מהי פוטודיודה: עקרון העבודה ומאפייניו

פוטודיודה היא א דיודת צומת PN שצורכת אנרגיית אור לייצור זרם חשמלי. לפעמים זה נקרא גם גלאי צילום, גלאי אור וחיישן צילום. דיודות אלה נועדו במיוחד לעבוד בתנאי הטיה הפוכה, כלומר הצד P של הפוטודיודה קשור למסוף השלילי של הסוללה, והצד n מחובר למסוף החיובי של הסוללה. דיודה זו מורכבת מאוד לאור ולכן כאשר האור נופל על הדיודה היא הופכת את האור בקלות לזרם חשמלי. התא הסולארי ממותג גם כפוטודיודה בשטח גדול מכיוון שהוא ממיר אנרגיה סולארית לאנרגיה חשמלית . עם זאת, תא סולארי עובד רק באור בהיר.

מהי פוטודיודה?

פוטודיודה היא סוג אחד של גלאי אור המשמש להמרת האור לזרם או מתח בהתבסס על אופן הפעולה של המכשיר. הוא כולל פילטרים אופטיים, עדשות מובנות וגם שטחי שטח. לדיודות אלו זמן תגובה איטי כאשר שטח הפנים של הפוטודיודה גדל. פוטודיודות דומות לדיודות מוליכות למחצה רגילות, אך הן עשויות להיות גלויות כדי לתת לאור להגיע לחלק העדין של המכשיר. כמה דיודות המיועדות ל השתמש בדיוק כמו פוטודיודה ישתמש גם בצומת PIN במקצת בצומת ה- PN הרגיל.

חלק מהפוטודיודות ייראו כמו דיודה פולטת אור . יש להם שני מסופים שמגיעים מהסוף. הקצה הקטן יותר של הדיודה הוא מסוף הקתודה, ואילו הקצה הארוך יותר של הדיודה הוא מסוף האנודה. עיין בתרשים הסכימטי הבא לצדדי האנודה והקטודה. בתנאי הטיה קדימה, הזרם המקובל יזרום מהאנודה לקתודה, בעקבות החץ בסמל הדיודה. זרם פוטו זורם בכיוון ההפוך.

סוגי פוטודיודה

אמנם ישנם סוגים רבים של פוטודיודה הזמינים בשוק וכולם עובדים על אותם עקרונות בסיסיים, אם כי חלקם משופרים על ידי השפעות אחרות. העבודה של סוגים שונים של פוטודיודות עובדת בצורה מעט שונה, אך הפעולה הבסיסית של דיודות אלה נותרה זהה. ניתן לסווג את סוגי הפוטודיודות על פי בנייתם ​​ומתפקדים כדלקמן.

• פוטו-דיודה PN
• שוטקי פוטו דיודה
• פוטודיודה PIN
• פוטודיודת מפולות

פוטו-דיודה PN

הסוג המפותח הראשון של פוטודיודה הוא סוג ה- PN. בהשוואה לסוגים אחרים, הביצועים שלו אינם מתקדמים, אך נכון לעכשיו הוא משמש במספר יישומים. הגילוי הצילומי מתרחש בעיקר באזור הדלדול של הדיודה. דיודה זו די קטנה אך הרגישות שלה לא גדולה בהשוואה לאחרים. אנא עיין בקישור זה למידע נוסף על דיודת ה- PN.

פוטודיודה PIN

נכון לעכשיו, הפוטודיודה הנפוצה ביותר היא סוג PIN. דיודה זו אוספת את פוטוני האור בעוצמה רבה יותר בהשוואה לפוטודיודה רגילה של PN מכיוון שהשטח הפנימי הרחב בין אזורי P ו- N מאפשר לאסוף יותר אור, ובנוסף לכך הוא מציע גם קיבול נמוך יותר. אנא עיין בקישור זה למידע נוסף על דיודת ה- PIN.

