מהי פוטודיודה? (חלק 1)

פוטודיודההוא התקן מוליכים למחצה הממיר אור לזרם, ובין השכבה p (חיובית) ו-n (שלילית), יש שכבה פנימית. פוטודיודה מקבלת אנרגיית אור כקלט לייצור זרם חשמלי. פוטודיודות ידועות גם כגלאי פוטו, חיישנים פוטו-אלקטריים או גלאי אור.

הפוטודיודה פועלת בתנאי הטיה הפוכה, כלומר, הצד P של הפוטודיודה מחובר לאלקטרודה השלילית של הסוללה (או ספק הכוח), וצד ה-N מחובר לאלקטרודה החיובית של הסוללה. חומרים אופייניים לפוטודיודות הם סיליקון, גרמניום, אינדיום גליום ארסניד פוספיד ואינדיום גליום ארסניד.

בפנים, לפוטודיודה יש ​​מסנן אור, עדשה מובנית ושטח פנים. כאשר שטח הפנים של הפוטודיודה גדל, זמן התגובה מצטמצם. מעט מאוד פוטודיודות נראות כמו דיודות פולטות אור (LED). יש לו שני מסופים, כפי שמוצג להלן. המסוף הקטן יותר משמש כקתודה והמסוף הארוך יותר משמש כאנודה.

סמל הפוטודיודה דומה לסמל ה-LED, אך החץ מצביע פנימה במקום החוצה ב-LED. התמונה למטה מציגה את הסמל של הפוטודיודה.

1. עקרון הפוטודיודה

פוטודיודות פועלות על ידי יצירת זוג חורים אלקטרונים כאשר פוטון אנרגטי פוגע בדיודה. מנגנון זה ידוע גם כאפקט הפוטואלקטרי הפנימי. אם מתרחשת ספיגה בצומת אזור הדלדול, הנשאים מוסרים מהצומת על ידי השדה החשמלי הפנימי באזור הדלדול.

בדרך כלל, כאשר האור מאיר את צומת ה-PN, הקשר הקוולנטי מיונן. זה יוצר חורים וזוגות אלקטרונים. זרם הפוטו נוצר עקב יצירת זוגות אלקטרונים-חורים. כאשר פוטונים בעלי אנרגיות גדולות מ-1.1eV פוגעים בדיודה, נוצרים זוגות אלקטרונים-חורים. כאשר הפוטון נכנס לאזור הדלדול של הדיודה, הוא פוגע באטום באנרגיה גבוהה. זה גורם לשחרור אלקטרונים מהמבנה האטומי. כאשר אלקטרונים משתחררים נוצרים אלקטרונים וחורים חופשיים.

באופן כללי, לאלקטרונים יש מטען שלילי ולחורים יש מטען חיובי. לאנרגיה מדולדלת תהיה שדה חשמלי מובנה. בגלל השדה החשמלי הזה, צמד האלקטרונים-חורים רחוקים מצומת ה-PN. לפיכך, החורים נעים לכיוון האנודה והאלקטרונים נעים לכיוון הקתודה כדי לייצר זרם פוטו.

עוצמת קליטת הפוטונים ואנרגיית הפוטונים פרופורציונלית זו לזו. ככל שיש לתמונה פחות אנרגיה, כך הוא סופג יותר. כל התהליך הזה נקרא האפקט הפוטואלקטרי הפנימי.

עירור פנימי ועירור חיצוני הן שתי שיטות לעירור פוטון. תהליך העירור הפנימי מתרחש כאשר אלקטרונים בפס הערכיות נרגשים על ידי פוטונים לפס ההולכה.

2. מעגל עבודה של הפוטודיודה

פוטודיודות פועלות בעיקר בשלושה מצבים שונים, שהם:

(1) מצב פוטו-וולטאי

(2) מצב מוליך צילום

(3) מצב דיודת מפולת

(1) מצב פוטו-וולטאי

מצב זה נקרא גם מצב אפס הטיה. מצב זה מועדף כאשר פוטודיודות פועלות ביישומים בתדר נמוך ויישומי אור ברמת אנרגיה-על. כאשר הפלאש פוגע בפוטודיודה, הוא יוצר מתח. המתח המתקבל יהיה בעל טווח דינמי קטן מאוד ויהיה בעל מאפיינים לא ליניאריים. כאשר הפוטודיודה מוגדרת עם OP-AMP במצב זה, השינוי בטמפרטורה יהיה קטן מאוד.

