فتودیود – از صفر تا صد

فتودیود (Photodiode)، یک دیود پیوند PN است که انرژی الکتریکی را به منظور تولید جریان الکتریکی مصرف می‌کند. این دیود با نام‌های آشکارساز نوری (Light detector) یا سنسور نوری (Photo-Sensor) نیز شناخته می‌شود. در این مطلب قصد داریم به معرفی فتودیود و ساختار و اصول کاری آن بپردازیم.

این دیودها به صورت اختصاصی برای کار در بایاس معکوس ساخته می‌شوند. به این معنی که قسمت اتصال P دیود به ترمینال منفی و اتصال N آن به پایه مثبت منبع تغذیه یا باتری متصل می‌شود. فتودیود نسبت به نور بسیار حساس است و زمانی که نور به سطح آن بتابد، فورا آن را به جریان الکتریکی تبدیل می‌کند. سلول‌های خورشیدی نیز نوعی فتودیود با مساحت بزرگ‌تر هستند که انرژی خورشیدی را به انرژی الکتریکی تبدیل می‌کنند.

فتودیود چیست؟

فتودیود نوعی از ادوات آشکارساز نور است که برای تبدیل نور به جریان یا ولتاژ  الکتریکی (بسته به مد عملکرد) مورد استفاده قرار می‌گیرد. این نوع دیود از فیلترهای نوری (Optical Filter)، لنزهای داخلی و نواحی سطحی تشکیل شده است. در این دیود زمانی که سطح بیرونی افزایش یابد، زمان پاسخ‌دهی کندتر می‌شود. فتودیودها مانند دیودهای نیمه‌رسانای معمولی هستند، اما این نوع دیود باید در معرض دید باشد تا نور به قسمت مشخصی از آن وارد شود.

برخی از دیودهایی که به منظور استفاده به عنوان فتودیود تولید می‌شوند، از پیوند PIN به جای پیوند معمول PN استفاده می‌کنند. بعضی از فتودیودها ظاهری شبیه به دیودهای LED (Light Emitting Diode) دارند. این دیودها دارای دو ترمینال در انتهای خود هستند که پایه کوتاه‌تر، ترمینال کاتد و پایه بلندتر، ترمینال آند را مشخص می‌کند. تصویر زیر نمایی از پایه‌های فتودیود نوع PIN را نشان می‌دهد.

در شرایط بایاس مستقیم، جریان به صورت عادی و از آند به کاتد جاری می‌شود. نماد فتودیود که در تصویر زیر ترسیم شده است، نشان‌دهنده جهت جریان در این مد است. اما جهت جریان نوری، در جهت مخالف است.

انواع فتودیود

اگرچه انواع مختلفی از فتودیودها وجود دارد، اما همه آن‌ها تحت اصول کاری یکسانی کار می‌کنند و تنها عملکرد بعضی از آن‌ها توسط عوامل دیگری بهبود یافته است. با وجود این‌‌که بعضی از فتودیودها ظاهرا به طریق متفاوتی کار می‌کنند، اما عملکرد اصلی در آن‌ها ثابت باقی مانده است. دیودها بر اساس عملکرد و ساختار به انواع زیر طبقه‌بندی می‌شوند.

• فتودیود PN
• فتودیود شاتکی (Schottky)
• فتودیود PIN
• فتودیودهای بهمنی (Avalanche)

این دیودها در مواردی که تشخیص نور، رنگ، موقعیت و شدت مورد نیاز باشند، دارای کاربردهای بسیار متنوعی هستند. مهم‌ترین ویژگی این دیودها عبارتند از:

• دارای منحنی مشخصه خطی خوبی نسبت به نور دریافتی هستند.
• دارای نویز بسیار پایین هستند.
• پاسخ با طیف گستره دارند.
• به لحاظ مکانیکی محکم و مقاوم هستند.
• وزن آن‌ها سبک است و ساختاری فشرده دارند.
• طول عمر طولانی دارند.

مواد به کار رفته در ساخت فتودیودها و گستره طول موج طیف الکترومغناطیسی آن‌ها به صورت زیر هستند.

• در فتودیودهای سیلیکونی، گستره طول موج طیف الکترومغناطیسی از 190 تا 1100 نانو متر است.
• در فتودیودهای ژرمانیومی، گستره طول موج طیف الکترومغناطیسی در بازه 400 تا 1700 نانو متر است.
• در فتودیودهای از جنس گالیم آرسنید ایندیم، گستره طول موج طیف الکترومغناطیسی در بازه 800 تا 2600 نانو متر است.
• در فتودیودهای از جنس جیوه و کادمیوم تلوید، گستره طول موج طیف الکترومغناطیسی در بازه 400 تا 14000 نانو متر است.

