دیودهای اپتوالکترونیکی(فوتودیودها،سلول خورشیدی،دیود نورافشان و دیود لیزری)

دیودهای اپتوالکترونیکی، دیودهای اپتوالکترونیک خانواده‌ای از دیودها هستند که اساس کارشان بر مبنای نور است. (می‌دانیم که کلمه اپتو به معنای نور است. ) برخی از آن‌ها براساس شدت نور کار می‌کنند و برخی دیگر هستند که هدایتگری جریان آن‌ها باعث تولیدی مقداری نور می‌شود و هر کدام از این دو نوع، کاربردهای خاص خود را دارند. در این آموزش در میکرو دیزاینر الکترونیک می‌خواهیم حول این دیود ها و انواع مهم و پرکاربرد آن‌ها صحبت کنیم.

گفتیم که در میان دیودهای اپتو الکترونیک، دیودهایی هستند که براساس شدت نوری که بر آن‌ها می‌تابد جریان را هدایت می‌کنند. این دسته از دیودها، دو نوع دارند. فوتودیود ها و سلول های خورشیدی.

فوتودیودها

فوتودیود همان‌طور که از نام آن‌ برمی‌آید، یک پیوند P-N است که بر مبنای نور کار می‌کند. به این معنا که افزایش یا کاهش شدت نور موجب افزایش یا کاهش میزان هدایت‌گری جریان در آن می‌شود.

بنابراین مانند هر دیود پیوندی دیگری فوتودیود دارای ماده‌ای از نوع P، ماده‌ای از نوع N و نیز ناحیه‌ی تخلیه‌ای در بین آن‌هاست.

فوتودیود عموما در بایاس معکوس کار می‌کند. زمانی که نور (فوتون‌های نوری) به صورت متمرکز بر ناحیه‌ی تخلیه تابانده می‌شود، زوج‌های الکترون- حفره ایجاد شده و جریانی از الکترون‌ها به راه خواهد افتاد.

در تصویر زیر یک فوتودیود واقعی را می‎‌بینیم.

و در تصویر بعدی نماد مداری فوتودیودها را مشاهده می کنیم.

زمانی که این دیود را در بایاس معکوس قرار می‌دهیم، به دلیل الکترون- حفره‌ های ایجاد شده به دلیل گرما  یک جریان اشباع معکوس کوچک ایجاد می‌شود. همان‌طور که جریان بایاس معکوس به دلیل حامل‌های اقلیت اتفاق می‌افتد، ولتاژ خروجی نیز به این جریان معکوس وابسته است.

با افزایش شدت نوری که به پیوند P-N اعمال شده است، جریان حامل‌های اقلیت افزایش می‌یابد.

تصویر زیر اصول ساده‌ی نحوه‌ی بایاس فوتودیود را نمایش می‌دهد.

فوتودیود را در یک محفظه‌ی شیشه‌ای قرار می‌دهند تا نور بتواند بر آن اثر کند.  به منظور این‌که نور اعمال شده به پیوند، دقیقا بر ناحیه‌ی تخلیه اثر کند، یک لنز(عدسی)  همان‌طورکه در شکل بالا مشخص است، در بالای پیوند قرار داده می‌شود.

البته حتی زمانی که نوری بر این دیود نتابد نیز باز مقدار اندکی جریان وجود دارد که اصطلاحا به آن جریان تاریک گفته می‌شود.

در یک فوتو با تغییر سطح روشنایی تابانده شده، جریان معکوس را کنترل (کم و زیاد) می‌کنیم.

مزایای فوتودیود

• نویز پایین
• بهره بالا
• سرعت عملیاتی بالا
• حساسیت بالا به نور
• قیمت پایین
• ابعاد کوچک
• طول عمر نسبتا بلند

کاربردهای فوتودیود

فوتودیودها کاربردهای فراوانی دارند، از جمله آن‌ها:

• کاربرد در مدارهای تشخیص اشیا، ارقام، حروف و … (مانند سنسورها)
• کاربرد در تشخیص مرئی یا نامرئی بودن اشیا
• استفاده در مدارهای پرسرعت با پایداری بالا
• استفاده در دمدولاسیون
• استفاده در مدارهای سوییچینگ
• استفاده در انکودرها
• استفاده در تجهیزات ارتباطی نوری

دیود دیگری از خانواده دیود های تحت تاثیر نور، سلول خورشیدی است. اگر چه نوعی دیود است، اما نام آن را سلول گذاشته اند. کمی هم در رابطه با این دیودها صحبت می‌کنیم.

