โฟโตไดโอดเป็นไดโอดเซมิคอนดักเตอร์ซึ่งกระแสไฟฟ้าขึ้นอยู่กับการส่องสว่าง โดยทั่วไป กระแสนี้หมายถึงกระแสย้อนกลับของโฟโตไดโอด เนื่องจากการพึ่งพาการส่องสว่างนั้นมีความสำคัญมากกว่ากระแสไปข้างหน้า ในอนาคตเราจะพูดถึงกระแสย้อนกลับโดยเฉพาะ

โดยทั่วไป โฟโตไดโอดคือจุดเชื่อมต่อ pn ที่เปิดกว้างสำหรับการแผ่รังสีแสง ภายใต้อิทธิพลของแสงในบริเวณนั้น ทางแยกพีเอ็นมีการสร้างพาหะประจุ (อิเล็กตรอนและรู) ซึ่งไหลผ่านและทำให้เกิดแรงดันไฟฟ้าที่ขั้วโฟโตไดโอดหรือกระแสไหลในวงจรปิด

โฟโตไดโอด (ขึ้นอยู่กับวัสดุ) ได้รับการออกแบบมาเพื่อบันทึกฟลักซ์แสงในช่วงความยาวคลื่นอินฟราเรด ออปติคัล และอัลตราไวโอเลต โฟโตไดโอดทำจากซิลิคอน เจอร์เมเนียม แกลเลียมอาร์เซไนด์ อินเดียมแกลเลียมอาร์เซไนด์ และวัสดุอื่นๆ

โฟโตไดโอดถูกนำมาใช้กันอย่างแพร่หลายในระบบควบคุม มาตรวิทยา หุ่นยนต์ และสาขาอื่นๆ นอกจากนี้ยังใช้เป็นส่วนหนึ่งของส่วนประกอบอื่นๆ เช่น ออปโตคัปเปลอร์ ออปโตรีเลย์ ในส่วนที่เกี่ยวข้องกับไมโครคอนโทรลเลอร์นั้น โฟโตไดโอดถูกใช้เป็นเซ็นเซอร์ต่าง ๆ - เซ็นเซอร์จำกัด, เซ็นเซอร์แสง, เซ็นเซอร์วัดระยะ, เซ็นเซอร์ชีพจร ฯลฯ

การกำหนดบนไดอะแกรม

บน ไดอะแกรมไฟฟ้าโฟโตไดโอดถูกกำหนดให้เป็นไดโอด โดยมีลูกศร 2 อันชี้ไปทางนั้น ลูกศรเป็นสัญลักษณ์ของเหตุการณ์การแผ่รังสีบนโฟโตไดโอด อย่าสับสนกับการกำหนด LED ซึ่งมีลูกศรชี้ออกไป

การกำหนดตัวอักษรของโฟโตไดโอดอาจเป็น VD หรือ BL (โฟโตเซลล์)

โหมดการทำงานของโฟโตไดโอด

โฟโตไดโอดทำงานในสองโหมด: โฟโตไดโอดและโฟโตโวลตาอิก (โฟโตโวลตาอิก, เครื่องกำเนิดไฟฟ้า)

โหมดโฟโตไดโอดใช้แหล่งจ่ายไฟที่ทำให้โฟโตไดโอดมีอคติ ทิศทางย้อนกลับ- ในกรณีนี้ กระแสย้อนกลับจะไหลผ่านโฟโตไดโอด ซึ่งเป็นสัดส่วนกับฟลักซ์แสงที่ตกกระทบ ในช่วงแรงดันไฟฟ้าที่ใช้งาน (นั่นคือ ก่อนเกิดการพังทลาย) กระแสไฟฟ้านี้แทบไม่ขึ้นอยู่กับแรงดันย้อนกลับที่ใช้

ในโหมดเซลล์แสงอาทิตย์ โฟโตไดโอดจะทำงานโดยไม่ต้องใช้แหล่งพลังงานภายนอก ในโหมดนี้มันสามารถทำงานเป็นเซ็นเซอร์หรือแบตเตอรี่ได้ ( แบตเตอรี่พลังงานแสงอาทิตย์) เนื่องจากภายใต้อิทธิพลของแสงแรงดันไฟฟ้าจะปรากฏที่ขั้วโฟโตไดโอดขึ้นอยู่กับฟลักซ์การแผ่รังสีและโหลด

ลักษณะแรงดันไฟฟ้าปัจจุบัน

เพื่อให้เข้าใจถึงโหมดการทำงานของโฟโตไดโอดได้ดีขึ้น คุณต้องพิจารณาคุณลักษณะของแรงดันไฟฟ้าในปัจจุบัน

กราฟประกอบด้วยพื้นที่ 4 ส่วนที่เรียกว่าควอแดรนต์ โหมดโฟโตไดโอดสอดคล้องกับการทำงานในควอดรันต์ที่ 3

ในกรณีที่ไม่มีรังสี กราฟจะแสดงสาขาย้อนกลับของคุณลักษณะแรงดันไฟฟ้าในปัจจุบันของไดโอดเซมิคอนดักเตอร์ทั่วไป มีกระแสย้อนกลับเล็กน้อย ซึ่งเรียกว่ากระแสความร้อน (มืด) ของจุดเชื่อมต่อ pn แบบเอนเอียงย้อนกลับ

เมื่อมีฟลักซ์แสง ความต้านทานของโฟโตไดโอดจะลดลง และกระแสย้อนกลับของโฟโตไดโอดจะเพิ่มขึ้น ยิ่งแสงตกมากเท่าไร กระแสย้อนกลับก็จะไหลผ่านโฟโตไดโอดมากขึ้นเท่านั้น การพึ่งพากระแสย้อนกลับของโฟโตไดโอดกับฟลักซ์ส่องสว่างในโหมดนี้เป็นแบบเส้นตรง

กราฟแสดงให้เห็นว่ากระแสย้อนกลับของโฟโตไดโอดอ่อนขึ้นอยู่กับแรงดันย้อนกลับ ดูความชันของกราฟจากแรงดันศูนย์ถึงแรงดันพังทลายซึ่งมีขนาดเล็ก

โหมดเซลล์แสงอาทิตย์สอดคล้องกับการทำงานของโฟโตไดโอดในจตุภาคที่ 4และในกรณีนี้สามารถแยกแยะข้อจำกัดได้สองกรณี:

ไม่ทำงาน (xx),
- ไฟฟ้าลัดวงจร (ลัดวงจร)

โหมด Near-Idle ใช้เพื่อรับพลังงานจากโฟโตไดโอด นั่นคือสำหรับการใช้โฟโตไดโอดเป็นแบตเตอรี่พลังงานแสงอาทิตย์ แน่นอนว่าโฟโตไดโอดตัวเดียวจะใช้งานได้น้อยและมีประสิทธิภาพต่ำ แต่ถ้าคุณเชื่อมต่อองค์ประกอบหลายอย่างแบตเตอรี่ดังกล่าวก็สามารถจ่ายไฟให้กับอุปกรณ์ที่ใช้พลังงานต่ำได้

ในโหมดลัดวงจร แรงดันไฟฟ้าที่ตกคร่อมโฟโตไดโอดจะใกล้เคียงกับศูนย์ และกระแสย้อนกลับจะเป็นสัดส่วนโดยตรงกับฟลักซ์การส่องสว่าง โหมดนี้ใช้เพื่อสร้างเซ็นเซอร์ภาพ

อะไรคือข้อดีและข้อเสียของโฟโตไดโอดและโหมดการทำงานของเซลล์แสงอาทิตย์? โหมดโฟโตไดโอดให้ประสิทธิภาพโฟโตไดโอดที่เร็วขึ้น แต่ในโหมดนี้จะมีกระแสไฟฟ้ามืดอยู่เสมอ ในโหมดเซลล์แสงอาทิตย์จะไม่มีกระแสไฟฟ้ามืด แต่ประสิทธิภาพของเซ็นเซอร์จะช้าลง

2. สัญญาณ IP แบบรวม

3. การกำหนด IP ย้อนกลับ

1. คุณสมบัติโฟโตไดโอด วงจรสวิตชิ่ง การใช้งาน

โฟโตไดโอด (PD) - เครื่องรับรังสีเชิงแสงที่แปลงฟลักซ์ตกกระทบบนบริเวณไวแสงให้เป็นประจุไฟฟ้าเนื่องจากกระบวนการในรอยต่อ p-n

ในรูป รูปที่ 9 แสดงแผนภาพบล็อกของโฟโตไดโอดที่มีองค์ประกอบเป้าหมายภายนอก

คริสตัล 1 เซมิคอนดักเตอร์;

2 พิน;

3 ข้อสรุป;

F-flux ของรังสีแม่เหล็กไฟฟ้า

แรงดันไฟฟ้าแหล่งกำเนิดไฟฟ้า ดี.ซี;

ความต้านทานโหลด Rn

ข้าว. 9. บล็อกไดอะแกรมโฟโตไดโอด

หลักการทำงาน

ที่ แสงสว่าง p-nการเปลี่ยนผ่านโดยการแผ่รังสีเอกรงค์ด้วยพลังงานโฟตอน > ( คือช่องว่างของแถบความถี่) การดูดกลืนควอนตัมการแผ่รังสีจากภายในจะเกิดขึ้น และโฟโตอิเล็กตรอนและโฟโตโฮลที่ไม่มีความสมดุลจะถูกสร้างขึ้น ภายใต้อิทธิพล สนามไฟฟ้าการเปลี่ยนแปลง โฟโตแคริเออร์เหล่านี้เคลื่อนที่: อิเล็กตรอน - ไปยังบริเวณ n และรู - ไปยังบริเวณ p เช่น กระแสดริฟท์ของตัวพาที่ไม่มีความสมดุลจะไหลผ่านทางแยก กระแสโฟโตไดโอดถูกกำหนดโดยกระแสพาหะส่วนน้อย

สมการที่กำหนดคุณลักษณะของแสงและแรงดันไฟฟ้าของเซลล์แสงอาทิตย์สามารถนำเสนอได้ดังนี้

, (5)

, (6)

กระแสรั่วไหลมืดผ่าน p- อยู่ที่ไหนnการเปลี่ยนแปลง;

- กระแสอิ่มตัวเช่น ค่าสัมบูรณ์ค่าที่กระแสมืดมีแนวโน้มไป ;

ก– ค่าสัมประสิทธิ์ที่ขึ้นอยู่กับวัสดุตาแมวและมีค่าตั้งแต่ 1 ถึง 4 (สำหรับโฟโตไดโอดเจอร์เมเนียมจะเท่ากับ 1)

- อุณหภูมิเค;

, เค(ค่าธรรมเนียมเบื้องต้น);

(ค่าคงที่โบลต์ซมันน์);

ลักษณะเฉพาะของแรงดันไฟฟ้าในปัจจุบันของโฟโตไดโอดที่ส่องสว่างจะแสดงในรูปที่ 10

ข้าว. 10. ลักษณะแรงดันกระแสของโฟโตไดโอด

ลักษณะเฉพาะของแรงดันไฟฟ้าในปัจจุบันของโฟโตไดโอดนั้นอยู่ในจตุภาค I, III, IV Quadrant I เป็นพื้นที่ไม่ทำงานสำหรับโฟโตไดโอด ในโหมดนี้ การควบคุมด้วยแสงของกระแสผ่านไดโอดเป็นไปไม่ได้

