فوتو دیود چیست و چه کاربردی دارد : نوری در تاریکی و مشکلات فنی

فوتو دیود: ابزاری کلیدی در تشخیص نور و برد موبایل

مقدمه
در دنیای پیشرفته امروزی، تکنولوژی‌های نوین به سرعت در حال تغییر و تحول هستند و این تغییرات، تأثیرات عمیقی بر صنعت تعمیرات موبایل دارند. یکی از این تکنولوژی‌های که نقش مهمی در تعمیرات موبایل ایفا می‌کند، فوتو دیود است.

فوتو دیود ها یکی از انواع دیود هایی هستند که در برد های موبایل و الکترونیک بسیار کاربردی هستند

انواع دیود ها

1. دیود معمولی 
2. دیود زنر 
3. دیود شاتکی 
4. دیود TVS
5. دیود خازنی یا وراکتار 
6. دیود LED 
7. دیود لیزر
8. فوتو دیود

در مورد دیود های بالا هر کدام در لینکی جدا به صورت مفصل توضیح دادم برای اینکه ادامه متن را متوجه بشوید توصیه میکنم حتما دیود معمولی و دیود شاتکی را مطالعه کنید که در ادامه در مفاهیم دچار مشکل نشوید.

فوتو دیودها به دلیل حساسیت بالا به نور و سرعت پاسخ‌گویی فوق‌العاده، ابزاری حیاتی در تشخیص مشکلات مرتبط با نور و نمایشگر در دستگاه‌های موبایل ، فیبر نوری ، صنعت و… به شمار می‌روند.

در سنورهای پراکسیمیتی و سنورهای تشخیص نور محیط در برد موبایل از فوتو دیود استفاده می شود

همچنین فوتو دیود در دتکتورهای فیبرنوری و خط تولید کارخانه ها که سرعت بسیار مهم است کاربردی دارد.

دلیل اینکه از مقاومت VDR به جای فوتو دیود استفاده نمیشود هم همین است در جاهایی که سرعت تشخیص برای ما مهم است از فوتو دیود استفاده میکینم که سرعت پاسخ به مراتب بالاتری نسبت به نور دارند و مورد دیگر اینکه فوتو دیود توانایی تشخیص طول موج نور را هم دارد.(مثلا میتواند رنگ نور محیط را تشخیص دهد)

بخش اول: فوتو دیود چیست؟

فوتو دیود، نوعی دیود نیمه‌هادی است که قابلیت تبدیل نور به جریان الکتریکی را دارد. این قطعه الکترونیکی به گونه‌ای طراحی شده که وقتی فوتون‌های نور به آن برخورد می‌کنند، الکترون‌ها از پیوندهای خود آزاد شده و جریان الکتریکی ایجاد می‌کنند. این ویژگی باعث شده است که فوتو دیودها در بسیاری از دستگاه‌های الکترونیکی که نیاز به تشخیص نور دارند، مورد استفاده قرار گیرند.

فوتو دیود با توجه نوع ساخت به چند دسته تقسیم میشوند که هر کدام را جداگانه توضیح خواهیم داد.

1. photodiode PN
2. photodiode PIN
3. Photodiode Schottky
4. Photodiode Avalanche

البته فوتو دیود ها معمولا در بایاس معکوس کار میکنند و معمولا هم با شکست بهمنی در حالت بایاس معکوس نور را تشخیص میدهند.

photodiode PN

این نوع فوتو دیود ساختاری مشابه ساختار دیود معمولی دارد و با توجه به میزان دوپینگی که میشود و نوع ماده ای که برای دوپیگ ناحیه N استفاده میشود شرایط را برای ایجاد شکست بهمنی در حالت بایاس معکوس را فراهم میکند.

در شکل بالا ساختار یک فوتو دیود PN را مشاهده میکنید.همانطور که میبینید نور به قسمت P تابیده میشود و باعث ایجاد الکترون در ناحیه p میشود و به الکترون ها ناحیه N نیرو وارد میشود و باعث میشود که فوتو دیود که در حالت بایاس معکوس است دچار شکست شود و الکترون های ناحیه p که بر اثر تابش نور به وجود آمدند برای تعادل در نیمه های NP که در حالت بایاس معکوس قرار دارد یک شکست بهمنی اتفاق بیافتد و جریان در حالت بایاس معکوس برقرار شود.

دقیقا مشابه همین اتفاق در دیود زنر می افتد با این تفاوت که در دیود زنر نیروی محرک در تولید  الکترون  ولتاژ الکتریکی است ولی در فوتو دیود تابش نور است.

