מהו פוטודיאוד?

מהו פוטודיאוד?

הגדרת הפוטודיאוד

פוטודיאוד מוגדר כדיאוד PN שמייצר זרם כאשר הוא חשוף לאור. הצומת הזה נוצר על ידי חיבור חומרים מוליכים למחצה מסוג P ו-N. החומר מסוג P מכיל נושאים של מטען חיובי (חורים), בעוד שהחומר מסוג N מכיל נושאי מטען שלילי (אלקטרונים). כאשר החומרים האלה נפגשים, אלקטרונים מהאזור מסוג N עוברים לאזור מסוג P, מתאחדים עם חורים ויוצרים אזור יישות. האזור הזה פועל כתיבול להפצה נוספת של נושאי מטען.

לפוטודיאוד יש שני טרמינלים, אנודה וקתודה, המחוברים לאזורים מסוג P ו-N בהתאמה. האנודה מסומנת בדרך כלל עם לשונית או נקודה על אריזת המכשיר. הסמל של הפוטודיאוד מוצג להלן, עם שתי חיצים מצביעות אל הצומת כדי לציין שהוא רגיש לאור.

עקרון פעולה

כאשר פוטודיאוד מחובר בתנאי סטייה הפוכה מעגל חיצוני, זרם הפוך קטן זורם מהאנודה לקתודה. הזרם הזה, המוכר כזרם חשוך, נובע מההפקה תרמית של נושאי מטען משניים בחומר מוליך למחצה. זרם החשוך אינו תלוי במתח הפוך המופעל אך משתנה עם הטמפרטורה והרמה של הדופינג.

כאשר אור בעל אנרגיה מספק פוגע בפוטודיאוד, הוא יוצר זוגות אלקטרון-חור בחומר מוליך למחצה. תהליך זה ידוע גם בשם האפקט הפוטואלקטרי הפנימי. אם בליעה של אור מתרחשת באזור היישות או קרוב אליו, נושאי המטען הללו נסחפים על ידי השדה החשמלי בצומת, ומייצרים זרם פוטו שמוסיף לזרם החשוך. כך, חורים נעים לעבר האנודה ואלקטרונים נעים לעבר הקתודה, והזרם הפוך גדל עם עליית עוצמת האור.

הזרם הפוטו פרופורציונלי לעוצמת האור עבור אורך גל וטמפרטורה מסוימים. אם עוצמת האור גבוהה מדי, הזרם הפוטו מגיעה לערך מקסימלי שנקרא זרם השפעה, מעבר אליו הוא כבר אינו גדל. זרם ההשפעה תלוי בגאומטריה של המכשיר ובמאפייני החומר.

הפוטודיאוד יכול לפעול בשני מצבים: מצב פוטוולטאי ומצב פוטו קונדוקטיבי.

מצב פוטוולטאי

במצב פוטוולטאי, אין מתח הפוך חיצוני שמופעל על הפוטודיאוד, מה שהופך אותו לתא סולרי המייצר אנרגיה מאור. הזרם הפוטו זורם דרך מעגל קצר או בעומס מחבר לטרמינלים. אם המעגל פתוח או שיש לו עמידות גבוהה, מתח מתפתח על פני המכשיר, המהווה את הסטייה לפנים. המתח הזה, המוכר כמתח מעגל פתוח, תלוי בעוצמת האור ואורך הגל.

מצב הפוטוולטאי מנצל את האפקט הפוטוולטאי, המשמש לייצור אנרגיה סולרית מאור השמש. עם זאת, מצב זה כולל כמה חסרונות כמו מהירות תגובה נמוכה, עמידות טורית גבוהה ושכיחות נמוכה.

מצב פוטו קונדוקטיבי

במצב פוטו קונדוקטיבי, מתח הפוך חיצוני מופעל על הפוטודיאוד, והוא פועל כמו 저ومة משתנה שמשנה את התנגדותו עם עוצמת האור. הזרם הפוטו זורם דרך מעגל חיצוני המספק מתח סטייה ומדד את הזרם או המתח הנפלט.

מצב הפוטו קונדוקטיבי כולל כמה יתרונות לעומת המצב הפוטוולטאי, כגון מהירות תגובה גבוהה, עמידות טורית נמוכה, שכיחות גבוהה וטווח דינאמי רחב. עם זאת, מצב זה כולל גם כמה חסרונות, כגון רמות רעש גבוהות, צריכת אנרגיה גבוהה יותר וליניאריות נמוכה יותר.

מאפייני הפוטודיאוד

המאפיינים של הפוטודיאוד מתארים את הביצועים שלו בתנאים שונים של עוצמת אור, אורך גל, טמפרטורה, מתח סטייה וכדומה. חלק מהמאפיינים הללו הם:

יישומי הפוטודיאוד

• תקשורת אופטית

• מדידת אופטית

• צילום אופטי

• swithching אופטי

• ייצור אנרגיה סולרית

סיכום

פוטודיאוד הוא מכשיר מוליך למחצה הממיר אור לזרם חשמלי. הוא עובד על עיקרון האפקט הפוטואלקטרי הפנימי שמייצר זוגות אלקטרון-חור כאשר פוטונים פוגעים בדיאוד PN. הפוטודיאוד פועל בתנאי סטייה הפוכה ויש לו שני מצבים: מצב פוטוולטאי ומצב פוטו קונדוקטיבי. לפוטודיאוד יש מאפיינים שונים, כגון רגישות, יעילות קוונטית, תגובה ספקטרלית, זרם חשוך, התנגדות חשוכה, רעש, ליניאריות וזמן תגובה.

לפוטודיאוד יש יישומים רבים בתקשורת אופטית, מדידה אופטית, צילום אופטי, withching אופטי וייצור אנרגיה סולרית. ניתן להשתמש בפוטודיאוד לייצור מעגלי אזעקה ומעגלי מונה על ידי גילוי הפרעה באורות. הפוטודיאוד הוא מכשיר רב-תכליתי ומועיל שיכול לחוש ולהמיר אור לחשמל.