โฟโตไดโอดคืออะไร? (ส่วนที่ 1)

โฟโต้ไดโอดเป็นอุปกรณ์เซมิคอนดักเตอร์ที่แปลงแสงเป็นกระแส และระหว่างชั้น p (บวก) และ n (ลบ) จะมีชั้นภายในอยู่ โฟโตไดโอดรับพลังงานแสงเป็นอินพุตเพื่อผลิตกระแสไฟฟ้า โฟโตไดโอดเรียกอีกอย่างว่าตัวตรวจจับโฟโตอิเล็กทริกเซนเซอร์หรือตัวตรวจจับแสง

โฟโตไดโอดทำงานภายใต้สภาวะไบอัสย้อนกลับ กล่าวคือ ด้าน P ของโฟโตไดโอดเชื่อมต่อกับขั้วลบของแบตเตอรี่ (หรือแหล่งจ่ายไฟ) และด้าน N เชื่อมต่อกับขั้วบวกของแบตเตอรี่ วัสดุโฟโตไดโอดทั่วไป ได้แก่ ซิลิกอน เจอร์เมเนียม อินเดียมแกลเลียมอาร์เซไนด์ฟอสไฟด์ และอินเดียมแกลเลียมอาร์เซไนด์

ภายในโฟโตไดโอดมีตัวกรองแสง เลนส์ในตัว และพื้นที่ผิว เมื่อพื้นที่ผิวของโฟโตไดโอดเพิ่มขึ้น เวลาตอบสนองจะลดลง โฟโตไดโอดน้อยมากที่มีลักษณะเหมือนไดโอดเปล่งแสง (LED) มันมีสองขั้วตามที่แสดงด้านล่าง ขั้วที่เล็กกว่าทำหน้าที่เป็นแคโทดและขั้วที่ยาวกว่าทำหน้าที่เป็นขั้วบวก

สัญลักษณ์ของโฟโตไดโอดจะคล้ายกับสัญลักษณ์ของ LED แต่ลูกศรจะชี้ด้านในแทนด้านนอกใน LED ภาพด้านล่างแสดงสัญลักษณ์ของโฟโตไดโอด

1. หลักการของโฟโตไดโอด

โฟโตไดโอดทำงานโดยสร้างรูอิเล็กตรอนคู่หนึ่งเมื่อโฟตอนที่มีพลังมากระทบไดโอด กลไกนี้เรียกอีกอย่างว่าเอฟเฟกต์ตาแมวภายใน ถ้าการดูดกลืนเกิดขึ้นในบริเวณรอยต่อของพร่อง พาหะจะถูกกำจัดออกจากทางแยกโดยสนามไฟฟ้าภายในบริเวณพร่อง

โดยปกติแล้ว เมื่อแสงส่องไปที่จุดเชื่อมต่อ PN พันธะโควาเลนต์จะแตกตัวเป็นไอออน สิ่งนี้จะสร้างหลุมและคู่อิเล็กตรอน โฟโตเคอร์เรนต์เกิดขึ้นจากการสร้างคู่อิเล็กตรอน-โฮล เมื่อโฟตอนที่มีพลังงานมากกว่า 1.1eV ชนไดโอด จะเกิดคู่อิเล็กตรอน-โฮล เมื่อโฟตอนเข้าสู่บริเวณพร่องของไดโอด มันจะชนอะตอมด้วยพลังงานสูง ส่งผลให้มีการปลดปล่อยอิเล็กตรอนออกจากโครงสร้างอะตอม เมื่อปล่อยอิเล็กตรอน อิเล็กตรอนอิสระและโฮลจะถูกสร้างขึ้น

