فتو دیود چیست

فتو دیود چیست

فتو-دیودها به طور گسترده در صنایع الکترونیکی و نواحی مختلف از دتکتورهای موجود در سی دی پلیرها تا سیستم های نوری مخابرات راه دور با پهنای باند وسیع، مورد استفاده قرار می گیرند.

موفقیت تکنولوژی فتو-دیود مدیون سادگی در ساختار و قیمت ارزان آن می باشد. با این وجود سرعت های حدود 30 گیگا هرتز و بالاتر از آن در تکنولوژی های اخیر فتو-دیود گزارش شده اند، که نشان دهنده ی پیشرفت تکنولوژی در این زمینه است.

تاریخچه ی توسعه ی فتو-دیود

توسعه ی تکنولوژی فتو-دیود ناشی از توسعه و گسترش دیودهای پیوندی PN ابتدایی است که به طور جدی در دهه ی1940 آغاز شد. کاربردهایی برای استفاده از دیودهای پیوندی PN مطرح شد که فراتر از استفاده ی ابتدایی از آن ها به منظور یکسو سازی سیگنال ها بود. محققان به این نتیجه رسیدند که از آن ها می توان برای بسیاری از کاربردهای فتونیک مانند فتو-دیودها، سلول های خورشیدی و کاربردهای انتشار نور استفاده نمود.

تکنولوژی فتو-دیود در دهه ی 1950 بازنگری شد و در بخش دوم از این دهه فتو-دیودهای PN توسعه یافتند. جذب نور در ناحیه ی تخلیه ی عریض در ساختار PIN برای اولین بار در مقاله ای که توسط گارتنر در سال 1959 منتشر شد، مورد بررسی قرار گرفت. گرچه سیلیکون ماده ی مورد علاقه برای استفاده در فتو-دیودها است ولی ژرمانیوم نیز می تواند مورد استفاده قرار گیرد، و استفاده از آن برای اولین بار در سال 1962 توسط ریش (Riesz) نشان داده شد.

در حالی که تکنولوژی فتو-دیود PN وسیع ترین الگوی مورد استفاده برای دیودها شده است، انواع دیگر مانند دیود بهمنی نیز مطرح شده اند. اولین قدم در این مسیر در سال 1953 توسط مک-آفی و مک-کای برداشته شد که مفهوم ضرب بهمنی را نشان دادند و کارهای بعدی روی فتو-دیودهای بهمنی در سال 1963 و بعد از آن انجام شد.

همچنین فرم دیگری از فتو-دیود به نام فتو-دیودهای شاتکی نشان داده شده است. به نظر می رسد اولین تحقیقات روی نقطه ی اتصال فتو-دتکتورها در سال 1963 و سال های بعد انجام شد و دیودهای بعدی با استفاده از غشاهای فلزی تبخیر شده، مورد مطالعه قرار گرفتند.

انواع فتو-دیود

گرچه عبارت فتو-دیود به طور گسترده مورد استفاده قرار می گیرد، انواع مختلفی از تکنولوژی های فتو-دیود وجود دارد که می تواند مورد استفاده قرار گیرد. از آنجایی که خواص متفاوتی دارند، تکنولوژی های مختلف فتو-دیود در نواحی مختلف به کار می روند.

فتو-دیود PIN

این نوع از فتو-دیود از نوع پرکاربردترین فتو-دیودهایی است که امروزه مورد استفاده قرار می گیرد. گرچه PIN یا فتو-دیود p-i-n اولین نوع فتو-دیودی نیست که مورد استفاده قرار می گیرد، فوتون های نور را به طور موثرتری نسبت به فتو-دیودهای استاندارد PN جمع می کند، و همچنین ظرفیت خازنی پائین تری دارد.

فتو-دیود PN

فتو-دیود PN اولین فتو-دیودی است که توسعه یافته و مورد استفاده قرار گرفت. امروزه به اندازه ی سایر انواع فتو-دیود که پارامترهای عملکردی بهتری دارند، مورد استفاده قرار نمی گیرد. با این اوصاف هنوز هم در بعضی موارد استفاده می شود.