Quadrant IV ของคุณสมบัติแรงดันไฟฟ้ากระแสโฟโตไดโอดสอดคล้องกับโหมดการทำงานของโฟโตโวลตาอิกของโฟโตไดโอด หากเป้าหมายเปิดอยู่ ความเข้มข้นของอิเล็กตรอนในภูมิภาค n และรูในภูมิภาค p จะเพิ่มขึ้น สนามประจุอวกาศของอะตอมที่ไม่บริสุทธิ์ในช่วงการเปลี่ยนภาพจะได้รับการชดเชยบางส่วน และสิ่งกีดขวางที่อาจเกิดขึ้นจะลดลง การลดลงนี้เกิดขึ้นจากจำนวน photoEMF ที่เรียกว่าแรงดันไฟฟ้าวงจรเปิดของโฟโตไดโอด Uxx ค่าของ Uxx สำหรับ PD คือ 0.5-0.55V สำหรับ GaAs - แกลเลียมอาร์เซไนด์ Uxx=0.8÷0.9V และต้องไม่เกินค่าความต่างศักย์หน้าสัมผัสของการเปลี่ยนแปลง เนื่องจากได้รับการชดเชยอย่างสมบูรณ์ สนามไฟฟ้าและการแยกตัวของโฟโตแคริเออร์ในช่วงเปลี่ยนผ่านจะหยุดลง

หากบริเวณ p และ n เชื่อมต่อกันด้วยตัวนำภายนอก (โหมดลัดวงจร) ดังนั้น Uxx=0 และกระแสไฟฟ้าลัดวงจรที่เกิดจากโฟโตแคริเออร์ที่ไม่มีความสมดุลจะไหลในตัวนำ

ค่ากลางถูกกำหนดโดยเส้นโหลดซึ่งด้วยค่าที่ต่างกันจะทำให้จุดเริ่มต้นอยู่ที่มุมที่ต่างกัน สำหรับค่ากระแสที่กำหนด ตามคุณลักษณะแรงดันไฟฟ้ากระแส PD คุณสามารถเลือกโหมดการทำงานของโฟโตไดโอดที่เหมาะสมที่สุด ซึ่งพลังงานไฟฟ้าที่ยิ่งใหญ่ที่สุดจะถูกถ่ายโอนไปยังโหลด

ลักษณะแสงหลักของโฟโตไดโอดในโหมดไฟฟ้าโซลาร์เซลล์คือการขึ้นอยู่กับกระแสไฟฟ้าลัดวงจรบนฟลักซ์การส่องสว่าง และแรงดันไฟฟ้าวงจรเปิดจากฟลักซ์ส่องสว่าง Uхх = การพึ่งพาโดยทั่วไปจะแสดงในรูปที่ 11

ดังที่เห็นได้จากรูปที่ 11 การพึ่งพาอาศัยกัน เชิงเส้นในช่วงกว้างของ Ф และเฉพาะที่ฟลักซ์แสงที่มีนัยสำคัญเท่านั้น (Ф>2000...3000lm) ความไม่เชิงเส้นเริ่มปรากฏขึ้น

การพึ่งพา Uxx = เป็นแบบเส้นตรงเช่นกัน แต่ด้วยฟลักซ์แสงไม่เกิน 200300 lm จึงมีความไม่เชิงเส้นอย่างมีนัยสำคัญที่ Ф มากกว่า 4000 lm ความไม่เชิงเส้น เมื่อ F เพิ่มขึ้น อธิบายได้จากการเพิ่มขึ้นของแรงดันไฟฟ้าตกคร่อมความต้านทานปริมาตรของฐานโฟโตไดโอด และความไม่เป็นเชิงเส้น Uхх = อธิบายได้จากการลดลงของสิ่งกีดขวางที่อาจเกิดขึ้นเมื่อ F เพิ่มขึ้น

ลักษณะของ PD ขึ้นอยู่กับอุณหภูมิเป็นอย่างมาก สำหรับซิลิคอน PD นั้น Uxx จะลดลง 2.5 mV โดยมีอุณหภูมิเพิ่มขึ้น 1°С ในขณะที่ Icr เพิ่มขึ้นในหน่วยสัมพัทธ์ 3∙10 -3 1/°С

ข้าว. 11. ลักษณะแสงของโฟโตไดโอด

Quadrant III คือขอบเขตโฟโตไดโอดของการดำเนินการ PD ซึ่งใช้แรงดันย้อนกลับกับจุดเชื่อมต่อ p-n (รูปที่ 9)

ลักษณะแรงดันกระแสของตัวต้านทานโหลดเป็นเส้นตรงซึ่งมีสมการดังนี้

,

แรงดันย้อนกลับของ PD อยู่ที่ไหน

– กระแสไฟ

โฟโตไดโอดและตัวต้านทานโหลดเชื่อมต่อแบบอนุกรม เช่น กระแสเดียวกันไหลผ่านพวกเขา - กระแสนี้สามารถกำหนดได้โดยจุดตัดของคุณลักษณะ I-V ของโฟโตไดโอดและความต้านทานโหลด

ดังนั้น ในโหมดโฟโตไดโอด สำหรับฟลักซ์การแผ่รังสี F ที่กำหนด โฟโตไดโอดจึงเป็นแหล่งกำเนิดกระแสที่สัมพันธ์กับวงจรภายนอก นอกจากนี้ค่าของกระแสในทางปฏิบัติไม่ได้ขึ้นอยู่กับพารามิเตอร์ของวงจรภายนอก (,)

หลักการทำงาน

รูปที่ 2 แสดงแผนภาพที่สะท้อนถึงหลักการทำงานของเครื่องตรวจจับที่มีโฟโตไดโอดแบบรีเวอร์สไบแอส ขนาดของโฟโตปัจจุบันที่สร้างขึ้นนั้นขึ้นอยู่กับฟลักซ์การส่องสว่างและความยาวคลื่นของการแผ่รังสี เมื่อเชื่อมต่อตัวต้านทานโหลด ค่านี้สามารถสังเกตได้โดยใช้ออสซิลโลสโคป หน้าที่ของตัวกรอง RC คือการลดสัญญาณรบกวนความถี่สูงจากแหล่งจ่ายไฟ

รูปที่ 3วงจรตรวจจับพร้อมเครื่องขยายเสียง

เมื่อใช้วงจรโฟโตตรวจจับกับแอมพลิฟายเออร์ ผู้ใช้สามารถเลือกโหมดการทำงานของโฟโตไดโอดได้ (โฟโตโวลตาอิกหรือโฟโตไดโอด) แต่ละโหมดมีข้อดีของตัวเอง:

โหมดไฟฟ้าโซลาร์เซลล์: ในโหมดไฟฟ้าโซลาร์เซลล์ จะไม่มีแรงดันไฟฟ้าจ่ายให้กับไดโอด และมีศักยภาพอินพุต A ของออปแอมป์ เท่ากับศักยภาพที่จุด B เมื่อทำงานในโหมดนี้กระแสมืดจะเล็กน้อย

โหมดโฟโตไดโอด: ในโหมดโฟโตไดโอด แรงดันไบแอสย้อนกลับจะถูกนำไปใช้กับจุดเชื่อมต่อ pn ซึ่งจะลดความจุของจุดแยกและเพิ่มแบนด์วิธ อัตราขยายจะขึ้นอยู่กับตัวต้านทานป้อนกลับ (R f) แบนด์วิดท์ของตัวตรวจจับถูกกำหนดโดยสูตร:

โดยที่ GBP คือผลคูณของเกนและแบนด์วิดท์ของออปแอมป์ C D คือผลรวมของทางแยกและความจุของแอมพลิฟายเออร์

ความถี่การมอดูเลต

ความหนาแน่นสเปกตรัมเสียงของเครื่องตรวจจับส่วนใหญ่ รวมถึง PbS, PbSe, HgCdTe (MCT) และ InAsSb มีความสัมพันธ์ 1/f (สัญญาณรบกวนจะลดลงเมื่อความถี่เพิ่มขึ้น) ซึ่งมีผลกระทบอย่างมีนัยสำคัญต่อค่าคงที่ของเวลาในบริเวณความถี่ต่ำ

ดังนั้นความถี่การมอดูเลต (อัตราการเปลี่ยนแปลงความเข้ม) ของรังสีจึงส่งผลต่อความไวของอุปกรณ์ ค่าที่เหมาะสมที่สุดของคุณลักษณะเครื่องตรวจจับแสงจะได้ที่ความถี่:

อายุการใช้งานแบตเตอรี่

เมื่อใช้เครื่องตรวจจับแสงที่ใช้พลังงานจากแบตเตอรี่ สิ่งสำคัญคือต้องเข้าใจอายุการใช้งานแบตเตอรี่และผลกระทบต่อประสิทธิภาพของเครื่องตรวจจับอย่างไร กระแสเอาต์พุตของเครื่องตรวจจับเป็นสัดส่วนโดยตรงกับฟลักซ์การแผ่รังสีที่ตกกระทบ ผู้ใช้ส่วนใหญ่แปลงกระแสนี้เป็นแรงดันไฟฟ้าโดยใช้โหลดที่ตรงกัน ปริมาณความต้านทานจะเท่ากับอัตราขยายของวงจรโดยประมาณ สำหรับเครื่องตรวจจับความเร็วสูง เช่น จำเป็นต้องใช้โหลด 50 โอห์มเพื่อให้ตรงกับอิมพีแดนซ์ของสายโคแอกเซียลมาตรฐาน ซึ่งจะลดการสะท้อนกลับและปรับปรุงคุณภาพของสัญญาณเอาท์พุต

อายุการใช้งานแบตเตอรี่เกี่ยวข้องโดยตรงกับกระแสไฟฟ้าในเครื่องตรวจจับ ผู้ผลิตแบตเตอรี่ส่วนใหญ่แสดงอายุการใช้งานแบตเตอรี่เป็น mAh (มิลลิแอมป์ชั่วโมง) ตัวอย่างเช่น หากแบตเตอรี่มีพิกัดอยู่ที่ 190 mAh ก็จะใช้งานได้นาน 190 ชั่วโมงในขณะที่ใช้กระแสไฟ 1.0 mA

ปล่อยให้แหล่งกำเนิดรังสีตกบนเครื่องตรวจจับทำงานที่ความยาวคลื่น 780 นาโนเมตร โดยมีกำลังเฉลี่ย 1 มิลลิวัตต์ ความไวของตัวตรวจจับที่ความยาวคลื่นที่กำหนดคือ 0.5 A/W โฟโตปัจจุบันสามารถคำนวณได้โดยใช้สูตร:

ดังนั้นอายุการใช้งานแบตเตอรี่คือ:

หรือทำงานต่อเนื่อง 16 วัน ด้วยการลดพลังงานเฉลี่ยของการแผ่รังสีตกกระทบลงเหลือ 10 μW อายุการใช้งานของแบตเตอรี่เดียวกันจะเพิ่มขึ้นเป็น 4 ปีของการทำงานต่อเนื่อง เมื่อใช้การยุติ 50 โอห์มที่แนะนำ โฟโตปัจจุบัน (0.5 mA) จะถูกแปลงเป็นแรงดันไฟฟ้า: หากกำลังตกกระทบลดลงเหลือ 40 μW แรงดันเอาต์พุตจะกลายเป็น 1 mW สำหรับอุปกรณ์ตรวจวัดบางประเภท ค่านี้อาจต่ำเกินไป ดังนั้นจึงต้องมีการประนีประนอมระหว่างอายุการใช้งานแบตเตอรี่และความแม่นยำในการวัด

