โฟโตไดโอด

โฟโตไดโอด Ge หนึ่งตัว (ด้านบน) และโฟโตไดโอด Si สามตัว (ด้านล่าง)
ประเภทส่วนประกอบ	พาสซีฟ , ไดโอด
หลักการทำงาน‍	แปลงแสงเป็นกระแสไฟฟ้า
ชื่อพิน	แอโนดและแคโทด
สัญลักษณ์อิเล็กทรอนิกส์

โฟโตไดโอดเป็นไดโอด เซมิคอนดักเตอร์ ที่ไวต่อ รังสี โฟตอนเช่น แสงที่มองเห็นได้ รังสีอินฟราเรดหรือรังสีอัลตราไวโอเลตรังสีเอ็กซ์และรังสีแกมมา [ ^{1 ] มัน}จะสร้างกระแสไฟฟ้าเมื่อดูดซับโฟตอน ซึ่งสามารถนำไปใช้ในการตรวจจับและการวัด หรือสำหรับการสร้างพลังงานไฟฟ้าในเซลล์แสงอาทิตย์โฟโตไดโอดถูกนำไปใช้งานในหลากหลายช่วงคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้า ตั้งแต่โฟโตเซลล์แสงที่มองเห็นได้ไปจนถึงสเปกโตรมิเตอร์รังสีแกมมา

โฟโตไดโอดเป็นโครงสร้าง PINหรือรอยต่อ p–nเมื่อโฟตอนที่มีพลังงานเพียงพอตกกระทบไดโอด มันจะสร้าง คู่ อิเล็กตรอน - โฮลกลไกนี้ยังเป็นที่รู้จักกันในชื่อปรากฏการณ์โฟโตอิเล็กทริก ภายใน หากการดูดกลืนเกิดขึ้นในบริเวณพร่อง ของรอยต่อ หรือห่างออกไปหนึ่งความยาวการแพร่กระจาย ตัวพาเหล่านี้จะถูกกวาดออกจากรอยต่อโดยสนามไฟฟ้าภายในของบริเวณพร่อง ดังนั้นโฮลจะเคลื่อนที่ไปทางแอโนดและอิเล็กตรอนไปทางแคโทดและ เกิด กระแสโฟโตขึ้นกระแสทั้งหมดที่ไหลผ่านโฟโตไดโอดคือผลรวมของกระแสมืด (กระแสที่ไหลผ่านเมื่อไม่มีแสง) และกระแสโฟโต ดังนั้นกระแสมืดจะต้องลดลงให้น้อยที่สุดเพื่อเพิ่มความไวของอุปกรณ์ให้สูงสุด^{[ 2 ]}ดังนั้น โฟโตไดโอดจึงทำงานได้ดีที่สุดในสภาวะไบแอสย้อนกลับ

ในลำดับแรก สำหรับการกระจายสเปกตรัมที่กำหนด กระแสไฟฟ้าจากแสงจะเป็นสัดส่วนเชิงเส้นกับความเข้มของแสง^{[ 3 ]}

โหมดเซลล์แสงอาทิตย์

ในโหมดโฟโตโวลตาอิก ( ไบแอส ศูนย์ ) กระแสโฟโตจะไหลเข้าสู่แอโนดผ่านวงจรลัดไปยังแคโทด หากวงจรเปิดหรือมีอิมพีแดนซ์โหลดที่จำกัดกระแสโฟโตออกจากอุปกรณ์ แรงดันไฟฟ้าจะสร้างขึ้นในทิศทางที่ทำให้ไดโอดมีไบแอสไปข้างหน้า นั่นคือ แอโนดเป็นบวกเมื่อเทียบกับแคโทด หากวงจรลัดหรืออิมพีแดนซ์ต่ำ กระแสไปข้างหน้าจะใช้กระแสโฟโตทั้งหมดหรือบางส่วน โหมดนี้ใช้ประโยชน์จากปรากฏการณ์โฟโตโวลตาอิกซึ่งเป็นพื้นฐานของเซลล์แสงอาทิตย์ – เซลล์แสงอาทิตย์แบบดั้งเดิมเป็นเพียงโฟโตไดโอดพื้นที่ขนาดใหญ่ สำหรับกำลังไฟฟ้าขาออกที่เหมาะสมที่สุด เซลล์โฟโตโวลตาอิกจะทำงานที่แรงดันไฟฟ้าที่ทำให้เกิดกระแสไปข้างหน้าเพียงเล็กน้อยเมื่อเทียบกับกระแสโฟโต^{[ 3 ]}