 فتو-دیود بهمنی

تکنولوژی فتو-دیود بهمنی در نواحی کم نور استفاده می شود. فتو-دیودهای بهمنی دارای بهره ی بسیار بالایی هستند، ولی بر خلاف این مسئله دارای نویز بالایی نیز می باشد. از این رو این تکنولوژی جهت استفاده در همه ی کاربردها مناسب نمی باشد.

فتو-دیود شاتکی

همان طور که از نامش پیداست، تکنولوژی فتو-دیود شاتکی برمبنای دیود شاتکی است. از دیدگاه ظرفیت خازنی کوچک دیود دارای ظرفیت سرعت بالایی بوده و در سیستم های مخابراتی با پهنای باند وسیع استفاده می شود.

مبانی فتو-دیود

گرچه انواع مختلف فتو-دیود به صورت های کم و بیش متفاوتی کار می کنند، با این وجود مبنای عملکرد همه ی آن ها یکسان است.

انرژی نوری می تواند به صورت فوتون ها یا بسته های نوری در نظر گرفته شود. وقتی که یک فوتون با انرژی کافی وارد ناحیه ی تخلیه ی دیود نیمه هادی می شود، می تواند به یک اتم ضربه ای با انرژی کافی وارد کند تا یک الکترون از ساختار اتمی آن آزاد شود. این مسئله باعث ایجاد یک الکترون آزاد و یک حفره می شود (منظور از حفره یک اتم با فضای خالی برای یک الکترون می باشد). الکترون دارای بار الکتریکی منفی و حفره دارای بار الکتریکی مثبت است.

الکترون ها و حفره ها می توانند آزاد باقی بمانند یا امکان دارد الکترون های دیگر با حفره ها ترکیب شده و در شبکه ی کریستال تشکیل یک اتم کامل بدهند. به هر حال این امکان وجود دارد که الکترون ها و حفره ها آزاد باقی بمانند و به وسیله ی میدان خارجی از ناحیه ی تخلیه کنار گذاشته شوند. در این روش از منظر جریان دیود تغییر خواهد کرد و یک جریان نوری تولید می شود.

نماد مداری فتو-دیود

نماد مداری فتو-دیود قالب اصلی دیود را دارد، همچنین این نماد مداری نور را به صورت فلش هایی که به سمت پیوند دیود اشاره دارد نشان می دهد. فلش ها در خلاف جهت نوری هستند که از دیود منتشر شده و بیرون می آید.

نماد مداری فتو-دیود مورد استفاده در مدارهای شماتیک

انواع مختلفی از فتو-دیود وجود دارد که در دسترس هستند. هر کدام از این آن ها دارای مزایا و معایبی هستند که به ما این اجازه را می دهد برای به دست آوردن بهترین نتیجه تکنولوژی فتو-دیود مناسب برای کاربردمان را انتخاب کنیم. فاکتورهایی از قبیل نویز، محدودیت در بایاس معکوس، بهره، طول موج و موارد مشابه نقش مهمی در این انتخاب دارند. با انواع فتو-دیودهای موجود مانند PIN، PN، فتو-دیود بهمنی و فتو-دیود شاتکی ، می توان یک انتخاب آگاهانه انجام داد تا مطمئن شویم که بهینه ترین تکنولوژی فتو-دیود متناسب با کاربردمان استفاده شده است.

فتو دیود PIN/PN

دو نوع متداول از فتو-دیودها، فتو- دیودهای PIN و فتو-دیودهای PN هستند.

هر دو نوع PIN و PN برای کاربردهای تشخیص نور مورد استفاده قرار می گیرند، و هر دو دارای مزایا و معایبی هستند.

