فتودیود پیوند PIN (انگلیسی : PIN Photodiode)، در مدارهای الکتریکی (Electrical Circuit)
انواع دیودها (Diode) را در آموزش زیر شرح دادیم :
فتودیود پیوند PIN (انگلیسی : PIN Photodiode) :
فتودیود پیوند PIN (PIN Photodiode) یک نوع پیشرفته از فتودیود است که در آن بین لایه های نیمه هادی نوع P و نوع N، یک لایه ذاتی (Intrinsic Layer - I) با خلوص بالا و مقاومت زیاد قرار داده شده است. وجود این لایه ذاتی، ناحیه تهی (Depletion Region) را به طور قابل توجهی گسترش می دهد و باعث بهبود عملکرد فتودیود از جنبه های مختلف می شود. فتودیود PIN رایج ترین نوع فتودیود در کاربردهای با سرعت بالا است.
لایه ذاتی (I) در فتودیود PIN عملا ناحیه تهی را تشکیل می دهد. با اعمال بایاس معکوس، این ناحیه تقریبا تمام لایه ذاتی را پوشش می دهد. در نتیجه، حجم ناحیه فعال (Active Volume) برای جذب نور بسیار بزرگتر از فتودیود PN می شود. این بدان معناست که بخش بیشتری از نور فرودی در ناحیه تهی جذب می شود و حامل های کمتری در نواحی خنثی تولید می شوند که این امر باعث افزایش پاسخ دهی (Responsivity) می شود.
سرعت پاسخ (Response Speed) در فتودیود PIN بسیار بالاتر از فتودیود PN است. دلیل اصلی این است که جذب نور عمدتا در ناحیه تهی رخ می دهد و حامل ها تحت تأثیر میدان الکتریکی قوی به سرعت از هم جدا می شوند (حرکت سوقی - Drift Motion). این فرآیند بسیار سریعتر از انتشار (Diffusion) در فتودیود PN است. فتودیودهای PIN می توانند به پهنای باند چند گیگاهرتز دست یابند و برای مخابرات نوری با سرعت بالا ایده آل هستند.
ظرفیت خازنی پیوند (Junction Capacitance) در فتودیود PIN به دلیل گستردگی ناحیه تهی، بسیار کمتر از فتودیود PN است. ظرفیت خازنی پایین یک مزیت بزرگ است زیرا محدودیت RC (Resistance-Capacitance) را در مدار کاهش می دهد و امکان دستیابی به پهنای باند بالاتر را فراهم می کند. رابطه ظرفیت خازنی با ضخامت لایه ذاتی به صورت
\[ C_j = \frac{\epsilon A}{W} \]است که در آن
\[ \epsilon \]ثابت دی الکتریک، A مساحت، و W ضخامت ناحیه تهی است. افزایش W باعث کاهش C می شود.
پاسخ دهی (Responsivity) فتودیود PIN معمولا بالاتر از فتودیود PN است، زیرا ناحیه فعال بزرگتر باعث جذب مؤثرتر نور می شود. با این حال، پاسخ دهی به ضخامت لایه ذاتی و طول موج نور بستگی دارد. اگر لایه ذاتی بیش از حد ضخیم باشد، زمان عبور حامل ها افزایش یافته و سرعت کاهش می یابد. بنابراین در طراحی PIN یک مصالحه (Trade-off) بین پاسخ دهی و سرعت وجود دارد.
جریان تاریکی (Dark Current) در فتودیود PIN معمولا کمتر از APD اما ممکن است کمی بیشتر از فتودیود PN خوب طراحی شده باشد. جریان تاریکی عمدتا ناشی از تولید حرارتی حامل ها در ناحیه تهی و جریان نشتی سطحی (Surface Leakage Current) است. با بهینه سازی فرآیند ساخت و استفاده از پسیواسیون (Passivation) مناسب، می توان جریان تاریکی را به حداقل رساند.
مهم ترین کاربرد فتودیود PIN در مخابرات فیبر نوری (Fiber Optic Communications) است. در گیرنده های نوری (Optical Receivers) برای شبکه های مخابراتی و مراکز داده (Data Centers)، از فتودیودهای PIN برای تبدیل سیگنال های نوری با سرعت بالا (چند گیگابیت بر ثانیه) به سیگنال الکتریکی استفاده می شود. سرعت بالا و پاسخ دهی خوب آنها برای این کاربرد ایده آل است.
کاربرد دیگر در لیدار (LiDAR) و مسافت یاب های لیزری (Laser Rangefinders) است. در این سیستم ها، پالس های کوتاه لیزر به هدف تابیده شده و بازتاب آنها توسط یک فتودیود سریع (معمولا PIN یا APD) تشخیص داده می شود. سرعت بالای PIN امکان اندازه گیری دقیق زمان پرواز (Time of Flight) را فراهم می کند. فتودیودهای PIN با سطح بزرگ (Large Area) برای جمع آوری نور بیشتر در این کاربردها استفاده می شوند.
در تجهیزات پزشکی، مانند پالس اکسیمترها (Pulse Oximeters) و مانیتورهای قند خون نوری (Optical Glucose Monitors)، از فتودیودهای PIN برای تشخیص نور عبوری یا بازتابی از بافت استفاده می شود. حساسیت خوب و نویز نسبتا پایین آنها برای این کاربردها مناسب است. همچنین در دستگاه های طیف سنج (Spectrometers) برای اندازه گیری شدت نور در طول موج های مختلف کاربرد دارند.
در صنعت، فتودیودهای PIN برای مانیتورینگ فرآیندها، کنترل کیفیت، و تشخیص نور در تجهیزات اتوماسیون استفاده می شوند. در سیستم های امنیتی و مانیتورینگ، برای تشخیص حرکت و حضور استفاده می شوند. در تحقیقات علمی، در آزمایش های فیزیک و شیمی برای اندازه گیری دقیق شدت نور و فلورسانس کاربرد دارند.
مواد سازنده فتودیود PIN بر اساس محدوده طول موجی مورد نظر انتخاب می شوند. سیلیکون (Silicon) برای نور مرئی و نزدیک فروسرخ (تا ۱۱۰۰ نانومتر) رایج است. InGaAs برای مخابرات نوری در پنجره های ۱۳۱۰ و ۱۵۵۰ نانومتر استفاده می شود. ژرمانیوم (Germanium) نیز برای فروسرخ استفاده می شود اما نویز بیشتری دارد. برای فرابنفش، از SiC یا GaN استفاده می شود.
در نهایت، فتودیود PIN به دلیل ترکیب عالی سرعت بالا، پاسخ دهی خوب، ظرفیت خازنی پایین و نویز نسبتا کم، به یکی از پرکاربردترین انواع فتودیود تبدیل شده است. این قطعه نقش حیاتی در مخابرات نوری، حسگرها، تجهیزات پزشکی و صنعتی ایفا می کند و با پیشرفت فناوری، عملکرد آن همچنان در حال بهبود است.