เมื่อใช้เครื่องตรวจจับที่ใช้พลังงานจากแบตเตอรี่ จำเป็นต้องใช้การแผ่รังสีความเข้มต่ำ โดยคำนึงถึงระดับแรงดันไฟฟ้าขั้นต่ำที่ต้องการ สิ่งสำคัญคือต้องจำไว้ว่าแบตเตอรี่จะไม่หยุดผลิตกระแสไฟฟ้าทันทีเมื่อใกล้หมดอายุการใช้งาน ขั้นแรกแรงดันไฟฟ้าของแบตเตอรี่จะลดลงและ ศักย์ไฟฟ้าเมื่อนำไปใช้กับโฟโตไดโอดจะลดลง ซึ่งจะส่งผลให้เวลาตอบสนองของเครื่องตรวจจับเพิ่มขึ้นและแบนด์วิธลดลง

ดังนั้นจึงเป็นสิ่งสำคัญที่จะต้องแน่ใจว่าแบตเตอรี่มีแรงดันไฟฟ้าเพียงพอเพื่อให้เครื่องตรวจจับทำงานได้อย่างมีประสิทธิภาพสูงสุด

สำหรับการใช้งานที่อุปกรณ์ตรวจจับได้รับการฉายรังสีอย่างต่อเนื่องโดยแหล่งพลังงานสูงเพียงพอ หรือการเปลี่ยนแบตเตอรี่อย่างต่อเนื่องเป็นสิ่งที่ยอมรับไม่ได้ บริษัท ธอร์แล็บส์มีอะแดปเตอร์และแหล่งจ่ายไฟ ข้อเสียของตัวเลือกนี้คือสัญญาณรบกวนที่จะถูกเพิ่มให้กับสัญญาณเอาท์พุตและอาจเพิ่มข้อผิดพลาดในการวัด

เครื่องตรวจจับลีดซัลไฟด์ (PbS) และลีดซีลีไนด์ (PbSe) ถูกนำมาใช้กันอย่างแพร่หลายในการตรวจจับรังสีในช่วง 1,000 ถึง 4,800 นาโนเมตร ในขณะที่โฟโตไดโอดสร้างกระแสไฟฟ้าเมื่อสัมผัสกับแสง โฟโตรีซีสเตอร์จะเปลี่ยนค่าความต้านทานเมื่อสัมผัสกับแสง แม้ว่าเครื่องตรวจจับ PbS และ PbSe จะสามารถใช้ได้ก็ตาม อุณหภูมิห้องความผันผวนของอุณหภูมิจะส่งผลต่อความต้านทานความมืด ความไว และประสิทธิภาพของอุปกรณ์

หลักการทำงาน

เมื่อแสงถูกดูดซับ พาหะประจุส่วนเกินจะปรากฏในวัสดุโฟโตคอนดักทีฟ ส่งผลให้ค่าการนำไฟฟ้าเพิ่มขึ้นและความต้านทานลดลง การเปลี่ยนความต้านทานจะเปลี่ยนแรงดันไฟฟ้าที่วัดได้ ในรูป มีการนำเสนอแผนภาพที่สะท้อนถึงหลักการทำงานของเครื่องตรวจจับโดยพิจารณาจากวัสดุโฟโตคอนดักทีฟ ควรสังเกตว่าไม่แนะนำให้ใช้วงจรที่นำเสนอสำหรับการใช้งานจริงเนื่องจากมีสัญญาณรบกวนความถี่ต่ำ

กลไกการตรวจจับจะขึ้นอยู่กับการนำไฟฟ้าของฟิล์มบางขององค์ประกอบที่ไวต่อแสง สัญญาณที่เอาต์พุตของตัวตรวจจับในกรณีที่ไม่มีรังสีตกกระทบจะถูกกำหนดโดยสมการ:

การเปลี่ยนแปลงแรงดันไฟฟ้าที่เอาต์พุต ΔV OUT เกิดขึ้นเนื่องจากการเปลี่ยนแปลงความต้านทาน ΔR มืดเมื่อแสงตกกระทบบริเวณแอคทีฟของเซ็นเซอร์:

การตอบสนองความถี่

สำหรับเครื่องตรวจจับ การขึ้นอยู่กับความไวของความถี่การปรับแสงมีรูปแบบ:

โดยที่ f c คือความถี่มอดูเลต R 0 คือความไวที่ความถี่ 0 Hz, τ r คือเวลาที่เพิ่มขึ้น

ผลกระทบของอุณหภูมิ

องค์ประกอบที่ไวต่อแสงของเครื่องตรวจจับ PbS และ PbSe คือฟิล์มบางบนพื้นผิวแก้ว รูปร่างและบริเวณที่ทำงานขององค์ประกอบโฟโตคอนดักทีฟจะเปลี่ยนไปขึ้นอยู่กับสภาพการทำงาน ซึ่งส่งผลให้คุณลักษณะอื่นๆ เปลี่ยนไป โดยเฉพาะอย่างยิ่งความไวของเครื่องตรวจจับจะแตกต่างกันไปขึ้นอยู่กับอุณหภูมิในการทำงาน

การระบายความร้อนของเครื่องตรวจจับจะเปลี่ยนช่วงความไวของสเปกตรัมเป็นความยาวคลื่นที่ยาวขึ้น เพื่อผลลัพธ์ที่ดีที่สุด ขอแนะนำให้ใช้เครื่องตรวจจับที่นำเสนอภายใต้สภาพแวดล้อมที่มีการควบคุม

แผนภาพวงจรของเครื่องตรวจจับโดยใช้วัสดุโฟโตคอนดักทีฟพร้อมเครื่องขยายเสียง

เนื่องจากลักษณะของสัญญาณรบกวน จึงควรรวมโฟโตรีซีสเตอร์ไว้ในวงจร เครื่องปรับอากาศ- เมื่อโฟโตรีซีสเตอร์เชื่อมต่อกับวงจร DC สัญญาณรบกวนที่เกิดจากแรงดันไฟฟ้าที่ใช้จะเพิ่มขึ้นตามแรงดันไฟฟ้าที่เพิ่มขึ้น ซึ่งจะจำกัดความไวของเครื่องตรวจจับ เพื่อรักษาเสถียรภาพของคุณลักษณะและรับค่าเกนของสัญญาณที่สูง จำเป็นต้องใช้ปรีแอมพลิฟายเออร์

ตามแผนภาพ (รูปที่ด้านบน) แอมพลิฟายเออร์สำหรับการดำเนินงาน (op-amp) พยายามทำให้ศักย์ไฟฟ้าเท่ากันที่จุด A และ B โดยใช้ลูปป้อนกลับ ความแตกต่างของแรงดันไฟฟ้าที่อินพุตของ op-amp จะถูกขยายและส่งไปยังเอาต์พุต ควรสังเกตว่าตัวกรองความถี่สูงผ่านที่อินพุตของเครื่องขยายเสียงไม่ส่งสัญญาณ DC นอกจากนี้ ความต้านทานโหลดจะต้องเท่ากับความต้านทานความมืดของเครื่องตรวจจับเพื่อให้แน่ใจว่าได้รับสัญญาณสูงสุด แรงดันไฟฟ้าของแหล่งจ่ายไฟ (+V) จะต้องทำให้อัตราส่วนสัญญาณต่อเสียงรบกวนเหมาะสมที่สุดและเข้าใกล้ความเป็นเอกภาพ งานบางอย่างต้องการมากกว่านี้ ระดับสูงแรงดันไฟฟ้าซึ่งจะเพิ่มระดับเสียงรบกวน แรงดันไฟขาออกถูกกำหนดโดยสูตร:

อัตราส่วนสัญญาณต่อเสียงรบกวน

เนื่องจากระดับเสียงของเครื่องตรวจจับแปรผกผันกับความถี่มอดูเลตของสัญญาณ สัญญาณรบกวนจึงจะเพิ่มขึ้นที่ความถี่ต่ำ สัญญาณที่เอาท์พุตของตัวตรวจจับจะเพิ่มขึ้นเป็นเส้นตรงกับแรงดันไบแอสที่เพิ่มขึ้น แต่ลักษณะเฉพาะของสัญญาณรบกวนจะขึ้นอยู่กับแรงดันไบแอสในระดับต่ำเพียงเล็กน้อย เมื่อแรงดันไบอัสถึงระดับหนึ่ง สัญญาณรบกวนของเครื่องตรวจจับจะเริ่มเพิ่มขึ้นเป็นเส้นตรงกับแรงดันไฟฟ้าที่เพิ่มขึ้น ที่แรงดันไฟฟ้าสูง สัญญาณรบกวนจะเริ่มเพิ่มขึ้นแบบทวีคูณ ส่งผลให้อัตราส่วนสัญญาณต่อสัญญาณรบกวนลดลง เพื่อให้แน่ใจว่าระดับสัญญาณ/เสียงรบกวนเหมาะสมที่สุด จำเป็นต้องปรับความถี่มอดูเลตสัญญาณและแรงดันออฟเซ็ต

ต้านทานความมืด

ความต้านทานความมืดคือความต้านทานของเครื่องตรวจจับในกรณีที่ไม่มีแสง ควรสังเกตว่าความต้านทานความมืดจะเพิ่มขึ้นหรือลดลงตามการเปลี่ยนแปลงของอุณหภูมิ การระบายความร้อนของเครื่องตรวจจับจะลดค่าความต้านทานความมืด

ความสามารถในการตรวจจับ (D) และความสามารถในการตรวจจับเฉพาะ (D*)

การตรวจจับ (D) เป็นอีกหนึ่งปริมาณที่ใช้ในการประเมินประสิทธิภาพของเครื่องตรวจจับแสง ความสามารถในการตรวจจับมีลักษณะเฉพาะของความไวและเป็นสัดส่วนผกผันกับกำลังเทียบเท่าเสียง (NEP):

ยิ่งค่าการตรวจจับสูง ความไวก็จะยิ่งสูงขึ้น นั่นคือเครื่องตรวจจับสามารถบันทึกสัญญาณอ่อนได้ ความสามารถในการตรวจจับขึ้นอยู่กับความยาวคลื่นของโฟตอนที่ตกกระทบ

NEP ของเครื่องตรวจจับและความสามารถในการตรวจจับนั้นขึ้นอยู่กับพื้นที่ทำงาน ดังนั้นการเปรียบเทียบคุณสมบัติของเครื่องตรวจจับทั้งสองจึงไม่ใช่เรื่องง่าย เพื่อกำจัดการพึ่งพาอาศัยกันนี้ ให้ใช้ความสามารถในการตรวจจับเฉพาะ (D*) ซึ่งไม่ได้ขึ้นอยู่กับพื้นที่ของเครื่องตรวจจับ และใช้ในการประเมินประสิทธิภาพของเครื่องตรวจจับแสง ในสมการด้านล่าง A คือพื้นที่ของบริเวณที่ไวต่อแสง