مبانی فتو-دیود PIN

یکی از نیازهای اصلی در آشکار سازهای نوری، وجود یک ناحیه ی به اندازه ی کافی بزرگ است که بتوان فوتون های نوری را جمع آوری نموده و تبدیل کرد. این مسئله با ایجاد یک ناحیه ی تخلیه ی بزرگ قابل دست یابی است (ناحیه ای که تبدیل نور در آن انجام می شود). این کار با اضافه نمودن یک ناحیه ی خالص به پیوند PN و ایجاد یک پیوند PIN انجام می شود.

یکی از پارامترهای کلیدی در طراحی فتو-دیود PIN این است که نور را قادر سازیم تا بتواند به منطقه ی خالص وارد شود. طراحی فیزیکی فتو-دیود نیازمند در نظر گرفتن این مسئله است به نحوی که جمع آوری نور به بهترین وجه انجام شود.

فتو-دیودها به طور کلی و در این مورد فتو-دیود PIN نسبت به طول موج های مختلف پاسخ های متفاوتی دارند. عموما ضخامت ناحیه یا لایه ی بالایی نوع P یکی از پارامترهای اصلی در تعیین حساسیت پاسخ است.

کاربردهای فتو-دیود PIN

فتو-دیود PIN هیچ بهره ای ندارد و برای بعضی از کاربردها این مسئله می تواند یک عیب محسوب شود. با این وجود، این نوع فتو-دیود هنوز هم یکی از پرکاربردترین فرم در بین دیودها است که در CD پلیرها و DVD پلیرها مانند درایوهای CD در کامپیوترها استفاده می شوند. علاوه بر این در سیستم های مخابرات نوری نیز استفاده می شوند.

فتو-دیودهای PIN همچنین به عنوان دتکتور تشعشعات هسته ای نیز به کار می رود. انواع مختلفی از تشعشعات هسته ای وجود دارد. تشعشع می تواند به صورتی باشد که با انرژی بالا ذرات را شارژ یا دشارژ نماید یا می تواند به فرم تشعشعات الکترومغناطیسی باشد. دیود می تواند همه ی این فرم های تشعشع را تشخیص دهد. ارتعاشات الکترومغناطیسی که نور نیز نوعی از آن محسوب می شود، همان گونه که قبلا توضیح داده شد باعث تولید جفت های الکترون-حفره می شود. ذرات دقیقا اثر یکسانی دارند.به هر حال از آنجایی که مقدار کمی انرژی لازم است تا یک زوج الکترون-حفره تولید شود، یک ذره ی پر انرژی می تواند چندین زوج الکترن-حفره تولید نماید.

فتو-دیود PN

در حالی که فتو-دیودهای PIN به طور بسیار گسترده مورد استفاده قرار می گیرند، فتو-دیودهای PN نیز در برخی موقعیت ها به کار می روند. فتو-دیودهای PN اساسا مانند نوع PIN هستند با این تفاوت که فاقد لایه ی ذاتی در ناحیه ی تخلیه هستند.

مقایسه ی فتو-دیودهای PIN و PN

هر دو نوع فتو-دیودهای PN و PIN در بازار موجود هستند. هنگام طراحی مدار لازم است نوع صحیح را انتخاب کنیم. هر دو نوع فتو-دیودهای PIN و PN دارای مزایا و معایبی هستند.

  • فتو دیود PIN به دلیل وجود ناحیه ی ذاتی نیازمند بایاس معکوس برای کار کردن می باشد.

 

            - بایاس معکوس باعث تولید نویز جریان می شود که نسبت سیگنال به نویز را کاهش می دهد.

            - بایاس معکوس باعث عملکرد بهتر در کاربردهایی با پهنای باند بالا است.

            - بایاس معکوس موجب ایجاد عملکرد بهتر در کاربردهایی با محدوده ی دینامیکی بالا است.

 

  • فتو-دیود PN به بایاس معکوس نیاز ندارد و در نتیجه برای کاربردهای کم نور مناسب تر است.

