Điốt quang là gì: Nguyên lý làm việc và đặc điểm của nó

Điốt quang là một Điốt tiếp giáp PN tiêu thụ năng lượng ánh sáng để tạo ra dòng điện. Đôi khi nó còn được gọi là máy dò ảnh, máy dò ánh sáng và cảm biến ảnh. Các điốt này được thiết kế đặc biệt để hoạt động trong điều kiện phân cực ngược, có nghĩa là mặt P của điốt quang được kết nối với cực âm của pin và phía n được kết nối với cực dương của pin. Diode này rất phức tạp với ánh sáng nên khi ánh sáng chiếu vào diode nó dễ dàng biến đổi ánh sáng thành dòng điện. Pin mặt trời cũng được coi là một diode quang diện tích lớn vì nó chuyển đổi năng lượng mặt trời thành năng lượng điện . Mặc dù vậy, pin mặt trời chỉ hoạt động trong điều kiện ánh sáng chói.

Điốt quang là gì?

Điốt quang là một loại máy dò ánh sáng, được sử dụng để chuyển đổi ánh sáng thành dòng điện hoặc điện áp dựa trên chế độ hoạt động của thiết bị. Nó bao gồm bộ lọc quang học, thấu kính tích hợp và cả diện tích bề mặt. Các điốt này có thời gian phản hồi chậm khi diện tích bề mặt của điốt quang tăng lên. Điốt quang cũng giống như điốt bán dẫn thông thường, nhưng chúng có thể nhìn thấy được để ánh sáng chiếu tới phần mỏng manh của thiết bị. Một số điốt dành cho sử dụng chính xác như một diode quang cũng sẽ sử dụng đường giao nhau PIN một chút so với đường giao nhau PN thông thường.

Một số điốt quang sẽ giống như một điốt phát sáng . Họ có hai thiết bị đầu cuối đến từ cuối. Đầu nhỏ hơn của diode là cực âm, trong khi đầu dài hơn của diode là cực dương. Xem sơ đồ sau cho các phía cực dương và cực âm. Trong điều kiện phân cực thuận, dòng điện thông thường sẽ chạy từ cực dương sang cực âm, theo mũi tên trong ký hiệu điốt. Dòng quang chạy theo hướng ngược lại.

Các loại điốt quang

Mặc dù có rất nhiều loại photodiode có sẵn trên thị trường và tất cả chúng đều hoạt động trên các nguyên tắc cơ bản giống nhau, mặc dù một số loại được cải tiến bởi các hiệu ứng khác. Hoạt động của các loại điốt quang hoạt động theo một cách hơi khác nhau, nhưng hoạt động cơ bản của các điốt này vẫn giống nhau. Các loại điốt quang có thể được phân loại dựa trên cấu tạo và chức năng của chúng như sau.

• Điốt quang PN
• Diode ảnh Schottky
• Điốt quang mã PIN
• Điốt quang Avalanche

Điốt quang PN

Loại photodiode được phát triển đầu tiên là loại PN. So với các loại khác, hiệu suất của nó không cao, nhưng hiện tại, nó được sử dụng trong một số ứng dụng. Việc phát hiện quang chủ yếu xảy ra ở vùng cạn kiệt của diode. Diode này khá nhỏ nhưng độ nhạy không lớn so với các diode khác. Vui lòng tham khảo liên kết này để biết thêm về diode PN.

Điốt quang mã PIN

Hiện tại, photodiode được sử dụng phổ biến nhất là loại PIN. Điốt này tập hợp các photon ánh sáng mạnh hơn so với điốt quang PN tiêu chuẩn vì diện tích nội tại rộng giữa vùng P và N cho phép thu thập nhiều ánh sáng hơn và ngoài ra, nó cũng cung cấp điện dung thấp hơn. Vui lòng tham khảo liên kết này để biết thêm về diode PIN.

