ફોટોોડિઓડ્સ: ઉપકરણ, લાક્ષણિકતાઓ અને કામગીરીના સિદ્ધાંતો
સૌથી સરળ ફોટોોડિયોડ એ પરંપરાગત સેમિકન્ડક્ટર ડાયોડ છે જે p — n જંકશન પર ઓપ્ટિકલ રેડિયેશનને પ્રભાવિત કરવાની ક્ષમતા પ્રદાન કરે છે.
સંતુલન સ્થિતિમાં, જ્યારે રેડિયેશન ફ્લક્સ સંપૂર્ણપણે ગેરહાજર હોય છે, ત્યારે વાહક એકાગ્રતા, સંભવિત વિતરણ અને ફોટોોડિયોડની ઊર્જા બેન્ડ ડાયાગ્રામ સામાન્ય pn માળખાને સંપૂર્ણપણે અનુરૂપ હોય છે.
જ્યારે p-n-જંકશનના સમતલની લંબ દિશામાં કિરણોત્સર્ગના સંપર્કમાં આવે છે, ત્યારે બેન્ડની પહોળાઈ કરતાં વધુ ઊર્જા સાથેના ફોટોનના શોષણના પરિણામે, n-પ્રદેશમાં ઇલેક્ટ્રોન-હોલ જોડીઓ દેખાય છે. આ ઇલેક્ટ્રોન અને છિદ્રોને ફોટોકેરિયર્સ કહેવામાં આવે છે.
n-પ્રદેશમાં ઊંડે સુધી ફોટોકેરિયર પ્રસરણ દરમિયાન, ઇલેક્ટ્રોન અને છિદ્રોના મુખ્ય અપૂર્ણાંકને ફરીથી સંયોજિત થવાનો સમય નથી અને તે p-n જંકશન સીમા સુધી પહોંચે છે. અહીં, ફોટોકેરિયર્સને p — n જંકશનના ઇલેક્ટ્રિક ક્ષેત્ર દ્વારા અલગ કરવામાં આવે છે અને છિદ્રો p પ્રદેશમાં જાય છે, અને ઇલેક્ટ્રોન સંક્રમણ ક્ષેત્રને પાર કરી શકતા નથી અને p — n જંકશન અને n પ્રદેશની સીમા પર એકઠા થઈ શકતા નથી.
આમ, p — n જંક્શન દ્વારા પ્રવાહ લઘુમતી વાહકો — છિદ્રોના પ્રવાહને કારણે છે. ફોટોકૅરિયર્સના ડ્રિફ્ટ કરન્ટને ફોટોકરન્ટ કહેવામાં આવે છે.
ફોટોડિયોડ્સ બેમાંથી એક મોડમાં કામ કરી શકે છે - વિદ્યુત ઊર્જાના બાહ્ય સ્ત્રોત વિના (ફોટોજનરેટર મોડ) અથવા વિદ્યુત ઊર્જાના બાહ્ય સ્ત્રોત (ફોટોકન્વર્ટર મોડ) સાથે.
ફોટોજનરેટર મોડમાં કાર્યરત ફોટોોડિઓડ્સનો ઉપયોગ પાવર સ્ત્રોત તરીકે થાય છે જે સૌર ઊર્જાને વિદ્યુત ઊર્જામાં રૂપાંતરિત કરે છે. તેમને સૌર કોષો કહેવામાં આવે છે અને તે અવકાશયાનમાં ઉપયોગમાં લેવાતી સૌર પેનલનો ભાગ છે.
સિલિકોન સૌર કોષોની કાર્યક્ષમતા લગભગ 20% છે, જ્યારે ફિલ્મ સૌર કોષો માટે તે વધુ મહત્વપૂર્ણ હોઈ શકે છે. સૌર કોષોના મહત્વના ટેકનિકલ પરિમાણો તેમના આઉટપુટ પાવરનો સમૂહ અને સૌર કોષ દ્વારા કબજે કરેલ વિસ્તારનો ગુણોત્તર છે. આ પરિમાણો અનુક્રમે 200 W / kg અને 1 kW / m2 ના મૂલ્યો સુધી પહોંચે છે.
જ્યારે ફોટોડિયોડ ફોટો કન્વર્ઝન મોડમાં કાર્ય કરે છે, ત્યારે પાવર સપ્લાય E બ્લોકીંગ દિશામાં સર્કિટ સાથે જોડાયેલ છે (ફિગ. 1, એ). ફોટોોડિયોડની I — V લાક્ષણિકતાની વિપરીત શાખાઓનો ઉપયોગ પ્રકાશના વિવિધ સ્તરો પર થાય છે (ફિગ. 1, b).
