فتودیود چیست؟ (قسمت 2)

مشکلات زیر را می توان با استفاده از آن حل کردفتودیودیا فوتوترانزیستور. به عنوان مثال، دوربین گوشی باید نور محیط را اندازه گیری کند تا مشخص شود آیا فلاش باید فعال شود یا خیر. چگونه سطح اکسیژن خون را به صورت غیرتهاجمی ارزیابی کنیم؟ این دستگاه‌های الکترونیک نوری نور (فوتون‌ها) را به سیگنال‌های الکتریکی تبدیل می‌کنند که یک ریزپردازنده (یا میکروکنترلر) می‌تواند آن‌ها را ببیند. به این ترتیب می توان موقعیت و چیدمان اجسام را کنترل کرد، شدت نور را تعیین کرد و خواص فیزیکی ماده را بر اساس برهمکنش آن با نور اندازه گیری کرد.

حالا بیایید در مورد قسمت دوم صحبت کنیم.

1. ساختار فتودیود

یکی از الزامات کلیدی برای فتودیود، یک منطقه مناسب برای جمع آوری نور است. در یک اتصال PN استاندارد، این نسبتاً کوچک است، اما می توان با استفاده از یک دیود PIN، مساحت را افزایش داد. از آنجایی که ناحیه ذاتی در اتصال فعال مورد استفاده برای جمع‌آوری نور قرار دارد، ناحیه مورد استفاده برای جمع‌آوری نور بسیار بزرگ‌تر است و دیود نوری PIN را کارآمدتر می‌کند.

در فرآیند تولید فتودیود، لایه‌های ذاتی ضخیم بین لایه‌های نوع P و نوع N قرار می‌گیرند. لایه ویژه میانی را می توان به طور کامل اختصاصی یا خیلی کم دوپ کرد تا به یک لایه N تبدیل شود. در برخی موارد، می توان آن را به عنوان یک لایه همپایه روی بستر رشد داد، یا می تواند در خود بستر قرار گیرد.

لایه انتشار P پلاس را می توان بر روی یک لایه اپیتاکسیال نوع N به شدت دوپ شده توسعه داد. کنتاکت از طراحی فلزی ساخته شده است و می توان آن را به دو ترمینال مانند آند و کاتد تبدیل کرد. قسمت جلویی دیود را می توان به دو نوع سطح فعال و سطح غیرفعال تقسیم کرد.

طراحی سطح غیر فعال را می توان با دی اکسید سیلیکون (SiO2) انجام داد. در یک سطح فعال، نور می تواند به آن بتابد، در حالی که در یک سطح غیر فعال، نور نمی تواند بتابد. با پوشاندن سطح فعال با یک ماده ضد انعکاس، انرژی نور از بین نمی رود و حداکثر می تواند به جریان الکتریکی تبدیل شود.

یکی از الزامات اصلی یک فتودیود اطمینان از رسیدن حداکثر نور به لایه ذاتی است. یکی از کارآمدترین راه ها برای رسیدن به این هدف، قرار دادن کنتاکت های الکتریکی در کنار دستگاه است، همانطور که در تصویر نشان داده شده است. این اجازه می دهد تا حداکثر مقدار نور به منطقه موثر برسد. مشخص شده است که از آنجایی که بستر به شدت دوپ شده است، تقریباً هیچ افت نوری وجود ندارد زیرا این یک منطقه فعال نیست.

از آنجایی که نور بیشتر در یک فاصله معین جذب می شود، ضخامت لایه ذاتی معمولاً با آن مطابقت دارد. هر گونه افزایش بیش از این ضخامت باعث کاهش سرعت کار - عامل مهم در بسیاری از کاربردها - می شود و کارایی را تا حد زیادی افزایش نمی دهد.

نور همچنین می تواند از یک طرف محل اتصال وارد فتودیود شود. با کارکرد فتودیود به این شکل، می توان لایه های ذاتی کمتری برای افزایش سرعت کار، البته با کاهش بازده، ساخت.

در برخی موارد می توان از هتروجانکشن ها استفاده کرد. این شکل از ساختار انعطاف پذیری بیشتری برای دریافت نور از زیرلایه دارد و دارای شکاف انرژی بزرگ تری است که باعث شفافیت آن در برابر نور می شود.

به عنوان یک فرآیند کمتر استاندارد، اجرای آن گرانتر است و بنابراین تمایل دارد برای محصولات تخصصی تر استفاده شود.

2. ویژگی های فتودیود

(1) ویژگی های ولت آمپر

این به رابطه بین جریان نوری روی فتودیود و ولتاژ اعمال شده به آن اشاره دارد.

(2) ویژگی های روشنایی

این به رابطه بین شار نوری و جریان نوری زمانی که ولتاژ فوتودیود بین کاتد و آند ثابت است اشاره دارد. شیب منحنی مشخصه نور، حساسیت دیود نوری نامیده می شود.

(3) ویژگی های طیفی

رابطه بین جریان نوری و طول موج نور فرودی را ویژگی طیفی می گویند. انرژی فوتون با طول موج نور مرتبط است: هر چه طول موج بیشتر باشد، انرژی فوتون کوچکتر است. هر چه طول موج کوتاهتر باشد فوتون پرانرژی تر است.

3. عملکرد فتودیود

(1) کنترل نور

فتودیود را می توان به عنوان کلید فوتوالکتریک استفاده کرد و مدار آن در شکل زیر نشان داده شده است. هنگامی که نور وجود ندارد، فتودیود VD1 به دلیل ولتاژ معکوس قطع می شود. ترانزیستورهای VT1 و VT2 نیز بدون جریان پایه قطع می شوند. رله در حالت آزادسازی است.