Điốt quang Avalanche

Loại diode này được sử dụng trong các khu vực ánh sáng yếu do mức khuếch đại cao. Nó tạo ra mức độ tiếng ồn cao. Vì vậy công nghệ này không thích hợp cho tất cả các ứng dụng. Vui lòng tham khảo liên kết này để biết thêm về diode Avalanche.

Điốt quang Schottky

Điốt quang Schottky sử dụng điốt Schottky và nó bao gồm một điểm nối điốt nhỏ có nghĩa là có điện dung tiếp giáp nhỏ nên nó hoạt động ở tốc độ cao. Do đó, loại photodiode này thường được sử dụng trong các hệ thống thông tin quang băng thông cao (BW) như các liên kết sợi quang. Vui lòng tham khảo liên kết này để biết thêm về diode Schottky.

Mỗi loại photodiode đều có những lợi ích và nhược điểm riêng. Việc lựa chọn diode này có thể được thực hiện dựa trên ứng dụng. Các tham số khác nhau được xem xét khi lựa chọn điốt quang chủ yếu bao gồm tiếng ồn, bước sóng, ràng buộc phân cực ngược, độ lợi, v.v.

Các điốt này được sử dụng rộng rãi trong các ứng dụng cần phát hiện sự hiện diện của ánh sáng, màu sắc, vị trí, cường độ. Các tính năng chính của các điốt này bao gồm những điều sau đây.

• Độ tuyến tính của diode tốt đối với ánh sáng tới
• Tiếng ồn thấp.
• Phản ứng là phổ rộng
• Cơ học chắc chắn
• Nhẹ và nhỏ gọn
• Sống thọ

Các vật liệu cần thiết để chế tạo một photodiode và dải bước sóng phổ điện từ bao gồm những thứ sau

• Đối với vật liệu silicon, dải bước sóng quang phổ điện từ sẽ là (190-1100) nm
• Đối với vật liệu Gecmani, dải bước sóng phổ điện từ sẽ là (400-1700) nm
• Đối với vật liệu arsenide Indium gali, dải bước sóng phổ điện từ sẽ là (800-2600) nm
• Đối với vật liệu Chì (II) sunfua, dải bước sóng phổ điện từ sẽ là<1000-3500) nm
• Đối với vật liệu Thủy ngân, cadmium Telluride, dải bước sóng phổ điện từ sẽ là (400-14000) nm

Do băng thông tốt hơn, điốt quang dựa trên Si tạo ra tiếng ồn thấp hơn so với điốt quang dựa trên Ge.

Xây dựng

Cấu tạo điốt quang có thể được thực hiện bằng cách sử dụng hai chất bán dẫn như loại P & loại N. Trong thiết kế này, việc hình thành vật liệu loại P có thể được thực hiện từ sự khuếch tán của chất nền loại P được pha tạp nhẹ. Vì vậy, lớp ion P + có thể được hình thành do phương pháp khuếch tán. Trên chất nền của loại N, lớp biểu mô loại N. có thể được phát triển.

Cấu tạo điốt quang

Sự phát triển của lớp khuếch tán P + có thể được thực hiện trên lớp biểu mô loại N được pha tạp nhiều. Các tiếp điểm được thiết kế bằng kim loại để tạo ra hai cực như cực dương và cực âm. Vùng phía trước của diode có thể được tách thành hai loại như bề mặt hoạt động và không hoạt động.

Việc thiết kế bề mặt không hoạt động có thể được thực hiện bằng silicon dioxide (SiO2). Trên bề mặt hoạt động, tia sáng có thể chiếu qua nó trong khi trên bề mặt không hoạt động, tia sáng không thể chiếu tới. & bề mặt hoạt động có thể được bao phủ thông qua vật liệu chống phản xạ để năng lượng ánh sáng không thể mất đi và cao nhất của nó có thể được thay đổi thành dòng điện.

Hoạt động của Điốt quang

Nguyên tắc hoạt động của điốt quang là, khi một photon có năng lượng dồi dào chạm vào điốt, nó tạo ra một vài lỗ trống điện tử. Cơ chế này còn được gọi là hiệu ứng quang điện bên trong. Nếu sự hấp thụ phát sinh ở phần tiếp giáp của vùng suy giảm, thì các hạt tải điện sẽ bị loại bỏ khỏi phần tiếp giáp bởi điện trường sẵn có của vùng suy giảm.

