معرفی فتودیود و ساختار و اصول کاری- بخش اول

سرویس آموزش و آزمون برق نیوز، فتودیود (Photodiode)، یک دیود پیوند PN است که انرژی الکتریکی را به منظور تولید جریان الکتریکی مصرف می‌کند. این دیود با نام‌های آشکارساز نوری (Light detector) یا سنسور نوری (Photo-Sensor) نیز شناخته می‌شود. در این مطلب قصد داریم به معرفی فتودیود و ساختار و اصول کاری آن بپردازیم.

این دیود‌ها به صورت اختصاصی برای کار در بایاس معکوس ساخته می‌شوند. به این معنی که قسمت اتصال P دیود به ترمینال منفی و اتصال N آن به پایه مثبت منبع تغذیه یا باتری متصل می‌شود. فتودیود نسبت به نور بسیار حساس است و زمانی که نور به سطح آن بتابد، فورا آن را به جریان الکتریکی تبدیل می‌کند. سلول‌های خورشیدی نیز نوعی فتودیود با مساحت بزرگ‌تر هستند که انرژی خورشیدی را به انرژی الکتریکی تبدیل می‌کنند.

فتودیود چیست؟

فتودیود نوعی از ادوات آشکارساز نور است که برای تبدیل نور به جریان یا ولتاژ الکتریکی (بسته به مد عملکرد) مورد استفاده قرار می‌گیرد. این نوع دیود از فیلتر‌های نوری (Optical Filter)، لنز‌های داخلی و نواحی سطحی تشکیل شده است. در این دیود زمانی که سطح بیرونی افزایش یابد، زمان پاسخ‌دهی کندتر می‌شود. فتودیود‌ها مانند دیود‌های نیمه‌رسانای معمولی هستند، اما این نوع دیود باید در معرض دید باشد تا نور به قسمت مشخصی از آن وارد شود. برخی از دیود‌هایی که به منظور استفاده به عنوان فتودیود تولید می‌شوند، از پیوند PIN به جای پیوند معمول PN استفاده می‌کنند. بعضی از فتودیود‌ها ظاهری شبیه به دیود‌های LED (Light Emitting Diode) دارند. این دیود‌ها دارای دو ترمینال در انتهای خود هستند که پایه کوتاه‌تر، ترمینال کاتد و پایه بلندتر، ترمینال آند را مشخص می‌کند. تصویر زیر نمایی از پایه‌های فتودیود نوع PIN را نشان می‌دهد.

پایه‌های فتودیود نوع PIN

در شرایط بایاس مستقیم، جریان به صورت عادی و از آند به کاتد جاری می‌شود. نماد فتودیود که در تصویر زیر ترسیم شده است، نشان‌دهنده جهت جریان در این مد است. اما جهت جریان نوری، در جهت مخالف است.

نماد مداری فتودیود

انواع فتودیود

اگرچه انواع مختلفی از فتودیود‌ها وجود دارد، اما همه آن‌ها تحت اصول کاری یکسانی کار می‌کنند و تنها عملکرد بعضی از آن‌ها توسط عوامل دیگری بهبود یافته است. با وجود این که بعضی از فتودیود‌ها ظاهرا به طریق متفاوتی کار می‌کنند، اما عملکرد اصلی در آن‌ها ثابت باقی مانده است. دیود‌ها بر اساس عملکرد و ساختار به انواع زیر طبقه‌بندی می‌شوند.

فتودیود PN
فتودیود شاتکی (Schottky)
فتودیود PIN
فتودیود‌های بهمنی (Avalanche)

این دیود‌ها در مواردی که تشخیص نور، رنگ، موقعیت و شدت مورد نیاز باشند، دارای کاربرد‌های بسیار متنوعی هستند. مهم‌ترین ویژگی این دیود‌ها عبارتند از:

دارای منحنی مشخصه خطی خوبی نسبت به نور دریافتی هستند.
دارای نویز بسیار پایین هستند.
پاسخ با طیف گستره دارند.
به لحاظ مکانیکی محکم و مقاوم هستند.
وزن آن‌ها سبک است و ساختاری فشرده دارند.
طول عمر طولانی دارند.

مواد به کار رفته در ساخت فتودیود‌ها و گستره طول موج طیف الکترومغناطیسی آن‌ها به صورت زیر هستند.

در فتودیود‌های سیلیکونی، گستره طول موج طیف الکترومغناطیسی از ۱۹۰ تا ۱۱۰۰ نانو متر است.
در فتودیود‌های ژرمانیومی، گستره طول موج طیف الکترومغناطیسی در بازه ۴۰۰ تا ۱۷۰۰ نانو متر است.
در فتودیود‌های از جنس گالیم آرسنید ایندیم، گستره طول موج طیف الکترومغناطیسی در بازه ۸۰۰ تا ۲۶۰۰ نانو متر است.
در فتودیود‌های از جنس جیوه و کادمیوم تلوید، گستره طول موج طیف الکترومغناطیسی در بازه ۴۰۰ تا ۱۴۰۰۰ نانو متر است.