פוטודיודת מפולות

סוג זה של דיודות משמש באזורי תאורה חלשים בשל רמות הרווח הגבוהות שלו. זה מייצר רמות גבוהות של רעש. אז טכנולוגיה זו אינה מתאימה לכל היישומים. אנא עיין בקישור זה כדי לדעת יותר על דיודת המפולות.

פוטודיודה שוטקי

פוטודיודת שוטקי משתמשת בדיודת שוטקי והיא כוללת צומת דיודות קטנה שמשמעותה, יש קיבולת צומת קטנה ולכן היא פועלת במהירויות גבוהות. לפיכך, סוג זה של פוטודיודה משמש לעתים קרובות במערכות תקשורת אופטיות ברוחב פס גבוה (BW) כמו קישורי סיבים אופטיים. אנא עיין בקישור זה כדי לדעת יותר על דיודת שוטקי.

לכל סוג פוטודיודה יתרונות וחסרונות משלו. הבחירה של דיודה זו יכולה להיעשות על בסיס היישום. הפרמטרים השונים שיש לקחת בחשבון בעת ​​בחירת פוטודיודה כוללים בעיקר רעש, אורך גל, מגבלות הטיה הפוכה, רווח וכו '. פרמטרי הביצועים של פוטודיודה כוללים תגובה, יעילות קוונטית, זמן מעבר או זמן תגובה.

דיודות אלה נמצאות בשימוש נרחב ביישומים בהם נדרש זיהוי נוכחות של אור, צבע, מיקום ועוצמה. המאפיינים העיקריים של דיודות אלה כוללים את הדברים הבאים.

• הליניאריות של הדיודה טובה ביחס לאור ההתרחשות
• הרעש נמוך.
• התגובה היא ספקטרלית רחבה
• מחוספס מכנית
• קל משקל וקומפקטי
• חיים ארוכים

החומרים הדרושים לייצור פוטודיודה וטווח טווח אורכי הגל הספקטרום האלקטרומגנטי כוללים את הדברים הבאים

• עבור חומר סיליקון, טווח אורך הגל של הספקטרום האלקטרומגנטי יהיה (190-1100) ננומטר
• עבור חומר גרמניום, טווח אורכי הגל של הספקטרום האלקטרומגנטי יהיה (400-1700) ננומטר
• עבור חומר אינדיום גליום ארסניד, טווח אורך הגל של הספקטרום האלקטרומגנטי יהיה (800-2600) ננומטר.
• עבור חומר גופרי עופרת (II), טווח אורך הגל של הספקטרום האלקטרומגנטי יהיה<1000-3500) nm
• עבור כספית, חומר קדמיום טלוריד, טווח אורך הגל של הספקטרום האלקטרומגנטי יהיה (400-14000) ננומטר

בגלל הפער הטוב יותר שלהם, פוטודיודות מבוססות Si מייצרות רעש נמוך יותר מאשר פוטודיודות מבוססות Ge.

בְּנִיָה

את בניית הפוטודיודה ניתן לעשות באמצעות שני מוליכים למחצה כמו סוג P ו- N. בתכנון זה, היווצרות חומר מסוג P יכולה להתבצע מפיזור המצע מסוג P המסומם קלות. אז, ניתן ליצור את שכבת היונים P + בגלל שיטת הדיפוזיה. על המצע מסוג N ניתן לגדל את השכבה האפיטקסית מסוג N.

בניית פוטודיודה

פיתוח שכבת דיפוזיה P + יכול להיעשות על פני שכבת אפיטקסיאלית מסוג N המסוממת בכבדות. המגעים מתוכננים עם מתכות ליצירת שני מסופים כמו אנודה וקתודה. ניתן להפריד את האזור הקדמי של הדיודה לשני סוגים כמו משטחים פעילים ולא פעילים.

תכנון המשטח הלא פעיל יכול להיעשות באמצעות דו תחמוצת הסיליקון (SiO2). על משטח פעיל, קרני האור יכולות להכות מעליו ואילו על משטח שאינו פעיל, קרני האור אינן יכולות להכות. ניתן לכסות את המשטח הפעיל באמצעות חומר של אנטי-השתקפות כך שאנרגיית האור לא תוכל לאבד את הגבוהה שבה ניתן לשנות את הזרם.

