قطعات پیوندی نوری (فتودیود)

قطعات پیوندی نوری(فتودیود):
ساختار یک سنسور نور فتودیودی مشابه یک دیود پیوند PN عادی است، با این تفاوت که پوشش فتودیودها شفاف است یا یک لنز شفاف دارد تا نور را بر پیوند PN متمرکز کند و حساسیت آن را افزایش دهد.

این پیوند به نور، به ویژه نورهایی با طول موج بلندتر مانند فروسرخ، نسبت به نور مرئی پاسخ بهتری می دهد.

این مشخصه می تواند منجر به ایجاد مشکلاتی در دیودهایی با بدنه شیشه ای و شفاف مانند دیود سیگنال
1N4148 شود. ال ای دی ها را نیز می توان به عنوان فتودیود مورد استفاده قرار داد، زیرا پیوند آن ها هم می تواند نور را منتشر و هم آشکار کند.

همه پیوندهای PN حساس به نور هستند و می توان از آن ها به عنوان یک فتودیود پیوند PN با مد ولتاژ بایاس نشده استفاده کرد.

مشخصه ولتاژ-جریان یک فتودیود بدون تابش نور روی پیوندش (حالت تاریک) بسیار شبیه یک سیگنال عادی یا دیود یکسوساز است.

وقتی فتودیود بایاس مستقیم شود، مشابه یک دیود عادی، یک افزایش نمایی در جریان رخ خواهد داد. هنگامی که یک بایاس معکوس اعمال شود، یک جریان اشباع معکوس ظاهر خواهد شد و سبب افزایش ناحیه تهی می شود که بخش حساس پیوند است.

فتودیودها را همچنین می توان با استفاده از ولتاژ بایاس ثابت در دو سر پیوند در مد جریان متصل کرد. مد جریان، در یک محدوده گسترده، بسیار خطی است.

شکل زیر ساختار فتودیود و مشخصه های آن را نشان می دهد.

وقتی از یک فتودیود به عنوان سنسور نور استفاده می کنیم، جریان تاریکی (صفر لوکس) برای دیودهای ژرمانیوم تقریباً 10 میلی آمپر و برای دیودهای سیلیکون تقریباً 1 میلی آمپر است.

هنگامی که نور به پیوند بتابد، زوج حفره/الکترون های بیشتری تشکیل شده و جریان نشتی افزایش می یابد. این جریان نشتی با افزایش شدت نور بیشتر می شود.

بنابراین، جریان فتودیودها تناسب مستقیمی با شدت نور تابیده شده به پیوند PN دارد. یکی از مزیت های اصلی فتودیودهایی که به عنوان سنسور نور مورد استفاده قرار می گیرند، پاسخ سریع آن ها به تغییرات سطح نور است.

اما یکی از معایب این نوع قطعات نوری جریان نسبتاً کم آن ها است.

شکل زیر مدار یک مبدل نور-جریان به ولتاژ را با استفاده از یک تقویت کننده عملیاتی به عنوان عنصر تقویت کننده نشان می دهد. ولتاژ خروجی (VOUT) به صورت VOUT=IP×Rf محاسبه می شود که متناسب با مشخصه شدت نور فتودیود است.

این نوع مدار همچنین از مشخصه های یک تقویت کننده عملیاتی با دو ترمینال ورودی در ولتاژ تقریباً صفر برای عملکرد فتودیود بدون بایاس بهره می برد.

پیکربندی تقویت کننده بایاس صفر، امپدانس بالایی به فتودیود می دهد و در نتیجه، تأثیر کمتری از جریان تاریکی می پذیرد و یک محدوده خطی گسترده تر جریان نوری نسبت به شدت نور تابشی وجود خواهد داشت.

خازن Cf برای جلوگیری از نوسان یا پیک بهره و برای تنظیم پهنای باند خروجی استفاده می شود (1/2πRC).

شکل زیر مدار یک تقویت کننده فتودیودی را نشان می دهد.

فتودیودها سنسورهای نوری بسیار متنوعی هستند که می توان جریان آن ها را در نانوثانیه قطع و وصل کرد. از این قطعات در دوربین ها، مترهای نوری، سی دی ها، دی وی دی ها، دستگاه های کنترل تلویزیون، اسکنرها، دستگاه های نمابر و کپی استفاده می شود.

وقتی این قطعات با مدارهای تقویت کننده عملیاتی ترکیب شوند، در کاربردهایی از قبیل آشکارسازهای طیف فروسرخ برای مخابرات فیبر نوری، مدارهای ردیابی و سیستم های فیلمبرداری متعدد، سیستم های اسکن و موقعیت یابی با لیزر و… به کار می روند.