Introduzione ai fotodiodi: la natura della luce e delle giunzioni pn

15 ore fa p Robert Keim I fotodiodi sono dispositivi di misurazione che producono segnali elettrici in risposta a vari tipi di radiazioni elettromagnetiche ad alta frequenza: luce ambientale, luce focalizzata da una lente della fotocamera, segnali laser utilizzati nei sistemi di comunicazione, emissioni termiche e così via. Questa introduzione ai fotodiodi servirà come preparazione per ulteriori studi su circuiti, applicazioni e tecniche sensibili alla luce. L'introduzione è organizzata in cinque articoli separati: Se hai studiato la meccanica quantistica, sai che questa domanda non è così semplice come sembra.
Fortunatamente, non abbiamo bisogno di svelare i misteri dell'universo per incorporare con successo i fotodiodi nei nostri sistemi elettronici. Tuttavia, abbiamo bisogno di una conoscenza scientifica di base della luce. La radiazione elettromagnetica (EMR) si propaga come un'onda e consiste anche di particelle prive di massa chiamate fotoni.
Classifichiamo le onde elettromagnetiche in base alla loro lunghezza d'onda. La luce è semplicemente EMR che rientra in uno specifico intervallo di lunghezze d'onda. Se adottassimo un'interpretazione rigorosa della parola "luce", assoceremmo questa parola solo alle lunghezze d'onda ottiche, cioè le lunghezze d'onda della luce a cui l'occhio umano è sensibile. Le lunghezze d'onda ottiche si estendono da 400 nm a 700 nm, con diverse lunghezze d'onda corrispondenti a diversi colori.
Come puoi vedere nel diagramma, i colori iniziano al viola (che ha le lunghezze d'onda più corte) e si spostano attraverso l'arcobaleno verso il rosso (che ha le lunghezze d'onda più lunghe). Possiamo anche applicare la parola "luce" alla radiazione elettromagnetica che è vicina ma non all'interno del campo ottico. La luce a infrarossi si estende da 700 nm a 1 mm e la luce ultravioletta si estende da 400 nm a 10 nm.
Quando "luce" è interpretata in questo senso più ampio, possiamo usare il termine "luce visibile" per distinguere l'EMR ottico dagli infrarossi e ultravioletti. Gli ingegneri elettrici spesso sottolineano la natura quantistica della luce, perché i fotoni svolgono un ruolo importante nell'interazione tra luce e circuiti elettronici. I fotoni trasferiscono energia e l'energia associata a un singolo fotone è determinata dalla lunghezza d'onda.
L'EMR con frequenza più alta (o lunghezza d'onda più corta) ha fotoni di energia più elevata e EMR con frequenza più bassa (o lunghezza d'onda più lunga) ha fotoni a energia inferiore. Procurati un po 'di silicio di grado semiconduttore (la roba veramente pura). Dope una sezione di esso con un elemento pentavalente per creare silicio di tipo n e una sezione adiacente di esso con un elemento trivalente per creare silicio di tipo p.
Hai una giunzione pn, uno dei pilastri di civiltà postmoderna. Quando una giunzione pn in silicio viene confezionata e utilizzata in un circuito, la chiamiamo diodo (o diodo a giunzione in silicio se si vuole essere più precisi). Quando implementiamo diodi ordinari, di solito pensiamo in termini di operazione di polarizzazione diretta: il diodo blocca la corrente quando la sua tensione di polarizzazione diretta è inferiore a circa 0.
6 V e conduce liberamente la corrente quando è diretta la tensione di polarizzazione è maggiore di 0,6 V. (Questa è una semplificazione importante, ma utile.
Per una discussione più approfondita, prendi in considerazione la lettura del mio articolo sulle tecniche di analisi dei circuiti semplificate per circuiti a diodi a conduzione diretta.) Con i fotodiodi, tuttavia, siamo interessati al funzionamento a polarizzazione zero o al funzionamento a polarizzazione inversa. Questo principio di implementazione del fotodiodo è fondamentale, quindi discutiamolo un po 'di più prima di concludere.
Lo scopo di un fotodiodo è generare corrente proporzionale all'intensità della luce visibile, infrarossa o ultravioletta. Il termine tecnico per l'intensità della luce misurata da un fotodiodo è illuminamento. Un fotodiodo ha una confezione trasparente che consente alla luce di raggiungere la giunzione pn e, in un circuito fotodiodo adeguatamente progettato, la luce incidente creerà variazioni precise nella quantità di corrente che scorre attraverso il fotodiodo.
Se inoltriamo polarizzazione di un fotodiodo al punto di conduzione, non abbiamo più un rilevatore ottico. Il rilevamento si verifica quando l'energia trasferita dai fotoni incidenti influenza in modo significativo la corrente totale del diodo. La corrente scorre liberamente attraverso un diodo a conduzione diretta, indipendentemente dalla luce incidente.
Pertanto, i circuiti del fotodiodo sono progettati in modo tale che il fotodiodo abbia polarizzazione zero o polarizzazione inversa. Un fotodiodo implementato con polarizzazione zero funziona in modalità fotovoltaica e un fotodiodo implementato con polarizzazione inversa funziona in modalità fotoconduttiva. Queste due modalità vengono esplorate in dettaglio più avanti in questa introduzione.
I fotodiodi sono dispositivi semiconduttori che possono essere utilizzati per misurare la luce visibile, la radiazione infrarossa o la radiazione ultravioletta. Un fotodiodo al silicio non è fondamentalmente diverso da un tipico diodo raddrizzatore al silicio, ma i fotodiodi sfruttano le caratteristiche di polarizzazione zero o polarizzazione inversa di una giunzione pn. Nel prossimo articolo discuteremo del funzionamento fisico delle giunzioni pn sensibili alla luce.
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