سلول خورشیدی

سلول خورشیدی دیودی معمولی با پیوند P-N است که هدایت جریان آن بستگی به جریان فوتون‌های نوری دارد که تبدیل به جریان الکترونی می‌شود. تا این‌جا سلول خورشیدی مانند یک فوتودیود است اما سلول خورشیدی هدف و منظور دیگری نیز دارد و آن تبدیل حداکثری نور تابیده شده به آن به انرژی و ذخیره آن انرزژی است.

در تصویر نماد مداری یک سلول خورشیدی را می‌بینید.

همان‌طور که می‌بینیم نام و نماد سلول خورشیدی هر دو یادآور خاصیت ذخیره انرژی هستند، با اینکه سلول خورشیدی در واقع یک دیود است. دیودی که خاصیت جذب و ذخیره انرژی در آن پررنگ تر از سایر خاصیت‌هاست.

ساختار سلول خورشیدی

یک پیوند P-N  با ناحیه‌ی تخلیه را تصور کنید که درون یک محفظه شیشه‌ای قرار داده می‌شود. نور به نحوی تابانده می‌شود که با ماکسیمم سطح ممکن در بالای محفظه نازک شیشه‌ای دیود برخورد داشته باشد تا به این ترتیب دیود بتواند حداکثر نور ممکن را با کمترین مقاومت دریافت کند.

این ساختار را در تصویر می‌بینید.

زمانی که نور با سطح سلول خورشیدی برخورد می‌کند، فوتون‌های آن با الکترون‌های لایه‌ی والانس برخورد پیدا می‌کنند. بنابراین الکترون‌ها انرژی لازم برای ترک کردن اتم خود را پیدا می‌کنند. بنابراین جریانی از الکترون‌ها ایجاد می‌شود که به طور مستقیم با شدت نور تابیده شده متناسب است. به این پدیده اثر فوتوولتائیک گفته می‌‌شود.

در تصویر زیر می‌بینید که یک سلول خورشیدی در واقعیت به چه شکل است و اینکه چگونه تعدادی سلول خورشیدی به هم متصل می‌شوند تا یک پنل(صفحه) خورشیدی بسازند.

تفاوت میان فوتودیود و سلول خورشیدی

فوتودیود سریع تر عمل می‌کند و عمده تمرکز آن بر سوییچ کردن است تا آن‌که مشغول تهیه توان بالاتر در خروجی خود باشد.  به همین دلیل ظرفیت خازنی کمی دارد. هم‌چنین سطح ناحیه‌ی برخورد نور با دیود در فوتودیود کمتر از سلول خورشیدی است چرا که براساس کاربرد خود به نور بیشتری نیاز ندارد.

اما تمرکز یک سلول خورشیدی بر این است که انرژی بیشتری در خروجی تحویل دهد و یا آن‌که آن را ذخیره کند.  بنابراین خازن بزرگ‌تری دارد و عملکردی کندتر از فوتودیود دارد. سطح تماس آن با نور نیز بیشتر از فوتودیود است.

کاربردهای سلول خورشیدی

این سلولها کاربردهای متنوعی دارند از جمله:

در علوم و تکنولوژی

• استفاده در صفحات خورشیدی و ماهواره ها
• استفاده در مسافت سنجی
• استفاده در سیستم‌های روشنایی از راه دور

در تجارت

• استفاده در صفحات خورشیدی به منظور ذخیره انرژی
• استفاده در تجهیزات قابل حمل قدرت
• استفاده در مصارف خانگی مانند گرمایش، پخت و پز و .. از طریق انرژی خورشیدی

در وسایل الکترونیکی

• استفاده در ساعت‌ها
• استفاده در ماشین‌حساب‌ها
• استفاده در اسباب‌بازی‌های الکترونیکی و …

اما در ابتدای این آموزش گفتیم که خانواده‌ی دیگری نیز از دیودهای اپتوالکترونیک هستند که خود نور تولید می‌کنند. این خانواده نیز دو دسته دارند ؛ LED ها و دیودهای لیزری

LED (دیود نورافشان)

این دیود محبوب‌ترین دیودی است که در زندگی‌ روزمره ما استفاده های زیادی دارد. این دیود نیز یک دیود پیوند  P-N معمولی است با این تفاوت که به جای سیلیکون و ژرمانیم ، از موادی مانند گالیم آرسناید وگالیم آرسناید فسفید در ساختار آن استفاده می‌شود. نماد مداری یک LED به شکل زیر است.