เซ็นเซอร์ที่ไวต่อตำแหน่งแบบสองมิติ

ทบทวน

เซ็นเซอร์ที่ไวต่อตำแหน่งแบบสองมิติสามารถวัดตำแหน่ง ระยะการเคลื่อนที่ หรือมุมตกกระทบของลำแสง และยังสามารถใช้เป็นข้อมูลป้อนกลับในระบบการจัดตำแหน่ง เช่น เพื่อควบคุมตำแหน่งของกระจก การโฟกัสด้วยกล้องจุลทรรศน์ เป็นต้น เครื่องตรวจจับจะกำหนดตำแหน่งของจุดไฟโดยพิจารณาจากการกระจายตามสัดส่วนของกระแสโฟโตปัจจุบันที่สร้างขึ้น ณ จุดที่เกิดลำแสง เซ็นเซอร์ที่ไวต่อตำแหน่งแบบสองมิติมีสองประเภท: อิเล็กโทรดสองทางและอิเล็กโทรดสี่ทาง

เซ็นเซอร์ที่มีอิเล็กโทรดสองด้านจะมีชั้นต้านทานสะสมอยู่ทั้งสองด้านของวัสดุพิมพ์ เซ็นเซอร์มีเอาต์พุตสี่ช่อง โฟโตปัจจุบันถูกกระจายออกเป็นสองอินพุตและสองส่วนประกอบเอาต์พุต การกระจายกระแสเอาต์พุตจะกำหนดตำแหน่งของพิกัด Y และการกระจายกระแสอินพุตจะกำหนดพิกัด X ของตำแหน่งลำแสง

เซ็นเซอร์ที่มีการจัดเรียงอิเล็กโทรดสี่ด้านจะมีชั้นต้านทานที่ละเอียดอ่อนหนึ่งชั้นซึ่งอยู่ที่ด้านหนึ่งของวัสดุพิมพ์ เซ็นเซอร์ดังกล่าวมีราคาถูกกว่าเซ็นเซอร์ที่มีอิเล็กโทรดสองด้านมาก อย่างไรก็ตาม ความเป็นเส้นตรงของการตอบสนองของเซนเซอร์เหล่านี้จะลดลงเมื่อลำแสงเคลื่อนที่ออกจากศูนย์กลาง นี่เป็นเพราะตำแหน่งของแอโนดตามแนวเส้นรอบวงของเซ็นเซอร์ โดยเฉพาะอย่างยิ่งความไม่เชิงเส้นจะสังเกตเห็นได้ชัดเจนที่มุมของเซ็นเซอร์ โดยที่แอโนดเข้าใกล้กัน บริษัท ธอร์แล็บส์ใช้เซ็นเซอร์รุ่นใดรุ่นหนึ่งที่มีการจัดเรียงอิเล็กโทรดสี่ด้าน - เซ็นเซอร์ที่มีรูปร่างเป็น "แผ่น" แบบจำลองของเซ็นเซอร์ดังกล่าวแสดงในรูปด้านบน แอโนดจะเคลื่อนไปที่มุมของเซ็นเซอร์ รูปร่างหยิกอิเล็กโทรดจะชดเชยการบิดเบือนของสัญญาณใกล้กับเส้นรอบวง รุ่นนี้มีความเป็นเชิงเส้นที่ระดับเซ็นเซอร์ที่มีอิเล็กโทรดสองด้าน แต่มีต้นทุนที่ต่ำกว่ามาก

หลักการคำนวณตำแหน่งลำแสง

เครื่องตรวจจับ PDP90A จากบริษัท ธอร์แล็บส์มีวงจรสำหรับคำนวณ Δx, Δy และผลรวมของสัญญาณตามสูตร:

ตามสูตรเหล่านี้ หน่วยระยะทางสามารถคำนวณได้โดยใช้สมการ:

โดยที่ x และ y คือระยะห่างจากจุดศูนย์กลางถึงขอบของเซนเซอร์ Lx และ Ly คือขนาดลักษณะเฉพาะของชั้นต้านทาน สำหรับเครื่องตรวจจับ PDP90A Lx = Ly = 10 มม. ควรสังเกตว่าขนาดของชั้นต้านทานไม่ตรงกับขนาดของพื้นที่แอคทีฟของเซ็นเซอร์ พื้นที่ใช้งานจะแสดงเป็นสีเทาในรูป

ข้อผิดพลาดตำแหน่ง

แตกต่างจากเซ็นเซอร์ควอแดรนท์ซึ่งต้องมีการทับซ้อนกันของพื้นที่ทำงานทั้งสี่จุด เซ็นเซอร์ที่นำเสนอทำให้สามารถรับข้อมูลเกี่ยวกับตำแหน่งของลำแสงที่จุดใดก็ได้ของเครื่องตรวจจับ โดยไม่คำนึงถึงรูปร่าง ขนาด และการกระจายพลังงานในลำแสง เซ็นเซอร์จะกำหนดตำแหน่งของจุดศูนย์กลางของจุดแสงตราบใดที่จุดนั้นยังอยู่บนพื้นที่ที่ไวต่อแสง หากส่วนหนึ่งของจุดแสงหลุดออกจากพื้นผิวที่ไวต่อแสง จะทำให้ศูนย์กลางขยับและการวัดจะไม่น่าเชื่อถือ

ระดับแสงสว่างโดยรอบอาจทำให้เกิดข้อผิดพลาดในการวัดตำแหน่งลำแสงได้ เพื่อลดข้อผิดพลาด ควรทำการวัดในที่มืดจะดีกว่า การใช้เลนส์โฟกัสและรูรับแสงจะช่วยลดข้อผิดพลาดที่เกี่ยวข้องกับแสงโดยรอบด้วย

การอนุญาต

ความละเอียดของเครื่องตรวจจับที่ไวต่อตำแหน่งคือการกระจัดขั้นต่ำที่ตรวจพบได้ของจุดแสงบนพื้นผิวเซ็นเซอร์ ความละเอียด (ΔR) ขึ้นอยู่กับทั้งขนาดของชั้นต้านทาน (L x หรือ L y) และอัตราส่วนสัญญาณต่อเสียงรบกวน (S/N) อัตราส่วนสัญญาณต่อเสียงรบกวนของระบบนี้สามารถกำหนดเป็นอัตราส่วนของผลรวมของสัญญาณเอาท์พุต (V o) ต่อแรงดันเสียงรบกวน (e n) สัญญาณรบกวนเอาท์พุตของเครื่องตรวจจับ PDP90A คือ<2 мВ (двойная амплитуда сигнала) или 300 мкВ (среднеквадратичное значение).

ที่ไหน

∆R – ความละเอียด

Lx คือขนาดลักษณะของชั้นต้านทาน

e n - แรงดันเสียงรบกวนที่เอาต์พุตของเครื่องตรวจจับ

Vo – ผลรวมของแรงดันเอาต์พุต

สำหรับเครื่องตรวจจับ PDP90A:

เพื่อให้ได้ผลลัพธ์ที่ดีที่สุด ค่า V o จะต้องเพิ่มเป็น 4 V ซึ่งจะทำให้ความละเอียดของตัวตรวจจับอยู่ที่ 0.750 µm ในการทำเช่นนี้จำเป็นต้องตรวจสอบสัญญาณเอาต์พุตทั้งหมด (SUM) ของเซ็นเซอร์และปรับความเข้มของการแผ่รังสีที่ตกกระทบไปพร้อม ๆ กันจนกระทั่งแรงดันเอาต์พุตถึง 4 V แรงดันไฟฟ้าที่มากกว่า 4 V จะทำให้ระบบอิ่มตัวและด้วยเหตุนี้ ถึงข้อผิดพลาดในการวัด ซอฟต์แวร์ที่ให้มาช่วยให้คุณตรวจสอบระดับแรงดันไฟฟ้าได้อย่างง่ายดาย หากแรงดันไฟฟ้ารวมสูงกว่าระดับความอิ่มตัว แถบเลื่อนที่แสดงระดับแรงดันไฟฟ้าทั้งหมดจะเปลี่ยนเป็นสีแดง ในกรณีนี้ จำเป็นต้องลดความเข้มของรังสีลงจนถึงระดับที่สีของแถบเลื่อนเปลี่ยนเป็นสีเขียว ค่านี้จะสอดคล้องกับแรงดันเอาต์พุต 4 V

ตัวตรวจจับที่ไวต่อตำแหน่งโดยยึดตามโฟโตไดโอดแบบควอดรันต์

เซ็นเซอร์ของเครื่องตรวจจับดังกล่าวประกอบด้วยโฟโตไดโอดควอแดรนท์ที่เหมือนกันสี่ตัว ซึ่งแยกจากกันด้วยช่องว่างประมาณ ~0.1 มม. และรวมกันเป็นโซนการตรวจจับแบบวงกลมเพื่อกำหนดตำแหน่งของลำแสงตกกระทบ (ในรูปแบบ 2D) เมื่อแสงตกกระทบเซ็นเซอร์ โฟโตกระแสจะถูกสร้างขึ้นในแต่ละพื้นที่ (ในรูปที่ Q1, Q2, Q3 และ Q4) จากสัญญาณเหล่านี้ สัญญาณความแตกต่างจะถูกคำนวณโดยใช้ ADC ผลรวมของสัญญาณทั้งสี่จะถูกคำนวณเพื่อทำให้เป็นมาตรฐานด้วย พิกัดปกติ (X, Y) ของตำแหน่งลำแสงถูกกำหนดโดยใช้สมการ:

หากลำแสงสมมาตรตกที่ศูนย์กลางของเซนเซอร์ ระบบจะบันทึกโฟโตกระแสที่เหมือนกัน 4 ตัวที่เอาท์พุต กล่าวคือ สัญญาณความแตกต่างจะเท่ากับ 0 และพิกัดปกติ (X, Y) = (0, 0) โฟโตเคอร์เนลจะเปลี่ยนไปหากลำแสงถูกเลื่อนสัมพันธ์กับจุดศูนย์กลาง ในกรณีนี้กระแสความแตกต่างจะไม่เป็น 0

เครื่องตรวจจับโฟโตไดโอด Quadrant มีความแม่นยำมากและเหมาะสำหรับระบบการจัดตำแหน่งอัตโนมัติ อย่างไรก็ตามจำเป็นต้องตรวจสอบการกระจายรูปร่างและความเข้มในลำแสงเพราะว่า ตัวตรวจจับประเภทนี้ไวต่อพารามิเตอร์เหล่านี้ สำหรับคานที่การกระจายกำลังไม่ใช่แบบเกาส์เซียน จุดศูนย์กลางจะพิจารณาจากการกระจายกำลัง (ไม่ใช่จุดศูนย์กลางลำแสงเรขาคณิต) สำหรับคานดังกล่าวควรใช้เครื่องตรวจจับที่อธิบายไว้ในย่อหน้าก่อนหน้า

