معرفی فتودیود و ساختار و اصول کاری- بخش دوم

 

مشخصه‌های فتودیود

پارامتر‌های عملکرد بحرانی در یک فتودیود به صورت زیر هستند.

پاسخ‌دهی

پاسخ‌دهی طیفی (Spectral Responsivity) برابر با نسبت جریان نوری تولیدی به توان نور دریافتی هنگام استفاده در مد هادی نور است که بر حسب آمپر بر وات بیان می‌شود. وابستگی طول موج همچنین بر اساس راندمان کوانتومی (Quantum Efficiency) یا نسبت تعداد حامل‌های تولید شده توسط نور به فتون‌های دریافت شده، به عنوان یک کمیت بدون واحد بیان می‌شود.

جریان تاریک

جریان تاریک، جریانی در فتودیود است که در عدم حضور نور و هنگام کار در مد هادی نور تولید می‌شود. جریان تاریک شامل جریان نوری تولید شده به وسیله تشعشعات پس‌زمینه و جریان اشباع دیود نیمه‌رسانا است. اگر فتودیود برای ساخت اندازه‌گیر دقیق توان نوری مورد استفاده قرار می‌گیرد، جریان تاریک باید بعد از کالیبراسیون محاسبه شود. باید به این امر توجه کرد که زمانی که یک فتودیود در سیستم مخابرات نوری مورد استفاده قرار می‌گیرد، منبع نویز بزرگی محسوب می‌شود.

زمان پاسخ‌دهی

جذب فوتون مواد نیمه‌رسانا موجب ایجاد یک زوج حفره الکترونی می‌شود که تحت تاثیر میدان الکتریکی شروع به حرکت در ماده می‌کند و سبب ایجاد جریان می‌شود. زمان محدود این جریان با عنوان انتشار زمان گذار (Transit-Time Spread) شناخته می‌شود و با استفاده از قضیه شاکلی-رامو (Shockley–Ramo Theorem) محاسبه می‌شود. در نگاه اول، چنین انتظار می‌رود که با حضور دو حامل، کل بار تولیدی مدار خارجی برابر با ۲ e باشد، اما با استفاده از این قضیه می‌توان نشان داد که اندازه این بار e است. مقاومت و ظرفیت خازنی فتودیود و مدار خارجی منجر به پاسخ زمانی دیگری می‌شود که با نام ثابت زمانی مدار RC شناخته می‌شود و برابر با τ=RCاست. این ترکیب خازن و مقاومت با پاسخ نوری (Photoresponse) در طول زمان ادغام شده و باعث طولانی شدن پاسخ ضربه فتودیود می‌شود. زمانی که از فتودیود در مخابرات نوری استفاده شود، زمان پاسخ‌دهی می‌تواند پهنای باند موجود برای مدولاسیون سیگنال و انتقال داده را تعیین کند.

توان معادل نویز

توان معادل نویز (Noise-equivalent power) حداقل توان نوری ورودی برای تولید جریان نوری، معادل با جریان نویز rms در پهنای باند یک هرتز است. در واقع این توان برابر با حداقل توانی است که قابل آشکارسازی باشد.

منحنی مشخصه جریان-ولتاژ

یک فتودیود معمولا در مد بایاس معکوس عمل می‌کند. منحنی مشخصه جریان-ولتاژ فتودیود در شکل زیر نشان داده شده است. بر اساس این نمودار، جریان نوری تقریبا مستقل از ولتاژ بایاس معکوس اعمالی است. برای روشنایی صفر لوکس، جریان نوری جز برای جریان تاریک کوچک تقریبا برابر با صفر است. این مقدار تقریبا در مرتبه نانو آمپر است. هرچه توان نوری بالاتر رود، جریان نوری نیز به صورت خطی بالا می‌رود.