به دلیل شکاف باند (band gap) بهتر، فتودیودهای مبتنی بر سیلیکون نسبت به فتودیودهای مبتنی بر ژرمانیم نویز کمتری تولید می‌کنند.

اصول کاری فتودیود

اصول کاری یک فتودیود به این صورت است که اگر فتونی با انرژی کافی به سطح فتودیود برخورد کند، منجر به ایجاد یک زوج حفره الکترونی (Electron-Hole) می‌شود که این مکانیزم اثر فتوالکتریک داخلی نام دارد. اگر جذب از پیوند ناحیه تخلیه (Depletion Region Junction) شروع شود، حامل‌ها توسط میدان الکتریکی داخلی ناحیه تخلیه از پیوند حذف می‌شوند. بنابراین حفره‌ها در آن ناحیه به سمت آند و الکترون‌ها به سمت کاتد حرکت می‌کنند و باعث تولید جریان نوری (Photocurrent) می‌شوند. جریان کلی در دیود برابر با مجموع جریان نوری و جریان تاریکی یا Dark Current (جریانی که در عدم حضور نور از دیود می‌گذرد) است. بدیهی است که برای افزایش حساسیت فتودیود، جریان تاریکی باید کاهش یابد. در شکل زیر نمایی از اصول کاری یک فتودیود نشان داده شده است.

مدهای کاری

مدهای کاری در یک فتودیود به سه دسته فتوولتائیک (Photovoltaic)، هادی نور (Photoconductive) و مد دیود بهمنی (Avalanche Diode Mode) تقسیم‌بندی می‌شود.

فیلم آموزش فیزیک الکترونیک و دیود در مبانی مهندسی برق ۱ (رایگان) در فرادرس

کلیک کنید

مد فتوولتائیک

این مد با عنوان مد بایاس صفر نیز شناخته می‌شود. زمانی که دیود در مد فتوولتائیک مورد استفاده قرار گیرد، جریان نوری از آند و از طریق اتصال کوتاه به کاتد جریان می‌یابد. اگر مدار باز باشد و یا بار امپدانسی داشته باشد، با محدود کردن جریان نوری به خارج از دیود، یک ولتاژ در جهت بایاس مستقیم دیود ساخته می‌شود؛ زیرا آند از کاتد مثبت‌تر است. اگر مدار باز باشد و یا امپدانس بسیار بالا باشد، این جریان مستقیم تمام یا قسمتی از جریان نوری را مصرف (خنثی) می‌کند. دیود در این مد در واقع از اثر فتوولتائیک (Photovoltaic Effect) که پایه و اساس سلول‌های خورشیدی است، استفاده می‌کند. برای داشتن توان خروجی بهینه، سلول فتوولتائیک در ولتاژی عمل خواهد کرد که جریان مستقیم بسیار کوچکی را در قیاس با جریان نوری ایجاد کند.

مد هادی نور

در این مد دیود در بایاس معکوس قرار دارد و باعث می‌شود زمان پاسخ کوتاه‌تر شود؛ زیرا بایاس معکوس اضافی عرض لایه تخلیه را افزایش می‌دهد که به نوبه خود موجب کاهش ظرفیت خازنی پیوند شده و ناحیه با میدان الکتریکی که سبب جمع‌آوری سریع‌تر الکترون‌ها می شود را افزایش می‌دهد. همچنین بایاس معکوس سبب کاهش جریان تاریکی می‌شود، بدون این‌که تغییر زیادی در جریان نوری به وجود بیاورد.

اگرچه دیود در مد هادی نور بسیار سریع‌تر است، اما دیود در این مد به سبب پدیده بهمنی و جریان تاریک، نویز بیشتری را تولید می‌کند. جریان نشتی در دیود نوع PIN بسیار پایین و در حدود 1 نانو آمپر است و به همین دلیل نویز جانسون-نایکوئیست (Johnson–Nyquist Noise) بار مقاومتی در مدارات معمولی همیشه غالب است.

مد بهمنی

فتودیودهای بهمنی، فتودیودهایی هستند که دارای ساختار بهینه برای کار در بایاس معکوس شدید و نزدیک به ولتاژ شکست معکوس هستند. این ویژگی، به حامل‌های تولید شده توسط نور اجازه می‌دهد که توسط شکست بهمنی چند برابر شوند. در نتیجه بهره داخلی در فتودیود به وجود می‌آید و پاسخ موثر آن افزایش می‌یابد.