مثلا در دیود زنر وقتی در بایاس معکوس قرار دارد وقتی الکترون ها به قسمت P وارد میشود باعث ایجاد الکترون در ناحیه P میشود و اگر شدت میدان افزایش یابد باعث شکست بهمنی در دیود خواهد شد و الکترون هایی که تعادل را بهم زدند به ناحیه N وارد خواهند شد و باکاهش ولتاژ جریان قطع میشود حالا فرض کنید به جای ولتاژ بیشتر که منجر به تولید الکترون در ناحیه P و شکست بهمنی در دیود شود نور به ناحیه P تابیده شود همانطور که میدانید طبق قانون فوتوالکتریک انیشتین الکترون در اثر تابش نور تولید می شود، و با افزایش شدت نور باعث افزایش الکترون میشود و در ادامه منجر به شکست بهمنی در حالت بایاس معکوس خواهد شد.

photodiode PIN:

نوع دیگری از فوتو دیود ها فوتو دیود های PIN هستند.فوتو دیود PN سرعت بالایی ندارند و تنظیم آنها برای روی طول موج خاص کمی مشکل هست ولی در نوع PIN سرعت بالاتری دارند.

در این نوع فوتو دیود بین ناحیه P , N یک ناحیه خالص ذاتی (I) بدون دوپینگ قرار میدهم و نور به این ناحیه ذاتی برخود میکند و با توجه میزان انرژی نوری که ناحیه ذاتی برخورد میکند الکترون ها به باند انرژی هدایت (EV) میرود و باعث تبدیل شدن ناحیه ذاتی I به نوع N میشود و در نتیجه اگر فوتو دیود در بایاس معکوس باشد با ولتاژ کمتری دچار شکست بهمنی میشود.

مثلا در شکل بالا اگر ولتاژ بایاس معکوس 5 ولت باشد و ولتاژ شکست 10 ولت باشد نوری که به قسمت I تابیده میشود و ناحیه I به N تبدیل میشود ولتاژ شکست بهمنی کاهش یافته و به زیر 5 ولت میرسد.

همانطور که میبیند میزان انرژی مورد نیاز برای شکست بهمنی را با توجه به نوع ماده ذاتی (هر ماده نیمه رسانایی یک بند گپ مخصوص دارد مثلا سیلیکون 1.5 الکترون ولت است) و مقدار ماده ذاتی میتوان شدت نوری که فوتو دیود دچار شکست میشود را تعیین کرد.(H ثابت پلانگ و V فرکانس)

photodiode Schottky :

این نوع فوتو دیود به شدت در حال گسترش است و این روزها در سنسورهای پراکسیمتی ، دتکتور فیبر نوری به شدت در حال افزایش است واگر در سایت های مجلات علمی سرچ کنید بیشترین کار محققان در بهبود این نوع فوتو دیود است.

این فوتو دیود از اتصال نمیه هادی فلز ساخته میشود. با توجه به بندگپ ماده N، اتصال فلز با نیمه های N فلز نقش P را در فوتو دیود بازی میکند.

این اتصال باعث انحنا در باند انرژی بند گپ و باند والانس و هدایت نمیه هادی میشود.

نور به قسمت فلز تابیده میشود و باعث ازاد شدن الکترون در فلز طبق قانون فوتوالکتریک انیشتین میشود و الکترون ها به باند هدایت نمیه هادی N می رود حال دیود در حالت بایاس معکوس با ولتاژ بسیار کم جریان را عبور میدهد.

انرژی نور مورد نیاز برای هدایت به میزان انحنایی که در اثر اتصال فلز به نمیه هادی ایجاد شده است بستگی دارد و با توجه به رابطه انرژی پلانگ نور با فرکانس مشخص انرژی لازم برای رفتن الکترون ها به باند هدایت نمیه هادی N را ایجاد میکند.

این فوتو دیود سرعت بسیار بالایی دارد و در دتکتورهای فیبر نوری مورد استفاده قرار میگیرد.

avalanche photo diode :

فوتو دیود اثر شکست بهمنی یکی از فوتو دیود های کاربردی است که برای تشخیص یک طول موج مشخص بسیار کاربردی است.

البته فوتو دیود ها معمولا در بایاس معکوس و بر اثر شکست بهمنی در بایاس معکوس کار میکنند ولی میتوان در بایاس مستقیم هم از آنها مثلا در نوع شاتکی استفاده کرد.

معمولا فوتودیود بر اثر شکست بهمنی کار میکند ولی این دیود به دلیل تابش نور به قسمت N شکست بهمنی در ناحیه N بر اثر تولید الکترون ناحیه N است به این نوع دیود دیود اثر شکست بهمنی میگویند.

همانطور که میبیند ساختار این فوتو دیود مشابه PIN است با این تفاوت زیر لایه N یک نمیه هادی نوع P قرار دارد که تابش نور به N نیمه هادی PN دچار شکست بهمنی بر اثر تابش نور به نیمه هادی N میشود و الکترون ها  از N به سمت P حرکت میکند و سپس وارد ماده خالص I شده و ماده I را به N تبدیل میکند و ماده N برای تعادل الکترون ها وارد P و جریان در مدار بر اثر تابش نورد برقرار میشود.