منحنی مشخصه جریان-ولتاژ فتودیود

اثرات نامطلوب در فتودیود

هر پیوند P-N اگر در معرض تابش نوری قرار گیرد، به صورت بالقوه یک فتودیود است. ادوات نیمه‌رسانا مانند دیودها، ترانزیستور‌ها و آی‌سی‌های شامل پیوند P-N اگر در معرض تشعشعات الکترومغناطیسی ناخواسته با طول موج کافی برای تولید جریان نوری قرار گیرند، دارای عملکرد مناسب نخواهند بود. به همین دلیل و برای جلوگیری از برخورد این امواج، تمام این ادوات در محفظه‌های مات، تولید می‌شوند. اگر این محفظه در برابر تشعشعات پرانرژی مانند اشعه X، فرابنفش یا اشعه گاما به صورت کامل ایزوله نشده باشند، به دلیل جریان نوری القا شده ادوات فوق دچار اختلال در عملکرد خواهند شد. تشعشعات پس‌زمینه از بسته‌بندی نیز قابل توجه هستند و باید از روش‌هایی مانند Radiation Hardening استفاده شود. البته به این نکته باید توجه شود که در بعضی موارد این پدیده مطلوب است. به عنوان مثال در LED‌ها به عنوان ادوات حساس به نور و یا در مزارع انرژی و در دیود‌های نور افکن یا جاذب نور مورد استفاده قرار می‌گیرند.

کاربرد‌های فتودیود

فتودیود‌های پیوند P-N دارای کاربرد‌های مشابه با سایر آشکارساز‌های نوری مانند رسانا‌های نوری، ادوات تزویج شده شارژ و تکثیر‌کن‌های فوتونی (Photomultiplier) هستند. این ادوات ممکن است برای تولید خروجی وابسته به روشنایی و یا تغییر در شرایط مدار (کنترل و کلیدزنی و یا پردازش سیگنال) مورد استفاده قرار گیرند.

همچنین فتودیود‌ها در وسایل خانگی مانند پخش‌کننده CD، تشخیص دود و لوازم پزشکی کاربرد دارند. یکی از کاربرد‌های مهم فتودیودها، در گیرنده مادون قرمز موجود در کنترل از راه دور وسایلی مانند تلویزیون و کولر است. در بسیاری دیگر از کاربرد‌ها نیز ممکن است از فتودیود یا فتوکانداکتور استفاده شود. هر کدام از انواع سنسور‌های نوری ممکن است در اندازه‌گیری نور (در دوربین‌ها) و یا پاسخ به تغییر سطح نور (روشنایی اتوماتیک خیابان‌ها) به کار روند.

فتودیود‌ها معمولا با یک عنصر دیگر که از خود نور ساطع می‌کند، ترکیب می‌شوند و برای تشخیص وجود یک مانع مکانیکی (کلید نوری) و یا تزویج دو مدار آنالوگ و یا دیجیتال (اپتوکوپلر) به کار می‌روند، مخصوصا زمانی که یک ایزولاسیون الکتریکی بسیار قوی برای امنیت بالا در آن‌ها وجود داشته باشد. همچنین ترکیب فتودیود و LED در بسیاری از سیستم‌های سنسوری برای ایجاد مشخصه‌های متنوع بر اساس جذب نوری دیده می‌شود.

فتودیود‌ها معمولا در علوم و نیز در صنعت به منظور اندازه‌گیری شدت نور مورد استفاده قرار می‌گیرند؛ زیرا دارای پاسخ خطی‌تری نسبت به فتوکانداکتیو‌ها هستند. همچنین فتودیود‌ها در ابزار‌های پزشکی مانند سی‌تی اسکن (Computed Tomograph) و ابزار‌های آنالیز نمونه و نیز ضربان‌سنج‌ها (Pulse Oximeters) یافت می‌شوند.

کاربرد‌های فتودیود

فتودیود‌های PIN نسبت به فتودیود‌های PN بسیار سریع‌تر و حساس‌تر هستند و به همین دلیل معمولا در مخابرات نوری کاربرد عمده دارند. اگر شدت روشنایی نور بسیار پایین باشد، معمولا از فتودیود‌های پیوند P-N استفاده نمی‌شود. در این مواقع که حساسیت بالا مورد نیاز است، فتودیود‌های بهمنی، ادوات تزویج‌شده شارژ و تکثیر‌کن‌های فوتونی مورد استفاده قرار می‌گیرند. نمونه‌ای از این کاربرد‌ها در نجوم، تجهیزات دید در شب، طیف‌سنجی (Spectroscopy) و یافتن بر لیزر (Laser Rangefinding) است.