โดยทั่วไป อิเล็กตรอนมีประจุเป็นลบและโฮลมีประจุเป็นบวก พลังงานที่หมดไปจะมีสนามไฟฟ้าในตัว เนื่องจากสนามไฟฟ้านี้ คู่อิเล็กตรอน-โฮลจึงอยู่ห่างจากจุดเชื่อมต่อ PN ดังนั้น รูจะเคลื่อนเข้าหาขั้วบวกและอิเล็กตรอนจะเคลื่อนเข้าหาขั้วลบเพื่อสร้างกระแสแสง

ความเข้มของการดูดกลืนโฟตอนและพลังงานโฟตอนเป็นสัดส่วนซึ่งกันและกัน ยิ่งภาพถ่ายมีพลังงานน้อยเท่าใดก็ยิ่งดูดซับได้มากเท่านั้น กระบวนการทั้งหมดนี้เรียกว่าเอฟเฟกต์ตาแมวภายใน

การกระตุ้นภายในและการกระตุ้นภายนอกเป็นสองวิธีในการกระตุ้นโฟตอน กระบวนการกระตุ้นภายในเกิดขึ้นเมื่ออิเล็กตรอนในแถบเวเลนซ์ถูกกระตุ้นโดยโฟตอนไปยังแถบการนำไฟฟ้า

2. วงจรการทำงานของโฟโตไดโอด

โฟโต้ไดโอดส่วนใหญ่ทำงานในสามโหมดที่แตกต่างกัน ซึ่งได้แก่:

(1) โหมดเซลล์แสงอาทิตย์

(2) โหมดโฟโตคอนดักทีฟ

(3) โหมดไดโอดหิมะถล่ม

(1) โหมดเซลล์แสงอาทิตย์

โหมดนี้เรียกว่าโหมดอคติเป็นศูนย์ โหมดนี้เป็นที่นิยมเมื่อโฟโตไดโอดทำงานในแอพพลิเคชั่นความถี่ต่ำและแอพพลิเคชั่นแสงระดับพลังงานสูง เมื่อแฟลชกระทบโฟโตไดโอด มันจะสร้างแรงดันไฟฟ้า แรงดันไฟฟ้าที่ได้จะมีช่วงไดนามิกที่เล็กมากและจะมีลักษณะที่ไม่เชิงเส้น เมื่อกำหนดค่าโฟโตไดโอดด้วย OP-AMP ในโหมดนี้ การเปลี่ยนแปลงของอุณหภูมิจะน้อยมาก

(2) โหมดโฟโตคอนดักทีฟ

ในโหมดนี้ โฟโตไดโอดจะทำงานภายใต้สภาวะไบอัสย้อนกลับ แคโทดเป็นบวกและแอโนดเป็นลบ เมื่อแรงดันย้อนกลับเพิ่มขึ้น ความกว้างของชั้นพร่องก็จะเพิ่มขึ้นเช่นกัน เป็นผลให้เวลาตอบสนองและความจุของจุดเชื่อมต่อจะลดลง ในทางตรงกันข้าม โหมดการทำงานนี้รวดเร็วและสร้างสัญญาณรบกวนทางอิเล็กทรอนิกส์

(3) โหมดไดโอดหิมะถล่ม

ไดโอดหิมะถล่มทำงานภายใต้สภาวะไบแอสย้อนกลับสูง ซึ่งทำให้การแตกตัวของหิมะถล่มเพิ่มจำนวนขึ้นในคู่อิเล็กตรอน-โฮลแต่ละคู่ที่เกิดจากกระแสไฟฟ้าภาพถ่าย ผลลัพธ์คืออัตราขยายภายในของโฟโตไดโอด ซึ่งจะเพิ่มการตอบสนองของอุปกรณ์อย่างช้าๆ

(4) วงจรโฟโตไดโอด

แผนภาพวงจรของโฟโตไดโอดแสดงไว้ด้านล่าง สามารถสร้างวงจรได้ด้วยตัวต้านทาน 10k และโฟโตไดโอด เมื่อโฟโตไดโอดสังเกตเห็นแสง ก็จะยอมให้กระแสบางส่วนผ่านเข้าไปได้ ผลรวมของกระแสที่จ่ายผ่านไดโอดสามารถแปรผันตรงกับผลรวมของแสงที่สังเกตผ่านไดโอดได้

