Valodiodi


Yleistä


Valodiodi on valolle herkkä diodi, vaikka valodiodilla nykyisin usein tarkoitetaankin LEDejä. Niitä käytetään usein valon intensiteetin havaitsemiseen. Riippuen toiminnasta valodiodi voi muuttaa valoa jännitteeksi tai virraksi[1] . Yleensä ne valmistetaan amorfisista piistä ohutkalvotekniikalla. Yleiskäyttöisiä ja halpoja valodiodeja ovat esimerkiksi mallit SFH203 ja BPW43. [2] Valodiodien herkkyyttä kuvataan kvanttitehokkuudella[3] .

20100131_00721.jpg
Kuvassa valodiodi BPW-34

valodiodipiirrosmerkki.jpg
Valodiodin piirrosmerkki.

Toimintaperiaate


Pimeässä valodiodi toimii kuten tavallinen diodi, mutta valon osuessa puolijohteeseen se alkaa johtaa myös estosuuntaisesti. Fotonin osuessa puolijohteen tyhjennysalueeseen, se absorboituu ja tällöin vapautuva energia saa aikaan vapaan varauksen kuljettajan. Varauksen kuljettajien määrä on verrannollinen valon intensiteettiin ja siksi valodiodit sopivat "valoisuuden aistimiseen". Jos diodi on biasoitu 0 voltin jännitteeseen, kasautuu sen napoihin valon intensiteetistä riippuva jännite, koska virta ei pääse kulkemaan. Tällaista diodikytkentää kutsutaan myös valokennoksi.[4] [5] [6] Myös aurinkokennot perustuvat tähän ilmiöön.

PIN-diodi.jpg
Periaatekuva PIN-valodiodin toiminnasta. Valon osuessa diodiin, se johtaa myös estosuuntaan.

Toisin kuten tavallisessa diodissa, valodiodissa ei yleensä käytetä tavallista PN-liitosta vaan niin sanottua PIN-liitosta. Tällaisessa liitoksessa P- ja N-tyypin puolijohteiden välissä on laaja kevyemmin seostettu I alue. Tällöin vapaiden varaustenkuljettajien määrän määrittelevät I-alueen materiaalin ominaisuudet. PIN-liitoksella toteutettaessa toiminta normaalin diodin tapaan heikkenee, mutta sen käytettävyys valoon liittyvissä sovelluksissa paranee. Tällöin sen toiminta mm. nopeana kytkimenä paranee (käyttö mm. optisissa verkkoyhteyksissä). Tällaisessa käytössä diodi on vastakkaisuuntaan biasoitu, jolloin sen kapasitanssi ja näin ollen vasteajat pienenevät.

Valokennokäytössä PIN-liitäntä parantaa vastetta pidemmän aallonpituuden valoon ja parantaa näin kvanttitehokkuutta. [7] [8]

Esimerkkitiedot, BPW-34[9]
Mitat : 5.4 x 4.3 x 3.2 (mm)
Valolle aktiivinen alue: 7.5 mm²
Suurimman herkkyyden aallonpituus : 900 nm
Havaittavan aallonpituuden kaista : 430 - 1100 nm
nousu- ja laskuaika: 100ns
"valovirta", kun valon intensiteetti 1mW/cm² ja aallonpituus 950nm : 50µA

Valmistus materiaalit[10]


Yleisesti käytetyt puolijohdemateriaalit ja niillä saavutetut aallonpituus rajat (nm)

  • Pii, 190-1100
  • Germanium, 400-1700
  • Indium-Gallium-arsenidi, 800-2600
  • Lyijy(II)-sulfidi, <1000-3500

Käyttökohteet


  • Kytkimet Valodiodeilla voidaan tehdä erilaisia kytkimiä mm. hipaisupainike, joka huomaa kun vaikkapa sormi tuodaan kytkimen lähelle.
  • Optiset verkkoyhteydet Etenkin PIN- liitännällä varustetut valodiodit sopivat nopeaan optiseen tiedonsiirtoon, jossa vaaditaan pulssille nopeita nousu-, ja laskuaikoja.
  • Valokennot
    • Aurinkokenno Näkyvän valon muuttaminen sähkövirraksi.
    • CCD-kenno CCD-kennoja käytetään mm. digitaalikameran kuvan tallentamisessa digitaaliseen muotoon. Kennot koostuvat valodiodeista, jotka eivät sinänsä erota värejä. Värien erottelu toteutetaan värisuotimien avulla[11] .
  • Valotransistorit Valotransistorit toimivat nopeammin kuin valodiodit, mutta valodiodin avulla voidaan rakentaa nopeampi valotransistorin toimintaa vastaava kytkentä. Tämä tapahtuu ohjaamalla tavallisen transistorin kanta- kollektorivirtaa valodiodin avulla.[12]

Lähteet


  1. ^ http://en.wikipedia.org/wiki/Photodiode
  2. ^ http://en.wikipedia.org/wiki/PIN_diode
  3. ^ http://en.wikipedia.org/wiki/Quantum_efficiency
  4. ^ http://en.wikipedia.org/wiki/Photodiode
  5. ^ Storey, Neil.
    Electronics: a systems approach / Neil Storey. -3rd ed.
    ISBN: 0-13-129396-6
  6. ^ http://fi.wikipedia.org/wiki/Fotodiodi
  7. ^ http://en.wikipedia.org/wiki/PIN_diode
  8. ^ http://en.wikipedia.org/wiki/PIN_diode#Photodetector_and_photovoltaic_cell
  9. ^ http://www.sparkfun.com/datasheets/Prototyping/Solar/bpw34.pdf
  10. ^ http://en.wikipedia.org/wiki/Photodiode#Materials
  11. ^ http://fi.wikipedia.org/wiki/CCD-kenno
  12. ^ https://oa.doria.fi/bitstream/handle/10024/5142/TMP.objres.432.pdf?sequence=1