Photodiode là gì? (Phần 1)

điốt quanglà một thiết bị bán dẫn chuyển đổi ánh sáng thành dòng điện và giữa các lớp p (dương) và n (âm) có một lớp nội tại. Một photodiode nhận năng lượng ánh sáng làm đầu vào để tạo ra dòng điện. Photodiode còn được gọi là bộ tách sóng quang, cảm biến quang điện hoặc bộ dò ánh sáng.

Điốt quang hoạt động trong điều kiện phân cực ngược, tức là mặt P của điốt quang được kết nối với điện cực âm của pin (hoặc nguồn điện) và mặt N được kết nối với điện cực dương của pin. Các vật liệu điốt quang điển hình là silicon, germanium, indium gallium arsenide phosphide và indium gallium arsenide.

Bên trong, đi-ốt quang có bộ lọc ánh sáng, thấu kính tích hợp và diện tích bề mặt. Khi diện tích bề mặt của photodiode tăng lên, thời gian đáp ứng sẽ giảm xuống. Rất ít điốt quang trông giống như điốt phát quang (đèn LED). Nó có hai thiết bị đầu cuối, như hình dưới đây. Thiết bị đầu cuối nhỏ hơn đóng vai trò là cực âm và thiết bị đầu cuối dài hơn đóng vai trò là cực dương.

Ký hiệu của điốt quang tương tự như ký hiệu của đèn LED, nhưng mũi tên chỉ vào bên trong thay vì bên ngoài trong đèn LED. Hình ảnh dưới đây cho thấy biểu tượng của đi-ốt quang.

1. Nguyên tắc photodiode

Đi-ốt quang hoạt động bằng cách tạo ra một cặp lỗ electron khi một photon năng lượng chiếu vào đi-ốt. Cơ chế này còn được gọi là hiệu ứng quang điện bên trong. Nếu sự hấp thụ xảy ra ở điểm nối của vùng cạn kiệt, các hạt tải điện sẽ bị loại bỏ khỏi điểm nối bởi điện trường bên trong vùng cạn kiệt.

Thông thường, khi ánh sáng chiếu vào tiếp giáp PN, liên kết cộng hóa trị bị ion hóa. Điều này tạo ra các lỗ trống và các cặp electron. Dòng quang được tạo ra do sự tạo ra các cặp electron-lỗ trống. Khi các photon có năng lượng lớn hơn 1,1 eV đập vào diode, các cặp electron-lỗ trống được hình thành. Khi photon đi vào vùng suy giảm của diode, nó sẽ chạm vào nguyên tử với năng lượng cao. Điều này dẫn đến việc giải phóng các electron khỏi cấu trúc nguyên tử. Khi các electron được giải phóng, các electron tự do và lỗ trống được tạo ra.

Nói chung, các electron có điện tích âm và lỗ trống có điện tích dương. Năng lượng cạn kiệt sẽ có một điện trường tích hợp. Do điện trường này, cặp electron-lỗ trống ở xa tiếp giáp PN. Do đó, các lỗ trống di chuyển về phía cực dương và các electron di chuyển về phía cực âm để tạo ra dòng quang điện.

Cường độ hấp thụ photon và năng lượng photon tỷ lệ thuận với nhau. Bức ảnh càng ít năng lượng thì nó càng hấp thụ nhiều. Toàn bộ quá trình này được gọi là hiệu ứng quang điện bên trong.

Kích thích bên trong và kích thích bên ngoài là hai phương pháp kích thích photon. Quá trình kích thích nội tại xảy ra khi các electron trong vùng hóa trị bị kích thích bởi các photon lên vùng dẫn.