3. ต่อโฟโตไดโอดเข้ากับวงจรภายนอก

โฟโตไดโอดทำงานในวงจรรีเวิร์สไบอัส ขั้วบวกเชื่อมต่อกับกราวด์ของวงจรและแคโทดเชื่อมต่อกับแรงดันไฟบวกของวงจร เมื่อส่องสว่างด้วยแสง กระแสไฟฟ้าจะไหลจากแคโทดไปยังแอโนด

เมื่อใช้โฟโตไดโอดกับวงจรภายนอก โฟโตไดโอดจะเชื่อมต่อกับแหล่งจ่ายไฟในวงจร กระแสที่เกิดจากโฟโตไดโอดจะน้อยมาก ค่าปัจจุบันนี้ไม่เพียงพอในการขับเคลื่อนอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์ ดังนั้นเมื่อเชื่อมต่อกับแหล่งจ่ายไฟภายนอก วงจรจะให้กระแสมากขึ้น ดังนั้นแบตเตอรี่จึงถูกใช้เป็นแหล่งพลังงาน แหล่งแบตเตอรี่ช่วยเพิ่มค่าปัจจุบัน มีส่วนทำให้อุปกรณ์ภายนอกมีประสิทธิภาพดีขึ้น

4. กระบวนการผลิตโฟโตไดโอด

วัสดุโฟโตไดโอด

วัสดุของโฟโตไดโอดเป็นตัวกำหนดคุณลักษณะหลายประการ คุณลักษณะสำคัญคือคลื่นของแสงที่โฟโตไดโอดตอบสนอง และอีกประการหนึ่งคือระดับสัญญาณรบกวน ซึ่งทั้งสองอย่างนี้ขึ้นอยู่กับวัสดุที่ใช้ในโฟโตไดโอดเป็นส่วนใหญ่

การตอบสนองต่อความยาวคลื่นที่แตกต่างกันเกิดขึ้นเนื่องจากการใช้วัสดุที่แตกต่างกัน เพราะโฟตอนที่มีพลังงานเพียงพอในการกระตุ้นอิเล็กตรอนในช่องว่างแถบของวัสดุเท่านั้นที่ผลิตพลังงานจำนวนมากเพื่อสร้างกระแสจากโฟโตไดโอด

แม้ว่าความไวต่อความยาวคลื่นของวัสดุจะมีความสำคัญมาก แต่พารามิเตอร์อีกตัวที่สามารถมีผลกระทบอย่างมากต่อประสิทธิภาพของโฟโตไดโอดก็คือระดับสัญญาณรบกวนที่เกิดขึ้น

เนื่องจากช่องว่างแถบความถี่ที่ใหญ่กว่า โฟโตไดโอดซิลิคอนจึงสร้างสัญญาณรบกวนน้อยกว่าโฟโตไดโอดเจอร์เมเนียม อย่างไรก็ตาม ยังมีความจำเป็นต้องพิจารณาความยาวคลื่นของโฟโตไดโอดที่ต้องการ และโฟโตไดโอดของเจอร์เมเนียมจะต้องใช้สำหรับความยาวคลื่นที่ยาวกว่าประมาณ 1,000 นาโนเมตร

ไปที่ส่วนที่ 2 เพื่อเรียนรู้เพิ่มเติม

ข้อมูลติดต่อ:

หากคุณมีความคิดใด ๆ โปรดอย่าลังเลที่จะพูดคุยกับเรา ไม่ว่าลูกค้าของเราจะอยู่ที่ไหนและความต้องการของเราคืออะไร เราจะทำตามเป้าหมายของเราเพื่อให้ลูกค้าของเราได้รับสินค้าคุณภาพสูง ราคาต่ำ และบริการที่ดีที่สุด