Φωτογραφική δίοδος που λειτουργεί

Η φωτοδίοδος είναι μια συσκευή σύνδεσης ημιαγωγών p-n που μετατρέπει το φως σε ηλεκτρικό ρεύμα. Οι φωτοδίοδοι χρησιμοποιούνται συνήθως σε LED. Είναι η απορρόφηση των φωτονίων στη φωτοδίοδο που προκαλεί τη δημιουργία ρεύματος. Οι φωτοδίοδοι μπορεί να είναι εξοπλισμένες με οπτικά φίλτρα ή ενσωματωμένους φακούς και οι επιφάνειές τους μπορεί να κυμαίνονται από μεγάλες έως μικρές. Καθώς η επιφάνεια μιας φωτοδιόδου αυξάνεται, ο χρόνος απόκρισης της συσκευής γίνεται πιο αργός. Μια φωτοδίοδος μεγάλης επιφάνειας είναι ο πιο κοινός τύπος ηλιακών κυψελών που χρησιμοποιήθηκε για την παραγωγή ηλεκτρικής ηλιακής ενέργειας στο παρελθόν και χρησιμοποιείται ακόμα και σήμερα.

Πώς διαφέρουν οι φωτοδίοδοι από τις δίοδοι;

Οι δίοδοι ή οι φωτοδίοδοι ανιχνευτών φωτονίων είναι παρόμοιες με τις κανονικές διόδους ημιαγωγών, με την εξαίρεση ότι μπορούν είτε να εκτεθούν (για την ανίχνευση κενού υπεριώδους ακτινοβολίας ή ακτίνες Χ) είτε να συσκευαστούν με παράθυρο ή σύνδεση οπτικών ινών, που επιτρέπει στο φως να φτάσει στο ευαίσθητο μέρος της συσκευής. Οι δίοδοι φωτοανιχνευτή χρησιμοποιούνται σε ποικίλες εφαρμογές. Πολλές δίοδοι που έχουν σχεδιαστεί ειδικά για χρήση ως φωτοδίοδοι χρησιμοποιούν μια διασταύρωση PIN αντί για μια διασταύρωση p–n προκειμένου να αυξηθεί η ταχύτητα με την οποία αποκρίνονται. Μια φωτοδίοδος είναι μια συσκευή ημιαγωγών που έχει σχεδιαστεί για να λειτουργεί με αντίστροφη πόλωση.

Η βασική αρχή λειτουργίας

Μια φωτοδίοδος αποτελείται από μια δομή PIN, γνωστή και ως διασταύρωση p–n. Όταν ένα φωτόνιο με επαρκή ενέργεια προσκρούει σε μια δίοδο, παράγει ένα ζεύγος ηλεκτρονίου-οπής, το οποίο είναι ημιαγωγός. Αυτός ο μηχανισμός αναφέρεται ως το εσωτερικό φωτοηλεκτρικό φαινόμενο σε ορισμένα περιβάλλοντα. Εάν η απορρόφηση συμβεί στην περιοχή εξάντλησης της διασταύρωσης ή ένα μήκος διάχυσης μακριά από αυτήν, οι φορείς παρασύρονται από τη διασταύρωση από το ενσωματωμένο ηλεκτρικό πεδίο της περιοχής εξάντλησης, το οποίο έχει ως αποτέλεσμα το σχηματισμό μιας νέας διασταύρωσης. Ως αποτέλεσμα, οι οπές κινούνται προς την άνοδο και τα ηλεκτρόνια προς την κάθοδο, με αποτέλεσμα τη δημιουργία φωτορεύματος. Το συνολικό ρεύμα που διαρρέει μια φωτοδίοδο είναι το άθροισμα του σκοτεινού ρεύματος (ρεύμα που δημιουργείται απουσία φωτός) και του φωτορεύματος. Επομένως, το σκοτεινό ρεύμα πρέπει να διατηρηθεί στο ελάχιστο προκειμένου να μεγιστοποιηθεί η ευαισθησία της συσκευής, όπως αναφέρθηκε προηγουμένως.

Σε σχέση με μια δεδομένη φασματική κατανομή, το φωτορεύμα είναι γραμμικά ανάλογο με την ακτινοβολία, τουλάχιστον της πρώτης τάξης.

