فتودیود پیوند PN (انگلیسی : PN Photodiode)، در مدارهای الکتریکی (Electrical Circuit)
انواع دیودها (Diode) را در آموزش زیر شرح دادیم :
فتودیود پیوند PN (انگلیسی : PN Photodiode) :
فتودیود پیوند PN (PN Photodiode) ساده ترین نوع فتودیود است که از یک پیوند PN معمولی ساخته می شود. این فتودیودها بر اساس اثر فوتوالکتریک داخلی کار می کنند: هنگامی که نور به ناحیه تهی (Depletion Region) یا نواحی مجاور آن برخورد می کند، فوتون ها با انرژی کافی می توانند الکترون ها را از لایه ظرفیت به لایه هدایت برانگیخته و جفت الکترون-حفره (Electron-Hole Pairs) ایجاد کنند. این حامل ها توسط میدان الکتریکی موجود در ناحیه تهی (در حالت بایاس معکوس) از هم جدا شده و جریان نوری (Photocurrent) تولید می کنند.
در فتودیود PN، ناحیه تهی نسبتا باریک است (در مقایسه با فتودیود PIN). این بدان معناست که بخش عمده ای از نور جذب شده در نواحی خنثی (Neutral Regions) خارج از ناحیه تهی رخ می دهد. حامل هایی که در این نواحی تولید می شوند، برای رسیدن به ناحیه تهی و مشارکت در جریان نوری، باید با انتشار (Diffusion) حرکت کنند. این فرآیند انتشار نسبتا کند است و باعث می شود سرعت پاسخ فتودیود PN محدود شود (معمولا در محدوده میکروثانیه).
از مزایای فتودیود PN می توان به سادگی ساخت، هزینه پایین و قابلیت اطمینان بالا اشاره کرد. همچنین این فتودیودها می توانند در محدوده وسیعی از طول موج ها (بسته به جنس نیمه هادی) کار کنند. با این حال، پاسخ دهی (Responsivity) و سرعت آنها نسبت به فتودیودهای PIN و APD کمتر است. بنابراین برای کاربردهایی که نیاز به سرعت بالا یا تشخیص نورهای بسیار ضعیف دارند، مناسب نیستند.
بایاس معکوس (Reverse Bias) نقش مهمی در عملکرد فتودیود PN دارد. با اعمال بایاس معکوس، ناحیه تهی گسترش یافته و میدان الکتریکی قوی تر می شود. این امر باعث افزایش ناحیه جذب موثر نور و کاهش زمان عبور حامل ها (Transit Time) می شود. همچنین بایاس معکوس ظرفیت خازنی پیوند (Junction Capacitance) را کاهش می دهد که به نوبه خود سرعت پاسخ را افزایش می دهد. با این حال، بایاس معکوس باعث افزایش جریان تاریکی (Dark Current) نیز می شود.
جریان تاریکی (Dark Current) در فتودیود PN عمدتا ناشی از تولید حرارتی جفت الکترون-حفره در ناحیه تهی و نواحی مجاور آن است. این جریان حتی در غیاب نور نیز وجود دارد و می تواند حداقل نور قابل تشخیص (Noise Equivalent Power - NEP) را محدود کند. جریان تاریکی با دما رابطه مستقیم دارد و با افزایش دما، به شدت افزایش می یابد. بنابراین در کاربردهایی که نیاز به تشخیص نور ضعیف دارند، ممکن است نیاز به خنک کاری فتودیود باشد.
کاربردهای فتودیود PN شامل حسگرهای نور محیط (Ambient Light Sensors) در دستگاه های الکترونیکی مانند تلفن های همراه، تبلت ها و تلویزیون ها برای تنظیم خودکار روشنایی صفحه نمایش است. همچنین در تجهیزات صنعتی برای تشخیص حضور یا عدم حضور قطعات (Presence Detection)، شمارش اجسام (Object Counting) و کنترل کیفیت (Quality Control) استفاده می شوند. در دوربین های دیجیتال و اسکنرها نیز از آرایه های فتودیود استفاده می شود.
از دیگر کاربردهای فتودیود PN می توان به تجهیزات پزشکی مانند پالس اکسیمترها (Pulse Oximeters) اشاره کرد که در آنها از فتودیود برای اندازه گیری میزان اکسیژن خون از طریق جذب نور توسط هموگلوبین استفاده می شود. همچنین در سیستم های امنیتی مانند آشکارسازهای حرکتی (Motion Detectors) و موانع نوری (Light Curtains) کاربرد دارند. در صنعت خودروسازی، از فتودیودها برای تشخیص نور محیط و تنظیم خودکار چراغ ها استفاده می شود.
مواد سازنده فتودیود PN بر اساس محدوده طول موجی مورد نظر انتخاب می شود. سیلیکون (Silicon) رایج ترین ماده برای نور مرئی و نزدیک فروسرخ (حدود ۴۰۰-۱۱۰۰ نانومتر) است. ژرمانیوم (Germanium) برای فروسرخ (۸۰۰-۱۶۰۰ نانومتر) استفاده می شود. برای فرابنفش (UV)، از موادی مانند GaN یا SiC استفاده می شود. انتخاب ماده مناسب برای دستیابی به حداکثر پاسخ دهی در طول موج مورد نظر اهمیت دارد.
پاسخ دهی (Responsivity) فتودیود PN که بر حسب A/W اندازه گیری می شود، نشان می دهد به ازای هر وات توان نوری ورودی، چه مقدار جریان نوری (بر حسب آمپر) تولید می شود. پاسخ دهی به طول موج نور وابسته است و برای هر فتودیود یک منحنی پاسخ دهی طیفی (Spectral Responsivity) وجود دارد. حداکثر پاسخ دهی معمولا در طول موجی رخ می دهد که ضریب جذب نیمه هادی بهینه باشد.
زمان پاسخ (Response Time) فتودیود PN توسط دو عامل اصلی محدود می شود: زمان انتشار حامل ها (Diffusion Time) در نواحی خنثی و زمان عبور حامل ها (Transit Time) از ناحیه تهی. زمان انتشار معمولا عامل غالب است و باعث می شود سرعت پاسخ فتودیود PN به چند میکروثانیه محدود شود. برای کاربردهای سریع تر (مانند مخابرات نوری)، فتودیودهای PIN یا APD مناسب تر هستند.
در طراحی مدار با فتودیود PN، معمولا از یک مدار تقویت کننده ترانس امپدانس (Transimpedance Amplifier - TIA) برای تبدیل جریان نوری ضعیف به ولتاژ قابل اندازه گیری استفاده می شود. انتخاب مقاومت فیدبک (Feedback Resistor) در TIA یک مصالحه بین بهره (Gain) و پهنای باند (Bandwidth) است. همچنین باید به نویز مدار توجه کرد تا حداقل نور قابل تشخیص بهبود یابد.
در نهایت، فتودیود PN با وجود سادگی و محدودیت های سرعت، همچنان یک گزینه مناسب و اقتصادی برای بسیاری از کاربردهای حسگر نوری با سرعت پایین تا متوسط است. با انتخاب صحیح ماده، ساختار و مدار راه انداز، می توان از این فتودیودها در طیف وسیعی از کاربردهای صنعتی، پزشکی و مصرفی بهره برد.
