چه چیزی فوتودیود است

چه چیزی فوتودیود است؟

تعریف فوتودیود

فوتودیود به عنوان یک دیود اتصال PN تعریف می‌شود که هنگام مواجه با نور جریان تولید می‌کند. این اتصال با ترکیب مواد نیمه‌رسانا از نوع P و N شکل می‌گیرد. ماده از نوع P حامل‌های بار مثبت اضافی (حفره) دارد، در حالی که ماده از نوع N حامل‌های بار منفی اضافی (الکترون) دارد. هنگامی که این مواد با هم ملاقات می‌کنند، الکترون‌های منطقه N به منطقه P حرکت می‌کنند، با حفره‌ها ترکیب می‌شوند و یک منطقه خالی ایجاد می‌کنند. این منطقه به عنوان مانعی برای پخش بیشتر حامل‌های بار عمل می‌کند.

فوتودیود دو سری، آند و کاتد را دارد که به ترتیب به مناطق P و N متصل می‌شوند. آند معمولاً با یک لبه یا نقطه روی بسته‌بندی دستگاه علامت‌گذاری می‌شود. نماد فوتودیود در زیر نشان داده شده است، با دو پیکان به سمت اتصال که نشان‌دهنده حساسیت آن به نور است.

اصول عملکرد

هنگامی که فوتودیود در حالت قطبش معکوس به یک مدار خارجی متصل می‌شود، یک جریان کوچک معکوس از آند به کاتد جریان می‌یابد. این جریان که به عنوان جریان تاریک شناخته می‌شود، ناشی از تولید حرارتی حامل‌های بار اقلیت در نیمه‌رسانا است. جریان تاریک به ولتاژ معکوس اعمال شده بستگی ندارد، بلکه با دما و سطح آلودگی متغیر است.

هنگامی که نور با انرژی کافی به فوتودیود برخورد می‌کند، زوج‌های الکترون-حفره در ماده نیمه‌رسانا ایجاد می‌شوند. این فرآیند به عنوان اثر فتوئлектریک داخلی نیز شناخته می‌شود. اگر جذب نور در یا نزدیک به منطقه خالی اتفاق بیفتد، این حامل‌های بار توسط میدان الکتریکی در اتصال به طرف مقابل حرکت می‌کنند و جریان فتوئلكتریکی ایجاد می‌کنند که به جریان تاریک اضافه می‌شود. بنابراین، حفره‌ها به سمت آند و الکترون‌ها به سمت کاتد حرکت می‌کنند و جریان معکوس با افزایش شدت نور افزایش می‌یابد.

جریان فتوئلكتریکی با شدت نور برای یک طول موج و دما خاص متناسب است. اگر شدت نور خیلی بالا باشد، جریان فتوئلكتریکی به یک مقدار ماکسیمم به نام جریان اشباع می‌رسد، که بعد از آن دیگر افزایش نمی‌یابد. این جریان اشباع به هندسه و خصوصیات ماده دستگاه بستگی دارد.

فوتودیود می‌تواند در دو حالت عمل کند: حالت فتوولتائیک و حالت فتوکنداکتیو.

حالت فتوولتائیک

در حالت فتوولتائیک، ولتاژ معکوس خارجی به فوتودیود اعمال نمی‌شود و آن را مانند سلول خورشیدی که از نور انرژی تولید می‌کند عمل می‌کند. جریان فتوئلكتریکی از طریق یک مدار کوتاه یا مقاومت بار متصل به سری‌ها جریان می‌یابد. اگر مدار باز یا مقاومت بالا باشد، یک ولتاژ در دستگاه تولید می‌شود که آن را به طرف جلو قطب‌گذاری می‌کند. این ولتاژ که به عنوان ولتاژ مدار باز شناخته می‌شود، به شدت نور و طول موج بستگی دارد.

حالت فتوولتائیک از اثر فتوولتائیک استفاده می‌کند که برای تولید انرژی خورشیدی از نور خورشید استفاده می‌شود. با این حال، این حالت برخی از محدودیت‌هایی مانند سرعت پاسخ پایین، مقاومت سری بالا و حساسیت پایین دارد.

حالت فتوکنداکتیو

در حالت فتوکنداکتیو، ولتاژ معکوس خارجی به فوتودیود اعمال می‌شود و آن را مانند مقاومت متغیری که مقاومتش با شدت نور تغییر می‌کند عمل می‌کند. جریان فتوئلكتریکی از طریق یک مدار خارجی که ولتاژ قطب‌گذاری و خروجی جریان یا ولتاژ را فراهم می‌کند، جریان می‌یابد.

حالت فتوکنداکتیو برخی مزایایی نسبت به حالت فتوولتائیک دارد، مانند سرعت پاسخ بالا، مقاومت سری پایین، حساسیت بالا و دامنه دینامیکی گسترده. با این حال، این حالت نیز برخی از عیب‌هایی مانند سطح نویز بالاتر، مصرف انرژی بالاتر و خطی بودن پایین‌تر دارد.

خصوصیات فوتودیود

خصوصیات فوتودیود عملکرد آن را تحت شرایط مختلف شدت نور، طول موج، دما، ولتاژ قطب‌گذاری و غیره توصیف می‌کند. برخی از این خصوصیات عبارتند از:

برخی از کاربردهای فوتودیود

• ارتباطات نوری

• اندازه‌گیری نوری

• تصویربرداری نوری

• سوئیچ‌گری نوری

• تولید انرژی خورشیدی

نتیجه‌گیری

فوتودیود یک دستگاه نیمه‌رسانا است که نور را به جریان الکتریکی تبدیل می‌کند. این دستگاه بر اساس اصل اثر فتوئلكتریک داخلی که زوج‌های الکترون-حفره را هنگامی که فوتون‌ها با دیود اتصال PN برخورد می‌کنند ایجاد می‌کند، عمل می‌کند. فوتودیود در شرایط قطب‌گذاری معکوس عمل می‌کند و دو حالت دارد: حالت فتوولتائیک و حالت فتوکنداکتیو. فوتودیود دارای خصوصیات مختلفی است، مانند پاسخ‌دهی، کارایی کوانتومی، پاسخ طیفی، جریان تاریک، مقاومت تاریک، نویز، خطی بودن و زمان پاسخ.

فوتودیود کاربردهای مختلفی در ارتباطات نوری، اندازه‌گیری نوری، تصویربرداری نوری، سوئیچ‌گری نوری و تولید انرژی خورشیدی دارد. فوتودیود می‌تواند برای ساخت مدارهای هشدار و مدارهای شمارشگر با استفاده از تشخیص قطع شدن پرتو‌های نوری استفاده شود. فوتودیود یک دستگاه چندمنظوره و مفید است که می‌تواند نور را تشخیص دهد و به الکتریسیته تبدیل کند.