مشخصه‌های فتودیود

پارامترهای عملکرد بحرانی در یک فتودیود به صورت زیر هستند.

پاسخ‌دهی

پاسخ‌دهی طیفی (Spectral Responsivity) برابر با نسبت جریان نوری تولیدی به توان نور دریافتی هنگام استفاده در مد هادی نور است که بر حسب آمپر بر وات بیان می‌شود. وابستگی طول موج همچنین بر اساس راندمان کوانتومی (Quantum Efficiency) یا نسبت تعداد حامل‌های تولید شده توسط نور به فتون‌های دریافت شده، به عنوان یک کمیت بدون واحد بیان می‌شود.

جریان تاریک

جریان تاریک، جریانی در فتودیود است که در عدم حضور نور و هنگام کار در مد هادی نور تولید می‌شود. جریان تاریک شامل جریان نوری تولید شده به وسیله تشعشعات پس‌زمینه و جریان اشباع دیود نیمه‌رسانا است. اگر فتودیود برای ساخت اندازه‌گیر دقیق توان نوری مورد استفاده قرار می‌گیرد، جریان تاریک باید بعد از کالیبراسیون محاسبه شود. باید به این امر توجه کرد که زمانی که یک فتودیود در سیستم مخابرات نوری مورد استفاده قرار می‌گیرد، منبع نویز  بزرگی محسوب می‌شود.

زمان پاسخ‌دهی

جذب فوتون مواد نیمه‌رسانا موجب ایجاد یک زوج حفره الکترونی می‌شود که تحت تاثیر میدان الکتریکی شروع به حرکت در ماده می‌کند و سبب ایجاد جریان می‌شود. زمان محدود این جریان با عنوان انتشار زمان گذار (Transit-Time Spread) شناخته می‌شود و با استفاده از قضیه شاکلی-رامو (Shockley–Ramo Theorem) محاسبه می‌شود. در نگاه اول، چنین انتظار می‌رود که با حضور دو حامل، کل بار تولیدی مدار خارجی برابر با ۲e باشد، اما با استفاده از این قضیه می‌توان نشان داد که اندازه این بار e است. مقاومت و ظرفیت خازنی فتودیود و مدار خارجی منجر به پاسخ زمانی دیگری می‌شود که با نام ثابت زمانی مدار RC شناخته می‌شود و برابر با $$\tau =RC$$ است. این ترکیب خازن و مقاومت با پاسخ نوری (Photoresponse) در طول زمان ادغام شده و باعث طولانی شدن پاسخ ضربه فتودیود می‌شود. زمانی که از فتودیود در مخابرات نوری استفاده شود، زمان پاسخ‌دهی می‌تواند پهنای باند موجود برای مدولاسیون سیگنال و انتقال داده را تعیین کند.

توان معادل نویز

توان معادل نویز (Noise-equivalent power) حداقل توان نوری ورودی برای تولید جریان نوری، معادل با جریان نویز rms در پهنای باند یک هرتز است. در واقع این توان برابر با حداقل توانی است که قابل آشکارسازی باشد.

منحنی مشخصه جریان-ولتاژ

یک فتودیود معمولا در مد بایاس معکوس عمل می‌کند. منحنی مشخصه جریان-ولتاژ فتودیود در شکل زیر نشان داده شده است. بر اساس این نمودار، جریان نوری تقریبا مستقل از ولتاژ بایاس معکوس اعمالی است. برای روشنایی صفر لوکس، جریان نوری جز برای جریان تاریک کوچک تقریبا برابر با صفر است. این مقدار تقریبا در مرتبه نانو آمپر است. هرچه توان نوری بالاتر رود، جریان نوری نیز به صورت خطی بالا می‌رود.