مانند یک دیود پیوندی معمولی، LED نیز در باید در بایاس مستقیم قرار گیرد تا جریان را هدایت کند. در واقع LED زمانی هدایت جریان می‌کند که الکترون‌های واقع در لایه‌ی هدایت آن، با حفره‌های لایه‌ی والانس بازترکیب شوند. این بازترکیب موجب تولید نور می‌شود. این پروسه را الکترولومینسانس می‌گویند. رنگ نوری که از بازترکیب الکترون ها و حفره ها ساطع می‌شود، بستگی به اختلاف میان باندهای انرژی مواد به کار رفته دارد. ماده‌ی مورد استفاده نیز هم‌چنین بر رنگ نور تاثیر گذار است. به عنوان مثال گالیم آرسناید فسفید نور قرمز یا زرد از خود ساطع می‌کند و گالیم فسفید نور قرمز یا سبز و یا گالیم نیترات نور آبی رنگ. یا مثلا گالیم آرسناید نور مادون قرمز ایجاد می‌کند. LED های با نور مادون قرمز به طور عمده در دستگاه‌های کنترل از راه دور کاربرد دارند.

در تصویر زیر ظاهر LED های رنگی مختلف را در واقعیت می‌بینید.

همان‌طور که در تصویر فوق می‌بینید، LED یک سمت تخت دارد و یک سمت انحنا دار. پایه‌ی سمت مسطح کوتاه تر از پایه‌ی دیگر ساخته می‌شود که نمایانگر کاتود ( پایه‌ی منفی) است. طبیعتا پایه‌ی بلند تر نیز آنود (پایه‌ی مثبت) خواهد بود.

ساختار ساده‌ای از یک LED را در تصویر زیر می‌بینید.

همان‌طور که در تصویر نشان داده شده است، با جهش الکترون‌ها ها به درون حفره، انرژی به صورت همزمان در فرم نور از این عمل ساطع می‌شود. LED یک قطعه‌ی وابسته به جریان است به این معنا که شدت نور گسیل شده از آن وابسته به شدت جریانی است که از آن عبور می‌کند.

مزایای LED ها

LED ها خاصیت‌های فراوانی دارند که برخی از آن‌ها عبارتند از:

• بهره بالا
• سرعت بالا
• قابلیت اطمینان بالا
• اتلاف گرمای کم
• طول عمر بالا
• قیمت کم
• قابلیت کنترل و برنامه‌ریزی آسان
• دارای سطح روشنایی و شدت نور بالا
• سطح ولتاژ و جریان مورد نیاز ، پایین
• نیاز به سیم‌بندی مداری کمتر
• هزینه نگه‌داری کم
• عدم ساطع کردن تشعشعات فرابنفش
• اثر روشنایی فوری

کاربردهای LED

در سیستم های نمایشی

• استفاده عمده در صفحه نمایش سون سگمنت
• در ساعت های دیجیتالی
• در فرهای مایکرویو
• در هشدارهای ترافیکی
• در نمایشگرهای اطلاع رسانی در راه‌آهن ها و سایر مکان های عمومی
• در اسباب بازی ها

در دستگاه های الکترونیکی

• در تنظیم کننده(تیونر) های استریو
• در ماشین حساب ها
• در منابع DC
• در نشانگر های روشن و خاموش در امپلی فایرها
• در اندیکاتورهای توان

در کاربردهای تجاری

• بارکد خوان ها
• صفحه نمایش های حالت جامد

در مخابرات نوری

• در کاربردهای سوییچینگ مبتنی بر نور
• جهت تزویج نوری در مواردی که به راهنمای دستگاه ها دسترسی نداریم
• انتقال اطلاعات از طریق FOC
• مدارهای تشخیص تصویر
• در آلارم های مخصوص سرقت
• در روش های سیگنال دهی در راه‌آهن ها
• در درب ها و سایر سیستم های حفاظتی

همان‌طور که می‌بینیم LED ها کاربردها و مزایای بسیاری دارند، اما نوع مهم دیگری از دیودها هم وجود دارد که دیودهای لیزری گفته می‌شوند که مزایا و کاربردهای متعددی دارند. نگاهی نیز به این دیودها می‌اندازیم.

دیود لیزری

دیود لیزری نیز یکی از انواع دیودهای محبوب در خانواده خود می‌باشد. دیود لیزری دیودی نوری است که تحت یک شرایط تحریک شده، از خود نور ساطع می‌کند. نام لیزر (LASER) از این عبارت گرفته شده است : (Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation). به معنای تقویت نور با استفاده از تابش تحریک شده تشعشعات.

تابش تحریک شده

دیود لیزری دیودی با پیوند P-N است که عملکرد آن زمانی آغاز می‌شود که یک اشعه نوری با سطح آن برخورد کند. در اثر این تابش، فوتون های نوری با اتم های پیوند برخورد کرده و موجب می‌شوند اتم ها تحریک شوند و به لایه‌ی بالاتری بروند. لایه‌ی بالاتر را می‌توانیم به مفهوم سطح انرژی بیشتر تعبیر کنیم.

