Teoria de Operação do Fotodiodo
Entender como os fotodiodos funcionam ajuda a usá-los com mais eficiência.
________________________________________
Tutorial de Fotodiodos Inclui:
Tecnologia de Fotodiodos | Fotodiodos PN e PIN | Fotodiodo de Avalanche | Fotodiodo Schottky | Estruturas de Fotodiodos | Teoria de Fotodiodos
Tutorial de Diodo Inclui:
Tipos de diodos | Especificações e classificações de diodos
____________________________
Há vários tipos diferentes de fotodiodo: todos usam o mesmo princípio quântico básico, mas a implementação da teoria de operação é ligeiramente diferente para cada tipo.
As diferenças na operação dos diferentes tipos de fotodiodo permitem que suas características individuais sejam utilizadas de maneiras diferentes, e assim suas vantagens podem ser maximizadas e a melhor operação do circuito obtida. Para isso, é necessário ter um entendimento básico de a maneira real como eles funcionam.
Teoria básica de operação do fotodiodo
A energia luminosa pode ser considerada em termos de fótons ou pacotes de luz. Quando um fóton de energia suficiente entra na região de depleção de um diodo semicondutor, ele pode atingir um átomo com energia suficiente para liberar o elétron da estrutura atômica. Isso cria um elétron livre e um buraco (ou seja, um átomo com espaço para um elétron). O elétron é carregado negativamente, enquanto o buraco é carregado positivamente.
Os elétrons e lacunas podem permanecer livres, ou outros elétrons podem se combinar com lacunas para formar átomos completos novamente na rede cristalina. No entanto, é possível que os elétrons e buracos permaneçam livres e sejam puxados para longe da região de depleção por um campo externo. Desta forma, a corrente através do diodo mudará e uma fotocorrente será produzida.
Operação do fotodiodo PIN / PN
O fotodiodo é operado sob uma polarização reversa moderada. Isso mantém a camada de depleção livre de quaisquer portadores e, normalmente, nenhuma corrente fluirá. No entanto, quando um fóton de luz entra na região intrínseca, ele pode atingir um átomo na rede cristalina e desalojar um elétron. Desta forma, um par buraco-elétron é gerado. O buraco e o elétron irão então migrar em direções opostas sob a ação do campo elétrico através da região intrínseca e uma pequena corrente pode ser vista fluindo. Verificou-se que o tamanho da corrente é proporcional à quantidade de luz que entra na região intrínseca. Quanto mais luz, maior o número de pares de elétrons vazios gerados e maior a corrente fluindo.
A operação de diodos sob polarização reversa aumenta a sensibilidade, pois alarga a camada de depleção onde ocorre a ação da foto. Desta forma, aumentar a polarização reversa tem o efeito de aumentar a área ativa do fotodiodo e fortalecer o que pode ser chamado de fotocorrente.
Também é possível operar fotodiodos sob condições de polarização zero no que é denominado como modo fotovoltaico. Na polarização zero, a luz que incide sobre o diodo causa uma corrente através do dispositivo, levando à polarização direta que, por sua vez, induz a “corrente escura” na direção oposta à fotocorrente. Isso é chamado de efeito fotovoltaico e é a base das células solares. Portanto, é possível construir uma célula solar usando um grande número de fotodiodos individuais. Além disso, quando os fotodiodos são usados em uma célula solar, os diodos são aumentados para que haja uma área ativa maior e sejam capazes de lidar com correntes mais altas. Para aqueles usados para aplicações de dados, a velocidade é normalmente muito importante e as junções dos diodos são menores para reduzir os efeitos da capacitância.
Quando não exposto à luz, o fotodiodo segue uma característica VI normal esperada de um diodo. Na direção reversa, praticamente nenhuma corrente flui, mas na direção direta ela aumenta constantemente, especialmente depois que o joelho ou a tensão de ativação é atingida. Isso é modificado na presença de luz. Quando usado como um fotodiodo, pode-se ver que o maior efeito é visto na direção reversa. Aqui as maiores mudanças são notadas, e a corrente direta normal não mascara os efeitos devidos à luz.
Operação de diodo de avalanche
A luz entra na região não dopada do fotodiodo da avalanche e causa a geração de pares elétron-buraco. Sob a ação do campo elétrico os elétrons migram para a região da avalanche. Aqui, o campo elétrico faz com que sua velocidade aumente na medida em que as colisões com a rede cristalina criam mais pares de elétrons vazios. Por sua vez, esses elétrons podem colidir com a rede cristalina para criar ainda mais pares de elétrons vazios. Desta forma, um único elétron criado pela luz na região não dopada pode resultar na criação de muitos outros.
O fotodiodo de avalanche tem várias diferenças quando comparado ao diodo PIN comum. O processo de avalanche significa que um único elétron produzido pela luz na região não dopada é multiplicado várias vezes pelo processo de avalanche. Como resultado, o fotodiodo de avalanche é muito mais sensível. No entanto, descobriu-se que não é tão linear e, além disso, o processo de avalanche significa que o sinal resultante é muito mais ruidoso do que um diodo de pino.
A estrutura do diodo avalanche também é mais complicada. Um anel de proteção do tipo n é necessário ao redor da junção pn para minimizar o campo elétrico ao redor da borda da junção. Verificou-se também que o ganho de corrente depende não apenas da polarização aplicada, mas também das flutuações térmicas. Como resultado, é necessário garantir que os dispositivos sejam colocados em um dissipador de calor adequado.
Os diferentes tipos de fotodiodo têm modos de operação ligeiramente diferentes, mas todos dependem do mesmo princípio básico de operação. Como os diferentes tipos têm características diferentes, pode-se escolher o tipo certo para melhor atender às necessidades do circuito em questão.
____________________________
Retorne ao menu Componentes Eletrônicos
A Raisa distribui equipamentos para soldagem e para teste e medição há mais de 30 anos! Considere explorar algumas das nossa principais categorias através do menu abaixo:
0 Comentários