به دلیل شکاف باند (band gap) بهتر، فتودیود‌های مبتنی بر سیلیکون نسبت به فتودیود‌های مبتنی بر ژرمانیم نویز کمتری تولید می‌کنند.

اصول کاری فتودیود

اصول کاری یک فتودیود به این صورت است که اگر فتونی با انرژی کافی به سطح فتودیود برخورد کند، منجر به ایجاد یک زوج حفره الکترونی (Electron-Hole) می‌شود که این مکانیزم اثر فتوالکتریک داخلی نام دارد. اگر جذب از پیوند ناحیه تخلیه (Depletion Region Junction) شروع شود، حامل‌ها توسط میدان الکتریکی داخلی ناحیه تخلیه از پیوند حذف می‌شوند؛ بنابراین حفره‌ها در آن ناحیه به سمت آند و الکترون‌ها به سمت کاتد حرکت می‌کنند و باعث تولید جریان نوری (Photocurrent) می‌شوند. جریان کلی در دیود برابر با مجموع جریان نوری و جریان تاریکی یا Dark Current (جریانی که در عدم حضور نور از دیود می‌گذرد) است. بدیهی است که برای افزایش حساسیت فتودیود، جریان تاریکی باید کاهش یابد. در شکل زیر نمایی از اصول کاری یک فتودیود نشان داده شده است.

شماتیک اصول کار یک فتودیود پیوند P-N

مد‌های کاری

مد‌های کاری در یک فتودیود به سه دسته فتوولتائیک (Photovoltaic)، هادی نور (Photoconductive) و مد دیود بهمنی (Avalanche Diode Mode) تقسیم‌بندی می‌شود.

مد فتوولتائیک

این مد با عنوان مد بایاس صفر نیز شناخته می‌شود. زمانی که دیود در مد فتوولتائیک مورد استفاده قرار گیرد، جریان نوری از آند و از طریق اتصال کوتاه به کاتد جریان می‌یابد. اگر مدار باز باشد و یا بار امپدانسی داشته باشد، با محدود کردن جریان نوری به خارج از دیود، یک ولتاژ در جهت بایاس مستقیم دیود ساخته می‌شود؛ زیرا آند از کاتد مثبت‌تر است. اگر مدار باز باشد و یا امپدانس بسیار بالا باشد، این جریان مستقیم تمام یا قسمتی از جریان نوری را مصرف (خنثی) می‌کند. دیود در این مد در واقع از اثر فتوولتائیک (Photovoltaic Effect) که پایه و اساس سلول‌های خورشیدی است، استفاده می‌کند. برای داشتن توان خروجی بهینه، سلول فتوولتائیک در ولتاژی عمل خواهد کرد که جریان مستقیم بسیار کوچکی را در قیاس با جریان نوری ایجاد کند.
مد هادی نور

در این مد دیود در بایاس معکوس قرار دارد و باعث می‌شود زمان پاسخ کوتاه‌تر شود؛ زیرا بایاس معکوس اضافی عرض لایه تخلیه را افزایش می‌دهد که به نوبه خود موجب کاهش ظرفیت خازنی پیوند شده و ناحیه با میدان الکتریکی که سبب جمع‌آوری سریع‌تر الکترون‌ها می‌شود را افزایش می‌دهد. همچنین بایاس معکوس سبب کاهش جریان تاریکی می‌شود، بدون این‌که تغییر زیادی در جریان نوری به وجود بیاورد.

اگرچه دیود در مد هادی نور بسیار سریع‌تر است، اما دیود در این مد به سبب پدیده بهمنی و جریان تاریک، نویز بیشتری را تولید می‌کند. جریان نشتی در دیود نوع PIN بسیار پایین و در حدود ۱ نانو آمپر است و به همین دلیل نویز جانسون-نایکوئیست (Johnson–Nyquist Noise) بار مقاومتی در مدارات معمولی همیشه غالب است.

مد بهمنی

فتودیود‌های بهمنی، فتودیود‌هایی هستند که دارای ساختار بهینه برای کار در بایاس معکوس شدید و نزدیک به ولتاژ شکست معکوس هستند. این ویژگی، به حامل‌های تولید شده توسط نور اجازه می‌دهد که توسط شکست بهمنی چند برابر شوند. در نتیجه بهره داخلی در فتودیود به وجود می‌آید و پاسخ موثر آن افزایش می‌یابد.