Những điều cần biết về Điốt quang
1. Điốt quang là gì?
2. Nguyên lý hoạt động của Điốt quang
3. Các đặc trưng hoạt động điốt quang
4. Các chế độ hoạt động điốt quang
5. Phân loại điốt quang
6. Ưu và nhược điểm của Điốt quang
7. Ứng dụng của Photodiode
1. Điốt quang là gì?
"Điốt quang" hay "Photodiode" là "một loại điốt bán dẫn thực hiện chuyển đổi photon thành điện tích theo hiệu ứng quang điện". Các photon có thể là ở vùng phổ ánh sáng nhìn thấy, hồng ngoại, tử ngoại, tia X, tia gamma. Khi photon xâm nhập lớp hoạt động của photodiode là tiếp giáp p-n hoặc cấu trúc PIN, sẽ tạo ra điện tích làm phát sinh dòng điện. Tùy theo cách thức chế tạo, mà dòng điện này nhỏ và photodiode dùng làm cảm biến photon, hay dòng điện đủ lớn để làm nguồn điện như trong pin mặt trời.
Một số điốt được thiết kế để sử dụng chính xác như một điốt quang cũng sẽ sử dụng một điểm nối PIN hơn một chút so với điểm nối PN thông thường.
Một số đi-ốt quang sẽ trông giống nhưđèn LED. Đều có 2 đầu cực âm và cực dương. Đầu nhỏ hơn của diode là cực âm, trong khi đầu dài hơn của diode là cực dương. Xem sơ đồ ký hiệu bên dưới. Trong điều kiện phân cực thuận, dòng điện thông thường sẽ chạy từ cực dương sang cực âm, theo mũi tên trong ký hiệu diode. Quang điện chạy theo hướng ngược lại.
Ký hiệu Điốt quang
Một số đi-ốt quang sẽ trông giống nhưđèn LED. Đều có 2 đầu cực âm và cực dương. Đầu nhỏ hơn của diode là cực âm, trong khi đầu dài hơn của diode là cực dương. Xem sơ đồ ký hiệu bên dưới. Trong điều kiện phân cực thuận, dòng điện thông thường sẽ chạy từ cực dương sang cực âm, theo mũi tên trong ký hiệu diode. Quang điện chạy theo hướng ngược lại.
Ký hiệu Điốt quang
2. Nguyên lý hoạt động của Điốt quang
Photodiode được làm bằng một số chất bán dẫn, và vùng phổ ánh sáng làm việc. Phạm vi của ánh sáng nhìn thấy là từ 380 nm đến 780 nm. Photodiode có cấu trúc lớp hoạt động là tiếp giáp p-n, loại mới hơn thì là cấu trúc PIN. Khi photon có năng lượng đủ lớn xâm nhập lớp hoạt động này sẽ bị hấp thụ, và theo hiệu ứng quang điện tạo ra cặp điện tử-lỗ trống.
Photodiode được làm bằng một số chất bán dẫn, và vùng phổ ánh sáng làm việc. Phạm vi của ánh sáng nhìn thấy là từ 380 nm đến 780 nm. Photodiode có cấu trúc lớp hoạt động là tiếp giáp p-n, loại mới hơn thì là cấu trúc PIN. Khi photon có năng lượng đủ lớn xâm nhập lớp hoạt động này sẽ bị hấp thụ, và theo hiệu ứng quang điện tạo ra cặp điện tử-lỗ trống.
Hiệu ứng quang điện là hiện tượng gắn liền với chất bán dẫn, nên khi chế các linh kiện không hoạt động với photon thì phải bố trí che ánh sáng đi. Các che chắn không phải là tuyệt hoàn hảo, nên máy điện tử có thể lỗi hoặc hỏng khi vào vùng nhiễu cao, chẳng hạn vùng chiếu tia X, tia gamma mạnh hay trong vũ trụ.
3. Các đặc trưng hoạt động điốt quang
• Hiệu suất: Là tỷ số công suất dòng quang điện tạo ra với quang thông, biểu diễn A/W. Đáp tuyến phổ chi tiết thì phản ánh ở hiệu suất lượng tử của photodiode cho từng bước sóng photon, và nó không đồng đều. Chất liệu và công nghệ cho ra các vùng phổ làm việc của photodiode khác nhau.
• Dòng tối: Là dòng dò của điốt nói chung, vận dụng vào photodiode là dòng điện khi không có ánh sáng chiếu vào.
• Đáp ứng thời gian: Phản ánh mức độ dòng quang điện bắt kịp thay đổi quang thông, và có thể xác định theo quy tắc Ramo.