مد های کاری فوتو دیود:

فوتو ویود معمولا در بایاس معکوس مورد استفاده قرار میگیرد اما نحوه استفاده از فوتو دیودمثل ترانزیستور و سایر قطعات متفاوت است که به چند تا از کاربردی ترین ها اشاره میکینم

photodiode photoconductive mode

در این حالت معمولا دیود در حالت بایاس معکوس به یک OP AMP به پایه ورودی منفی وصل است و پایه مثبت نیز به گرند وصل است وقتی نور به فوتو دیود برخورد میکند ولتاژ به پایه OP AMP میرسد و خروجی فعال میشود در این حالت سرعت عملکرد بسیار بالا است.

Photovoltaic MODE PHOTODIODE

در این حالت فوتو دیود همانند یک سلول خورشیدی عمل میکند و با برخورد نور جریان در فوتو دیود برقرار میشود و با اتصال فوتو دیود به پایه مثبت و منفی OP AMP جریان خروجی روشن خواهد شد.

فوتو دیود

Avalanche mode photodiode

یا مد بهمنی در این مد فوتو دیود به صورت بایاس معکوس به یک بافر متصل میشود سرعت عمل در این مدل بالا است و برای مدارهای دیجیتال مثل فیبرهای نوری بسیار کاربردی است

مشخصات فنی فوتو دیود

وقتی میخواهید یک فوتو دیود تهیه کنید این قطعه چه مشخصاتی دارد که موقع خرید و ذکر مشخصات به آن اشاره میشود.

Spectral Responsivity

پاسخ دهی طیفی فوتو دیود است که به شما میگود که این فوتو دیود چه طول موج هایی را پشتیبانی میکند.

موقع خرید فوتو دیود باید به این نکته که فوتو دیود چه طول موج هایی را پشتیبانی میکند توجه کنید در زیر نمودار طول موج دو فوتو دیود با SI GَََaAs را مشاهده میکند.

این نمودار معمولا بر اساس طول موج و A/W است.

با توجه به مدار و طول موجی که نیاز داریم میتوانم فوتو دیود مد نظر خود را خریداری کنیم

DARK CURRENT

جریانی است که فوتو دیود در حالت بایاس معکوس در حالتی که هیچ نوری وجد ندارد از خود عبور میدهد، این جریان هر چقدر به صفر نزدیک باشد بهتر است.

TIME RESPONSE

زمان پاسخ دهی فوتو دیود که پارامتر بسیار مهم در مداردی است که نیاز به سرعت بالای فوتو دیود داریم (مثل دتکتورهای فیبر نوری) هرچه سرعت بالاتر باشد میتوان از مدار با سرعت بالاتری را ساخت.

Noise-equivalent power

حداقل توان نور جهت تولید ولتاژ است یا به عبارتی حداقل توان نوری که باعث ایجاد جریان در فوتو دیود می شود.

منحنی مشخصه جریان ولتاژ فوتو دیود

در این منحنی مشخص میشود که فوتو دیود در هر ولتاژ با توجه به میزان نوری که به فوتودیود تابیده میشود در بایاس معکوس جریان فوتودیود چه قدر است.

مثلا در نمودار زیر جریان حالت دارک مشخص است و میزان شدت نور در نمودار با واحد LUX مشخص شده است.

همانطور که میبیند با افزایش شدت نور میزان جریان در حالت بایاس معکوس افزایش می یابد و به راحتی در این نوع فوتو دیود میتوان میزان شدت نور محیط را اندازه گیری کرد.

کاربرد فوتو دیود

فوتو دیود کاربردهای زیادی دارد در برد موبایل در سنسور پراکسیمیتی که وظیفه تشخیص قرار گرفتن گوشی بر روی صورت در حین تماس را بر عهده دارد و تشخیص شدت نور محیط و .. از کاربرد های فوتو دیود در برد موبایل است.

کاربرد دیگر فوتو دیود در صنعت مثلا شمارش محصول تولیدی در انتهای خط تولید است

و در فیبرهای نوری یکی از قسمت های اصلی دتکتورهای فیبر نوری است.

یکی از کاربرد های مهم دیگر فوتو دیود ها در کنترل تلوزیون ها است.

فوتو ترانزیستور

فوتو ترانزیستورها یک نوع دیگر از سنسورهای نوری است که با تحریک ناحیه بیس ترانزیستور توسط نور به ناحیه قطع و اشباع میرود که در مقاله ای جدا در مورد این نوع سنسورها که در برد موبایل کاربرد دارد توضیح خواهیم داد.

جمع بندی

در دوره های آموزش تعمیرات موبایل که در آموزشگاه فیدار برگذار میگردد تمام نکته ها و تکنیک های تعمیرات موبایل به صورت کامل و تخصصی به شما آموزش داده میشود.برای شرکت در دوره ها به لینک آموزشگاه تعمیرات موبایل شیراز فیدار مراجعه کنید و برای مشاهده  آموزش ها و تکنیک رایگان تعمیرات موبایل به کانال یوتیوب fidarteam ، آپارات fidarteam و اینستگرام ما به آدرس fidarteam مراجعه کنید