Τρόπος λειτουργίας στα φωτοβολταϊκά

Τα χαρακτηριστικά I-V μιας φωτοδιόδου δείχνουν το σημαντικό χαρακτηριστικό μιας φωτοδιόδου. Οι γραμμικές γραμμές φορτίου σε ένα τυπικό χαρακτηριστικό γράφημα μιας φωτοδιόδου αντιπροσωπεύουν την απόκριση του εξωτερικού κυκλώματος, όπου 

I =(Εφαρμοσμένη τάση πόλωσης-Τάση διόδου)/Συνολική αντίσταση, 

Στη λειτουργία φωτοβολταϊκού (μηδενική προκατάληψη), το φωτορεύμα ρέει στην άνοδο μέσω βραχυκυκλώματος στην κάθοδο, με αποτέλεσμα την παραγωγή ηλεκτρικής ενέργειας. Κάθε φορά που ανοίγει ένα κύκλωμα ή όταν υπάρχει σύνθετη αντίσταση φορτίου, η οποία εμποδίζει την έξοδο φωτορεύματος από τη συσκευή, μια τάση συσσωρεύεται προς την κατεύθυνση που ωθούσε προς τα εμπρός τη δίοδο, δηλ. θετική άνοδο σε σχέση με την κάθοδο. Εάν το κύκλωμα είναι βραχυκυκλωμένο ή η σύνθετη αντίσταση είναι χαμηλή, ένα προς τα εμπρός ρεύμα θα απορροφήσει όλο ή μέρος του φωτοηλεκτρικού ρεύματος, ανάλογα με τις περιστάσεις. Αυτή η λειτουργία χρησιμοποιεί το φωτοβολταϊκό φαινόμενο, το οποίο είναι η θεμελιώδης αρχή πίσω από τα ηλιακά κύτταρα - ένα παραδοσιακό ηλιακό Η κυψέλη είναι απλώς μια φωτοδίοδος με μεγάλη επιφάνεια. Το φωτοβολταϊκό στοιχείο θα λειτουργεί με τάση που προκαλεί μόνο ένα μικρό προς τα εμπρός ρεύμα σε σύγκριση με το φωτορεύμα, προκειμένου να επιτευχθεί η υψηλότερη δυνατή ισχύς εξόδου.

Λειτουργία φωτοαγώγιμης λειτουργίας

Είναι δυνατό να λειτουργήσει μια φωτοαγώγιμη δίοδος σε λειτουργία αντίστροφης πόλωσης, που σημαίνει ότι η κάθοδος πολώνεται θετικά σε σχέση με την άνοδο. Δεδομένου ότι η πρόσθετη αντίστροφη πόλωση διευρύνει το στρώμα εξάντλησης, μειώνει την χωρητικότητα της διασταύρωσης και επεκτείνει την περιοχή με ένα ηλεκτρικό πεδίο, το οποίο κάνει τα ηλεκτρόνια να συλλέγονται πιο γρήγορα. Αυτό μειώνει τον χρόνο απόκρισης της συσκευής. Η αντίστροφη πόλωση έχει επίσης ως αποτέλεσμα τη δημιουργία σκοτεινού ρεύματος χωρίς να προκαλεί σημαντική αλλαγή στο φωτορεύμα.

Παρά το γεγονός ότι αυτή η λειτουργία είναι ταχύτερη, η λειτουργία φωτοαγώγιμης λειτουργίας μπορεί να παράγει περισσότερο ηλεκτρονικό θόρυβο ως αποτέλεσμα σκοτεινού ρεύματος ή εφέ χιονοστιβάδας, μεταξύ άλλων. Με το χαμηλό ρεύμα διαρροής (λιγότερο από 1 nA), μια καλή δίοδος PIN μπορεί συχνά να χρησιμοποιηθεί σε ένα τυπικό κύκλωμα χωρίς να εισάγει σημαντικό θόρυβο Johnson-Nyquist στο κύκλωμα.

Εφαρμογές

Μια φωτοδίοδος p–n χρησιμοποιείται σε εφαρμογές που είναι παρόμοιες με εκείνες άλλων τύπων φωτοανιχνευτών, όπως φωτοαγωγοί, συσκευές συζευγμένου φορτίου (CCD) και σωλήνες φωτοπολλαπλασιαστή, όπως στην ιατρική απεικόνιση. Όταν χρησιμοποιούνται για τη δημιουργία μιας εξόδου που εξαρτάται από τον φωτισμό (για παράδειγμα, αναλογική για μέτρηση), ή για την αλλαγή της κατάστασης ενός κυκλώματος, μπορεί να είναι πολύ χρήσιμα (ψηφιακά, είτε για έλεγχο και μεταγωγή είτε για επεξεργασία ψηφιακού σήματος).