โฟโตไดโอดถล่มในโหมดไกเกอร์มีความสามารถในการตรวจจับโฟตอนเดี่ยว ความไวที่ระดับโฟตอนเดียวสามารถทำได้โดยการเพิ่มแรงดันไบแอสให้สูงกว่าแรงดันพังทลาย (จุด A ในรูปที่ 4) โฟตอนถล่มจะยังคงอยู่ในสถานะแพร่กระจายได้จนกว่าโฟตอนจะถูกดูดซับ ทำให้เกิดหิมะถล่ม (จุด B) หิมะถล่มนี้ถูกทำให้หมาด ๆ โดยวงจรการทำให้หมาด ๆ ที่ใช้งานอยู่ในโฟโตไดโอด (จุด C) ซึ่งจะลดแรงดันไบแอสให้มีค่าต่ำกว่าแรงดันพังทลาย (V BR)

รูปที่ 4:คุณลักษณะแรงดันไฟฟ้าปัจจุบันของโฟโตไดโอดถล่มในโหมดไกเกอร์

จากนั้นจะสามารถคืนค่าแรงดันไบแอสสูงได้ ในระหว่างกระบวนการนี้ ซึ่งเรียกว่าเวลาตายของไดโอด โฟโตไดโอดถล่มจะไม่ไวต่อโฟตอนที่ตกกระทบใดๆ เมื่อไดโอดอยู่ในสถานะที่สามารถแพร่กระจายได้ อาจเกิดหิมะถล่มได้เอง หากการก่อตัวของหิมะถล่มเกิดขึ้นเองอย่างวุ่นวาย สัญญาณที่บันทึกไว้จะเรียกว่าการนับความมืด หากการก่อตัวของหิมะถล่มที่เกิดขึ้นเองนั้นมีความสัมพันธ์ตามเวลากับพัลส์จากโฟตอนที่ตกกระทบ สัญญาณดังกล่าวจะเรียกว่าอาฟเตอร์พัลส์ เพื่อหลีกเลี่ยงการบันทึกอาฟเตอร์พัลส์ในระหว่างการวัด คุณสามารถป้อนเวลาตายเพิ่มเติมโดยทางโปรแกรมได้ (โดยใช้ซอฟต์แวร์) ซึ่งจะทำให้ตัวนับละเว้นพัลส์ทั้งหมดที่เกิดขึ้นในช่วงเวลานี้

ลักษณะและแนวคิดพื้นฐาน

โหมดไกเกอร์

ในโหมดนี้ ไดโอดจะทำงานที่แรงดันไบแอสสูงกว่าแรงดันพังทลาย ดังนั้นคู่อิเล็กตรอนที่มีรูคู่เดียว (เกิดจากการดูดกลืนโฟตอนหรือความผันผวนของความร้อน) สามารถกระตุ้นให้เกิดกระบวนการหิมะถล่มได้

อัตราการนับความมืด

เป็นค่าเฉลี่ยของจำนวนที่บันทึกไว้ในกรณีที่ไม่มีรังสีตกกระทบ ซึ่งกำหนดอัตราการนับขั้นต่ำที่สัญญาณที่บันทึกไว้มีสาเหตุหลักมาจากโฟตอนจริง การตรวจจับโฟตอนปลอมมีสาเหตุหลักมาจากความผันผวนของความร้อน ดังนั้นจึงสามารถหลีกเลี่ยงได้โดยใช้เครื่องตรวจจับที่ระบายความร้อน

การเว้นว่างที่ใช้งานอยู่เกิดขึ้นเมื่อเครื่องแยกแยะตรวจพบการเกิดขึ้นของกระแสหิมะถล่มและลดแรงดันไบแอสลงอย่างรวดเร็วเป็นค่าที่ต่ำกว่าแรงดันพังทลาย ในการเตรียมการบันทึกโฟตอนถัดไป แรงดันไบแอสจะเพิ่มขึ้นอีกครั้งเป็นค่าที่สูงกว่าแรงดันพังทลาย

เวลาตายคือช่วงเวลาที่อุปกรณ์ตรวจจับจำเป็นต้องกู้คืนสถานะที่สามารถบันทึกเหตุการณ์ได้โดยไม่ผิดเพี้ยน ในช่วงเวลานี้ เขาไม่เห็นโฟตอนของเหตุการณ์ ส่วนของเวลาตายที่เกี่ยวข้องกับวงจรดับที่ทำงานอยู่สามารถกำหนดเป็นอัตราส่วนที่ส่งผ่านไปยังโฟตอนที่ตกกระทบ

อาฟเตอร์พัลส์

ในระหว่างกระบวนการหิมะถล่ม ประจุบางส่วนอาจถูกดักจับไว้ เมื่อปล่อยออกมา ประจุเหล่านี้อาจทำให้เกิดหิมะถล่มได้ "เหตุการณ์เท็จ" เหล่านี้เรียกว่าอาฟเตอร์พัลส์ อายุการใช้งานของประจุที่ติดอยู่นั้นอยู่ที่ประมาณหนึ่งในสิบของไมโครวินาที ผลที่ตามมา การเกิดอาฟเตอร์พัลส์จึงมีแนวโน้มมากขึ้นทันทีหลังจากการเต้นของชีพจรจากโฟตอนจริง

เครื่องตรวจจับแสงรุ่นพื้นฐานจาก Thorlabs

ตารางแสดงรุ่นเครื่องตรวจจับแสงจากบริษัท ธอร์แล็บส์โมเดลที่อยู่ในแถวเดียวกันจะมีองค์ประกอบไวแสงเหมือนกัน