Nguyên lý làm việc của diode quang

Do đó, các lỗ trống trong vùng di chuyển về phía cực dương, và các điện tử di chuyển về phía cực âm, và một dòng quang sẽ được tạo ra. Toàn bộ dòng điện qua diode là tổng của trường hợp không có ánh sáng và dòng quang. Vì vậy dòng điện vắng mặt phải được giảm để tối đa hóa độ nhạy của thiết bị.

Phương thức hoạt đông

Các chế độ hoạt động của điốt quang bao gồm ba chế độ, đó là chế độ Quang điện, chế độ quang dẫn, chế độ điốt tuyết lở

Chế độ quang điện: Chế độ này còn được gọi là chế độ phân cực không, trong đó điện áp được tạo ra bởi điốt quang được làm sáng. Nó cung cấp một dải động rất nhỏ và sự cần thiết phi tuyến tính của điện áp được hình thành.

Chế độ quang dẫn: Điốt quang được sử dụng trong chế độ quang dẫn này thường được phân cực ngược hơn. Việc áp dụng điện áp ngược sẽ làm tăng chiều rộng của lớp suy giảm, do đó làm giảm thời gian phản hồi và điện dung mối nối. Chế độ này quá nhanh và hiển thị nhiễu điện tử

Chế độ điốt tuyết lở: Điốt tuyết lở hoạt động trong điều kiện phân cực ngược cao, cho phép nhân một sự cố tuyết lở đối với từng cặp lỗ điện tử được tạo ảnh. Kết quả này là độ lợi bên trong điốt quang, làm tăng từ từ phản ứng của thiết bị.

Tại sao điốt quang hoạt động trong phân cực ngược?

Điốt quang hoạt động ở chế độ quang dẫn. Khi diode được kết nối theo phân cực ngược, thì chiều rộng lớp suy giảm có thể được tăng lên. Vì vậy, điều này sẽ làm giảm điện dung của đường giao nhau và thời gian đáp ứng. Trên thực tế, xu hướng này sẽ gây ra thời gian phản hồi nhanh hơn cho diode. Vì vậy mối quan hệ giữa dòng quang và độ rọi là tỷ lệ tuyến tính.

Photodiode hay Phototransistor tốt hơn?

Cả photodiode và phototransistor đều được sử dụng để chuyển đổi năng lượng ánh sáng thành điện năng. Tuy nhiên, phototransistor phản ứng nhanh hơn so với photodiode do việc sử dụng transistor.

Bóng bán dẫn thay đổi dòng điện cơ bản gây ra do sự hấp thụ ánh sáng và do đó dòng điện đầu ra rất lớn có thể đạt được trên toàn bộ cực thu của bóng bán dẫn. Thời gian phản hồi của photodiode rất nhanh so với phototransistor. Vì vậy, nó được áp dụng ở những nơi xảy ra dao động trong mạch. Để hiểu rõ hơn, ở đây chúng tôi đã liệt kê một số điểm của photodiode và photoresistor.

Mạch điốt quang

Sơ đồ mạch của photodiode được hiển thị bên dưới. Mạch này có thể được xây dựng với một điện trở 10k và điốt quang. Khi diode quang nhận thấy ánh sáng, thì nó cho phép một số dòng điện chạy qua nó. Tổng dòng điện cung cấp qua diode này có thể tỷ lệ thuận với tổng ánh sáng nhận thấy qua diode.

Sơ đồ mạch

Kết nối một điốt quang trong một mạch bên ngoài

Trong bất kỳ ứng dụng nào, điốt quang hoạt động ở chế độ phân cực ngược. Đầu cực anốt của mạch có thể được nối với đất trong khi đầu cực âm cực được nối với nguồn điện. Sau khi được chiếu sáng qua ánh sáng, dòng điện chạy từ cực âm sang cực dương.