(2) מצב מוליך צילום

במצב זה, הפוטודיודה תפעל בתנאי הטיה הפוכה. הקתודה חיובית והאנודה שלילית. ככל שהמתח ההפוך גדל, גם רוחב שכבת הדלדול גדל. כתוצאה מכך, זמן התגובה וקיבול הצומת יקטן. לעומת זאת, מצב פעולה זה מהיר ויוצר רעש אלקטרוני.

(3) מצב דיודת מפולת

דיודות מפולת פועלות בתנאי הטיה הפוכה גבוהים, המאפשרים פירוק מפולת להתרבות לכל זוג אלקטרוני-חור המיוצר על ידי חשמל צילום. התוצאה היא הרווח הפנימי של הפוטודיודה, שמגביר לאט את תגובת המכשיר.

(4) מעגל פוטודיודה

תרשים המעגל של הפוטודיודה מוצג להלן. ניתן לבנות את המעגל עם נגד 10k ופוטודיודה. ברגע שהפוטודיודה מבחינה באור, היא מאפשרת לזרם מסוים לעבור דרכה. סכום הזרם המסופק דרך הדיודה יכול להיות פרופורציונלי לסכום האור הנצפה דרך הדיודה.

3. חבר את הפוטודיודה למעגל החיצוני

הפוטודיודה פועלת במעגל מוטה הפוכה. האנודה מחוברת להארקת המעגל והקתודה מחוברת למתח האספקה ​​החיובי של המעגל. כאשר הוא מואר באור, זרם חשמלי זורם מהקתודה לאנודה.

כאשר משתמשים בפוטודיודות עם מעגל חיצוני, הן מחוברות לאספקת חשמל במעגל. הזרם שנוצר על ידי הפוטודיודה יהיה קטן מאוד. ערך נוכחי זה אינו מספיק כדי להניע את המכשיר האלקטרוני. לכן, כאשר הם מחוברים לספק כוח חיצוני, הוא מספק יותר זרם למעגל. אז הסוללה משמשת כמקור כוח. מקור הסוללה עוזר להגדיל את הערך הנוכחי, ותורם לביצועים טובים יותר של מכשירים חיצוניים.

4. תהליך ייצור פוטודיודות

חומר פוטודיודה

החומר של פוטודיודה קובע רבים מהמאפיינים שלה. המאפיין המרכזי הוא גל האור אליו מגיבה הפוטודיודה, והשני הוא רמת הרעש, ששניהם תלויים במידה רבה בחומר המשמש בפוטודיודה.

תגובות שונות לאורכי גל מתרחשות עקב שימוש בחומרים שונים מכיוון שרק פוטונים בעלי מספיק אנרגיה לעורר אלקטרונים בפער הרצועה של החומר מייצרים אנרגיה משמעותית ליצירת הזרם מהפוטודיודה.

בעוד שרגישות אורך הגל של החומר חשובה מאוד, פרמטר נוסף שיכול להשפיע משמעותית על ביצועי הפוטודיודה הוא רמת הרעש שנוצר.

בגלל פער הרצועות הגדול יותר שלהן, פוטו-דיודות סיליקון מייצרות פחות רעש מאשר פוטו-דיודות גרמניום. עם זאת, יש גם צורך לשקול את אורך הגל של הפוטודיודה הנדרשת, ויש להשתמש בפוטודיודות גרמניום עבור אורכי גל ארוכים יותר מ-1000 ננומטר בערך.

עבור לחלק 2 כדי ללמוד עוד.

פרטי התקשרות:

אם יש לך רעיונות, אתה מוזמן לדבר איתנו. לא משנה היכן נמצאים הלקוחות שלנו ומהן הדרישות שלנו, אנו נפעל לפי המטרה שלנו לספק ללקוחותינו איכות גבוהה, מחירים נמוכים, והשירות הטוב ביותר.