فتودیود (Photodiode)، در مدارهای الکتریکی (Electrical Circuit)
انواع دیودها (Diode) را در آموزش زیر شرح دادیم :
فتودیود (Photodiode) :
فتودیود (Photodiode) یک قطعه نیمه هادی است که نور را به جریان الکتریکی تبدیل می کند. این قطعه بر اساس اثر فوتوالکتریک داخلی (Internal Photoelectric Effect) کار می کند: هنگامی که فوتون های نور با انرژی کافی (بزرگتر از گاف انرژی نیمه هادی) به ناحیه تهی (Depletion Region) دیود برخورد می کنند، جفت الکترون-حفره (Electron-Hole Pairs) تولید می کنند. در حضور میدان الکتریکی (در بایاس معکوس)، این حامل ها از هم جدا شده و جریان الکتریکی (جریان نوری - Photocurrent) ایجاد می کنند.
فتودیودها معمولا در بایاس معکوس (Reverse Bias) کار می کنند. در این حالت، ناحیه تهی گسترده شده و میدان الکتریکی قوی وجود دارد که باعث جداسازی سریع و کارآمد حامل های تولید شده توسط نور می شود. همچنین بایاس معکوس ظرفیت خازنی پیوند (Junction Capacitance) را کاهش می دهد که منجر به افزایش سرعت پاسخ (Response Speed) می شود. در برخی کاربردها، فتودیود در حالت فتوولتائیک (Photovoltaic Mode) یعنی بدون بایاس (Zero Bias) نیز استفاده می شود.
پارامترهای مهم یک فتودیود عبارتند از: پاسخ دهی (Responsivity) که نسبت جریان نوری خروجی به توان نوری ورودی است (بر حسب A/W)، زمان پاسخ (Response Time) یا سرعت، نویز معادل توان (Noise Equivalent Power - NEP) که کمترین توان نوری قابل تشخیص را نشان می دهد، و طول موج کاری که به جنس نیمه هادی بستگی دارد. پاسخ دهی با طول موج تغییر می کند و برای هر فتودیود یک منحنی پاسخ دهی طیفی (Spectral Responsivity) وجود دارد.
فتودیودها انواع مختلفی دارند که هر کدام برای کاربردهای خاصی مناسب هستند. رایج ترین انواع عبارتند از: فتودیود PN (PN Photodiode) که ساده ترین نوع است، فتودیود PIN (PIN Photodiode) که دارای یک لایه ذاتی (Intrinsic) بین لایه های P و N است و ناحیه تهی گسترده تر و سرعت بالاتری دارد، و فتودیود بهمنی (Avalanche Photodiode - APD) که در ولتاژ معکوس بالا کار می کند و با پدیده بهمن، بهره داخلی (Internal Gain) ایجاد می کند و برای تشخیص نورهای بسیار ضعیف مناسب است.
فتودیود PIN رایج ترین نوع فتودیود است. لایه ذاتی (I) بین لایه های P و N باعث می شود ناحیه تهی بسیار گسترده شود. این امر باعث افزایش ناحیه جذب نور، کاهش ظرفیت خازنی (در نتیجه افزایش سرعت) و بهبود پاسخ دهی می شود. فتودیودهای PIN می توانند تا فرکانس های چند گیگاهرتز پاسخ دهند و در مخابرات فیبر نوری و آشکارسازهای نوری سریع کاربرد گسترده ای دارند.
فتودیود بهمنی (APD) برای تشخیص نورهای بسیار ضعیف (در حد فوتون) طراحی شده است. APD در ولتاژ معکوس نزدیک به ولتاژ شکست (Breakdown Voltage) کار می کند. در این شرایط، حامل های تولید شده توسط نور در ناحیه تهی چنان شتاب می گیرند که با برخورد به اتم ها، جفت الکترون-حفره جدیدی ایجاد می کنند (اثر بهمن). این فرآیند باعث تقویت جریان نوری (بهره داخلی) تا چند صد برابر می شود. APDها در مخابرات نوری راه دور و لیدار (LiDAR) کاربرد دارند.