ચોખા. 1. ફોટો કન્વર્ઝન મોડમાં ફોટોડિયોડ પર સ્વિચ કરવાની સ્કીમ: a — સ્વિચિંગ સર્કિટ, b — I — V ફોટોડિયોડની લાક્ષણિકતા
લોડ રેઝિસ્ટર Rn માં વર્તમાન અને વોલ્ટેજ ફોટોોડિયોડની વર્તમાન-વોલ્ટેજ લાક્ષણિકતાના આંતરછેદ બિંદુઓ અને રેઝિસ્ટર Rn ના પ્રતિકારને અનુરૂપ લોડ લાઇન પરથી ગ્રાફિકલી રીતે નક્કી કરી શકાય છે. પ્રકાશની ગેરહાજરીમાં, ફોટોોડિયોડ પરંપરાગત ડાયોડના મોડમાં કામ કરે છે. જર્મેનિયમ ફોટોડાયોડ્સ માટે શ્યામ પ્રવાહ 10 — 30 μA છે, સિલિકોન ફોટોડાયોડ્સ માટે 1 — 3 μA છે.
જો ચાર્જ કેરિયર્સના હિમપ્રપાત ગુણાકાર સાથે ઉલટાવી શકાય તેવું વિદ્યુત ભંગાણ, સેમિકન્ડક્ટર ઝેનર ડાયોડની જેમ ફોટોડિયોડ્સમાં ઉપયોગમાં લેવાય છે, તો ફોટોકરન્ટ અને તેથી સંવેદનશીલતામાં ઘણો વધારો થશે.
હિમપ્રપાત ફોટોડાયોડ્સની સંવેદનશીલતા પરંપરાગત ફોટોડાયોડ્સ (જર્મેનિયમ માટે - 200 - 300 વખત, સિલિકોન માટે - 104 - 106 વખત) કરતાં વધુ તીવ્રતાના ઘણા ઓર્ડર હોઈ શકે છે.
હિમપ્રપાત ફોટોડિયોડ્સ 10 GHz સુધીની આવર્તન શ્રેણી સાથે હાઇ-સ્પીડ ફોટોવોલ્ટેઇક ઉપકરણો છે. હિમપ્રપાત ફોટોડાયોડ્સનો ગેરલાભ એ પરંપરાગત ફોટોડાયોડ્સની તુલનામાં ઉચ્ચ અવાજ સ્તર છે.
ચોખા. 2. ફોટોરેઝિસ્ટર (a), UGO (b), ઊર્જા (c) અને ફોટોરેઝિસ્ટરની વર્તમાન-વોલ્ટેજ લાક્ષણિકતાઓ (d) નું સર્કિટ ડાયાગ્રામ
ફોટોોડિઓડ્સ ઉપરાંત, ફોટોરેસિસ્ટર (આકૃતિ 2), ફોટોટ્રાન્સિસ્ટર્સ અને ફોટોથાઇરિસ્ટરનો ઉપયોગ થાય છે, જે આંતરિક ફોટોઇલેક્ટ્રિક અસરનો ઉપયોગ કરે છે. તેમનો લાક્ષણિક ગેરલાભ એ તેમની ઉચ્ચ જડતા છે (ઓપરેટિંગ ફ્રીક્વન્સી fgr <10 — 16 kHz મર્યાદિત કરવી), જે તેમના ઉપયોગને મર્યાદિત કરે છે.
ફોટોટ્રાન્સિસ્ટરની ડિઝાઇન પરંપરાગત ટ્રાન્ઝિસ્ટર જેવી જ છે જેમાં કેસમાં વિન્ડો હોય છે જેના દ્વારા આધારને પ્રકાશિત કરી શકાય છે. UGO ફોટોટ્રાન્સિસ્ટર - એક ટ્રાન્ઝિસ્ટર જેની તરફ બે તીરો નિર્દેશ કરે છે.
LEDs અને photodiodes નો ઉપયોગ ઘણીવાર જોડીમાં થાય છે.આ કિસ્સામાં, તેઓ એક આવાસમાં મૂકવામાં આવે છે જેથી ફોટોોડિયોડનો પ્રકાશસંવેદનશીલ વિસ્તાર એલઇડીના ઉત્સર્જન ક્ષેત્રની વિરુદ્ધ સ્થિત હોય. LED-photodiodes ની જોડીનો ઉપયોગ કરીને સેમિકન્ડક્ટર ઉપકરણો કહેવામાં આવે છે optocouplers (ફિગ. 3).
ચોખા. 3. ઓપ્ટોકપ્લર: 1 — LED, 2 — ફોટોોડિયોડ
આવા ઉપકરણોમાં ઇનપુટ અને આઉટપુટ સર્કિટ કોઈપણ રીતે ઇલેક્ટ્રિકલી કનેક્ટેડ નથી, કારણ કે સિગ્નલ ઓપ્ટિકલ રેડિયેશન દ્વારા પ્રસારિત થાય છે.
પોટાપોવ એલ.એ.