 

فتو-دیود بهمنی

انواع مختلفی از فتو-دیودها موجود هستند. فتو-دیودهای PIN و PN متداول ترین نوع فتو-دیودها هستند. ولی فتو-دیود بهمنی نیز موجود است.

فتو-دیودهای بهمنی در بعضی کاربردها دارای مزایایی هستند ولی استفاده از آن ها ممکن است تخصصی تر باشد.

مبانی فتو-دیودهای بهمنی

فتو-دیودهای بهمنی دارای ساختار مشابهی با فتو-دیودهای PN و PIN است. ساختار مشابه با فتو-دیودهای شاتکی نیز می تواند استفاده شود ولی کمتر متداول است. به هر حال ساختار آن برای عملکرد بهمنی بهینه شده است.

عملکرد اصلی فتو-دیود بهمنی تفاوت بسیار کمی با سناریوی عملکرد فتو-دیودهای استاندارد دارد. این فتو-دیودها تحت شرایط بایاس معکوس بالایی عمل می کنند تا بتوانند ضریب بهمنی حفره ها و الکترون های ایجاد شده توسط زوج های الکترون-حفره ی اولیه که در اثر فوتون های نور ایجاد شده اند را فعال نماید.

عملکرد بهمنی بهره ی دیود را چندین مرتبه افزایش می دهد، که باعث ایجاد حساسیت بیشتری می شود.

مزایا و معایب فتو-دیود بهمنی

فتو-دیودهای بهمنی تعدادی ویژگی های متفاوت با فتو-دیودهای نرمال PIN و PN دارد که باعث شده برای استفاده در بعضی از کاربردها مناسب تر باشد. از این رو بهتر است که مزایا و معایب آن را خلاصه کنیم :

- مزیت اصلی فتو-دیود بهمنی حساسیت بالای آن نسبت به سایر انواع فتو-دیودها است.

معایب فتو-دیود بهمنی عبارتند از :

-  ممکن است به ولتاژ عملکرد بالاتری نیاز داشته باشیم.

-  فتو-دیود بهمنی نسبت به نوع PN نویز بیشتری تولید می کند.

- فرایند بهمنی به این معنی است که خروجی خطی نمی باشد.

شرایط مداری

فتو-دیودهای بهمنی جهت عملکردشان به بایاس معکوس بالایی نیاز دارند. در دیودهای سیلیکونی به ولتاژی بین 100 تا 200 ولت نیاز داریم، و با این ولتاژ بهره ی جریانی حدود 100 خواهد داشت که در اثر پدیده ی بهمنی است. در مورد بعضی از دیودها که فرایند ساخت تخصصی تری دارند ولتاژ بایاس بیشتری تا حدود 1500 ولت باید اعمال شود. ثابت شده است که افزایش ولتاژ موجب افزایش سطوح بهره می شود. بهره ی این دیودهای بهمنی تا 1000 می تواند افزایش یابد. این مسئله هنگامی که حساسیت از اهمیت ویژه ای برخوردار باشد یک مزیت عمده به شمار می آید.

فتو-دیودهای بهمنی مانند همتایان PIN خود پرکاربرد نمی باشند. آن ها اصولا در کاربردهایی استفاده می شوند که بهره ی بالا اهمیت داشته باشد، زیرا ولتاژ بالای مورد نیاز در ترکیب با قابلیت اطمینان پائین بدین معناست که برای استفاده در بسیاری موارد مناسب نیستند.

فتو-دیود شاتکی

فتو-دیود شاتکی بر مبنای دیود شاتکی ساخته شده است و همچنین به دلیل ساختارش دیود نیمه هادی-فلز نیز نامیده می شود.

فتو-دیودهای شاتکی قابلیت های بیشتری نسبت به سایر فتو-دیودها دارند از قبیل سرعت و قابلیت تشخیص طول موج های بلند.