Khi điốt quang được sử dụng với các mạch bên ngoài, thì chúng được liên kết với một nguồn điện trong mạch. Vì vậy, lượng dòng điện được tạo ra qua một photodiode sẽ cực kỳ nhỏ, vì vậy giá trị này không đủ để tạo ra một thiết bị điện tử.

Khi chúng được kết nối với nguồn điện bên ngoài, thì nó sẽ cung cấp nhiều dòng điện hơn đến mạch. Trong mạch này, pin được sử dụng như một nguồn điện giúp tăng giá trị của dòng điện để các thiết bị bên ngoài có hiệu suất tốt hơn.

Hiệu quả điốt quang

Hiệu suất lượng tử của photodiode có thể được định nghĩa là sự phân chia của các photon được hấp thụ đóng góp cho dòng quang. Đối với các điốt này, nó được liên kết công khai với độ phản hồi ‘S’ mà không có ảnh hưởng của tuyết lở, khi đó dòng quang có thể được biểu thị bằng

I = S P = ηe / hv. P

Ở đâu,

‘Η’ là hiệu suất lượng tử

‘E’ là điện tích của electron

‘Hν’ là năng lượng của photon

Hiệu suất lượng tử của điốt quang là rất cao. Trong một số trường hợp, nó sẽ trên 95% tuy nhiên thay đổi nhiều qua bước sóng. Hiệu suất lượng tử cao đòi hỏi sự kiểm soát phản xạ ngoài hiệu quả bên trong cao như lớp phủ chống phản xạ.

Trách nhiệm

Đáp ứng của một diode quang là tỷ lệ giữa dòng quang được tạo ra cũng như công suất quang hấp thụ có thể được xác định trong phần tuyến tính của phản ứng. Trong điốt quang, nó thường đạt cực đại trong vùng bước sóng ở bất cứ nơi nào năng lượng photon khá cao hơn năng lượng bản đồ và giảm trong vùng bản đồ ở bất cứ nơi nào giảm hấp thụ.

Việc tính toán photodiode có thể được thực hiện dựa trên phương trình sau

R = η (e / hv)

Ở đây, trong phương trình trên, ‘h ν’ là năng lượng của photon ‘η’ là hiệu suất của lượng tử & ‘e’ ​​điện tích cơ bản. Ví dụ, hiệu suất lượng tử của một điốt quang là 90% ở bước sóng 800 nm, thì độ phản hồi sẽ là 0,58 A / W.

Đối với bộ nhân quang & điốt quang avalanche, có thêm một yếu tố để nhân dòng điện bên trong, để các giá trị có thể sẽ trên 1 A / W. Nói chung, sự nhân lên của dòng điện không được bao gồm trong hiệu suất lượng tử.

Điốt quang PIN Vs Điốt quang PN

Cả hai loại điốt quang như PN & PIN đều có thể đạt được từ nhiều nhà cung cấp. Lựa chọn điốt quang là rất quan trọng trong khi thiết kế mạch dựa trên hiệu suất cũng như các đặc tính cần thiết.
Điốt quang PN không hoạt động theo khuynh hướng ngược lại và do đó, nó thích hợp hơn cho các ứng dụng ánh sáng yếu để nâng cao hiệu suất của tiếng ồn.

Điốt quang PIN hoạt động theo phân cực ngược có thể tạo ra dòng nhiễu để giảm tỷ lệ S / N
Đối với các ứng dụng của dải động cao, xu hướng ngược sẽ cho hiệu suất tốt
Đối với các ứng dụng BW cao, xu hướng ngược sẽ cung cấp hiệu suất tốt như điện dung giữa các vùng P & N và việc lưu trữ dung lượng sạc nhỏ.

Ưu điểm

Các ưu điểm của photodiode bao gồm những điều sau đây.