ช่วงความยาวคลื่นปฏิบัติการ	วัสดุ
					โฟโตไดโอดที่ปรับเทียบแล้ว ที่อยู่อาศัย b TO-46 หลักการทำงาน นับตั้งแต่เปิดตัวเครื่องคูณด้วยแสงเชิงพาณิชย์เครื่องแรกในปี พ.ศ. 2483 อุปกรณ์ตรวจจับประเภทนี้ยังคงเป็นหนึ่งในอุปกรณ์ที่ได้รับความนิยมมากที่สุดสำหรับการทดลองที่ต้องใช้เวลาตอบสนองที่รวดเร็วและมีความไวสูง ในปัจจุบัน ตัวคูณด้วยแสงเป็นสิ่งที่ขาดไม่ได้เมื่อดำเนินการวิจัยในสาขาเคมีวิเคราะห์ ฟิสิกส์ของอนุภาค ดาราศาสตร์ ฟิสิกส์อะตอมและโมเลกุล ตลอดจนในการแพทย์และการควบคุมกระบวนการทางอุตสาหกรรม หลอดโฟโตมัลติพลายเออร์ (PMT) เป็นเครื่องตรวจจับที่มีความไวสูงและกำลังขยายสูง ซึ่งกระแสไฟเอาท์พุตเป็นสัดส่วนกับรังสีที่ตกกระทบ เครื่องคูณแสงด้วยแสงประกอบด้วยหลอดสุญญากาศแก้วที่ประกอบด้วยโฟโตแคโทด (วัสดุเปล่งแสง) ไดโนด 8-14 ตัว (การปล่อยแสงทุติยภูมิ) และขั้วบวก (ตัวสะสมอิเล็กตรอนทุติยภูมิ) หากโฟตอนที่มีพลังงานสูงเพียงพอ (นั่นคือ มีพลังงานมากกว่าพลังงานยึดเหนี่ยวของอิเล็กตรอนของวัสดุโฟโตแคโทด) ตกลงบนโฟโตแคโทด โฟโตแคโทดนั้นจะถูกดูดซับและปล่อยอิเล็กตรอนออกมา (เอฟเฟกต์โฟโตอิเล็กทริก) เนื่องจากศักยภาพของไดโนดตัวแรกนั้นสูงกว่าศักยภาพบนแคโทด (ความต่างศักย์ถูกสร้างขึ้นระหว่างองค์ประกอบเหล่านี้) อิเล็กตรอนที่ปล่อยออกมาจะถูกเร่งในสนามไฟฟ้าและมุ่งตรงไปยังระบบไดโนด ซึ่งเนื่องมาจากทุติยภูมิ (ผลกระทบ) การปล่อยอิเล็กตรอน จะเกิดหิมะถล่มของอิเล็กตรอน เพิ่มขึ้นจากไดโนดหนึ่งไปอีกไดโนด มาถึงขั้วบวก ตามกฎแล้ว ไดโนดแต่ละตัวมีศักยภาพที่สูงกว่าศักยภาพของไดโนดครั้งก่อน 100 - 200 V กระแสแอโนดจะถูกแปลงเป็นแรงดันไฟฟ้าโดยการเชื่อมต่อโหลดที่มีความต้านทานต่ำเข้ากับวงจรระหว่างแอโนดและกราวด์ FEU และจากบริษัท ธอร์แล็บส์ใช้เครื่องขยายสัญญาณทรานส์อิมพีแดนซ์ (TIA) เพื่อแปลงกระแสเพลต (nA หรือ µA) เป็นแรงดันไฟฟ้า (mV หรือ V) โมดูล และไม่มีเครื่องขยายสัญญาณทรานส์อิมพีแดนซ์ ตัวอย่างเช่น ถ้า PMT ประกอบด้วยไดโนด 8 ตัว ดังแสดงในรูปที่ 1 ด้านล่างและอิเล็กตรอนแต่ละตัวนำไปสู่การปรากฏตัวของอิเล็กตรอนทุติยภูมิ 4 ตัว ดังนั้นกระแสขยายหลังจากระบบไดโนดจะเท่ากับ 4 8 data 66,000 ในตัวอย่างที่ให้มา โฟโตอิเล็กตรอนแต่ละตัวจะมีลักษณะเป็นหิมะถล่มโดยมีประจุ Q = 4 8 e ซึ่งมาถึงขั้วบวก พัลส์แรงดันไฟฟ้าเท่ากับ V = Q/C = 4 8 e /C โดยที่ C คือความจุของขั้วบวก หากความจุเป็น 5 pF แรงดันพัลส์เอาท์พุตจะเป็น 2.1 mV ความไวของสเปกตรัม เมื่อเลือก PMT คุณต้องใส่ใจกับวัสดุโฟโตแคโทดเพราะว่า มันกำหนดขีดจำกัดคลื่นยาวของความไวสเปกตรัม ขอบเขตความยาวคลื่นสั้นถูกกำหนดโดยวัสดุหน้าต่าง ปัจจุบัน photomultipliers ประเภทต่างๆ ได้รับการผลิตขึ้นเพื่อให้ทำงานในช่วงตั้งแต่ UV ไปจนถึง IR โดยใช้วัสดุโฟโตแคโทดที่แตกต่างกัน ซึ่งแต่ละประเภทได้รับการออกแบบมาให้ทำงานในช่วงสเปกตรัมเฉพาะ ประสิทธิภาพควอนตัม (QE) คือค่าที่แสดงเป็น % ซึ่งแสดงถึงความสามารถของตัวคูณแสงในการแปลงโฟตอนที่ตกกระทบให้เป็นอิเล็กตรอน เช่น QE อยู่ที่ 20% ซึ่งหมายความว่าหนึ่งใน 5 โฟตอนที่ตกกระทบบนโฟโตแคโทดจะผลิตโฟโตอิเล็กตรอน สำหรับปัญหาการนับโฟตอน แนะนำให้ใช้ตัวคูณแสงที่มีประสิทธิภาพควอนตัมสูง เนื่องจาก QE ขึ้นอยู่กับความยาวคลื่น จึงจำเป็นต้องเลือก PMT ที่มีประสิทธิภาพควอนตัมสูงสุดในช่วงสเปกตรัมที่สนใจ ควรสังเกตว่าตามกฎแล้วโฟโตแคโทดสำหรับบริเวณที่มองเห็นได้ของสเปกตรัมจะมี QE<30%. ประสิทธิภาพควอนตัมของโฟโตมัลติพลายเออร์สามารถคำนวณได้โดยใช้สูตร: โดยที่ S คือความไวอินทิกรัล [A/W] แลมคือความยาวคลื่น [nm] การกำหนดค่า PMT มีการกำหนดค่า PMT หลักสองแบบ: หน้าต่างทางเข้าจะอยู่ที่ปลายหรือผนังด้านข้างของกระติกน้ำสุญญากาศ ในกรณีที่หน้าต่างอินพุตอยู่ที่ส่วนท้าย PMT จะติดตั้งโฟโตแคโทดโปร่งแสงและมีลักษณะเฉพาะด้วยพื้นที่แอคทีฟขนาดใหญ่ ความสม่ำเสมอเชิงพื้นที่ และประสิทธิภาพที่สูงขึ้นในพื้นที่สีน้ำเงินและสีเขียวของสเปกตรัม การกำหนดค่านี้เหมาะสำหรับการใช้งานที่ต้องการความไวสเปกตรัมกว้าง เช่น สเปกโทรสโกปี PMT ที่หน้าต่างด้านข้างใช้โฟโตแคโทดทึบแสง ซึ่งเป็นโครงร่างที่ใช้กันมากที่สุดสำหรับการใช้งาน UV และ IR การกำหนดค่าหน้าต่างด้านข้างมีราคาถูกกว่าการกำหนดค่าหน้าต่างท้าย และมักใช้สำหรับการใช้งานที่ต้องการประสิทธิภาพควอนตัมสูง เช่น การวัดการเรืองแสงวาบ ไดโนด 8-14 ตัวถูกจัดเรียงเป็นเส้นตรงหรือเป็นวงกลม ด้วยการจัดเรียงเชิงเส้น (ดังแสดงในรูป) PMT มีเวลาตอบสนองที่รวดเร็ว มีความละเอียดสูงและเป็นเส้นตรง ไดโนดถูกจัดเรียงเป็นวงกลมใน PMT ที่หน้าต่างด้านข้างและใน PMT ที่หน้าต่างท้ายบางอัน และระบบมีขนาดกะทัดรัดและเวลาตอบสนองที่รวดเร็ว ได้รับ PMT มีเอกลักษณ์เฉพาะตัวเนื่องจากสามารถขยายสัญญาณที่อ่อนมากจากโฟโตแคโทดไปยังระดับที่ตรวจพบได้เหนือสัญญาณรบกวนที่อ่านได้โดยไม่รบกวนสัญญาณรบกวนที่สำคัญ ไดโนดมีหน้าที่ในการขยายสัญญาณในโฟโตมัลติพลายเออร์ และอัตราขยายจะขึ้นอยู่กับแรงดันไฟฟ้าที่ใช้ PMT สามารถทำงานที่แรงดันไฟฟ้าที่สูงกว่าที่แนะนำโดยผู้ผลิต ในขณะที่ให้อัตราขยายสูงกว่าที่ระบุไว้ในข้อมูลจำเพาะถึง 10-100 เท่า เมื่อทำงานในโหมดนี้ โฟโตมัลติพลายเออร์จะไม่ส่งผลกระทบเชิงลบหากกระแสแอโนดต่ำกว่าค่าสูงสุดที่อนุญาต กระแสมืด ในกรณีของ PMT ในอุดมคติ สัญญาณทั้งหมดที่ผลิตโดยโฟโตแคโทดเกิดจากการที่แสงเข้าสู่หลอด อย่างไรก็ตาม PMT จริงจะสร้างกระแสไฟฟ้าแม้ว่าจะไม่มีรังสีตกกระทบก็ตาม สัญญาณที่สร้างโดย PMT ในกรณีที่ไม่มีแสงเรียกว่ากระแสมืด สัญญาณนี้จะช่วยลดอัตราส่วนสัญญาณต่อเสียงรบกวนของ PMT ลงอย่างมาก กระแสมืดส่วนใหญ่มีสาเหตุมาจากการปล่อยความร้อนของอิเล็กตรอนจากโฟโตแคโทดและไดโนดสองสามตัวแรก และอีกส่วนหนึ่งเกิดจากรังสีคอสมิกและการแผ่รังสี โฟโตมัลติพลายเออร์ที่ออกแบบมาสำหรับการใช้งานในพื้นที่สีแดงของสเปกตรัมจะมีค่ากระแสมืดที่สูงกว่าโฟโตมัลติพลายเออร์อื่นๆ เนื่องจากพลังงานการจับยึดของอิเล็กตรอนในโฟโตแคโทดต่ำ ซึ่งมีความไวในบริเวณสีแดงของสเปกตรัม การปล่อยความร้อนขึ้นอยู่กับอุณหภูมิของโฟโตแคโทดและฟังก์ชันการทำงาน ซึ่งหมายความว่าการทำความเย็น PMT สามารถลดกระแสมืดได้อย่างมาก เมื่อใช้ PMT ที่ระบายความร้อนด้วยเทอร์โมอิเล็กทริก ควรหลีกเลี่ยงการควบแน่นที่หน้าต่างอินพุต เนื่องจากความชื้นจะลดปริมาณแสงที่ตกกระทบบนโฟโตแคโทด นอกจากนี้จำเป็นต้องหลีกเลี่ยงการระบายความร้อนมากเกินไปเนื่องจากอาจนำไปสู่ผลเสีย: ระดับสัญญาณหรือแรงดันไฟฟ้าที่แคโทดลดลงเพราะ ความต้านทานของฟิล์มแคโทดจะแปรผกผันกับอุณหภูมิ เวลาที่เพิ่มขึ้น สำหรับการทดลองที่ต้องการความละเอียดของเวลาสูง เวลาที่เพิ่มขึ้นควรสั้น เวลาที่เพิ่มขึ้นของพัลส์กระแสแอโนดมักถูกใช้เป็นคุณลักษณะของประสิทธิภาพ PMT ท้ายที่สุดแล้ว เวลาที่เพิ่มขึ้นของพัลส์จะถูกกำหนดโดยเวลาการแพร่กระจายของอิเล็กตรอนที่แตกต่างกัน มันแตกต่างกันด้วยเหตุผลหลายประการ ประการแรก ความเร็วเริ่มต้นของอิเล็กตรอนทุติยภูมิจะแตกต่างกัน เพราะ พวกมันถูกกระแทกออกจากตำแหน่งที่มีความลึกต่างกันในวัสดุไดโนด อิเล็กตรอนบางตัวที่ออกไปมีพลังงานเริ่มต้นที่ไม่เป็นศูนย์ ดังนั้นพวกมันจะไปถึงไดโนดถัดไปในเวลาที่สั้นกว่า เวลาในการบินของอิเล็กตรอนจะขึ้นอยู่กับความยาวของเส้นทางด้วย จากผลกระทบทั้งหมดนี้ เวลาที่เพิ่มขึ้นของพัลส์กระแสแอโนดจะลดลงตามแรงดันไฟฟ้าที่เพิ่มขึ้นเป็น V -1/2 ปัจจัยอื่นๆ เมื่อทำงานกับ PMT คุณต้องเลือกอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์ที่จะใช้อย่างระมัดระวัง แม้แต่ความผันผวนเล็กน้อยของแรงดันไฟฟ้าสูงที่ใช้ระหว่างแคโทดและแอโนดก็อาจส่งผลกระทบอย่างมากต่อสัญญาณเอาท์พุต นอกจากนี้ สภาพแวดล้อมยังส่งผลต่อประสิทธิภาพของ PMT อีกด้วย การเปลี่ยนแปลงของอุณหภูมิและความชื้น รวมถึงการสั่นสะเทือน ส่งผลเสียต่อประสิทธิภาพของ PMT โครงสร้างของ PMT ก็มีความสำคัญอย่างยิ่งเช่นกัน ไม่เพียงแต่ปกป้องท่อจากแสงภายนอกเท่านั้น แต่ยังช่วยลดอิทธิพลของสนามแม่เหล็กภายนอกอีกด้วย สนามที่มีการเหนี่ยวนำแม่เหล็กหลายเกาส์สามารถลดเกนได้ สิ่งนี้สามารถหลีกเลี่ยงได้โดยใช้เกราะแม่เหล็กที่ทำจากวัสดุที่มีการซึมผ่านของแม่เหล็กสูง

โฟโตไดโอดเป็นอุปกรณ์กึ่งตัวนำไฟฟ้าโซลาร์เซลล์ที่ใช้เอฟเฟกต์โฟโตอิเล็กทริคภายใน การออกแบบโฟโตไดโอดนั้นคล้ายคลึงกับการออกแบบโฟโตไดโอดแบบธรรมดา ข้อแตกต่างก็คือจุดเชื่อมต่อ p-n มีด้านหนึ่งหันไปทางหน้าต่างกระจกซึ่งมีแสงเข้ามา และได้รับการปกป้องจากแสงอีกด้านหนึ่ง โฟโตไดโอดสามารถทำงานได้หนึ่งในสองโหมด:

- ไม่มีแหล่งพลังงานไฟฟ้าภายนอก (วาล์วหรือเครื่องกำเนิดแสง โหมดไฟฟ้าโซลาร์เซลล์)

– ด้วยแหล่งพลังงานไฟฟ้าภายนอก (โฟโตไดโอดหรือโหมดโฟโตคอนเวอร์ชัน)

พิจารณาการทำงานของโฟโตไดโอดในโหมดวาล์ว วงจรการเชื่อมต่อจะแสดงในรูปที่ 8.7

รูปที่ 8.7. แผนภาพวงจรสำหรับเชื่อมต่อโฟโตไดโอดสำหรับการทำงานในโหมดเกต

ในกรณีที่ไม่มีฟลักซ์แสง ความต่างศักย์ไฟฟ้าหน้าสัมผัสจะถูกสร้างขึ้นที่ขอบเขตรอยต่อ p-n ตลอดช่วงการเปลี่ยนภาพ กระแสน้ำสองกระแสไหลเข้าหากัน - I dr และ I diff ซึ่งทำให้สมดุลซึ่งกันและกัน เมื่อจุดเชื่อมต่อ p-n ส่องสว่าง โฟตอนที่ผ่านเข้าไปในความหนาของเซมิคอนดักเตอร์ จะให้พลังงานแก่ส่วนหนึ่งของเวเลนซ์อิเล็กตรอนที่เพียงพอสำหรับการเปลี่ยนไปใช้แถบการนำไฟฟ้า กล่าวคือ เนื่องจากเอฟเฟกต์โฟโตอิเล็กทริคภายใน จึงทำให้เกิดคู่อิเล็กตรอน-รูเพิ่มเติม ภายใต้อิทธิพลของความต่างศักย์ไฟฟ้าสัมผัสของจุดเชื่อมต่อ p-n พาหะประจุส่วนน้อยของบริเวณ n - รู - จะเคลื่อนเข้าสู่บริเวณ p และประจุพาหะส่วนน้อยของบริเวณ p - อิเล็กตรอน - เข้าไปใน n -ภูมิภาค. กระแสดริฟท์ได้รับการเพิ่มขึ้นเพิ่มเติม เรียกว่า โฟโตปัจจุบัน การเคลื่อนตัวของพาหะส่วนน้อยทำให้เกิดการสะสมของรูส่วนเกินในบริเวณ p และอิเล็กตรอนในบริเวณ n สิ่งนี้นำไปสู่การสร้างความต่างศักย์ที่ขั้วโฟโตไดโอด เมื่อวงจรภายนอกเปิดอยู่ เรียกว่า photo-EMF Potential transition Barrier เช่นเดียวกับแรงดันไฟฟ้าไปข้างหน้า จะลดลงตามปริมาณ photo-EMF เรียกว่าแรงดันไฟฟ้าวงจรเปิด U xx เมื่อวงจรภายนอกเปิด การลดสิ่งกีดขวางที่อาจเกิดขึ้นจะเพิ่มค่า DI ของกระแสการแพร่กระจายของพาหะส่วนใหญ่ข้ามทางแยก มันมุ่งตรงไปยังกระแสโฟโตปัจจุบัน เนื่องจากสวิตช์เปิดอยู่ สมดุลทางอุณหพลศาสตร์ของกระแสจึงถูกสร้างขึ้นในโครงสร้าง:

