Fotodiode

En fotodiode er en elektronisk komponent som endrer egenskaper ved bestråling av synlig eller ikke-synlig lys, som infrarødt og ultrafiolett. Komponentens oppbygning er basert på en halvlederdiode. Virkningen består i at lys inneholder energi med en frekvens som er i stand til å slå løs elektroner i halvlederens krystallgitter. En del av lysets energi kan omgjøres til elektrisk energi i fotodioden.

De to hovedformålene for fotodioden er deteksjon og måling av lys på den ene siden, og energiutvinning av sollys på den andre. I siste tilfellet kalles fotodioden for en solcelle som del av et solcellepanel. En solcelle er i prinsipp ikke noe annet enn en fotodiode med stor overflate.

For lysdeteksjon og -måling er forskjellige egenskaper interessante. Den svakeste lysmengden som kan detekteres er en av dem. Reaksjonshastigheten er også interessant, som også den spektrale følsomheten. Fotodioder fremstilles og drives forskjellig alt etter formålet som de er tiltenkt.

Lysinnfallet fører til at de løsslåtte elektronene vandrer mot katoden. Katoden blir derfor negativ og spenningen begrenses naturlig av diodespenningen når dioden ikke er tilkoplet noe. En fotodiode drives likevel aldri i lederetningen, for drift holdes spenningen lavere enn diodespenningen. Dioden kan drives kortsluttet eller belastet, som fører til at elektrisk strøm genereres. Denne bruken kalles fotovoltaisk modus. Strømmen blir da proporsjonal til lysmengden. Dioden kan også gis en negativ forspenning, en driftsform som kalles fotoledende modus (engelsk: photoconductive mode). Her styres ledeegenskapene av lysmengden; jo mere lys jo bedre leder dioden i revers. Denne driftsformen er mye raskere enn den fotovoltaiske, men oppviser mere støy.

Fotodioden kan utgjøre basis-emitterstrekningen i en transistor, som derved blir en fototransistor. Lysstrømmen forsterkes i fototransistoren, men lavtlysgrensen blir likevel ikke bedre enn i en fotodiode alene. Fototransistorer brukes ofte i lysskranker sammen med en lysdiode. Lysskranken detekterer om noe stopper lysveien eller ikke, enten direkte eller refleksivt. Fototransistorer brukes også i et digitalt koplingselement som mottar lys fra en innebygget lysdiode. Et slikt element kalles en optokopler. Slik kan signaler overføres mellom kretser som har forskjellige spenningsnivåer, altså over et galvanisk skille.

I mørke vil det alltid gå en liten lekkstrøm gjennom dioden når den er forspent i sperreretningen. I fotodioden kalles denne strømmen mørkestrøm. Mørkestrømmen er temperaturavhengig og setter en grense for det svakeste lyset som dioden kan detektere.

For å øke følsomheten utføres enkelte fotodioder som avalancedioder, se diode og zenerdiode. De drives med høy reversspenning, nær breakdownområdet. Her vil frie elektroner akselereres i feltet som er satt opp i sperreretningen, og de vil kunne slå løs videre elektroner på sin vei.

Svakt lys blir fortsatt best detektert av fotomultiplikatorer, som er kaldkatoderør (elektronrør) med et batteri av påfølgende anoder (som i dette tilfellet kalles dynoder) og som etter hverandre forsterker den lille elektronmengden som lyset opprinnelig slo løs i det første elementet, kalt fotokatoden. Fotomultiplikatorer er svært følsomme og kan sogar detektere enkelte fotoner siden virkemåten ikke er plaget av termisk støy.

Halvledermateriale

Fotodioder lages av silisium (bølgelengde 190 til 1100 nm), germanium (400 til 1700 nm), indium-gallium-arsenid (800 til 2600 nm) og bly(II)-sulfid (1000 til 3500 nm). Synlig lys har til sammenligning bølgelengder mellom 380 nm (fiolett) og 750 nm (rødt).