فتودیود یا دیود نوری چیست؟ نحوه کار و کاربردها
محتویات
دیود نوری نوعی دیود نیمه هادی اتصال pn است که با شدت نوری که بر روی آن می تابد در شرایط بایاس معکوس کار می کند.
اصول کاری فتودیود (دیود نوری)
هنگامی که یک دیود در شرایط بایاس معکوس است، یک جریان اشباع معکوس از طریق آن از پایانه مثبت به پایانه منفی دیود جریان می یابد. حامل های بار اقلیت ایجاد شده موجب ایجاد این جریان اشباع معکوس در کریستال نیمه هادی می شود. مقدار این جریان اشباع معکوس به ولتاژ معکوس اعمال شده در سراسر دیود بستگی ندارد بلکه به غلظت حامل های بار اقلیت در کریستال نیمه هادی بستگی دارد. بنابراین برای محدوده معینی از ولتاژ معکوس در سراسر دیود، این جریان تقریبا ثابت می ماند. ما می توانیم جریان اشباع معکوس در یک دیود را با کنترل غلظت حامل های بار اقلیت در کریستال نیمه رسانا کنترل کنیم. ما همچنین می توانیم غلظت حامل های بار اقلیت را در یک نیمه رسانا با تامین انرژی خارجی به کریستال تغییر دهیم.
در فتودیود نیز همین کار را به منظور کنترل رسانایی المان انجام می دهیم. همانطور که از نام در فتودیود پیداست، اتصال pn در معرض نور قرار می گیرد. بسته به شدت نور، پیوندهای کووالانسی در کریستال شکسته می شوند و جفت الکترون-حفره آزاد در سراسر و نزدیک محل اتصال pn ایجاد می کنند. در نتیجه جریان معکوس در دیود افزایش می یابد یا به عبارت دیگر رسانایی دستگاه افزایش می یابد.
در اینجا لازم به ذکر است که در فتودیود، تنها قسمت اتصال pn دیود باید در معرض نور باشد، زیرا اگر نور از محل پیوند خارج شود، جفت الکترون-حفره ایجاد شده که از محل پیوند دور شده زمان کافی برای ترکیب مجدد را به دست می آورد، بنابراین نمی توانند جریان معکوس ایجاد کنند. اما جفت‌های الکترون-حفره که در محل پیوند یا در نزدیکی محل پیوند ایجاد می شوند، به دلیل تأثیر میدان الکتریکی در سراسر پیوند، می توانند به راحتی به سمت قطب مخالف انتشار یابند و از این رو جریان عبوری از فتودیود افزایش می یابد.
ساخت فتودیود
فتودیودها در بسته بندی فلزی موجود هستند. دیود یک اتصال p-n است که در یک بستر پلاستیکی عایق نصب شده است. سپس بستر پلاستیکی را در محفظه فلزی قرار می دهیم. در بالای بدنه فلزی، یک پنجره شفاف وجود دارد که اجازه می دهد که نور تا نقطه اتصال PN برسد. دو قسمت جلویی، آند و کاتد دیود از پایین بدنه فلزی خارج می شوند. زبانه ای که از سمت قسمت پایینی محفظه فلزی کشیده شده است، سر کاتد را مشخص می کند.
نماد فتودیود
نماد یک فتودیود درست مانند دیود معمولی است به جز دو فلش متمایل به پایین که نماد نور هستند.
مقاومت تاریکی فوتودیود
- درست است که همیشه برخی از حامل های بار اقلیت در کریستال نیمه هادی حتی در شرایط کاملا تاریک وجود دارد اما این حامل های بار اقلیت در کریستال نیمه هادی به دلیل ناخالصی های اجتناب ناپذیر و تحریک حرارتی طبیعی کریستال وجود دارند. بنابراین حتی در شرایط کاملا تاریک، یک جریان اشباع معکوس کوچک و ثابت در دیود وجود خواهد داشت. این جریان برای فتودیود ثابت است و جریان به عنوان جریان تاریک شناخته می شود. نسبت حداکثر ولتاژ معکوس قابل تحمل به جریان تاریک یک فتودیود مقاومت تاریک آن دیود نامیده می شود.
- وقتی به دیود نور می تابانیم جریان معکوس افزایش می یابد. این رابطه خطی است. مقدار جریان معکوس به طور مستقیم با شدت انرژی نور تابشی متناسب است.
- اگر به افزایش شدت نور ادامه دهیم، پس از مقدار معینی جریان معکوس ایجاد می شود. با افزایش شدت نور، جریان بیشتر نمی شود. ما این مقدار حداکثر جریان معکوس را جریان اشباع فوتودیود می نامیم.
کاربرد های فتودیود
فتودیود کاربردهای زیادی دارد. ما در این مقاله کوتاه در مورد همه کاربردهای فوتودیود صحبت نمی کنیم. در اینجا تنها دو کاربرد رایج فوتودیود را مورد بحث قرار خواهیم داد.
مدار هشدار با استفاده از فتودیود
اگر یک منبع نور را به گونه ای تنظیم کنیم که نور همیشه روی یک فتودیود بیفتد، تا زمانی که نور به فتودیود برخورد کند، جریان معکوس از طریق دیود عبور خواهد کرد، زیرا دیود پیش از این در شرایط بایاس معکوس در مدار زنگ هشدار وصل شده است. اگر انسدادی در منبع نور ایجاد شود، جریان معکوس در فتودیود به سطح جریان تاریک می رسد. مدار طوری طراحی شده است که وقتی جریان معکوس پایین می آید، زنگ هشدار به صدا در می آید. می نوان از این طراحی برای درب ورودی استفاده کنیم تا ورود افراد کنترل شود. در این آرایش، پرتو نور از یک طرف به طرف دیگر از درگاه عبور می کند. ما فتودیود را در طرف مقابل منبع نور قرار می دهیم. وقتی هر شخصی از در وارد می شود، پرتو نور قطع می شود و زنگ هشدار به صدا در می آید.
مدار شمارنده با استفاده از فتودیود
هنگامی که تعدادی از کالاها از یک تسمه نقاله عبور می کنند، می توان آن ها را به راحتی با استفاده از فتودیود شمارش کرد. در اینجا یک منبع نور را در یک طرف تسمه نقاله و یک فتودیود را در طرف مقابل تسمه وصل می کنیم. منبع نور و فتودیود به گونه ای تعبیه شده اند که نور مستقیماً به فتودیود می رسد. همانطور که نور بر روی فتودیود می افتد، جریان بازیابی معکوس در مدار ایجاد خواهد شد. فتودیود را به یک مدار شمارنده وصل می کنیم. پرتو نور قطع می شود، شمارنده یک شماره افزایش می یابد. هنگامی که یک کالا از پرتو نور عبور می کند، پرتو نور را قطع می کند و شمارنده آیتم را می شمارد.
