فتودیود چیست؟ (قسمت 1)

فتودیودیک وسیله نیمه هادی است که نور را به جریان تبدیل می کند و بین لایه های p (مثبت) و n (منفی) یک لایه ذاتی وجود دارد. فتودیود انرژی نور را به عنوان ورودی برای تولید جریان الکتریکی دریافت می کند. فتودیودها به عنوان آشکارسازهای نوری، حسگرهای فوتوالکتریک یا آشکارسازهای نور نیز شناخته می شوند.

فتودیود تحت شرایط بایاس معکوس عمل می کند، یعنی سمت P فتودیود به الکترود منفی باتری (یا منبع تغذیه) وصل شده است و سمت N به الکترود مثبت باتری متصل می شود. مواد فتودیود معمولی عبارتند از سیلیکون، ژرمانیوم، ایندیوم گالیوم آرسنید فسفید و ایندیوم گالیوم آرسنید.

در داخل، فتودیود دارای یک فیلتر نور، لنز داخلی و سطح است. هنگامی که سطح فتودیود افزایش می یابد، زمان پاسخ کاهش می یابد. تعداد بسیار کمی از فتودیودها شبیه دیودهای ساطع کننده نور (LED) هستند. مطابق شکل زیر دارای دو ترمینال است. ترمینال کوچکتر به عنوان کاتد و ترمینال طولانی تر به عنوان آند عمل می کند.

نماد فتودیود شبیه نماد LED است، اما فلش به جای بیرون در LED به داخل اشاره می کند. تصویر زیر نماد فتودیود را نشان می دهد.

1. اصل فتودیود

فتودیودها با ایجاد یک جفت حفره الکترونی هنگام برخورد یک فوتون پرانرژی به دیود کار می کنند. این مکانیسم به عنوان اثر فوتوالکتریک داخلی نیز شناخته می شود. اگر جذب در محل اتصال ناحیه تخلیه رخ دهد، حامل ها توسط میدان الکتریکی داخلی در ناحیه تخلیه از محل اتصال خارج می شوند.

معمولاً وقتی نور محل اتصال PN را روشن می کند، پیوند کووالانسی یونیزه می شود. این باعث ایجاد حفره ها و جفت الکترون می شود. جریان نوری به دلیل تولید جفت الکترون-حفره ایجاد می شود. هنگامی که فوتون های با انرژی بیشتر از 1.1eV به دیود برخورد می کنند، جفت الکترون-حفره تشکیل می شود. هنگامی که فوتون وارد ناحیه تخلیه دیود می شود، با انرژی بالایی به اتم برخورد می کند. این منجر به آزاد شدن الکترون از ساختار اتمی می شود. هنگامی که الکترون ها آزاد می شوند، الکترون ها و حفره های آزاد ایجاد می شوند.

به طور کلی الکترون ها دارای بار منفی و حفره ها دارای بار مثبت هستند. انرژی تخلیه شده دارای یک میدان الکتریکی داخلی خواهد بود. به دلیل این میدان الکتریکی، جفت الکترون-حفره از محل اتصال PN دور است. بنابراین، سوراخ ها به سمت آند و الکترون ها به سمت کاتد حرکت می کنند تا جریان نوری تولید کنند.

شدت جذب فوتون و انرژی فوتون متناسب با یکدیگر هستند. هر چه عکس انرژی کمتری داشته باشد، بیشتر جذب می شود. کل این فرآیند اثر فوتوالکتریک داخلی نامیده می شود.

تحریک درونی و برانگیختگی بیرونی دو روش تحریک فوتون هستند. فرآیند تحریک ذاتی زمانی اتفاق می‌افتد که الکترون‌های باند ظرفیت توسط فوتون‌ها به نوار رسانایی برانگیخته شوند.

2. مدار کار فتودیود

فتودیودها عمدتاً در سه حالت مختلف کار می کنند که عبارتند از:

(1) حالت فتوولتائیک

(2) حالت رسانای عکس

(3) حالت دیود بهمن

(1) حالت فتوولتائیک

به این حالت حالت بایاس صفر نیز می گویند. این حالت زمانی ترجیح داده می شود که دیودهای نوری در کاربردهای فرکانس پایین و کاربردهای نور با سطح انرژی فوق العاده کار می کنند. هنگامی که فلاش به دیود نوری برخورد می کند، ولتاژ ایجاد می کند. ولتاژ حاصل دامنه دینامیکی بسیار کمی خواهد داشت و دارای مشخصات غیرخطی خواهد بود. هنگامی که فتودیود با OP-AMP در این حالت پیکربندی شود، تغییر دما بسیار کم خواهد بود.

