מהי פוטודיודה? (חלק 2)

ניתן לפתור את הבעיות הבאות באמצעותפוטודיודהאו פוטוטרנזיסטור. לדוגמה, מצלמת הטלפון צריכה למדוד את האור הסביבתי כדי לקבוע אם יש להפעיל את הפלאש. כיצד להעריך באופן לא פולשני את רמות החמצן בדם? התקנים אופטואלקטרוניים אלו ממירים אור (פוטונים) לאותות חשמליים שמיקרו-מעבד (או בקר) יכול "לראות". כך ניתן לשלוט במיקום וסידור של עצמים, לקבוע את עוצמת האור ולמדוד את התכונות הפיזיקליות של החומר על סמך האינטראקציה שלו עם האור.

עכשיו בואו נדבר על החלק השני.

1. מבנה פוטודיודה

אחת הדרישות המרכזיות לפוטודיודה היא אזור מתאים לאיסוף אור. בתוך צומת PN רגיל, זה קטן יחסית, אך ניתן להגדיל את השטח באמצעות דיודת PIN. מכיוון שהאזור הפנימי כלול בצומת הפעיל המשמש לאיסוף אור, האזור המשמש לאיסוף אור גדול בהרבה, מה שהופך את הפוטודיודת PIN ליעילה יותר.

בתהליך ייצור הפוטודיודות, מוכנסות שכבות פנימיות עבות בין שכבות מסוג P וסוג N. השכבה העצמית האמצעית יכולה להיות עצמית לחלוטין או מסוממת קלה מאוד כדי להפוך אותה לשכבת N. במקרים מסוימים, ניתן לגדל אותו על המצע כשכבה אפיטקסיאלית, או שהוא יכול להיות מוכל בתוך המצע עצמו.

ניתן לפתח את שכבת הדיפוזיה P plus על שכבה אפיטקסיאלית מסוג N עם סימום כבד. המגע עשוי מעיצוב מתכת וניתן להפוך אותו לשני טרמינלים כגון אנודה וקתודה. ניתן לחלק את השטח הקדמי של הדיודה לשני סוגים, כגון משטח אקטיבי ומשטח פסיבי.

העיצוב של המשטח הלא פעיל יכול להיעשות עם דו תחמוצת הסיליקון (SiO2). על משטח פעיל, אור יכול לזרוח עליו, בעוד על משטח לא פעיל, אור לא יכול לזרוח. על ידי כיסוי המשטח הפעיל בחומר אנטי-רפלקטיבי, אנרגיית האור אינה אובדת, וניתן להמיר את המקסימום לזרם חשמלי.

אחת הדרישות העיקריות של פוטודיודה היא להבטיח שכמות האור המקסימלית תגיע לשכבה הפנימית. אחת הדרכים היעילות ביותר להשיג זאת היא למקם את המגעים החשמליים בצד המכשיר, כפי שמוצג בתמונה. זה מאפשר לכמות האור המקסימלית להגיע לאזור היעיל. נמצא שמכיוון שהמצע מסומם מאוד, אין כמעט אובדן אור מאחר ולא מדובר באזור פעיל.

מכיוון שאור נספג לרוב במרחק מסוים, עובי השכבה הפנימית בדרך כלל תואם זאת. כל עלייה מעל עובי זה תפחית את מהירות הפעולה - גורם חשוב ביישומים רבים - ולא תגביר מאוד את היעילות.

אור יכול גם להיכנס לפוטודיודה מצד אחד של הצומת. על ידי הפעלת הפוטודיודה בדרך זו, ניתן ליצור פחות שכבות פנימיות כדי להגביר את מהירות הפעולה, אם כי ביעילות מופחתת.

במקרים מסוימים, ניתן להשתמש בהטרוג'נקציות. לצורת בנייה זו יש את הגמישות הנוספת לקלוט אור מהמצע ויש לה פער אנרגיה גדול יותר, מה שהופך אותו לשקוף לאור.

כתהליך פחות סטנדרטי, הוא יקר יותר ליישום ולכן נוטה לשמש למוצרים מיוחדים יותר.

2. מאפייני פוטודיודה

(1) מאפייני וולט-אמפר

זה מתייחס ליחס בין זרם הפוטו על הפוטודיודה לבין המתח המופעל עליה.

(2) מאפייני תאורה

זה מתייחס לקשר בין שטף האור לזרם הפוטו כאשר מתח הפוטודיודה בין הקתודה לאנודה קבוע. השיפוע של עקומת האור האופיינית נקרא רגישות הפוטודיודה.

(3) מאפיינים ספקטרליים

הקשר בין זרם הפוטו ואורך הגל של האור הנכנס נקרא תכונה ספקטרלית. אנרגיית הפוטון קשורה לאורך הגל של האור: ככל שאורך הגל ארוך יותר, אנרגיית הפוטון קטנה יותר; ככל שאורך הגל קצר יותר, הפוטון יותר אנרגטי.

3. פונקציה של פוטודיודה

(1) בקרת אור

הפוטודיודה יכולה לשמש כמתג פוטואלקטרי, והמעגל שלה מוצג באיור הבא. כאשר אין אור, פוטודיודה VD1 מנותקת עקב מתח הפוך. גם הטרנזיסטורים VT1 ו-VT2 מנותקים ללא זרם בסיס. הממסר נמצא במצב שחרור.