עבודה של פוטודיודה

עקרון העבודה של פוטודיודה הוא שכאשר פוטון של אנרגיה מספקת פוגע בדיודה, הוא יוצר כמה חור אלקטרונים. מנגנון זה נקרא גם האפקט הפוטואלקטרי הפנימי. אם הקליטה מתעוררת בצומת אזור הדלדול, אזי המנשאים מוסרים מהצומת על ידי השדה החשמלי המובנה של אזור הדלדול.

עקרון עבודה פוטודיודה

לכן, חורים באזור נעים לעבר האנודה, ואלקטרונים נעים לכיוון הקתודה, ויווצר זרם פוטו. הזרם כולו דרך הדיודה הוא סכום היעדר האור והזרם הצילום. אז יש להפחית את הזרם הנעדר כדי למקסם את רגישות המכשיר.

דרכי פעולה

מצבי ההפעלה של הפוטודיודה כוללים שלושה מצבים, כלומר מצב פוטו-וולטאי, מצב פוטו-מוליך, מצב דיודה מפולת

מצב פוטו וולטאי: מצב זה מכונה גם מצב אפס הטיה, בו נוצר מתח על ידי הפוטודיודה המוארת. זה נותן טווח דינמי קטן מאוד והכרח לא ליניארי של המתח שנוצר.

מצב פוטו-מוליך: פוטודיודה המשמשת במצב פוטו מוליך בדרך כלל מוטה הפוכה. יישום המתח ההפוך יגדיל את רוחב שכבת הדלדול, אשר בתורו מקטין את זמן התגובה וקיבולת הצומת. מצב זה מהיר מדי ומציג רעש אלקטרוני

מצב דיודות מפולות: דיודות המפולות פועלות במצב הטיה הפוכה גבוהה, המאפשרת הכפלת התמוטטות מפולת שלגים לכל זוג חורים אלקטרוניים המיוצרים בצילום. תוצאה זו היא רווח פנימי בפוטודיודה, שמגדיל לאט את תגובת המכשיר.

מדוע פועלת פוטודיודה בהטיה הפוכה?

הפוטודיודה פועלת במצב פוטו-מוליך. כאשר הדיודה מחוברת בהטיה הפוכה, ניתן להגדיל את רוחב שכבת הדלדול. אז זה יפחית את הקיבולת של הצומת וזמן התגובה. למעשה, הטיה זו תגרום לזמני תגובה מהירים יותר לדיודה. כך שהקשר בין זרם פוטו להארה הוא פרופורציונלי ליניארי.

מה עדיף פוטודיודה או פוטוטרנזיסטור?

הן הפוטודיודה והן הפוטו-טרנזיסטור משמשים להמרת אנרגיית האור לחשמל. עם זאת, הפוטו-טרנזיסטור מגיב יותר בהשוואה לפוטודיודה בגלל השימוש בטרנזיסטור.

הטרנזיסטור משנה את זרם הבסיס הגורם עקב ספיגת האור ולכן ניתן להשיג את זרם המוצא העצום בכל מסוף הקולט של הטרנזיסטור. תגובת הזמן של פוטודיודות מהירה מאוד בהשוואה לפוטו-טרנזיסטור. אז זה ישים כאשר התנודות במעגל מתרחשות. כדי להמעיט טוב יותר, כאן פירטנו כמה נקודות של פוטודיודה לעומת פוטוריסטור.

מעגל פוטודיודה

תרשים המעגל של הפוטודיודה מוצג להלן. ניתן לבנות את המעגל הזה עם נגד 10k ופוטודיודה. ברגע שהפוטודיודה מבחינה באור, היא מאפשרת זרימת זרם מסוימת לאורכו. סכום הזרם המספק דרך דיודה זו יכול להיות פרופורציונלי ישירות לסכום האור שהבחין בו באמצעות הדיודה.