ค่า photo-emf ต้องไม่เกินค่าความต่างศักย์หน้าสัมผัสของจุดเชื่อมต่อ p-n มิฉะนั้น เนื่องจากการชดเชยสนามสมบูรณ์ที่ทางแยก การแยกตัวพาที่สร้างด้วยแสงจึงหยุดลง ตัวอย่างเช่นสำหรับโฟโตไดโอดซีลีเนียมและซิลิคอน photo-emf จะสูงถึง 0.5...0.6 V สำหรับโฟโตไดโอดที่ทำจากแกลเลียมอาร์เซไนด์ - 0.87 V

เมื่อโหลดเชื่อมต่อกับโฟโตไดโอดที่มีแสงสว่าง (กุญแจถูกปิด) กระแสไฟฟ้าจะปรากฏขึ้นในวงจรไฟฟ้าเนื่องจากการดริฟท์ของพาหะส่วนน้อย ค่าของกระแสไฟฟ้าขึ้นอยู่กับ photo-EMF และความต้านทานโหลด กระแสสูงสุดที่โฟโตไดโอดส่องสว่างเดียวกันจะเป็นเมื่อความต้านทานของตัวต้านทานเป็นศูนย์ เช่น เมื่อโฟโตไดโอดลัดวงจร เมื่อความต้านทานของตัวต้านทานไม่เป็นศูนย์ กระแสในวงจรภายนอกของโฟโตไดโอดจะลดลง

กระแสที่ไหลผ่านโฟโตไดโอดสามารถเขียนได้ดังนี้:

ที่ฉัน f – กระแสไฟ;

ผม 0 – กระแสความร้อนของทางแยก p-n;

U คือแรงดันไฟฟ้าตกคร่อมไดโอด

เมื่อวงจรภายนอกเปิดอยู่ (R n =¥, I f รวม =0) จึงเป็นเรื่องง่ายที่จะแสดงแรงดันไฟฟ้าที่ช่วงเปลี่ยนผ่านระหว่างไม่มีโหลด ซึ่งเท่ากับ photo-EMF:

โฟโตไดโอดที่ทำงานในโหมดโฟโตเจนเนอเรเตอร์มักจะใช้เป็นแหล่งพลังงานที่แปลงพลังงานรังสีแสงอาทิตย์เป็นพลังงานไฟฟ้า

ในโหมดการทำงานของโฟโตไดโอดหรือโฟโตคอนเวอร์เตอร์ แหล่งพลังงานภายนอกจะถูกเปิดแบบอนุกรมพร้อมกับโฟโตไดโอด โดยไบแอสไดโอดไปในทิศทางตรงกันข้าม (รูปที่ 5.12)

รูปที่ 8.8 วงจรเชื่อมต่อโฟโตไดโอดสำหรับการทำงานในโหมดโฟโตไดโอด

ในกรณีที่ไม่มีฟลักซ์แสงและภายใต้การกระทำของแรงดันไฟฟ้าที่ใช้แบบย้อนกลับ กระแสย้อนกลับเริ่มต้นปกติ I o ซึ่งเรียกว่ามืดจะไหลผ่านโฟโตไดโอด กระแสมืดจำกัดค่าต่ำสุดของฟลักซ์การส่องสว่าง เมื่อโฟโตไดโอดส่องสว่าง ควอนตัมแสงจะดึงอิเล็กตรอนออกจากพันธะเวเลนซ์ของเซมิคอนดักเตอร์เพิ่มเติม ซึ่งจะเป็นการเพิ่มการไหลของตัวพาประจุส่วนน้อยผ่านทางรอยต่อ p-n ยิ่งฟลักซ์แสงตกกระทบบนโฟโตไดโอดมากเท่าใด ความเข้มข้นของพาหะประจุส่วนน้อยที่อยู่ใกล้กับชั้นกั้นก็จะยิ่งสูงขึ้น และโฟโตปัจจุบันก็จะยิ่งมากขึ้นซึ่งกำหนดโดยแรงดันไฟฟ้าของแหล่งกำเนิดภายนอกและฟลักซ์แสงจะไหลผ่านไดโอดมากขึ้น

ด้วยความต้านทานโหลด Rn และแรงดันไฟฟ้าที่เลือกอย่างถูกต้องกระแสนี้จะขึ้นอยู่กับการส่องสว่างของอุปกรณ์เท่านั้นและแรงดันไฟฟ้าตกคร่อมความต้านทานถือได้ว่าเป็นสัญญาณที่มีประโยชน์

โหมดโฟโตไดโอดมีลักษณะพิเศษคือความไวสูง ช่วงไดนามิกขนาดใหญ่ของการแปลงรังสีออปติคอล และประสิทธิภาพสูง (ความจุของอุปสรรคของจุดเชื่อมต่อ p-n ลดลง) ข้อเสียของโหมดการทำงานของโฟโตไดโอดคือกระแสมืดขนาดใหญ่ซึ่งขึ้นอยู่กับอุณหภูมิ

5.9. ลักษณะและพารามิเตอร์ของโฟโตไดโอด

โฟโตไดโอดอธิบายโดยลักษณะเฉพาะของแรงดันไฟฟ้า พลังงาน (แสง) สเปกตรัม และความถี่ที่แสดงในรูปที่ 1 8.9, 8.10.

หากแหล่งจ่ายแรงดันไฟฟ้าเชื่อมต่อกับโฟโตไดโอดที่ไม่มีแสงสว่าง ค่าและขั้วของค่านั้นสามารถเปลี่ยนแปลงได้ ดังนั้นคุณลักษณะแรงดันไฟฟ้ากระแสที่ได้รับจะมีรูปแบบเดียวกันกับคุณสมบัติของไดโอดเซมิคอนดักเตอร์ทั่วไป (รูปที่ 8.9a) เมื่อโฟโตไดโอดส่องสว่าง เฉพาะสาขาย้อนกลับของลักษณะแรงดันไฟฟ้าปัจจุบันเท่านั้นที่เปลี่ยนแปลงอย่างมีนัยสำคัญ ในขณะที่กิ่งข้างหน้าที่มีแรงดันไฟฟ้าค่อนข้างต่ำจะตรงกัน

รูปที่ 8.9. แผนภาพวงจรสำหรับเชื่อมต่อโฟโตไดโอดสำหรับการทำงานในโหมดเกต

ในควอแดรนท์ที่ 3 โฟโตไดโอดทำงานในโหมดโฟโตไดโอด และในควอแดรนท์ที่ 4 ในโหมดโฟโตวาล์ว และตาแมวจะกลายเป็นแหล่งพลังงานไฟฟ้า Quadrant I เป็นบริเวณที่ไม่ทำงานสำหรับโฟโตไดโอด ในจตุภาคนี้ จุดเชื่อมต่อ p-n จะมีอคติไปในทิศทางไปข้างหน้า

ลักษณะพลังงานของโฟโตไดโอดจะเชื่อมต่อโฟโตปัจจุบันกับฟลักซ์แสงที่ตกกระทบบนโฟโตไดโอด 8.9 ข. เมื่อโฟโตไดโอดทำงานในโหมดวาล์ว ลักษณะสเปกตรัมจะขึ้นอยู่กับความต้านทานของตัวต้านทานที่รวมอยู่ในวงจรภายนอกอย่างมีนัยสำคัญ เมื่อความต้านทานโหลดเพิ่มขึ้น คุณลักษณะจะบิดเบี้ยวมากขึ้นเรื่อยๆ และที่ความต้านทานสูงจะมีความอิ่มตัวที่เด่นชัด เมื่อโฟโตไดโอดทำงานในโหมดโฟโตไดโอด ลักษณะพลังงานจะเป็นเส้นตรง กล่าวคือ โฟโตแคริเออร์เกือบทั้งหมดมาถึงทางแยก p-n และมีส่วนร่วมในการก่อตัวของโฟโตปัจจุบัน

ลักษณะสเปกตรัมของโฟโตไดโอดนั้นคล้ายคลึงกับคุณลักษณะที่สอดคล้องกันของโฟโตรีซีสเตอร์และขึ้นอยู่กับวัสดุของโฟโตไดโอดและปริมาณของสิ่งเจือปน (รูปที่ 8.10a)

รูปที่ 8.10. การตอบสนองทางสเปกตรัม (a) และความถี่ของโฟโตไดโอด

โฟโตไดโอดซีลีเนียมมีลักษณะสเปกตรัมคล้ายกับรูปร่างที่ขึ้นอยู่กับสเปกตรัมของความไวของดวงตามนุษย์ โฟโตไดโอดเจอร์เมเนียมและซิลิคอนมีความไวทั้งในส่วนที่มองเห็นและอินฟราเรดของสเปกตรัมรังสี

การตอบสนองความถี่แสดงการเปลี่ยนแปลงของความไวรวมเมื่อความสว่างของฟลักซ์แสงเปลี่ยนไปตามความถี่การมอดูเลตที่แตกต่างกัน (รูปที่ 8.1, b) ประสิทธิภาพของโฟโตไดโอดมีลักษณะเฉพาะคือความถี่คัตออฟ ซึ่งความไวรวมจะลดลงตามปัจจัยของค่าความถี่ต่ำ

เพื่อเพิ่มความไวและความเร็วโฟโตไดโอดต่อไปนี้ได้รับการพัฒนา: มีสนามไฟฟ้าในตัว โฟโตไดโอดที่มีโครงสร้าง p – i – n; มีสิ่งกีดขวาง Schottky; โฟโตไดโอดถล่ม

โฟโตไดโอดที่มีสนามไฟฟ้าในตัวมีฐานที่เจือไม่เท่ากัน ซึ่งสร้างสนามไฟฟ้าภายในที่เร่งการเคลื่อนที่ของพาหะประจุส่วนน้อย