3. Các đặc trưng hoạt động điốt quang
• Hiệu suất: Là tỷ số công suất dòng quang điện tạo ra với quang thông, biểu diễn A/W. Đáp tuyến phổ chi tiết thì phản ánh ở hiệu suất lượng tử của photodiode cho từng bước sóng photon, và nó không đồng đều. Chất liệu và công nghệ cho ra các vùng phổ làm việc của photodiode khác nhau.
• Dòng tối: Là dòng dò của điốt nói chung, vận dụng vào photodiode là dòng điện khi không có ánh sáng chiếu vào.
• Đáp ứng thời gian: Phản ánh mức độ dòng quang điện bắt kịp thay đổi quang thông, và có thể xác định theo quy tắc Ramo.
4. Các chế độ hoạt động điốt quang
• Chế độ quang điện: Photodiode quang điện làm việc không đặt thiên áp, dòng quang điện được ánh sáng tạo ra và có thể dùng làm nguồn cấp điện. Các pin mặt trời hoạt động ở chế độ này.
• Chế độ quang dẫn: Photodiode quang dẫn làm việc có đặt thiên áp ngược. Thiên áp ngược làm mở rộng vùng nghèo, tăng dòng dò, tăng tiếng ồn và giảm điện dung tiếp giáp, nhưng không tác động đến dòng quang điện.
• Chế độ thác lũ: Làm việc với thiên áp ngược đủ lớn, dẫn đến khi photon tạo cặp điện tử-lỗ trống xảy ra thì sự tăng tốc do điện trường đủ mạnh sẽ kích thích vụ tạo cặp khác theo dạng sự cố sạt lở tuyết. Nó làm tăng độ khuếch đại và đặc trưng đáp ứng với sự kiện.
• Chế độ quang điện: Photodiode quang điện làm việc không đặt thiên áp, dòng quang điện được ánh sáng tạo ra và có thể dùng làm nguồn cấp điện. Các pin mặt trời hoạt động ở chế độ này.
• Chế độ quang dẫn: Photodiode quang dẫn làm việc có đặt thiên áp ngược. Thiên áp ngược làm mở rộng vùng nghèo, tăng dòng dò, tăng tiếng ồn và giảm điện dung tiếp giáp, nhưng không tác động đến dòng quang điện.
• Chế độ thác lũ: Làm việc với thiên áp ngược đủ lớn, dẫn đến khi photon tạo cặp điện tử-lỗ trống xảy ra thì sự tăng tốc do điện trường đủ mạnh sẽ kích thích vụ tạo cặp khác theo dạng sự cố sạt lở tuyết. Nó làm tăng độ khuếch đại và đặc trưng đáp ứng với sự kiện.
5. Phân loại điốt quang
Các loại đi-ốt quang có thể được phân loại dựa trên cấu trúc và chức năng của chúng như sau.
• Đi-ốt 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.
• Điốt ảnh Schottky
Đi-ốt quang Schottky sử dụng đi-ốt Schottky và nó bao gồm một điểm nối đi-ốt nhỏ có nghĩa là có điện dung điểm nối nhỏ nên nó hoạt động ở tốc độ cao. Do đó, loại điốt quang này thường được sử dụng trong các hệ thống thông tin quang băng thông cao (BW) như các liên kết sợi quang.
• Điốt quang mã PIN
Hiện nay, photodiode được sử dụng phổ biến nhất là loại PIN. Đi-ốt này thu thập các photon ánh sáng mạnh hơn so với đi-ốt quang PN tiêu chuẩn vì diện tích bên trong rộng giữa vùng P và N cho phép thu được nhiều ánh sáng hơn và ngoài ra, đi-ốt này còn có điện dung thấp hơn
• Photodiode thác lũ (APD photodiode - Avalanche Photodiode)
Loại điốt này được sử dụng ở những nơi có 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.
Các loại đi-ốt quang có thể được phân loại dựa trên cấu trúc và chức năng của chúng như sau.
• Đi-ốt 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.
• Điốt ảnh Schottky
Đi-ốt quang Schottky sử dụng đi-ốt Schottky và nó bao gồm một điểm nối đi-ốt nhỏ có nghĩa là có điện dung điểm nối nhỏ nên nó hoạt động ở tốc độ cao. Do đó, loại điốt quang này thường được sử dụng trong các hệ thống thông tin quang băng thông cao (BW) như các liên kết sợi quang.
• Điốt quang mã PIN
Hiện nay, photodiode được sử dụng phổ biến nhất là loại PIN. Đi-ốt này thu thập các photon ánh sáng mạnh hơn so với đi-ốt quang PN tiêu chuẩn vì diện tích bên trong rộng giữa vùng P và N cho phép thu được nhiều ánh sáng hơn và ngoài ra, đi-ốt này còn có điện dung thấp hơn
• Photodiode thác lũ (APD photodiode - Avalanche Photodiode)
Loại điốt này được sử dụng ở những nơi có 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.