مبانی فتو-دیود شاتکی

همان طور که از نام این فتو-دیود مشخص است به عنوان مبنای عملکردش به صورت آشکار ساز نوری از دیود شاتکی استفاده می کند .

فتو-دیود شاتکی به دلیل اینکه قادر است در دو مد تشخیص نور کار کند، منحصر به فرد می باشد :

- تولید زوج الکترون :

این مسئله ناشی از تحریک لایه به لایه یا تحریک شکاف انرژی (energy gap) می باشد.

- انتشار حامل ها :

انتشار حامل ها در دید شاتکی از فلز به سمت نیمه هادی است. این مسئله ناشی از خروج الکترون از فلز به صورت داخلی در اثر نیروی تابشی نوراست.

پیوند فلز-نیمه هادی عملکرد مشابهی با لایه ی ذاتی در فتو-دیود PIN دارد و ناحیه ی بزرگتری برای گرفتن انرژی فوتون ایجاد می کند.

کاربردهای فتو-دیود شاتکی

فتو-دیود شاتکی به طور خاص می تواند با تکنولوژی سیلیکون و سیلیسید رقابت کند. در نتیجه به طور گسترده در وسایل شارژ همراه (CCD) به عنوان آشکار ساز نوری حسگر تصویر استفاده شده اند.

فتو-دیود شاتکی می تواند همراه با گیت انتقال CCD درون یک چیپ قرار گیرند، که این قطعات نیز قابل رقابت با تکنولوژی سیلیکونی هستند. CCD خودش یک ثبات تغییر مکان یا شیفت رجیستر ایجاد نموده که اجازه می دهد اطلاعات ازآرایه ی دتکتورهای فتو-دیود شاتکی به کل چیپ منتقل شوند، که این مسئله روشی را ایجاد نموده که می توان فایل های اطلاعاتی بسیار بزرگ را از آرایه های بزرگ آشکار سازهای نوری، با تعداد معقول و منطقی از پایه ها روی مدار مجتمع، استخراج نمود.

با توجه به مزایای گفته شده دتکتور فتو-دیود شاتکی پرکاربردترین تکنولوژی مورد استفاده در آرایه های صفحه ی کانونی (focal plane arrays) شده است.

ساختار و مواد فتو-دیود

گرچه دیودهای عادی خواص فتو-دیودها را از خود نشان می دهند، ولی لازم است ساختار صحیحی اتخاذ شده و مواد مناسبی مورد استفاده قرار گیرد تا از عملکرد بهینه ی فتو-دیودها اطمینان حاصل شود.

الگوهای مختلفی برای ساختن فتو-دیودها مورد استفاده قرار می گیرد که به نوع فتو-دیود مورد تقاضا بستگی دارد. ساختار فتو-دیودهای بهمنی نسبت به آن چه در فتو-دیودهای PIN و PN وجود دارد متفاوت است. همچنین ساختار فتو-دیودهای شاتکی نیز متفاوت است. به هر حال ساختار همه ی فتو-دیودها به منظور جمع آوری و تبدیل نور بهینه شده است.

ساختار فتو-دیود PIN/PN

گرچه یک پیوند PN عادی می تواند به عنوان مبنای فتو-دیود مورد استفاده قرار گیرد، با این وجود پیوند PIN می تواند ساختار رضایتبخش تری برای فتو-دیود ایجاد نماید. در فرایند ساخت فتو-دیود یک لایه ی ضخیم خالص بین لایه های نیمه هادی نوع های n و p قرار می گیرد. لایه ی میانی می تواند به طور حکامل خالص باشد یا به میزان کمی غنی سازی شده باشد. در بعضی موارد می تواند به صورت یک لایه ی همبافته روی زیر لایه رشد کند یا ممکن است خودش در قسمت زیر لایه موجود باشد.

