kleine lading die recht evenredig is met de energie van fotonen. Het resulterende signaal krijgt versterkt en gefilterd door de op-amps. Comparator onderscheidt het signaal en de ruis. De uiteindelijke uitvoer van de comparator toont een hoge puls telkens wanneer een gammafoton met minimaal vereiste energie de PIN-fotodiode treft.
PIN Fotodiode-ontvanger
Optische ontvangers zijn verantwoordelijk voor de omzetting van optische naar elektrische energie. Het meest cruciale element van de optische ontvanger is de fotodiode.
De ontvanger moet eerst vervormde, zwakke signalen detecteren en vervolgens, op basis van de versterkte versie van dat signaal, beslissen welk type gegevens is verzonden. Fouten die uit verschillende bronnen komen, kunnen in verband met het signaal worden gevonden. Signalen moeten dus met de grootste precisie worden gecontroleerd en verwerkt, aangezien ruisoverweging een belangrijke factor is bij het ontwerp van de ontvanger.
Silicon PIN Fotodiode
Silicium of Si PIN-fotodiodes zijn geschikt voor verschillende toepassingen. Dankzij de PIN-structuur produceert het een snelle respons en een hoge kwantumfrequentie om fotonen te detecteren. Ze zijn in staat tot lichtdetectie in het bereik van 250 nm tot 1.1 μm. Het detecteert hoogenergetische straling in hoge frequenties. De breedte van het uitputtingsgebied varieert van 0.5 tot 0.7 mm.
Si PIN fotodiode detector
In PIN-fotodiodes valt het uitputtingsgebied bijna samen met de intrinsieke laag. Het genereren van ladingsdragers vindt plaats als gevolg van de invallende straling.
Naast de lichtstraling, gammastraling, röntgenstraling, kunnen ook deeltjes ladingsdragers genereren.
Wanneer fotonen het metalen contact van de diode ontmoeten, produceert dit in grote aantallen elektron-gatparen. Elektroden vangen deze op en het signaal wordt gegenereerd. Elektron-gatparen die mobieler zijn, helpen bij het ontvangen van gemakkelijk detecteerbare signalen. Die worden vervolgens verwerkt via een ruisarme versterker en de analysator detecteert de hoeveelheid straling van de pulsen.
PIN-fotodiode-array
Fotodiode-arrays worden over het algemeen gebruikt in röntgenmachines door het object in het beeld regel voor regel te scannen. Röntgenstralen worden door het scintillatorkristal in licht omgezet. Vervolgens meet de fotodiode de lichtintensiteit.
Supersnelle PIN-fotodiode
Snelle PIN-fotodiodes hebben de voorkeur vanwege hun nauwkeurige triggering tegen signaalsterkte, verbeterde gevoeligheid, lage bedrijfsspanning en hoge bandbreedte.
PIN fotodiode versterker
Operationele versterkers worden gebruikt met een feedbackweerstand om fotostroom om te zetten in meetbare spanning. Het wordt ook wel een trans-impedantieversterker genoemd.
Toepassing van pin-fotodiode
PIN-fotodiodes zijn een van de meest populaire fotodiodes die verschillende eigenschappen hebben, waardoor ze geschikt zijn voor verschillende toepassingen. Naast fotodetectie wordt het gebruikt in dvd-spelers, cd-drives, schakelaars, medische behandelingen en nog veel meer.
- Hoogspanningsgelijkrichter: De intrinsieke laag zorgt voor een grotere scheiding tussen het P- en N-gebied, waardoor hogere sperspanningen kunnen worden getolereerd.
- RF- en DC-gestuurde microgolfschakelaars: De intrinsieke laag vergroot de afstand tussen de P- en N-lagen. Het verlaagt ook de capaciteit, waardoor de isolatie in omgekeerde voorgespannen toestand toeneemt.
- Fotodetector en fotovoltaïsche cellen: Licht tot huidig gesprek vindt plaats in het uitputtingsgebied. Naarmate de intrinsieke laag breder is, verbetert het de prestatie van het opvangen van licht.
- RF en variabele verzwakkers
- RF-modulatorcircuit
- MRI-machine
PIN-fotodiode Voordelen en nadelen
PIN-fotodiode Voordelen
- Het heeft een hoge lichtgevoeligheid.
- De reactiesnelheid is hoog.
- Zijn bandbreedte is breed.
- De implementatiekosten zijn laag.
- Het genereert een laag geluidsniveau.
- De temperatuurgevoeligheid is laag.
- Het is klein van formaat.
- Levensduur beter dan standaarddiodes.
PIN-fotodiode Nadelen
- Het kan alleen worden gebruikt in de omgekeerde toestand.
- De toegepaste spanning moet laag zijn.
- Het is gevoelig voor elk soort licht.
- Temperatuurspecificaties moeten worden gehandhaafd.
Veelgestelde vragen
Wat is het gebruik van polaire capaciteit in PIN-fotodetector?
Polaire capaciteit betekent de condensator platen zijn elektroden met een positieve en een negatieve polariteit. In een PIN-fotodetector werken de P- en N-lagen als elektroden en omdat de breedte van de uitputtingslaag enorm is; de capaciteitswaarde is laag. Door de lage capaciteit verbetert de snelheid.
Wat is het voordeel van PIN-fotodiode?
Het heeft een hoge gevoeligheid, weinig ruis, brede bandbreedte, lage implementatiekosten. de gedetailleerde uitleg staat in het bovenste gedeelte.
Waar staat ik in PIN Photodiode voor?
I in PIN-fotodiode staat voor intrinsieke laag.
Wat is het verschil tussen een gewone fotodiode en een PIN-fotodiode?
De verhoogde intrinsieke laag maakt PIN-fotodiodes in staat om meer stroom te dragen en verbetert ook de frequentierespons. De gedetailleerde uitleg staat in het bovenste gedeelte.
Wat zijn de nadelen van PIN-fotodiode?
Het is zeer lichtgevoelig en kan alleen goed presteren in omgekeerde richting.
Wat is fotodiode en zijn symbool?
Een fotodiode is een halfgeleider die lichtenergie omzet in elektrische energie.
Wat is een fotodiode-array?
Het is een sensor die wordt gebruikt in fotodetectie, spectrofotometrie, enz.
Welke fotodiode wordt het meest gebruikt?
De PIN-fotodiode wordt het meest gebruikt fotodiode.
Voor meer artikel klik hier
Hallo……Ik ben Kaushikee. Banerjee heeft mijn master Elektronica en Communicatie afgerond. Ik ben een elektronica-liefhebber en houd mij momenteel bezig met elektronica en communicatie. Mijn interesse ligt in het verkennen van geavanceerde technologieën. Ik ben een enthousiaste leerling en knutsel met open-source elektronica.