(2) حالت رسانای عکس

در این حالت، فتودیود تحت شرایط بایاس معکوس کار خواهد کرد. کاتد مثبت و آند منفی است. با افزایش ولتاژ معکوس، عرض لایه تخلیه نیز افزایش می یابد. در نتیجه زمان پاسخ و ظرفیت اتصال کاهش می یابد. در مقابل، این حالت عملکرد سریع است و نویز الکترونیکی ایجاد می کند.

(3) حالت دیود بهمن

دیودهای بهمنی تحت شرایط بایاس معکوس بالا عمل می کنند، که به شکست بهمن اجازه می دهد تا در هر جفت الکترون-حفره تولید شده توسط الکتریسیته عکس ضرب شود. نتیجه بهره داخلی فوتودیود است که به آرامی پاسخ دستگاه را افزایش می دهد.

(4) مدار فوتودیود

نمودار مدار فتودیود در زیر نشان داده شده است. مدار را می توان با یک مقاومت 10k و فتودیود ساخت. هنگامی که فتودیود متوجه نور می شود، اجازه می دهد مقداری جریان از آن عبور کند. مجموع جریان وارد شده از طریق دیود می تواند متناسب با مجموع نور مشاهده شده از طریق دیود باشد.

3. فتودیود را به مدار خارجی وصل کنید

فتودیود در یک مدار بایاس معکوس عمل می کند. آند به زمین مدار و کاتد به ولتاژ تغذیه مثبت مدار متصل می شود. هنگامی که توسط نور روشن می شود، جریان الکتریکی از کاتد به آند می گذرد.

هنگامی که فتودیودها با مدار خارجی استفاده می شوند، به منبع تغذیه در مدار متصل می شوند. جریان تولید شده توسط فتودیود بسیار کم خواهد بود. این مقدار فعلی برای راه اندازی دستگاه الکترونیکی کافی نیست. بنابراین، هنگامی که آنها به منبع تغذیه خارجی متصل می شوند، جریان بیشتری را به مدار می دهند. بنابراین باتری به عنوان منبع تغذیه استفاده می شود. منبع باتری به افزایش مقدار فعلی کمک می کند و به عملکرد بهتر دستگاه های خارجی کمک می کند.

4. فرآیند تولید فتودیود

مواد فوتودیود

مواد یک فتودیود بسیاری از ویژگی های آن را تعیین می کند. مشخصه کلیدی موج نوری است که فتودیود به آن پاسخ می دهد و دیگری سطح نویز است که هر دو تا حد زیادی به مواد استفاده شده در فتودیود بستگی دارد.

پاسخ‌های متفاوتی به طول موج‌ها به دلیل استفاده از مواد مختلف رخ می‌دهد، زیرا فقط فوتون‌هایی با انرژی کافی برای تحریک الکترون‌ها در شکاف باند ماده، انرژی قابل‌توجهی برای تولید جریان از فتودیود تولید می‌کنند.

در حالی که حساسیت به طول موج مواد بسیار مهم است، پارامتر دیگری که می تواند تأثیر قابل توجهی بر عملکرد فتودیود داشته باشد، سطح نویز تولید شده است.

فتودیودهای سیلیکونی به دلیل شکاف باند بزرگترشان، صدای کمتری نسبت به فتودیودهای ژرمانیوم تولید می کنند. با این حال، نیاز به در نظر گرفتن طول موج فتودیود مورد نیاز نیز وجود دارد و فتودیودهای ژرمانیوم باید برای طول موج های بیشتر از حدود 1000 نانومتر استفاده شوند.

برای کسب اطلاعات بیشتر به قسمت 2 بروید.

اطلاعات تماس:

اگر ایده ای دارید، در صورت تمایل با ما صحبت کنید. مهم نیست که مشتریان ما کجا هستند و نیازهای ما چیست، ما هدف خود را دنبال خواهیم کرد تا با کیفیت بالا، قیمت پایین و بهترین خدمات به مشتریان خود ارائه دهیم.