اتم در وضعیت انرژی بالا ناپایدار است و تمایل دارد به وضعیت قبلی خود با سطح انرژی پایین تر برود(یک اتم اصولا برای مدتی در حدود 10 ^-8 ثانیه  می‌تواند در وضعیت تحریک شده باقی بماند). بنابراین اتم با صادر کردن دو فوتون از خود، به وضعیت قبلی اش بازمی‌گردد. این دو فوتون مشابه و هم فاز فوتون های اولیه‌ی تابیده شده هستند. این فرآیند را تابش تحریک شده می‌نامند.

اساس کار یک دیود لیزری بر مبنای همین فرآیند است.

اساس کار دیود لیزری

زمانی که یک فوتون با اتم برخورد می‌کند، اتم از سطح انرژی پایین به سطح انرژی بالا خواهد رفت، دو فوتون صادر کرده و مجددا به وضعیت اولیه خود بازمی‌گردد. و گفتیم که تنها حدود 10 ^-8 ثانیه  می‌تواند در وضعیت برانگیخته باقی بماند. به منظور تقویت و تشدید این فرآیند ، کاری می‌کنند که اتم به جای سقوط مستقیم از انرژی بالا به انرژی پایین، در سطحی میانی به نام سطح نیمه پایداری، که از سطح انرژی بالا پایین تر و از سطح انرژی پایین بالاتر است، قرار بگیرد. اتم می تواند در حدود مدت 10 ^-3 ثانیه در سطح نیمه پایداری باقی بماند. حال با سقوط اتم از این سطح به سطح پایینی اولیه، دو فوتون آزاد خواهد شد. هر چه تعداد اتم هایی که در سطح انرژی بالا هستند- قبل از تحریک اتم ها با فوتون- بیشتر باشد، ما به تدریج به اصر لیزری نزدیک خواهیم شد.

در این فرآیند، دو مفهوم وجود دارد که باید آن‌ها را بدانیم. مفهوم اول مفهوم وارونگی جمعیت است. به این معنا که تعداد اتم‌هایی که در سطح نیمه‌پایداری وجود دارند بیشتر از تعداد اتم هایی باشد که در سطح انرژی اولیه قرار دارند. مفهوم دیگر مفهوم پمپاژ است که به انرژی گفته می‌شود که نیاز است تا اتم بتواند از سطح انرژی پایه به سطح برانگیخته یا تحریک شده برود. که البته ما در اینجا یک پمپاژ نوری داریم. یعنی تزریق انرژی به وسیله تاباندن نور است.

مزایای دیودهای لیزری

• توان مصرفی دیود لیزری بسیار اندک است
• سرعت سوییچینگ بالاتری نسبت به بقیه دیودها دارند
• فشرده تر هستند
• کم هزینه تر
• ارزان تر از مولد های لیزری
• احتمال ایجاد شوک الکتریکی کمتری دارند

معایب دیودهای لیزری

• تشعشعات دیود لیزری از سایر انواع لیزرها واگرا تر است لذا کیفیت آن چندان مطلوب نیست
• طول عمرشان از LED ها کمتر است
• در صورت ناپایدار بودن منبع تغذیه، احتمال آسیب دیدن‌شان بیشتر است

کاربردها

• کاربرد در لیزرهای پمپ و لیزرهای بذر
• کاربرد در دستگاه های ذخیره اطلاعات نوری
• کاربرد در پرینترهای لیزری و ماشین های فکس
• کاربرد در نشان‌گر های لیزری
• کاربرد در دستگاه های بارکد خوان
• کاربرد در دیسک های DVD و CD
• کاربرد در تکنولوژی های HD DVD BLU RAY
• در بسیاری از کاربردهای صنعتی مانند حرارت دادن، آب‌کاری فلزات ، جوش‌کاری و …
• کاربردهای فراوان در تکنولوژی های مخابراتی مانند ارتباطات و انتقالات داده

خیلی ممنون از اینکه تا این جلسه از آموزش های مفاهیم پایه الکترونیک ما را همراهی کردید.برای مطالعه همه‌ی جلسات اینجا کلیک کنید. حتما بقیه جلسات را هم بترتیب مطالعه کنید و امیدواریم مطالب ما برای حال و  آینده شما مفید باشد. برای تهیه مطالب کلی نفر ساعت زحمت میکشیم لطفا از کپی برداری مطالب خوداری کنید.

اگر این نوشته‌ برایتان مفید بود لطفا کامنت بنویسید.

مطالعه دیگر جلسات این آموزش

<< جلسه قبلی                    جلسه بعدی >>