כאשר אור נפלט על VD1, הוא עובר מניתוק להולכה. כתוצאה מכך, VT1 ו- VT2 מופעלים ברציפות, ממסר K מצייר, ומעגל הבקרה מופעל.

(2) קליטת אות אופטי

ניתן להשתמש בפוטודיודות לקליטת אותות אור. התמונה הבאה מציגה את מעגל הפוטודיודה להגברת האות האופטי. אות האור מתקבל על ידי פוטודיודה VD, מוגבר על ידי VT, ויוצא על ידי קבל צימוד C.

4. יישומי Photodiode

(1) תא צילום

תא הפוטו הוא בעצם שטח גדול של צומת PN. כאשר אור נפלט על משטח צומת PN, כגון משטח אזור P, כל פוטון באזור P מייצר זוג אלקטרוני-חור חופשי אם אנרגיית הפוטונים גדולה מרוחב הפס של חומר המוליך למחצה.

צמד האלקטרונים-חורים מתפזר במהירות פנימה ויוצר כוח אלקטרו-מוטורי הקשור לעוצמת האור מתחת לשדה החשמלי של הצומת. בשלב זה, אם נשתמש בו כספק כוח ונחבר אותו למעגל חיצוני, כל עוד יש אור, הוא ימשיך לספק חשמל, שהוא תא פוטו. במילים אחרות, הפוטו-תא הוא מכשיר פוטואלקטרי PN-צומת ללא מתח הטיה. זה יכול להמיר ישירות אנרגיית אור לחשמל.

(2) תאים סולאריים

תא סולארי הוא מכשיר מוליכים למחצה. כאשר אור השמש פוגע במוליך למחצה, חלק ממנו מוחזר והשאר נספג או חודר אל המוליך למחצה. חלק מהאור הנספג הופך לחום, בעוד שפוטונים אחרים מתנגשים באלקטרוני הערכיות המרכיבים את המוליך למחצה, ויוצרים זוגות אלקטרונים-חורים. בדרך זו, אנרגיית האור הופכת לחשמל.

לכן, לאחר הקרנת אור השמש, שני קצוות התא הסולארי יפיקו מתח DC, ובכך ימירו את אנרגיית אור השמש ישירות לזרם DC. אם נלחים את מובילי המתכת לשכבות P ו-N ונחבר את העומס, הזרם יזרום דרך המעגל החיצוני.

באופן זה, אם נחבר את סדרת הפוטו-תאים במקביל, ניתן להפיק מתח וזרם מסוימים ליציאת הספק.

(3) מערכת תאורה פוטו-וולטאית

מערכת לייצור חשמל פוטו-וולטאית היא מערכת לייצור חשמל המשתמשת בתאים סולאריים להמרת אנרגיה סולארית לחשמל. הוא משתמש באפקט הפוטו-וולטאי.

המרכיבים העיקריים הם תאים סולאריים, סוללות, בקרים וממירים. אמינות גבוהה, חיי שירות ארוכים, ללא זיהום, ייצור חשמל עצמאי, פעולה מחוברת לרשת פוטודיודה.

מכיוון שהמצב הפוטו-וולטאי של הפוטודיודה מושפע מאוד מגורמים סביבתיים חיצוניים כמו אור וטמפרטורה, נקודת הפעולה משתנה במהירות. קיימות מערכות ייצור חשמל עצמאיות ומערכות ייצור חשמל מחוברות לרשת.

① מערכת יצירת חשמל פוטו-וולטאית עצמאית

מערכת ייצור חשמל פוטו-וולטאית עצמאית היא שיטת ייצור חשמל שאינה מחוברת לרשת. הוא זקוק לסוללות כדי לאגור אנרגיה ללילה. ייצור חשמל פוטו-וולטאי סולארי עצמאי משמש בעיקר בכפרים ובבתים מרוחקים

דיאגרמת מבנה של מערכת ייצור וולט

② מערכת ייצור חשמל פוטו-וולטאית המחוברת לרשת

מערכת ייצור חשמל פוטו-וולטאית המחוברת לרשת מחוברת לרשת הארצית כדי לספק חשמל לרשת. זה לא צריך סוללות. מערכות ייצור חשמל פוטו-וולטאיות למגורים נמצאות בעיקר בבית. הם משמשים גם בשירותים ציבוריים, מערכות תאורת נוף לילה וחוות סולאריות.

(4) יישומים אחרים של פוטודיודות הם:

•פוטודיודה משמשת כחיישן אור. מכיוון שהזרם בו פרופורציונלי לעוצמת האור, הוא משמש גם למדידת עוצמת האור.

• ניתן להשתמש בפוטודיודות בגלאי עשן כדי לחוש עשן ואש.

•Photodiodes ונוריות משולבות ליצירת מבודדים אופטיים ומצמדים אופטיים

•משמש כתא סולארי בפאנלים סולאריים

•משמש לסורק ברקוד, זיהוי תווים

•עבור מערכות זיהוי מכשולים,

•יכול לשמש כנוכחות דפים וכמונה דפים במדפסות

•לזיהוי קרבה, אוקסימטר

• הוא משמש גם עבור מקודדים ומפענחים אופטיים

•העברת מידע אופטי, מבוססת על תקשורת סיבים אופטיים

•חיישן מיקום

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.