โฟโตไดโอดแบบ Avalancheคือโฟโตไดโอดที่มีโครงสร้างที่ได้รับการปรับให้เหมาะสมสำหรับการทำงานภายใต้แรงดันไบแอสย้อนกลับสูง ซึ่งใกล้เคียงกับแรงดันพังทลายย้อนกลับ สิ่งนี้ทำให้ ตัวพา ที่เกิดจากแสง แต่ละตัว สามารถถูกคูณด้วยการพังทลายแบบ Avalancheส่งผลให้เกิดการขยายภายในโฟโตไดโอด ซึ่งจะเพิ่มความไวในการตอบสนอง ที่มีประสิทธิภาพ ของอุปกรณ์ ^{[ 5 ]}

A phototransistor is a light-sensitive transistor. A common type of phototransistor, the bipolar phototransistor, is in essence a bipolar transistor encased in a transparent case so that light can reach the base–collector junction. It was invented by John N. Shive at Bell Labs in 1948^[6]:205 but it was not announced until 1950.^[7] The electrons that are generated by photons in the base–collector junction are injected into the base, and this photodiode current is amplified by the transistor's current gain β (or h). If the base and collector leads are used and the emitter is left unconnected, the phototransistor becomes a photodiode. While phototransistors have a higher responsivity for light they are not able to detect low levels of light any better than photodiodes. Phototransistors also have significantly longer response times. Another type of phototransistor, the field-effect phototransistor (also known as photoFET), is a light-sensitive field-effect transistor. Unlike photobipolar transistors, photoFETs control drain-source current by creating a gate voltage.

A solaristor is a two-terminal gate-less phototransistor. A compact class of such solaristors was demonstrated in 2018 by ICN2 researchers. The novel concept is a two-in-one power source plus transistor device that runs on solar energy by exploiting a memresistive effect in the flow of photogenerated carriers.^[8]

The material used to make a photodiode is critical to defining its properties, because only photons with sufficient energy to excite electrons across the material's bandgap will produce significant photocurrents.

Materials commonly used to produce photodiodes are listed in the table below.^[9]

Because of their greater bandgap, silicon-based photodiodes generate less noise than germanium-based photodiodes.

Binary materials, such as MoS, and graphene emerged as new materials for the production of photodiodes.^[10]

รอยต่อ p–n ใดๆ หากได้รับแสงส่องสว่าง ก็อาจกลายเป็นโฟโตไดโอดได้ อุปกรณ์เซมิคอนดักเตอร์ เช่น ไดโอด ทรานซิสเตอร์ และไอซี ประกอบด้วยรอยต่อ p–n และจะไม่ทำงานอย่างถูกต้องหากได้รับแสงที่ไม่ต้องการส่องสว่าง^{[ 11 ] [ 12 ]}ปัญหานี้สามารถแก้ไขได้โดยการห่อหุ้มอุปกรณ์ไว้ในตัวเรือนทึบแสง หากตัวเรือนเหล่านี้ไม่ทึบแสงอย่างสมบูรณ์ต่อรังสีพลังงานสูง (อัลตราไวโอเลต รังสีเอ็กซ์ รังสีแกมมา) ไดโอด ทรานซิสเตอร์ และไอซี อาจทำงานผิดปกติ^{[ 13 ]}เนื่องจากการเกิดกระแสไฟฟ้าจากแสง รังสีพื้นหลังจากบรรจุภัณฑ์ก็มีความสำคัญเช่นกัน^{[ 14 ]}การทำให้ทนต่อรังสีจะช่วยลดผลกระทบเหล่านี้ได้

ในบางกรณี ผลลัพธ์ดังกล่าวเป็นสิ่งที่ต้องการจริง ๆ เช่น การใช้LEDเป็นอุปกรณ์ไวต่อแสง (ดูLED เป็นเซ็นเซอร์แสง ) หรือแม้แต่การเก็บเกี่ยวพลังงานซึ่งบางครั้งเรียกว่าไดโอดเปล่งแสงและดูดซับแสง (LED) ^{[ 15 ]}