Μεταξύ άλλων, οι φωτοδίοδοι χρησιμοποιούνται σε ηλεκτρονικές συσκευές ευρείας κατανάλωσης όπως συσκευές αναπαραγωγής δίσκων συμπαγών δίσκων (CD player), ανιχνευτές καπνού, ιατρικές συσκευές και δέκτες για συσκευές τηλεχειρισμού υπέρυθρων, οι οποίες χρησιμοποιούνται για τον έλεγχο μιας ποικιλίας ηλεκτρονικών συσκευών που κυμαίνονται από τηλεοράσεις έως αέρα κλιματιστικά. Οι φωτοδίοδοι και οι φωτοαγωγοί είναι και οι δύο κατάλληλοι για ένα ευρύ φάσμα εφαρμογών. Ανάλογα με την εφαρμογή, οποιοσδήποτε τύπος αισθητήρα φωτογραφίας μπορεί να χρησιμοποιηθεί για μέτρηση φωτός, όπως φωτόμετρα κάμερας, ή για απόκριση στα επίπεδα φωτός, όπως όταν ενεργοποιείτε τον φωτισμό του δρόμου μετά το σκοτάδι.

Συμπέρασμα

Η φωτοδίοδος είναι ένας τύπος αισθητήρα φωτός που μετατρέπει την φωτεινή ενέργεια σε ηλεκτρική ενέργεια και χρησιμοποιείται στην ηλεκτρονική (τάση ή ρεύμα). Ένα παράδειγμα ημιαγώγιμης συσκευής με διασταύρωση PN είναι η φωτοδίοδος. Υπάρχει ένα εγγενές στρώμα μεταξύ των επιπέδων p (θετικό) και n (αρνητικό) και συνδέει τα δύο στρώματα μεταξύ τους. Η φωτοδίοδος μετατρέπει την φωτεινή ενέργεια σε ηλεκτρικό ρεύμα αποδεχόμενος την ως είσοδο. Αυτή η συσκευή αναφέρεται επίσης ως φωτοανιχνευτής, αισθητήρας φωτογραφίας ή ανιχνευτής φωτός. Η φωτοδίοδος λειτουργεί σε κατάσταση αντίστροφης πόλωσης, που σημαίνει ότι ο αρνητικός ακροδέκτης της μπαταρίας (ή το τροφοδοτικό) είναι συνδεδεμένος στην πλευρά p της φωτοδιόδου και ο θετικός ακροδέκτης της μπαταρίας στην πλευρά n.

Κίνηση σε καμπύλη γραμμή

Όταν το σώμα κινείται σε καμπύλη διαδρομή, αυτή είναι η κίνηση. Είναι επίσης δισδιάστατη και τρισδιάστατη κίνηση. Ως αποτέλεσμα, η καθαρή μεταφορική κίνηση δεν χρειάζεται να είναι σε ευθεία γραμμή όλη την ώρα. Εάν ένα αντικείμενο κινείται σε καμπύλη διαδρομή χωρίς να αλλάξει ο προσανατολισμός του, αυτή η κατάσταση είναι εφικτή.

Παράδειγμα. Κίνηση βλήματος

Κίνηση που είναι μεταφραστική (τύπος καμπυλόγραμμης)

Μια παραβολική διαδρομή ακολουθείται από μια μπάλα.

Η εν λόγω μπάλα εκτοξεύεται από το σημείο Ο και ταξιδεύει μέσα από τα σημεία Α και Β για να φτάσει στο σημείο Γ, όπως φαίνεται στο διάγραμμα. Η κίνηση του βλήματος είναι το όνομα αυτού του τύπου κίνησης. Η καμπυλόγραμμη κίνηση είναι η φύση της κίνησης του βλήματος. Για να φτάσετε από το σημείο Ο στο σημείο Γ, η μπάλα κινείται σε καμπύλη διαδρομή και όχι σε ευθεία γραμμή.

Συμπέρασμα 

Ο αριθμός των διαφόρων αντιλήψεων περιστροφής στο σώμα που μπορεί να παραχθεί είναι μηδέν. Ως αποτέλεσμα, όταν η καθαρή δύναμη και η καθαρή ροπή που ενεργούν στο σώμα είναι μηδέν, μπορούμε να συμπεράνουμε ότι το άκαμπτο σώμα βρίσκεται σε μηχανική ισορροπία. Οι κατευθύνσεις πρέπει να λαμβάνονται με τις κατάλληλες συμβάσεις σημάτων επειδή οι δυνάμεις και οι ροπές είναι διανυσματικά μεγέθη.