اثرات نامطلوب در فتودیود

هر پیوند P-N اگر در معرض تابش نوری قرار گیرد، به صورت بالقوه یک فتودیود است. ادوات نیمه‌رسانا مانند دیودها، ترانزیستورها و آی‌سی‌های شامل پیوند P-N اگر در معرض تشعشعات الکترومغناطیسی ناخواسته با طول موج کافی برای تولید جریان نوری قرار گیرند، دارای عملکرد مناسب نخواهند بود. به همین دلیل و برای جلوگیری از برخورد این امواج، تمام این ادوات در محفظه‌های مات، تولید می‌شوند. اگر این محفظه در برابر تشعشعات پرانرژی مانند اشعه X، فرابنفش یا اشعه گاما به صورت کامل ایزوله نشده باشند، به دلیل جریان نوری القا شده ادوات فوق دچار اختلال در عملکرد خواهند شد. تشعشعات پس‌زمینه از بسته‌بندی نیز قابل توجه هستند و باید از روش‌هایی مانند Radiation Hardening استفاده شود. البته به این نکته باید توجه شود که در بعضی موارد این پدیده مطلوب است. به عنوان مثال در LEDها به عنوان ادوات حساس به نور و یا در مزارع انرژی و در دیودهای نور افکن یا جاذب نور مورد استفاده قرار می‌گیرند.

کاربردهای فتودیود

فتودیودهای پیوند P-N دارای کاربردهای مشابه با سایر آشکارسازهای نوری مانند رساناهای نوری، ادوات تزویج‌ شده شارژ و تکثیر‌کن‌های فوتونی (Photomultiplier) هستند. این ادوات ممکن است برای تولید خروجی وابسته به روشنایی و یا تغییر در شرایط مدار (کنترل و کلیدزنی و یا پردازش سیگنال) مورد استفاده قرار گیرند.

همچنین فتودیودها در وسایل خانگی مانند پخش‌کننده CD، تشخیص دود و لوازم پزشکی کاربرد دارند. یکی از کاربردهای مهم فتودیودها، در گیرنده مادون قرمز موجود در کنترل از راه دور وسایلی مانند تلویزیون و کولر است. در بسیاری دیگر از کاربردها نیز ممکن است از فتودیود یا فتوکانداکتور استفاده شود. هر کدام از انواع سنسورهای نوری ممکن است در اندازه‌گیری نور (در دوربین‌ها) و یا پاسخ به تغییر سطح نور (روشنایی اتوماتیک خیابان‌ها) به کار روند.

فتودیودها معمولا با یک عنصر دیگر که از خود نور ساطع می‌کند، ترکیب می‌شوند و برای تشخیص وجود یک مانع مکانیکی (کلید نوری) و یا تزویج دو مدار آنالوگ و یا دیجیتال (اپتوکوپلر) به کار می‌روند، مخصوصا زمانی که یک ایزولاسیون الکتریکی بسیار قوی برای امنیت بالا در آن‌ها وجود داشته باشد. همچنین ترکیب فتودیود و LED در بسیاری از سیستم‌های سنسوری برای ایجاد مشخصه‌های متنوع بر اساس جذب نوری دیده می‌شود.

فتودیودها معمولا در علوم و نیز در صنعت به منظور اندازه‌گیری شدت نور مورد استفاده قرار می‌گیرند؛ زیرا دارای پاسخ خطی‌تری نسبت به فتوکانداکتیوها هستند. همچنین فتودیودها در ابزارهای پزشکی مانند سی‌تی‌ اسکن (Computed Tomograph) و ابزارهای آنالیز نمونه و نیز ضربان‌سنج‌ها (Pulse Oximeters) یافت می‌شوند.

فتودیودهای PIN نسبت به فتودیودهای PN بسیار سریع‌تر و حساس‌تر هستند و به همین دلیل معمولا در مخابرات نوری کاربرد عمده دارند. اگر شدت روشنایی نور بسیار پایین باشد، معمولا از فتودیودهای پیوند P-N استفاده نمی‌شود. در این مواقع که حساسیت بالا مورد نیاز است، فتودیودهای بهمنی، ادوات تزویج‌شده شارژ و تکثیر‌کن‌های فوتونی مورد استفاده قرار می‌گیرند. نمونه‌ای از این کاربردها در نجوم، تجهیزات دید در شب، طیف‌سنجی (Spectroscopy) و یافتن بر لیزر ( Laser Rangefinding) است.

اگر علاقه‌مند به یادگیری مباحث مشابه مطلب بالا هستید، آموزش‌هایی که در ادامه آمده‌اند نیز به شما پیشنهاد می‌شوند:

• مجموعه آموزش‌ مهندسی الکترونیک
• آموزش الکترونیک 1
• مجموعه آموزش‌های نرم‌افزارهای مهندسی برق و الکترونیک
• آموزش مبانی ​الکترونیک – مفاهیم تئوریک به همراه شبیه سازی عملی و کاربردی
• دیود شاتکی — به زبان ساده
• دیود تونل — از صفر تا صد
• دیود زنر — به زبان ساده

^^