6. Ưu và nhược điểm của Điốt quang
Ưu điểm:
- Điện trở thấp
- Tốc độ hoạt động nhanh và cao
- Tuổi thọ cao
- Bộ tách sóng quang nhanh nhất
- Phản ứng quang phổ và tần số đáp ứng tốt
- Cực nhạy với ánh sáng
- Hiệu suất lượng tử cao
- Ít tiếng ồn
Nhươc điểm:
- Độ ổn định nhiệt độ kém.
- Thay đổi trong dòng điện là cực kỳ ít, do đó có thể không đủ để điều khiển mạch.
- Khu vực hoạt động là nhỏ.
- Đi-ốt quang tiếp giáp PN thông thường có thời gian đáp ứng cao.
- Nó chủ yếu hoạt động bằng cách phụ thuộc vào nhiệt độ.
- Nó sử dụng điện áp bù.
Ưu điểm:
- Điện trở thấp
- Tốc độ hoạt động nhanh và cao
- Tuổi thọ cao
- Bộ tách sóng quang nhanh nhất
- Phản ứng quang phổ và tần số đáp ứng tốt
- Cực nhạy với ánh sáng
- Hiệu suất lượng tử cao
- Ít tiếng ồn
Nhươc điểm:
- Độ ổn định nhiệt độ kém.
- Thay đổi trong dòng điện là cực kỳ ít, do đó có thể không đủ để điều khiển mạch.
- Khu vực hoạt động là nhỏ.
- Đi-ốt quang tiếp giáp PN thông thường có thời gian đáp ứng cao.
- Nó chủ yếu hoạt động bằng cách phụ thuộc vào nhiệt độ.
- Nó sử dụng điện áp bù.
7. Ứng dụng của Photodiode
• Điốt quang được sử dụng trong các ứng dụng đơn giản hàng ngày. Lý do cho việc sử dụng nổi bật của chúng là phản ứng tuyến tính của điốt quang đối với sự chiếu sáng của ánh sáng.
• Điốt quang với sự trợ giúp của bộ ghép quang cung cấp khả năng cách ly điện. Khi hai mạch biệt lập được chiếu sáng bằng ánh sáng, bộ ghép quang được sử dụng để ghép mạch quang học. Bộ ghép quang nhanh hơn so với các thiết bị thông thường.
• Điốt quang được sử dụng trong các thiết bị điện tử an toàn như đầu báo cháy và khói.
• Photodiodes được sử dụng trong nhiều ứng dụng y tế. Chúng được sử dụng trong các dụng cụ phân tích mẫu, máy dò để chụp cắt lớp vi tính và cũng được sử dụng trong máy đo khí máu.
• Điốt quang được sử dụng trong các tấm pin mặt trời.
• Điốt quang được sử dụng trong các mạch logic.
• Điốt quang được sử dụng trong các mạch phát hiện.
• Điốt quang được sử dụng trong các mạch nhận dạng ký tự.
• Điốt quang được sử dụng để đo chính xác cường độ ánh sáng trong khoa học và công nghiệp.
• Điốt quang nhanh hơn và phức tạp hơn so với điốt tiếp giáp PN bình thường và do đó thường được sử dụng để điều chỉnh ánh sáng và truyền thông quang học.
• Điốt quang được sử dụng trong các ứng dụng đơn giản hàng ngày. Lý do cho việc sử dụng nổi bật của chúng là phản ứng tuyến tính của điốt quang đối với sự chiếu sáng của ánh sáng.
• Điốt quang với sự trợ giúp của bộ ghép quang cung cấp khả năng cách ly điện. Khi hai mạch biệt lập được chiếu sáng bằng ánh sáng, bộ ghép quang được sử dụng để ghép mạch quang học. Bộ ghép quang nhanh hơn so với các thiết bị thông thường.
• Điốt quang được sử dụng trong các thiết bị điện tử an toàn như đầu báo cháy và khói.
• Photodiodes được sử dụng trong nhiều ứng dụng y tế. Chúng được sử dụng trong các dụng cụ phân tích mẫu, máy dò để chụp cắt lớp vi tính và cũng được sử dụng trong máy đo khí máu.
• Điốt quang được sử dụng trong các tấm pin mặt trời.
• Điốt quang được sử dụng trong các mạch logic.
• Điốt quang được sử dụng trong các mạch phát hiện.
• Điốt quang được sử dụng trong các mạch nhận dạng ký tự.
• Điốt quang được sử dụng để đo chính xác cường độ ánh sáng trong khoa học và công nghiệp.
• Điốt quang nhanh hơn và phức tạp hơn so với điốt tiếp giáp PN bình thường và do đó thường được sử dụng để điều chỉnh ánh sáng và truyền thông quang học.