โฟโตไดโอดที่มีโครงสร้าง p – i – n มีความหนามากกว่าของบริเวณที่ตัวพาส่วนใหญ่หมดลง i-region มีความต้านทาน 10 6 ... 10 7 เท่ามากกว่าความต้านทานของบริเวณที่เจือด้วยชนิด n- และ p . สามารถใช้แรงดันไฟฟ้าย้อนกลับขนาดใหญ่กับทางแยกได้ และสนามไฟฟ้าจะสม่ำเสมอทั่วทั้งบริเวณ i การแผ่รังสีแสงตกกระทบจะถูกดูดซับโดยบริเวณ i ซึ่งมีสนามไฟฟ้าแรงสูง ซึ่งมีส่วนทำให้พาหะเคลื่อนตัวเข้าสู่บริเวณที่สอดคล้องกันอย่างรวดเร็ว

โฟโตไดโอดที่มีแผงกั้น Schottky ให้ประสิทธิภาพสูงเนื่องจากมีความต้านทานพื้นฐานขั้นต่ำ และไม่มีการสะสมและการดูดซับประจุส่วนเกิน ในโฟโตไดโอดถล่มการคูณตัวพาหิมะถล่มเกิดขึ้นในทางแยก p-n และด้วยเหตุนี้ความไวจึงเพิ่มขึ้นอย่างรวดเร็วความเร็วในการทำงานของพวกมันคือ f gr = 10 11 ... 10 12 Hz ไดโอดเหล่านี้ถือเป็นหนึ่งในองค์ประกอบที่มีแนวโน้มของออปโตอิเล็กทรอนิกส์

พารามิเตอร์โฟโตไดโอดมีดังนี้:

1. กระแสมืด I T - กระแสย้อนกลับเริ่มต้นที่ไหลผ่านไดโอดโดยไม่มีอคติภายนอกและการแผ่รังสีแสง (10...20 µA สำหรับเจอร์เมเนียมและ 1...2 µA สำหรับไดโอดซิลิคอน)

2. แรงดันไฟฟ้าขณะใช้งาน U p – แรงดันไฟฟ้าที่กำหนดที่ใช้กับโฟโตไดโอดในโหมดโฟโตไดโอด (U p =10...30 V)

3. ความไวอินทิกรัล S int แสดงให้เห็นว่าโฟโตปัจจุบันเปลี่ยนแปลงอย่างไรโดยการเปลี่ยนแปลงฟลักซ์การส่องสว่างเพียงครั้งเดียว:

4. ความถี่คัตออฟ f gr – ความถี่ที่ความไวอินทิกรัลลดลงตามปัจจัย (10 7 ... 10 12 Hz)

ลักษณะสำคัญของโฟโตไดโอดคือ คุณลักษณะของแรงดันไฟฟ้า แสง และสเปกตรัม

ลักษณะแรงดันไฟฟ้าปัจจุบัน- ในกรณีทั่วไป (สำหรับขั้ว U ใดๆ) กระแสโฟโตไดโอดจะอธิบายโดยนิพจน์ (1) การแสดงออกนี้แสดงถึงการพึ่งพาโฟโตไดโอดปัจจุบัน I f กับแรงดันไฟฟ้าบนโฟโตไดโอด U ที่ค่าต่าง ๆ ของฟลักซ์การแผ่รังสี Ф เช่น คือสมการสำหรับตระกูลคุณลักษณะแรงดันไฟฟ้ากระแสของโฟโตไดโอด กราฟของลักษณะเฉพาะของแรงดันกระแสจะแสดงในรูปที่ 1 1.7 .

ข้าว. 1.7 ลักษณะ IV ของโฟโตไดโอด

ตระกูลคุณลักษณะแรงดันไฟฟ้าปัจจุบันของโฟโตไดโอดอยู่ในจตุภาค I, III และ IV Quadrant I เป็นบริเวณที่ไม่ทำงานสำหรับโฟโตไดโอด: ใน Quadrant นี้ แรงดันไฟฟ้าโดยตรงจะถูกจ่ายไปที่จุดเชื่อมต่อ p-n และองค์ประกอบการแพร่กระจายของกระแสจะระงับโฟโตปัจจุบันโดยสิ้นเชิง (I p - n >> I f) การควบคุมด้วยแสงผ่านไดโอดจะเป็นไปไม่ได้

Quadrant III คือบริเวณโฟโตไดโอดของโฟโตไดโอด แรงดันย้อนกลับถูกจ่ายไปที่จุดเชื่อมต่อ p-n ควรเน้นว่าในช่วงการทำงานของแรงดันย้อนกลับโฟโตปัจจุบันแทบไม่ขึ้นอยู่กับแรงดันย้อนกลับและความต้านทานโหลด ลักษณะแรงดันกระแสของตัวต้านทานโหลด R เป็นเส้นตรงซึ่งมีสมการดังนี้

E arr - ฉัน f · R = U,

โดยที่ U arr คือแรงดันไฟฟ้าของแหล่งจ่ายแรงดันย้อนกลับ U - แรงดันย้อนกลับบนโฟโตไดโอด ฉัน f – โฟโตปัจจุบัน (กระแสโหลด)

โฟโตไดโอดและโฟโตรีซีสเตอร์โหลดเชื่อมต่อกันเป็นอนุกรม เช่น กระแส I f เดียวกันก็ไหลผ่านพวกมัน กระแส I f นี้สามารถกำหนดได้โดยจุดตัดกันของคุณลักษณะแรงดันไฟฟ้ากระแสของโฟโตไดโอดและตัวต้านทานโหลด (รูปที่ 1.7 ควอแดรนท์ที่ 3) ดังนั้น ในโหมดโฟโตไดโอดสำหรับฟลักซ์การแผ่รังสีที่กำหนด โฟโตไดโอดจึงเป็นแหล่งกำเนิดของ กระแส I f สัมพันธ์กับวงจรภายนอก ค่าของกระแส I f ในทางปฏิบัติไม่ได้ขึ้นอยู่กับพารามิเตอร์ของวงจรภายนอก (U arr, R) (รูปที่ 1.7.)

Quadrant IV ของตระกูลคุณลักษณะแรงดันไฟฟ้าปัจจุบันของโฟโตไดโอดสอดคล้องกับโหมดการทำงานของโฟโตโวลตาอิกของโฟโตไดโอด จุดตัดกันของลักษณะแรงดันกระแสกับแกนแรงดันสอดคล้องกับค่าของโฟโต-EMF E f หรือแรงดันไฟฟ้าวงจรเปิด U xx (R n = ∞) ที่กระแสต่าง ๆ F. สำหรับโฟโตไดโอดซิลิคอนภาพถ่าย -EMF คือ 0.5-0.55 V. จุดตัด คุณลักษณะโวลต์-แอมแปร์กับแกนปัจจุบันสอดคล้องกับค่าของกระแสลัดวงจร I ลัดวงจร (R n = 0) ค่ากลางของความต้านทานโหลดจะถูกกำหนดโดยเส้นโหลดซึ่งสำหรับ ความหมายที่แตกต่างกัน R n ทิ้งจุดกำเนิดไว้ในมุมที่ต่างกัน ด้วยค่ากระแสที่กำหนดตามลักษณะแรงดันไฟฟ้าของโฟโตไดโอดคุณสามารถเลือกโหมดการทำงานของโฟโตไดโอดที่เหมาะสมที่สุดในโหมดไฟฟ้าโซลาร์เซลล์ (รูปที่ 1.8) ภายใต้โหมดที่เหมาะสมที่สุด ในกรณีนี้เข้าใจการเลือกความต้านทานโหลดซึ่งพลังงานไฟฟ้าที่ยิ่งใหญ่ที่สุดจะถูกส่งไปยัง R n

รูปที่.1.8. คุณลักษณะ IV ของโฟโตไดโอดในโหมดไฟฟ้าโซลาร์เซลล์

โหมดที่เหมาะสมที่สุดสำหรับโฟลว์ F1 สอดคล้องกับเส้นโหลด R1 (พื้นที่ของสี่เหลี่ยมสีเทาที่มีจุดยอดที่จุด A โดยที่เส้น F1 และ R1 ตัดกันจะเป็นพื้นที่ที่ใหญ่ที่สุด - รูปที่ 1.8) สำหรับโฟโตไดโอดซิลิคอนที่โหลดที่เหมาะสมที่สุด แรงดันไฟฟ้าบนโฟโตไดโอดคือ U=0.35-0.4 V

ลักษณะแสง (พลังงาน) ของโฟโตไดโอด– นี่คือการพึ่งพาของกระแสบนฟลักซ์ส่องสว่าง I = f(F):

ข้าว. 1.9. ลักษณะการส่องสว่างเอฟดี.

ในโหมดโฟโตไดโอด ลักษณะพลังงานในช่วงการทำงานของฟลักซ์การแผ่รังสีจะเป็นเส้นตรง

สิ่งนี้ชี้ให้เห็นว่าโฟโตพาริเออร์เกือบทั้งหมดไปถึงทางแยก pn และมีส่วนร่วมในการก่อตัวของโฟโตปัจจุบัน การสูญเสียพาหะส่วนน้อยเนื่องจากการรวมตัวกันใหม่ไม่ได้ขึ้นอยู่กับฟลักซ์การแผ่รังสี

ในโหมดเซลล์แสงอาทิตย์ ลักษณะพลังงานจะแสดงโดยการขึ้นต่อกันของกระแสไฟฟ้าลัดวงจร I kz หรือโฟโต-EMF E f บนฟลักซ์การแผ่รังสี F ที่ฟลักซ์สูง F กฎของการแปรผันของการพึ่งพาเหล่านี้จะเบี่ยงเบนไปจากเส้นตรงอย่างมีนัยสำคัญ (รูปที่ 1.10)

โฟโตไดโอด โหมด

รูปที่ 1.10ลักษณะแสงของ PD

สำหรับฟังก์ชัน Ic = f(F) ลักษณะของความไม่เชิงเส้นสัมพันธ์กับการเพิ่มขึ้นของแรงดันไฟฟ้าตกคร่อมความต้านทานปริมาตรของฐานเซมิคอนดักเตอร์ การลดลงของ photo-emf อธิบายได้จากการลดลงของความสูงของสิ่งกีดขวางที่อาจเกิดขึ้นพร้อมกับการสะสมของประจุส่วนเกินของอิเล็กตรอนในภูมิภาค n และรูในภูมิภาค p

โหมดไดโอดมีข้อดีเหนือโหมดเจเนอเรเตอร์ดังต่อไปนี้:

· กระแสเอาต์พุตในโหมดโฟโตไดโอดไม่ขึ้นอยู่กับความต้านทานโหลด ในโหมดเครื่องกำเนิดไฟฟ้า สามารถรับกระแสอินพุตสูงสุดได้เมื่อมีการลัดวงจรในโหลดเท่านั้น

· โหมดโฟโตไดโอดมีลักษณะเฉพาะด้วยความไวสูง ช่วงไดนามิกขนาดใหญ่ของการแปลงรังสีออปติคอล ประสิทธิภาพสูง (อุปสรรค ความจุ p-nการเปลี่ยนแปลงลดลง)

ข้อเสียของโหมดการทำงานของโฟโตไดโอดคือการพึ่งพากระแสมืด (ย้อนกลับ ปัจจุบันการเปลี่ยนแปลง) กับอุณหภูมิ

พารามิเตอร์หลักคือ:

· กระแสมืด I t

· แรงดันไฟฟ้าปฏิบัติการ U สเลฟ – แรงดันไฟฟ้าที่ใช้กับไดโอดในโหมดโฟโตคอนเวอร์ชัน

· ความไวอินทิกรัล K f