תרשים מעגלים

חיבור פוטודיודה במעגל חיצוני

בכל יישום, הפוטודיודה פועלת במצב הטיה הפוכה. ניתן לחבר את מסוף האנודה של המעגל לקרקע ואילו מסוף הקתודה מחובר למקור החשמל. לאחר שהואר באמצעות אור, זרם זרם ממסוף הקתודה אל מסוף האנודה.

ברגע שמשתמשים בפוטודיודות במעגלים חיצוניים, הם קשורים למקור חשמל בתוך המעגל. לכן, כמות הזרם הנוצרת באמצעות פוטודיודה תהיה קטנה ביותר, כך שערך זה אינו מספיק לייצור מכשיר אלקטרוני.

ברגע שהם מחוברים למקור חשמל חיצוני, הוא מספק זרם רב יותר לכיוון המעגל. במעגל זה, הסוללה משמשת כמקור כוח המסייע בהעלאת ערך הזרם כך שהתקנים חיצוניים נותנים ביצועים טובים יותר.

יעילות פוטודיודה

ניתן להגדיר את היעילות הקוונטית של הפוטו-דיודה כחלוקה של הפוטונים הנספגים אשר תורמים לזרם הצילום. עבור דיודות אלו, זה קשור בגלוי לתגובתיות 'S' ללא השפעה של מפולת, ואז ניתן לבטא את זרם הצילום כ

I = S P = ηe / hv. פ

איפה,

'Η' הוא היעילות הקוונטית

'E' הוא המטען של האלקטרון

'Hν' היא האנרגיה של הפוטון

היעילות הקוונטית של פוטודיודות גבוהה במיוחד. במקרים מסוימים הוא יהיה מעל 95% אולם ישתנה בהרחבה לאורך הגל. יעילות קוונטית גבוהה מחייבת שליטה בהשתקפויות מלבד יעילות פנימית גבוהה כמו ציפוי נגד השתקפות.

תגובה

התגובה של פוטודיודה היא היחס בין זרם הצילום שנוצר וכן ניתן לקבוע כוח אופטי נספג בקטע הליניארי של התגובה. בפוטודיודות זה בדרך כלל מקסימאלי באזור אורך הגל בכל מקום בו אנרגיית הפוטון גבוהה למדי מאנרגיית פסי הפס והירידה באזור פסי הפס בכל מקום בו הקליטה מצטמצמת.

ניתן לבצע את חישוב הפוטודיודה על בסיס המשוואה הבאה

R = η (e / hv)

כאן, במשוואה לעיל, 'h ν' היא האנרגיה של פוטון 'η' היא היעילות של קוונטית & 'e' המטען של היסוד. למשל, היעילות הקוונטית של פוטודיודה היא 90% באורך גל של 800 ננומטר, ואז ההיענות תהיה 0.58 A / W.

עבור מכפילי פוטו ודיודיות מפולת, יש גורם נוסף לכפל הזרם הפנימי, כך שערכים אפשריים יהיו מעל 1 A / W. ככלל, כפל הזרם אינו נכלל ביעילות הקוונטית.

פוטודיודה PIN לעומת פוטודיודה PN

ניתן להשיג את שני הפוטודיודות כמו PN & PIN מהרבה ספקים. בחירת פוטודיודה חשובה מאוד בעת תכנון מעגל על ​​סמך הביצועים הנדרשים כמו גם המאפיינים.
פוטודיודה PN אינה פועלת בהטיה הפוכה וכתוצאה מכך היא מתאימה יותר ליישומים של אור נמוך כדי לשפר את ביצועי הרעש.

פוטודיודת ה- PIN העובדת בהטיה הפוכה יכולה להכניס זרם רעש כדי להקטין את יחס ה- S / N
עבור יישומים של טווח דינמי גבוה, הטיה הפוכה תתן ביצועים טובים
עבור יישומי BW גבוהים, הטיה הפוכה תספק ביצועים טובים כמו הקיבול באזורי ה- P & N ואחסון קיבולת הטעינה קטן.

יתרונות

ה היתרונות של פוטודיודה כלול את הבאים.

