فتودیود PIN (انگلیسی : PIN Photodiode)، در مدارهای الکتریکی (Electrical Circuit)
انواع دیودها (Diode) را در آموزش زیر شرح دادیم :
فتودیود PIN (انگلیسی : PIN Photodiode) :
فتودیود 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. این لایه ذاتی باعث بهبود عملکرد فتودیود از جنبه های مختلف، به ویژه سرعت و پاسخ دهی، می شود. فتودیود PIN رایج ترین نوع فتودیود در کاربردهای با سرعت بالا مانند مخابرات نوری است.
ساختار فتودیود PIN شامل یک لایه P+ (با دوپینگ بالا و نازک در سطح)، یک لایه ذاتی (I) ضخیم، و یک لایه N+ (با دوپینگ بالا) در زیر است. لایه ذاتی عملا ناحیه تهی (Depletion Region) را تشکیل می دهد. با اعمال بایاس معکوس، این ناحیه گسترش یافته و تمام لایه ذاتی را پوشش می دهد. نور فرودی در این لایه ذاتی جذب می شود و جفت الکترون-حفره تولید می کند.
مزیت اصلی فتودیود PIN نسبت به فتودیود PN معمولی، ناحیه تهی گسترده تر است. این ناحیه گسترده مزایای زیر را دارد: ۱) افزایش ناحیه جذب نور و در نتیجه افزایش پاسخ دهی (Responsivity)، ۲) کاهش ظرفیت خازنی پیوند (Junction Capacitance) که منجر به افزایش سرعت پاسخ می شود، ۳) کاهش زمان عبور حامل ها (Transit Time) به دلیل میدان الکتریکی قوی و یکنواخت در ناحیه ذاتی.
پارامترهای مهم فتودیود PIN عبارتند از: پاسخ دهی (Responsivity) بر حسب A/W (که معمولا ۰.۵-۰.۹ A/W برای سیلیکون)، پهنای باند (Bandwidth) یا سرعت پاسخ (که می تواند تا چند گیگاهرتز برسد)، ظرفیت خازنی (C_j) (که معمولا کمتر از ۱ پیکوفاراد است)، جریان تاریکی (Dark Current) (در حد نانوآمپر)، و محدوده طول موجی (که به جنس نیمه هادی بستگی دارد).
کاربرد اصلی فتودیود PIN در مخابرات فیبر نوری (Fiber Optic Communications) است. در گیرنده های نوری با سرعت بالا (چند گیگابیت بر ثانیه تا چند ده گیگابیت بر ثانیه)، از فتودیودهای PIN به عنوان آشکارساز نوری 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. فتودیودهای PIN با سطح بزرگ (Large Area) برای جمع آوری نور بازتاب شده از اجسام دور استفاده می شوند. سرعت بالای آنها امکان اندازه گیری دقیق زمان پرواز (Time of Flight) را فراهم می کند. همچنین در تجهیزات پزشکی مانند پالس اکسیمترها و مانیتورهای قند خون نوری کاربرد دارند.
سری معروف فتودیودهای PIN شامل محصولات شرکت هایی مانند Hamamatsu (سری S5973 تا S5975 برای مخابرات نوری، سری S1223 برای کاربردهای عمومی)، Vishay (سری BPW34 و BPX61)، و OSRAM (سری SFH 203 P و SFH 2500) است. این فتودیودها در بسته بندی های مختلف (از طریق سوراخ و SMD) برای کاربردهای گوناگون موجود هستند.
مواد سازنده فتودیود PIN بر اساس محدوده طول موجی انتخاب می شود. سیلیکون (Silicon) برای نور مرئی و نزدیک فروسرخ (۴۰۰-۱۱۰۰ نانومتر) رایج است. InGaAs برای مخابرات نوری در پنجره های ۱۳۱۰ و ۱۵۵۰ نانومتر (۹۰۰-۱۷۰۰ نانومتر) استفاده می شود. ژرمانیوم (Germanium) نیز برای فروسرخ استفاده می شود اما نویز بیشتری دارد.
یکی از نکات مهم در استفاده از فتودیود PIN، مدار تقویت کننده (Amplifier) مناسب است. جریان نوری خروجی فتودیود معمولا بسیار ضعیف است (در حد میکروآمپر یا نانوآمپر) و نیاز به تقویت دارد. مدار تقویت کننده ترانس امپدانس (Transimpedance Amplifier - TIA) رایج ترین راه برای تبدیل جریان به ولتاژ قابل اندازه گیری است.
بایاس معکوس (Reverse Bias) معمولا برای افزایش سرعت و کاهش ظرفیت خازنی به فتودیود PIN اعمال می شود. با این حال، بایاس معکوس باعث افزایش جریان تاریکی (Dark Current) نیز می شود. در کاربردهای با نور ضعیف، ممکن است از بایاس صفر (Zero Bias) برای کاهش نویز استفاده شود، اما سرعت کاهش می یابد.
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.