พารามิเตอร์ประสิทธิภาพที่สำคัญของโฟโตไดโอด ได้แก่ การตอบสนองต่อสเปกตรัม กระแสไฟฟ้ามืด เวลาตอบสนอง และกำลังเทียบเท่าสัญญาณรบกวน

การตอบสนองเชิงสเปกตรัม

ค่าการตอบสนองต่อสเปกตรัมคืออัตราส่วนของกระแสไฟฟ้าที่เกิดขึ้นต่อกำลังแสงที่ตกกระทบ โดยแสดงในหน่วยA / Wเมื่อใช้ในโหมดการนำไฟฟ้าด้วยแสง การพึ่งพาความยาวคลื่นอาจแสดงได้ในรูปของประสิทธิภาพควอนตัมหรืออัตราส่วนของจำนวนตัวนำไฟฟ้าที่เกิดจากแสงต่อโฟตอนที่ตกกระทบ ซึ่งเป็นปริมาณที่ไม่มีหน่วย

กระแสมืด

กระแสไฟฟ้ามืดคือกระแสที่ไหลผ่านโฟโตไดโอดในขณะที่ไม่มีแสง เมื่อทำงานในโหมดการนำไฟฟ้าด้วยแสง กระแสไฟฟ้ามืดนี้รวมถึงกระแสโฟโตที่เกิดจากรังสีพื้นหลังและกระแสอิ่มตัวของรอยต่อเซมิคอนดักเตอร์ ต้องคำนึงถึงกระแสไฟฟ้ามืดในการปรับเทียบหากใช้โฟโตไดโอดเพื่อวัดกำลังแสงอย่างแม่นยำ และยังเป็นแหล่งกำเนิดสัญญาณรบกวนเมื่อใช้โฟโตไดโอดในระบบสื่อสารด้วยแสง

เวลาตอบสนอง

เวลาตอบสนองคือเวลาที่ตัวตรวจจับใช้ในการตอบสนองต่อสัญญาณแสง โฟตอนที่ถูกดูดซับโดยวัสดุเซมิคอนดักเตอร์จะสร้างคู่ของอิเล็กตรอนและโฮล ซึ่งจะเริ่มเคลื่อนที่ในวัสดุภายใต้ผลของสนามไฟฟ้าและทำให้เกิดกระแสไฟฟ้าระยะเวลาที่จำกัดของกระแสไฟฟ้านี้เรียกว่าการแพร่กระจายของเวลาผ่าน (transit-time spread) และสามารถประเมินได้โดยใช้ทฤษฎีบทของ Ramoนอกจากนี้ยังสามารถแสดงได้ด้วยทฤษฎีบทนี้ว่าประจุรวมที่เกิดขึ้นในวงจรภายนอกคือeและไม่ใช่ 2e อย่างที่อาจคาดหวังจากการมีอยู่ของตัวนำสองตัว อันที่จริงแล้ว ปริมาณรวมของกระแสไฟฟ้าเนื่องจากทั้งอิเล็กตรอนและโฮลในช่วงเวลาต้องเท่ากับ e ความต้านทานและความจุของโฟโตไดโอดและวงจรภายนอกทำให้เกิดเวลาตอบสนองอีกค่าหนึ่งที่เรียกว่าค่าคงที่เวลา RC (RC time constant ) การรวมกันของ R และ C นี้จะรวมการตอบสนองต่อแสงในช่วงเวลาและทำให้ การตอบสนองแบบอิมพัลส์ ของโฟโตได โอดยาวนานขึ้นเมื่อใช้ในระบบสื่อสารด้วยแสง เวลาตอบสนองจะเป็นตัวกำหนดแบนด์วิดท์ที่มีอยู่สำหรับการปรับสัญญาณและการส่งข้อมูล${\displaystyle \tau =RC}$