ساختار فتو-دیود PIN

یکی از ملزومات فتو-دیود این است که مطمئن باشیم حداکثر نور به لایه ی اصلی می رسد. یکی از راه های دستیابی به این مسئله این است که یک اتصال الکتریکی را مانند شکل در کنار قطعه قرار دهیم. این باعث می شود که حداکثر مقدار نور به ناحیه ی فعال برسد. این مسئله ثابت شده است که اگر زیر لایه به شدت مورد پیش بینی قرار گیرد، تلفات نوری بسیار کمی خواهیم داشت با توجه به این واقعیت که آن ناحیه ی فعال نمی باشد.

هنگامی که نور در یک فاصله ی معین به میزان زیادی جذب شود، ضخامت لایه ی اصلی به طور عادی با آن هماهنگ می شود. هر گونه افزایش ضخامت در این قسمت منجر به کاهش سرعت عملکرد می شود که یک فاکتور حیاتی در بسیاری از کاربردها می باشد، و این راندمان را به خوبی بهبود نمی بخشد.

این امکان وجود دارد که نور از قسمت کناری پیوند وارد آن شود. با این روش عملکرد در فتو-دیود می توان لایه ی اصلی را بسیار کوچکتر ساخت که باعث افزایش سرعت عملکرد می شود، هر چند که راندمان نیز کاهش می یابد.

در بعضی موارد یک پیوند چند لایه و ناهمگون می تواند استفاده شود. این فرم از ساختار دارای انعطاف پذیری بیشتری است، به طوری که نور می تواند از زیرلایه دریافت شود و دارای شکاف انرژی (energy gap) بزرگتری است که آن را نسبت به نور شفاف می سازد.

ساختار چند لایه ی فتو-دیود PIN

قالب چند لایه برای یک فتو-دیود PIN از تکتولوژی استناندارد کمتری استفاده می کند و اغلب موادی مانند InGaAs و InP که در شکل نشان داده شده است، به کار می رود. این روش جهت پیاده سازی گران تر است و در نتیجه موجب می شود برای محصولات تخصصی تر مورد استفاده قرار گیرد.

مواد فتو-دیود PIN/PN

مواد به کار رفته در یک فتو-دیود تعیین کننده ی بسیاری از خواص اصلی آن است. طول موجی که به آن پاسخ داده می شود و میزان نویز هر دو پارامترهای اساسی هستند که بستگی به مواد مورد استفاده در فتو-دیود دارد.

میزان حساسیت طول موج در مواد مختلف متفاوت است زیرا فقط فوتون هایی با انرژی کافی برای تحریک الکترون در فاصله ی هوایی ماده، انرژی کافی برای ایجاد جریان از فتو-دیود تولید خواهد نمود.

محدوده ی طول موج برای مواد مورد استفاده ی پرکاربرد در فتو-دیود

در حالی که حساسیت طول موج ماده بسیار مهم است، پارامتر دیگری وجود دارد که می تواند تاثیر ویژه ای بر عملکرد فتو-دیود داشته باشد و آن میزان نویز تولیدی است. به دلیل فاصله ی هوایی بزرگتر، فتو-دیودهای سیلیکونی نسبت به نوع ژرمانیومی نویز کمتری تولید می کنند. به هر حال لازم است طول موج برای فتو-دیودی که نیاز داریم حتما در نظر گرفته شود و فتو-دیودهای ژرمانیومی باید برای طول موج های بیشتر از 1000 نانومتر استفاده شوند.

ساختار فتو-دیود بهمنی

ساختار فتو-دیود بهمنی نسبتا مشابه با ساختار فتو-دیودهای متداول PN و یا ساختار فتو-دیودهای PIN است. در هر حال هنگامی که فتو-دیودهای بهمنی تحت بایاس معکوس بالایی عمل کنند، یک حلقه ی محافظ اطراف پیوند دیود قرار داده می شود که این کار از مکانیسم های شکست سطح جلوگیری می کند.

ساختار فتو-دیود PIN-بهمنی

مواد فتو-دیود بهمنی

در فتو-دیودهای بهمنی هم مانند فتو-دیودهای PN و PIN ،مواد مورد استفاده تاثیر مهمی بر تعیین ویژگی های این نوع فتو-دیود دارد.