2. Mạch làm việc của photodiode

Photodiodes chủ yếu hoạt động ở ba chế độ khác nhau, đó là:

(1)Chế độ quang điện

(2)Chế độ quang dẫn

(3) Chế độ đi-ốt tuyết lở

(1)Chế độ quang điện

Chế độ này còn được gọi là chế độ sai lệch bằng không. Chế độ này được ưu tiên khi các đi-ốt quang đang hoạt động trong các ứng dụng tần số thấp và các ứng dụng ánh sáng ở mức siêu năng lượng. Khi đèn flash chiếu vào đi-ốt quang, nó sẽ tạo ra một điện áp. Điện áp thu được sẽ có dải động rất nhỏ và sẽ có các đặc tính phi tuyến. Khi điốt quang được cấu hình với OP-AMP ở chế độ này, sự thay đổi về nhiệt độ sẽ rất nhỏ.

(2)Chế độ quang dẫn

Ở chế độ này, đi-ốt quang sẽ hoạt động trong điều kiện phân cực ngược. Cực âm là dương và cực dương là âm. Khi điện áp ngược tăng lên, độ rộng của lớp suy giảm cũng tăng lên. Do đó, thời gian đáp ứng và điện dung của mối nối sẽ giảm. Ngược lại, chế độ này hoạt động nhanh và tạo ra tiếng ồn điện tử.

(3) Chế độ đi-ốt tuyết lở

Điốt tuyết lở hoạt động trong các điều kiện phân cực ngược cao, cho phép sự phân hủy tuyết lở nhân lên thành từng cặp electron-lỗ trống được tạo ra bởi điện ảnh. Kết quả là mức tăng bên trong của đi-ốt quang, làm tăng dần phản ứng của thiết bị.

(4) Mạch đi-ốt quang

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

3. Kết nối điốt quang với mạch ngoài

Photodiode hoạt động trong một mạch phân cực ngược. Cực dương được nối với mặt đất của mạch và cực âm được nối với điện áp nguồn dương của mạch. Khi được ánh sáng chiếu vào sẽ có dòng điện chạy từ cực âm sang cực dương.

Khi sử dụng điốt quang với mạch ngoài, chúng được nối với nguồn điện trong mạch. Dòng điện do photodiode tạo ra sẽ rất nhỏ. Giá trị hiện tại này không đủ để điều khiển thiết bị điện tử. Do đó, khi chúng được kết nối với nguồn điện bên ngoài, nó sẽ cung cấp thêm dòng điện cho mạch. Vì vậy pin được dùng làm nguồn điện. Nguồn pin giúp tăng giá trị dòng điện góp phần giúp các thiết bị bên ngoài hoạt động tốt hơn.

4. Quy trình sản xuất điốt quang

vật liệu điốt quang

Vật liệu của một photodiode xác định nhiều đặc tính của nó. Đặc điểm chính là sóng ánh sáng mà đi-ốt quang phản ứng và đặc điểm khác là mức nhiễu, cả hai đặc điểm này phần lớn phụ thuộc vào vật liệu được sử dụng trong đi-ốt quang.

Các phản ứng khác nhau đối với các bước sóng xảy ra do sử dụng các vật liệu khác nhau vì chỉ các photon có đủ năng lượng để kích thích các electron trong vùng cấm của vật liệu mới tạo ra năng lượng đáng kể để tạo ra dòng điện từ đi-ốt quang.

Mặc dù độ nhạy bước sóng của vật liệu là rất quan trọng, nhưng một tham số khác có thể có tác động đáng kể đến hiệu suất của đi-ốt quang là mức nhiễu được tạo ra.

Do khoảng cách vùng cấm lớn hơn, điốt quang silicon tạo ra ít tiếng ồn hơn so với điốt quang germanium. Tuy nhiên, cũng cần xem xét bước sóng của điốt quang cần thiết và điốt quang germanium phải được sử dụng cho bước sóng dài hơn khoảng 1000 nm.

Chuyển sang Phần 2 để tìm hiểu thêm.

Thông tin liên lạc:

Nếu bạn có bất kỳ ý tưởng nào, vui lòng nói chuyện với chúng tôi. Bất kể khách hàng của chúng tôi ở đâu và yêu cầu của chúng tôi là gì, chúng tôi sẽ làm theo mục tiêu của mình để cung cấp cho khách hàng chất lượng cao, giá thấp và dịch vụ tốt nhất.