กำลังเทียบเท่าเสียงรบกวน

กำลังเทียบเท่าสัญญาณรบกวน (NEP) คือกำลังแสงอินพุตขั้นต่ำเพื่อสร้างกระแสโฟโตอิเล็กตรอน ซึ่งเท่ากับกระแสสัญญาณรบกวน rms ในแบนด์วิดท์ 1 เฮิรตซ์ NEP โดยพื้นฐานแล้วคือกำลังที่ตรวจจับได้ขั้นต่ำ ค่าการตรวจจับลักษณะ เฉพาะที่เกี่ยวข้อง ( ) คือค่าผกผันของ NEP (1/NEP) และค่าการตรวจจับจำเพาะ ( ) คือค่าการตรวจจับคูณด้วยรากที่สองของพื้นที่ ( ) ของโฟโตดีเทคเตอร์ ( ) สำหรับแบนด์วิดท์ 1 เฮิรตซ์ ค่าการตรวจจับจำเพาะช่วยให้สามารถเปรียบเทียบระบบต่างๆ ได้โดยไม่ขึ้นอยู่กับพื้นที่ของเซ็นเซอร์และแบนด์วิดท์ของระบบ ค่าการตรวจจับที่สูงขึ้นบ่งชี้ถึงอุปกรณ์หรือระบบที่มีสัญญาณรบกวนต่ำ^{[ 16 ]}แม้ว่าโดยทั่วไปแล้วจะมีการระบุ ( ) ในแคตตาล็อกหลายฉบับว่าเป็นตัววัดคุณภาพของไดโอด แต่ในทางปฏิบัติแล้ว แทบจะไม่ใช่พารามิเตอร์หลักเลย ${\displaystyle D}$${\displaystyle D^{\star }}$${\displaystyle A}$${\displaystyle D^{\star }=D{\sqrt {A}}}$ ${\displaystyle D^{\star }}$

เมื่อใช้โฟโตไดโอดในระบบสื่อสารด้วยแสง พารามิเตอร์ทั้งหมดเหล่านี้จะส่งผลต่อความไวของตัวรับสัญญาณแสง ซึ่งก็คือพลังงานอินพุตขั้นต่ำที่จำเป็นสำหรับตัวรับสัญญาณเพื่อให้ได้อัตราความผิดพลาดของบิต ตามที่ กำหนด

โฟโตไดโอดแบบ P–n ถูกนำไปใช้งานในลักษณะเดียวกับโฟโตดีเทคเตอร์ อื่นๆ เช่นโฟโตคอนดักเตอร์อุปกรณ์รับภาพแบบ CCD และ หลอด โฟโตมัลติพลายเออร์ โดยอาจใช้เพื่อสร้างเอาต์พุตที่ขึ้นอยู่กับการส่องสว่าง (แบบอนาล็อกสำหรับการวัด) หรือเพื่อเปลี่ยนสถานะของวงจร (แบบดิจิทัล สำหรับการควบคุมและการสลับ หรือสำหรับการประมวลผลสัญญาณดิจิทัล)

โฟโตไดโอดใช้ใน อุปกรณ์ อิเล็กทรอนิกส์สำหรับผู้บริโภคเช่นเครื่องเล่นซีดีเครื่องตรวจจับควันอุปกรณ์ทางการแพทย์^{[ 17 ]}และตัวรับสัญญาณสำหรับอุปกรณ์ควบคุมระยะไกล อินฟราเรด ที่ใช้ควบคุมอุปกรณ์ต่างๆ ตั้งแต่โทรทัศน์ไปจนถึงเครื่องปรับอากาศ สำหรับการใช้งานหลายอย่าง อาจใช้โฟโตไดโอดหรือโฟโตคอนดักเตอร์ก็ได้ โฟโตเซนเซอร์ทั้งสองประเภทสามารถใช้สำหรับการวัดแสง เช่น ใน เครื่องวัดแสง ของกล้องหรือเพื่อตอบสนองต่อระดับแสง เช่น การเปิดไฟถนนหลังจากมืด

โฟโตเซนเซอร์ทุกประเภทสามารถใช้ตอบสนองต่อแสงที่ตกกระทบหรือแหล่งกำเนิดแสงที่เป็นส่วนหนึ่งของวงจรหรือระบบเดียวกันได้ โฟโตไดโอดมักถูกรวมเข้ากับตัวปล่อยแสง ซึ่งโดยทั่วไปคือไดโอดเปล่งแสง (LED) ในส่วนประกอบเดียว เพื่อตรวจจับสิ่งกีดขวางทางกลต่อลำแสง ( สวิตช์แสงแบบมีช่อง ) หรือเพื่อเชื่อมต่อ วงจรดิจิทัลหรืออนาล็อกสองวงจรเข้าด้วยกัน โดยรักษาการ แยกทางไฟฟ้าที่สูงมากระหว่างกัน ซึ่งมักใช้เพื่อความปลอดภัย ( ออปโตคัปเปลอร์ ) การรวมกันของ LED และโฟโตไดโอดยังใช้ใน ระบบ เซนเซอร์ หลาย ระบบเพื่อจำแนกลักษณะของผลิตภัณฑ์ประเภทต่างๆ โดยอาศัยการดูดกลืนแสงของ ผลิตภัณฑ์เหล่านั้น