مواد پرکاربرد مورد استفاده در فتو-دیود بهمنی

برای عملکرد بهتر در مقابل نویز به اختلاف بزرگ تری در ضرایب یونیزاسیون الکترون ها و حفره ها نیاز داریم. در سیلیکون نسبت بین ضرایب مختلف 50 می باشد و عملکرد خوبی در مواجهه با نویز دارد. ژرمانیوم و بسیاری از عناصر گروه (III-V)نسبتی کمتر از 2 دارند. عملکرد در مقابل نویز در این گونه مواد بسیار بد و در سطح پائینی است. این مواد باید در طول موج های بلندتر که شکاف انرژی کوچکتری دارند مورد استفاده قرار گیرند.

تئوری و عملکرد فتو-دیود

گرچه انواع مختلفی از فتو-دیودها وجود دارند، همگی مبانی اساسی یکسانی دارند. البته در برخی موارد ویژگی هایی توسط بعضی از اثرات به آن ها اضافه می شود.

انواع مختلف فتو-دیود به روش های کمی متفاوت کار می کنند ولی مبنای عملکرد همه ی آن ها یکسان است.

انرژی نوری می تواند به صورت فوتون ها یا بسته های نور در نظر گرفته شوند. وقتی که یک فوتون با انرژی کافی وارد ناحیه ی تخلیه ی دیود نیمه هادی می شود، می تواند به یک اتم ضربه ای با انرژی کافی وارد کند تا یک الکترون از ساختار اتمی آن آزاد شود. این مسئله باعث ایجاد یک الکترون آزاد و یک حفره می شود (منظور از حفره یک اتم با فضای خالی برای یک الکترون می باشد). الکترون دارای بار الکتریکی منفی و حفره دارای بار الکتریکی مثبت است.

الکترون ها و حفره ها می توانند آزاد باقی بمانند یا امکان دارد الکترون های دیگر با حفره ها ترکیب شده و در شبکه ی کریستال تشکیل یک اتم کامل بدهند. به هر حال این امکان وجود دارد که الکترون ها و حفره ها آزاد باقی بمانند و به وسیله ی میدان خارجی از ناحیه ی تخلیه کنار گذاشته شوند. در این روش از منظر جریان دیود تغییر خواهد کرد و یک جریان نوری تولید می شود.

عملکرد فتو-دیود PIN/PN

این فتو-دیودها تحت مقداربایاس معکوس متوسطی کار می کنند که باعث شده که ناحیه ی تخلیه را از هر نوع حاملی خالی نموده و در حالت عادی هیچ جریانی در آن وجود ندارد. به هر حال هنگامی که یک فوتون وارد ناحیه ی اصلی شده می تواند به یک اتم در شبکه ی کریستالی ضربه وارد نموده و یک الکترون را از اتم خارج نماید. بدین ترتیب یک زوج الکترون-حفره تولید می شود. حفره و الکترون در اثر میدان الکتریکی دو طرف ناحیه ی اصلی در جهت های مخالف یکدیگر حرکت نموده و جریان الکتریکی کوچکی مشاهده می شود. ثابت شده است که میزان جریان متناسب با مقدار نور وارد شده به ناحیه ی اصلی است. نور بیشتر تعداد بیشتری زوج الکترون-حفره تولید می کند و باعث ایجاد جریان بیشتری می شود.

دیودهایی که تحت بایاس معکوس عمل می کنند، اگر لایه ی تخلیه در آنها وقتی در معرض نور قرار می گیرند پهن تر شود، حساسیت بیشتری از خود نشان می دهند. به این طریق افزایش بایاس معکوس بر افزایش ناحیه ی فعال تاثیر می گذارد و می توان گفت "جریان نوری" را تقویت می کند.