• פחות התנגדות
• מהירות פעולה מהירה וגבוהה
• תוחלת חיים ארוכה
• גלאי פוטו מהיר ביותר
• התגובה הספקטרלית טובה
• לא משתמש במתח גבוה
• תגובת התדרים טובה
• מוצק ומשקל נמוך
• זה מגיב מאוד לאור
• זרם אפל הוא קריש
• יעילות קוונטית גבוהה
• פחות רעש

חסרונות

ה חסרונות של פוטודיודה כלול את הבאים.

• יציבות הטמפרטורה גרועה
• השינוי בזרם הוא מעט מאוד, ולכן לא יכול להספיק להנעת המעגל
• האזור הפעיל קטן
• פוטודיודה צומת PN רגילה כוללת זמן תגובה גבוה
• יש לו פחות רגישות
• זה עובד בעיקר על פי הטמפרטורה
• הוא משתמש במתח קיזוז

יישומים של פוטודיודה

• היישומים של פוטודיודות כוללים יישומים דומים של גלאי פוטו כמו מכשירים מצמידים מטען, פוטו-מוליכים וצינורות מגדלי פוטו.
• דיודות אלה משמשות במכשירי אלקטרוניקה צרכניים כמו גלאי עשן , נגני דיסק קומפקטי, וטלוויזיות ושלט רחוק במכשירי וידיאו.
• במכשירים צרכניים אחרים כמו מכשירי רדיו, שעוני אור למצלמה ואורות רחוב, משתמשים במוליכים פוטו בתדירות גבוהה יותר ולא בפוטודיודות.
• פוטודיודות משמשות לעתים קרובות למדידה מדויקת של עוצמת האור במדע ובתעשייה. באופן כללי, יש להם תגובה משופרת וליניארית יותר ממוליכים פוטו.
• פוטודיודות משמשות רבות גם ב יישומים רפואיים רבים כמו מכשירים לניתוח דגימות, גלאים לטומוגרפיה ממוחשבת, ומשמשים גם בצגי גז בדם.
• דיודות אלו מהירות ומורכבות בהרבה מדיודות צומת PN רגילות, ולכן הן משמשות לעתים קרובות לוויסות תאורה ובתקשורת אופטית.

מאפייני V-I של פוטודיודה

פוטודיודה פועלת ללא הרף במצב הטיה הפוכה. המאפיינים של הפוטודיודה מוצגים בבירור באיור הבא, כי זרם הצילום כמעט ואינו תלוי במתח הטיה הפוכה המופעל. עבור בהירות אפסית, זרם הצילום הוא כמעט אפס למעט זרם כהה קטן. זה בסדר גודל של אמפר ננו. כאשר העוצמה האופטית עולה זרם הצילום עולה גם באופן ליניארי. זרם הצילום המרבי אינו שלם על ידי פיזור החשמל של הפוטודיודה.

מאפיינים

לפיכך, זה הכל על עקרון עבודה של פוטודיודה , מאפיינים ויישומים. מכשירים אופטיים אלקטרוניים כמו פוטודיודות זמינים בסוגים שונים המשמשים כמעט בכל המכשירים האלקטרוניים. דיודות אלה משמשות במקורות אור IR כמו ניאון, לייזר LED ופלורסנט. בהשוואה לדיודות זיהוי אור אחרות, דיודות אלה אינן יקרות. אנו מקווים שיש לך הבנה טובה יותר של מושג זה. יתר על כן, כל שאילתות הנוגעות למושג זה או ליישום פרויקטים חשמליים ואלקטרוניים לסטודנטים להנדסה . אנא הוסף את הצעותיך החשובות על ידי תגובה בקטע התגובות למטה. הנה שאלה בשבילך, מה הפונקציה של פוטודיודה ?

נקודות זיכוי:

• פוטודיודה חמאמאצו
• עבודה של פוטודיודה פיזיקה-ורדיו-אלקטרוניקה
• מאפייני V-I של פוטודיודה הדרכות ecet