کاربردهای فتودیود بسیار گسترده است. در مخابرات فیبر نوری، فتودیودهای PIN و APD برای تشخیص سیگنال های نوری در انتهای فیبر استفاده می شوند. در حسگرهای نور محیط (Ambient Light Sensors) در تلفن های همراه و نمایشگرها، فتودیودهای ساده برای تنظیم خودکار روشنایی صفحه به کار می روند. در دستگاه های پزشکی مانند پالس اکسیمتر (Pulse Oximeter) برای اندازه گیری اکسیژن خون، از فتودیودها استفاده می شود.
در سیستم های لیدار (LiDAR) و مسافت یاب های لیزری، از فتودیودهای سریع (معمولا APD) برای تشخیص پالس های بازتاب شده لیزر استفاده می شود. در اسکنرهای بارکد، فتودیودها نور بازتاب شده از بارکد را تشخیص می دهند. در دوربین های دیجیتال، فتودیودها (به عنوان بخشی از حسگر CCD یا CMOS) هر پیکسل را تشکیل می دهند. در صنعت، از فتودیودها برای مانیتورینگ فرآیندها، تشخیص شعله، و کنترل کیفیت استفاده می شود.
فتودیودها همچنین در تجهیزات علمی و تحقیقاتی مانند طیف سنج ها (Spectrometers)، میکروسکوپ ها، و آشکارسازهای پرتو ایکس کاربرد دارند. در ستاره شناسی، از آرایه های فتودیود برای رصد نور اجرام آسمانی استفاده می شود. در سیستم های امنیتی، از فتودیودها در آشکارسازهای حرکتی (Motion Detectors) و موانع نوری (Light Curtains) استفاده می شود.
مواد سازنده فتودیود بر اساس محدوده طول موجی مورد نظر انتخاب می شوند. سیلیکون (Silicon) برای نور مرئی و نزدیک فروسرخ (حدود ۴۰۰-۱۱۰۰ نانومتر) مناسب است. ژرمانیوم (Germanium) و InGaAs برای فروسرخ (۹۰۰-۱۷۰۰ نانومتر) استفاده می شوند. InSb و HgCdTe برای فروسرخ دور (۳-۱۴ میکرومتر) به کار می روند و نیاز به خنک کاری دارند. GaN و SiC برای فرابنفش مناسب هستند.
یکی از منابع نویز در فتودیودها، جریان تاریکی (Dark Current) است. این جریان، جریانی است که در غیاب نور و فقط به دلیل تولید حرارتی جفت الکترون-حفره در ناحیه تهی از فتودیود عبور می کند. جریان تاریکی با دما افزایش می یابد و می تواند حداقل نور قابل تشخیص را محدود کند. برای کاهش جریان تاریکی در کاربردهای نور ضعیف، گاهی فتودیود را خنک می کنند.
مدهای کاری فتودیود: فتودیودها معمولا در دو مد فتوکنداکتیو (Photoconductive Mode) با بایاس معکوس (سرعت بالا، ولی نویز بیشتر به دلیل جریان تاریکی) و مد فتوولتائیک (Photovoltaic Mode) با بایاس صفر (نویز کمتر و دقت بالاتر برای نورهای ضعیف و فرکانس پایین) کار می کنند. انتخاب مد به کاربرد بستگی دارد.
در نهایت، فتودیودها چشم های الکترونیک هستند و نور را به سیگنال الکتریکی تبدیل می کنند. با پیشرفت در مواد و ساختارها، حساسیت، سرعت و دامنه طول موجی فتودیودها به طور مداوم در حال افزایش است. فتودیودها نقش حیاتی در طیف وسیعی از فناوری ها از مخابرات و پزشکی تا صنعت و تحقیقات علمی ایفا می کنند و با گسترش کاربردهایی مانند اینترنت اشیا (IoT) و خودروهای خودران، اهمیت آنها همچنان در حال رشد است.