• Ít phản kháng
• Tốc độ hoạt động nhanh và cao
• Tuổi thọ cao
• Bộ tách sóng quang nhanh nhất
• Phản ứng quang phổ tốt
• Không sử dụng điện áp cao
• Đáp ứng tần số tốt
• Rắn và trọng lượng thấp
• Nó rất nhạy với ánh sáng
• Dòng điện tối là lees
• Hiệu suất lượng tử cao
• Ít tiếng ồn

Nhược điểm

Các nhược điểm của photodiode bao gồm những điều sau đây.

• Nhiệt độ ổn định kém
• Thay đổi trong dòng điện là rất ít, do đó có thể không đủ để điều khiển mạch
• Khu vực hoạt động nhỏ
• Điốt quang điểm nối PN thông thường bao gồm thời gian đáp ứng cao
• Nó có ít độ nhạy hơn
• Nó chủ yếu hoạt động phụ thuộc vào nhiệt độ
• Nó sử dụng điện áp bù đắp

Các ứng dụng của Photodiode

• Các ứng dụng của điốt quang liên quan đến các ứng dụng tương tự của bộ tách sóng quang như thiết bị ghép điện tích, chất dẫn quang và ống nhân quang.
• Những điốt này được sử dụng trong các thiết bị điện tử tiêu dùng như máy dò khói , đầu đĩa nhỏ gọn, TV và điều khiển từ xa trong VCR.
• Trong các thiết bị tiêu dùng khác như radio đồng hồ, đồng hồ đo ánh sáng máy ảnh và đèn đường, chất dẫn quang được sử dụng thường xuyên hơn là điốt quang.
• Điốt quang thường được sử dụng để đo chính xác cường độ ánh sáng trong khoa học và công nghiệp. Nói chung, chúng có phản ứng nâng cao, tuyến tính hơn so với chất dẫn quang.
• Điốt quang cũng được sử dụng rộng rãi trong nhiều ứng dụng y tế như dụng cụ để phân tích mẫu, máy dò để chụp cắt lớp vi tính và cũng được sử dụng trong máy theo dõi khí máu.
• Các điốt này nhanh hơn và phức tạp hơn nhiều so với điốt tiếp giáp PN bình thường và do đó thường được sử dụng để điều chỉnh ánh sáng và trong truyền thông quang học.

Đặc điểm V-I của Điốt quang

Điốt quang liên tục hoạt động ở chế độ phân cực ngược. Các đặc điểm của điốt quang được thể hiện rõ ràng trong hình sau, dòng quang gần như không phụ thuộc vào điện áp phân cực ngược được áp dụng. Đối với độ chói bằng không, dòng quang gần như bằng không ngoại trừ dòng điện tối nhỏ. Nó có thứ tự là nano ampe. Khi công suất quang tăng, dòng quang cũng tăng tuyến tính. Dòng quang tối đa không hoàn toàn bởi sự tiêu tán công suất của điốt quang.

Nét đặc trưng

Vì vậy, đây là tất cả về nguyên lý làm việc của photodiode , đặc điểm và ứng dụng. Các thiết bị quang điện tử như Điốt quang có nhiều loại khác nhau được sử dụng trong hầu hết các thiết bị điện tử. Các điốt này được sử dụng với các nguồn ánh sáng hồng ngoại như đèn neon, đèn LED laser và đèn huỳnh quang. So với các điốt phát hiện ánh sáng khác, các điốt này không đắt. Chúng tôi hy vọng rằng bạn đã hiểu rõ hơn về khái niệm này. Hơn nữa, bất kỳ truy vấn nào liên quan đến khái niệm này hoặc để triển khai dự án điện và điện tử cho sinh viên kỹ thuật . Hãy đóng góp ý kiến ​​quý báu của bạn bằng cách bình luận trong phần bình luận bên dưới. Dưới đây là một câu hỏi cho bạn, chức năng của một diode quang là gì ?

Tín ảnh:

• Điốt quang hamamatsu
• Hoạt động của Điốt quang vật lý và vô tuyến điện tử
• Đặc điểm V-I của Điốt quang ecetutorials