همچنین این امکان وجود دارد که فتو-دیودها تحت شرایط بایاس صفر نیز عمل کنند که مد "فتو-ولتائیک" نامیده می شود. در بایاس صفر، نور ورودی به دیود باعث ایجاد جریانی در قطعه می شود و منجر به بایاس مستقیم گشته که به نوبه ی خود "جریان تاریکی" را در خلاف جهت "جریان نور" القا می کند. این پدیده اثر فتو ولتائیک نامیده می شود و مبنای عملکرد سلول های خورشیدی است. بنابراین این امکان وجود دارد که یک سلول خورشیدی با استفاده از تعداد زیادی از فتو-دیودها ساخته شود. همچنین هنگامی که فتو-دیودها در سلول های خورشیدی استفاده می شوند، دیودها بزرگتر ساخته می شوند تا ناحیه ی فعال بزرگتری داشته باشیم و جریان های بزرگتری را بتوانند ایجاد کنند. در انواعی که برای کاربردهای اطلاعاتی و دیتا مورد استفاده قرار می گیرد، طبیعتا سرعت بسیار مهم است و پیوندهای دیود جهت کاهش ظرفیت خازنی کوچکتر هستند.

وقتی که فتو-دیودها در معرض نور قرار نگیرند، از منحنی مشخصه ی عادی V-I دردیودها تبعیت می کنند. در بایاس معکوس تقریبا هیچ جریانی وجود ندارد ولی در جهت مستقیم به طور پیوسته افزایش می یابد، مخصوصا بعد از این که به ولتاژ زانو یا روشن شدن می رسد. این فرایند در حضور نور تغییر می کند. هنگامی که به عنوان فتو-دیود استفاده می شود می توان دید که در بایاس معکوس تاثیر فوق العاده ای مشاهده می شود. در این حالت جریان تغییرات بزرگی ایجاد شده و چریان مستقیم عادی نمی تواند تاثیرات ناشی از نور را خنثی کند.

عملکرد دیود بهمنی

نور وارد ناحیه ی پیش بینی نشده دردیود بهمنی شده و باعث تولید زوج های الکترون-حفره می شود. تحت تاثیر میدان الکتریکی ، الکترون ها به سمت ناحیه ی بهمنی حرکت می کنند. در این حالت میدان الکتریکی باعث افزایش سرعت شده تا حدی که برخورد با شبکه ی کریستالی موجب تولید زوج های الکترون-حفره ی بیشتری می شود، این الکترون ها به نوبه ی خود با شبکه ی کریستال بر خورد نموده و الکترون های بیشتری تولید می کنند. به این طریق الکترونی که در ناحیه ی نا معلوم توسط نور ایجاد می شود، می تواند منجر به تولید الکترون های بسیار زیادی شود.

فتو-دیود بهمنی در مقایسه با نوع PIN تفاوت هایی دارد. فرایند بهمنی به این معناست که یک الکترون تولید شده به وسیله ی نور در نلحیه ی نامعلوم توسط فرایند بهمنی چندین برابر می شود. در نتیجه فتو-دیودهای بهمنی به شدت حساس هستند. به هر حال ثابت شده است که این فرایند به هیچ وجه خطی نیست و علاوه بر آن سیگنال حاصله بسیار نویزی تر از سیگنال های حاصل از دیود PIN است. همچنین ساختار دیود بهمنی بسیار پیچیده تر است. یک حلقه ی محافظ نوع n در اطراف پیوند p-n نیاز داریم تا میدان الکتریکی اطراف پیوند را تا حد ممکن کمتر کنیم. همچنین ثابت شده است که بهره ی جریان نه تنها به بایاس اعمالی بلکه به نوسانات حرارتی نیز وابسته است. در نتیجه لازم است از نصب قطعه روی هیت سینک مناسب اطمینان حاصل شود.

Leave a Reply

* Name:
* E-mail: (Not Published)
   Website: (Site url withhttp://)
* Comment:
Type Code