چیست فوتودیود؟

فوتودیود چیست؟

تعریف فوتودیود

فوتودیود به عنوان یک دیود اتصال PN تعریف می‌شود که در معرض نور قرار گرفتن، جریان تولید می‌کند. این اتصال با ترکیب مواد نیمه‌رسانا P و N تشکیل می‌شود. ماده P دارای حامل‌های بار مثبت اضافی (حفره) و ماده N دارای حامل‌های بار منفی اضافی (الکترون) است. وقتی این مواد با یکدیگر ملاقات می‌کنند، الکترون‌های منطقه N به منطقه P حرکت می‌کنند و با حفره‌ها ترکیب شده و منطقه خلاء را ایجاد می‌کنند. این منطقه به عنوان مانعی برای پخش بیشتر حامل‌های بار عمل می‌کند.

فوتودیود دو ترمینال دارد: آند و کاتد که به ترتیب به مناطق P و N متصل هستند. آند معمولاً با یک تاب یا نقطه روی بسته 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 کار

وقتی فوتودیود در حالت معکوس به مدار خارجی متصل می‌شود، جریان کوچکی از آند به کاتد جریان می‌یابد. این جریان که جریان تاریک نامیده می‌شود، نتیجه تولید حرارتی حامل‌های بار کمیت در نیمه‌رسانا است. جریان تاریک به ولتاژ معکوس اعمال شده بستگی ندارد، اما با دمای محیط و سطح دوپینگ متغیر است.

وقتی نور با انرژی کافی به فوتودیود برخورد می‌کند، جفت‌های الکترون-حفره در ماده نیمه‌رسانا ایجاد می‌شوند. این فرآیند همچنین به عنوان اثر فتوالکتریک داخلی شناخته می‌شود. اگر جذب نور در یا نزدیک به منطقه خلاء اتفاق بیفتد، این حامل‌های بار توسط میدان الکتریکی از طریق اتصال، جابجا می‌شوند و جریان فوتولکتریکی تولید 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 فوتولکتریکی متناسب با شدت نور برای یک طول موج و دمای خاص است. اگر شدت نور خیلی بالا باشد، جریان فوتولکتریکی به یک مقدار حداکثری به نام جریان اشباع می‌رسد که بعد از آن دیگر افزایش نمی‌یابد. این جریان اشباع به هندسه و خواص ماده دستگاه بستگی دارد.

فوتودیود می‌تواند در دو حالت کار کند: حالت فتوولتائیک و حالت فوتوکندکتیو.

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 فوتولکتریکی از طریق مدار کوتاه یا مقاومت بار متصل به ترمینال‌ها جریان می‌یابد. اگر مدار باز یا دارای مقاومت بالا باشد، ولتاژی در دستگاه ساخته می‌شود که آن را به سمت جلویی بایاس می‌کند. این ولتاژ که ولتاژ بازدارنده نامیده می‌شود، به شدت نور و طول موج بستگی دارد.

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

حالت فوتوکندکتیو

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

حالت فوتوکندکتیو برخی مزایا 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 عیوب را دارد، مانند سطح نویز بالاتر، مصرف انرژی بیشتر و خطی بودن کمتر.

ویژگی‌های فوتودیود

ویژگی‌های فوتودیود عملکرد آن را تحت شرایط مختلف شدت نور، طول موج، دما، ولتاژ بایاس و غیره توصیف می‌کنند. برخی از این ویژگی‌ها عبارتند از:

کاربردهای فوتودیود

• ارتباطات نوری

• سنجش 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 اثر فتوالکتریک داخلی که جفت‌های الکترون-حفره را هنگامی که فوتون‌ها به دیود اتصال PN برخورد می‌کنند، ایجاد می‌کند، کار می‌کند. فوتودیود در شرایط بایاس معکوس کار می‌کند و دو حالت دارد: حالت فتوولتائیک و حالت فوتوکندکتیو. فوتودیود دارای ویژگی‌های مختلفی مانند پاسخگی، کارایی کوانتومی، پاسخ طیفی، جریان تاریک، مقاومت تاریک، نویز، خطی بودن و زمان پاسخ است.

فوتودیود کاربردهای متعددی در ارتباطات نوری، سنجش نوری، تصویربرداری نوری، سوئیچ‌گری نوری و تولید انرژی خورشیدی دارد. فوتودیود می‌تواند برای ساخت مدارهای هشدار و شمارنده‌ها 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.