هنگامی که نور در VD1 ساطع می شود، از قطع به رسانایی تبدیل می شود. در نتیجه VT1 و VT2 متوالی روشن می شوند، رله K کشیده می شود و مدار کنترل روشن می شود.

(2) دریافت سیگنال نوری

فتودیودها می توانند برای دریافت سیگنال های نور استفاده شوند. تصویر زیر مدار فتودیود تقویت کننده سیگنال نوری را نشان می دهد. سیگنال نور توسط فتودیود VD دریافت می شود، توسط VT تقویت می شود و توسط خازن جفت C خروجی می شود.

4. برنامه های Photodiode

(1) فتوسل

فتوسل اساساً یک منطقه بزرگ از اتصال PN است. هنگامی که نور بر روی یک سطح اتصال PN، مانند سطح ناحیه P منتشر می شود، هر فوتون در ناحیه P یک جفت الکترون-حفره آزاد تولید می کند اگر انرژی فوتون از پهنای باند شکاف باند ماده نیمه هادی بیشتر باشد.

جفت الکترون-حفره به سرعت به سمت داخل پخش می شود و یک نیروی حرکتی الکتریکی مربوط به شدت نور در زیر میدان الکتریکی اتصال ایجاد می کند. در این زمان اگر از آن به عنوان منبع تغذیه استفاده کنیم و آن را به مدار خارجی وصل کنیم تا زمانی که نور وجود داشته باشد به تامین برق که فتوسل است ادامه می دهد. به عبارت دیگر، فتوسل یک دستگاه فوتوالکتریک با اتصال PN بدون ولتاژ بایاس است. می تواند به طور مستقیم انرژی نور را به الکتریسیته تبدیل کند.

(2) سلول های خورشیدی

سلول خورشیدی یک دستگاه نیمه هادی است. هنگامی که نور خورشید به یک نیمه هادی برخورد می کند، مقداری از آن منعکس می شود و بقیه جذب می شود یا به نیمه هادی نفوذ می کند. مقداری از نور جذب شده تبدیل به گرما می شود، در حالی که فوتون های دیگر با الکترون های ظرفیتی که نیمه هادی را تشکیل می دهند برخورد می کنند و جفت الکترون-حفره ایجاد می کنند. به این ترتیب انرژی نور به الکتریسیته تبدیل می شود.

بنابراین، پس از تابش نور خورشید، دو سر سلول خورشیدی ولتاژ DC تولید می‌کنند و در نتیجه انرژی نور خورشید را مستقیماً به جریان DC تبدیل می‌کنند. اگر سرب های فلزی را به لایه های P و N لحیم کنیم و بار را وصل کنیم، جریان از مدار خارجی عبور می کند.

به این ترتیب اگر سری فتوسل ها را به صورت موازی به هم وصل کنیم، می توان ولتاژ و جریان خاصی را برای خروجی برق تولید کرد.

(3) سیستم روشنایی فتوولتائیک

سیستم تولید برق فتوولتائیک یک سیستم تولید برق است که از سلول های خورشیدی برای تبدیل انرژی خورشیدی به برق استفاده می کند. از اثر فتوولتائیک استفاده می کند.

اجزای اصلی سلول‌های خورشیدی، باتری‌ها، کنترل‌کننده‌ها و اینورترها هستند. قابلیت اطمینان بالا، عمر طولانی، بدون آلودگی، تولید برق مستقل، عملکرد متصل به شبکه فوتودیود.

از آنجایی که حالت فتوولتائیک فوتودیود به شدت تحت تأثیر عوامل محیطی خارجی مانند نور و دما قرار می گیرد، نقطه کار به سرعت تغییر می کند. سیستم های تولید برق مستقل و سیستم های تولید برق متصل به شبکه وجود دارد.

① سیستم مستقل تولید برق فتوولتائیک

سیستم تولید برق مستقل فتوولتائیک یک روش تولید برق است که به شبکه متصل نیست. برای ذخیره انرژی در شب به باتری نیاز دارد. تولید برق مستقل فتوولتائیک خورشیدی عمدتاً در روستاها و خانه‌های دورافتاده استفاده می‌شود

نمودار ساختار سیستم مولد ولت

② سیستم تولید برق فتوولتائیک متصل به شبکه

سیستم تولید برق فتوولتائیک متصل به شبکه برای تامین برق شبکه به شبکه سراسری متصل است. نیازی به باتری نداره سیستم های تولید برق فتوولتائیک مسکونی بیشتر در خانه هستند. آنها همچنین در خدمات عمومی، سیستم های روشنایی منظره شبانه و مزارع خورشیدی استفاده می شوند.

(4) کاربردهای دیگر فوتودیودها عبارتند از:

• یک فتودیود به عنوان سنسور نور استفاده می شود. از آنجایی که جریان موجود در آن متناسب با شدت نور است، برای اندازه گیری شدت نور نیز استفاده می شود.

• فوتودیودها در آشکارسازهای دود می توانند برای حس کردن دود و آتش استفاده شوند.

• فوتودیودها و ال ای دی ها برای ساخت عایق های نوری و کوپلرهای نوری ترکیب می شوند

•به عنوان سلول خورشیدی در پنل های خورشیدی استفاده می شود

• برای اسکنر بارکد، تشخیص کاراکتر استفاده می شود

• برای سیستم های تشخیص موانع،

•قابل استفاده به عنوان صفحه نمایش و شمارنده صفحه در چاپگرها

• برای تشخیص مجاورت، یک اکسیمتر

• همچنین برای رمزگذارهای نوری و رمزگشاها استفاده می شود

• انتقال اطلاعات نوری، بر اساس ارتباطات فیبر نوری

• سنسور موقعیت

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.