โฟโตไดโอดมักใช้สำหรับการวัดความเข้มแสงอย่างแม่นยำในทางวิทยาศาสตร์และอุตสาหกรรม โดยทั่วไปแล้วจะมีลักษณะการตอบสนองเชิงเส้นมากกว่าโฟโตคอนดักเตอร์

นอกจากนี้ ยังมีการใช้กันอย่างแพร่หลายในงานทางการแพทย์ต่างๆ เช่น ตัวตรวจจับสำหรับการตรวจเอกซเรย์คอมพิวเตอร์ (ร่วมกับสารเรืองแสง ) เครื่องมือวิเคราะห์ตัวอย่าง (การตรวจวิเคราะห์ภูมิคุ้มกัน ) และเครื่องวัดความอิ่มตัวของออกซิเจนในเลือด

ไดโอด PINมีความเร็วและความไวสูงกว่าไดโอด p–n มาก จึงมักถูกนำมาใช้ในการสื่อสารทางแสงและการควบคุมแสงสว่าง

โฟโตไดโอดแบบ P–n ไม่ได้ถูกนำมาใช้ในการวัดความเข้มแสงที่ต่ำมาก แต่หากต้องการความไวสูง จะใช้ โฟโตไดโอดแบบอะวาแลนซ์อุปกรณ์ประจุไฟฟ้าแบบเพิ่มความเข้มหรือหลอดโฟโตมัลติพลายเออร์ สำหรับงานต่างๆ เช่นดาราศาสตร์สเปกโทรสโกปีอุปกรณ์มองเห็นในเวลากลางคืนและ การวัดระยะ ด้วยเลเซอร์

อาร์เรย์หนึ่งมิติของโฟโตไดโอดหลายร้อยหรือหลายพันตัวสามารถใช้เป็นเซ็นเซอร์ ตำแหน่ง ได้ เช่น เป็นส่วนหนึ่งของเซ็นเซอร์มุม^{[ 23 ]} อาร์เรย์สองมิติใช้ในเซ็นเซอร์ภาพและเมาส์ออปติคอล

ในบางแอปพลิเคชัน อาร์เรย์โฟโตไดโอดช่วยให้สามารถอ่านค่าแบบขนานด้วยความเร็วสูง ซึ่งแตกต่างจากการรวมวงจร อิเล็กทรอนิกส์สำหรับการสแกน เช่นเดียวกับในเซ็นเซอร์ CCD หรือCMOSชิปเมาส์แบบออปติคอลที่แสดงในภาพมีการเข้าถึงแบบขนาน (ไม่ใช่แบบมัลติเพล็กซ์) ไปยังโฟโตไดโอดทั้ง 16 ตัวในอาร์เรย์ 4 × 4

วิกิมีเดียคอมมอนส์มีสื่อที่เกี่ยวข้องกับโฟโตไดโอด

• ลักษณะเฉพาะของกระแสไฟฟ้าและแรงดัน (I–V) ของโฟโตไดโอดเก็บถาวรเมื่อวันที่ 26 กุมภาพันธ์ 2022 ที่Wayback Machine
• การใช้โฟโตไดโอดเพื่อแปลงพีซีให้เป็นเครื่องบันทึกความเข้มแสง
• หลักการออกแบบพื้นฐานสำหรับวงจรโฟโตทรานซิสเตอร์ (จัดเก็บเมื่อวันที่ 5 กุมภาพันธ์ 2548)
• หลักการทำงานของโฟโตไดโอด ( เก็บถาวรเมื่อ 12 กุมภาพันธ์ 2552 ที่Wayback Machine)
• เอกสารแนะนำการใช้งาน Excelitas บนเว็บไซต์ Pacer (เก็บถาวรเมื่อวันที่ 4 มีนาคม 2559)