Đi-ốt phát quang

Photodiode / Diode quang
Ba photodiode Silic và một photodiode Germani (dưới)
Loại	Chủ động
Nguyên lý hoạt động	Chuyển đổi photon thành điện tích
Chân	anode và cathode
Ký hiệu điện

Đi-ốt phát quang hay Photodiode là một loại diode bán dẫn thực hiện chuyển đổi ánh sáng thành điện tích thông qua hiệu ứng quang điện.

Các photon có thể thuộc nhiều vùng phổ khác nhau như ánh sáng nhìn thấy, hồng ngoại, tử ngoại, tia X, hoặc tia gamma. Khi các photon xâm nhập vào lớp hoạt động của photodiode, bao gồm tiếp giáp p-n hoặc cấu trúc PIN, chúng tạo ra điện tích dẫn đến dòng điện. Tùy thuộc vào cách chế tạo, dòng điện này có thể rất nhỏ, làm cho photodiode hoạt động như một cảm biến photon, hoặc đủ lớn để cung cấp năng lượng như trong pin mặt trời.

Cảm biến photodiode được ứng dụng rộng rãi trong lĩnh vực điện tử, đặc biệt là trong các thiết bị đo lường, giám sát, truyền thông và điều khiển. Chúng có thể được chế tạo dưới dạng đơn lẻ để phát hiện các trạng thái như giấy trong máy in, hoặc dưới dạng mảng lớn (Array) như cảm biến ảnh với hàng triệu phần tử, chẳng hạn như cảm biến CCD.

Để hoạt động hiệu quả với các vùng ánh sáng chọn lọc, các màng lọc tương thích thường được phủ lên bề mặt của photodiode.

Nguyên lý hoạt động

Photodiode được chế tạo từ một số chất bán dẫn khác nhau, và hoạt động trong các vùng phổ ánh sáng khác nhau. Phạm vi ánh sáng nhìn thấy nằm trong khoảng từ 380 nm đến 780 nm.

Chất bán dẫn	Ký hiệu hóa	Vùng bước sóng (nm)
Silicon	Si	190–1100
Germani	Ge	400–1700
Arsenua indi	InAs	800–2600
Sulfide chì(II)	PbS	1000–3500
Tellua cadmi-thủy ngân	HgCdTe	400–14.000
Tellua cadmi	CdTe	5000–20.000

Photodiode có cấu trúc lớp hoạt động là tiếp giáp p-n, trong khi các loại mới hơn sử dụng cấu trúc PIN. Khi các photon với năng lượng đủ lớn xâm nhập vào lớp hoạt động, chúng sẽ bị hấp thụ và tạo ra cặp điện tử-lỗ trống nhờ hiệu ứng quang điện. Nếu quá trình hấp thụ xảy ra trong vùng nghèo của tiếp giáp hoặc vùng khuếch tán, điện trường của vùng nghèo sẽ làm dịch chuyển các hạt mang điện, khiến lỗ trống di chuyển về anode và điện tử về cathode, từ đó tạo ra dòng điện.

Thông thường, diode có dòng điện rò, còn trong photodiode, dòng này được gọi là dòng tối, xảy ra khi không có ánh sáng chiếu vào. Dòng điện qua photodiode là tổng của dòng quang điện và dòng rò. Để nâng cao độ nhạy của cảm biến, công nghệ chế tạo phải giảm thiểu dòng rò.

Hiệu ứng quang điện liên quan chặt chẽ đến chất bán dẫn, vì vậy khi chế tạo linh kiện không tương thích với photon, cần phải lắp đặt các lớp bảo vệ ánh sáng. Những lớp bảo vệ này không hoàn toàn ngăn chặn, do đó, thiết bị điện tử có thể gặp lỗi hoặc hỏng khi ở trong vùng nhiễu cao, ví dụ như khu vực chiếu tia X, tia gamma mạnh hoặc trong không gian vũ trụ.

Đặc điểm hoạt động

Hiệu suất

Hiệu suất (Efficiency) là tỷ lệ giữa công suất dòng quang điện tạo ra với quang thông, đo bằng đơn vị A/W. Photodiode có hiệu suất cao.

Đáp ứng phổ

Đáp ứng phổ (Spectral responsivity) thể hiện độ nhạy của photodiode đối với từng bước sóng photon thông qua hiệu suất lượng tử (Quantum efficiency), và điều này có sự khác biệt không đồng đều. Chất liệu và công nghệ sản xuất tạo ra các vùng phổ hoạt động khác nhau cho photodiode.

Dòng tối

Dòng tối (Dark current) là dòng điện không mong muốn trong diode, đối với photodiode, đây là dòng điện xảy ra khi không có ánh sáng chiếu vào.

Thời gian đáp ứng

Thời gian phản hồi (Response time) thể hiện khả năng của cảm biến quang điện trong việc theo kịp sự thay đổi của quang thông, và có thể được xác định bằng quy tắc Ramo.

Mức độ tiếng ồn

Mức độ tiếng ồn (Noise-equivalent power)

Các chế độ hoạt động khác nhau

Chế độ quang điện

Chế độ quang điện của photodiode

(Photovoltaic mode) hoạt động mà không cần áp thiên, dòng điện quang được tạo ra từ ánh sáng và có thể dùng làm nguồn cung cấp điện. Các pin mặt trời hoạt động theo chế độ này.

Chế độ quang dẫn

Chế độ quang dẫn của photodiode (Photoconductive mode) hoạt động với áp thiên ngược. Áp thiên ngược làm mở rộng vùng nghèo, gia tăng dòng dò, tiếng ồn và giảm điện dung tiếp giáp, nhưng không ảnh hưởng đến dòng quang điện. Trong một vùng phổ ánh sáng nhất định, dòng quang điện tỷ lệ tuyến tính với độ rọi và có phản ứng nhanh hơn so với chế độ quang điện.

Diode PIN giúp giảm tiếng ồn và dòng dò, có thể đạt dòng dò <1 nA.

Chế độ tuyết lở

Photodiode tuyết lở (Avalanche) hoạt động với áp thiên ngược rất lớn, khiến khi photon tạo ra cặp điện tử-lỗ trống, điện trường mạnh sẽ kích thích sự tạo cặp mới như hiện tượng sạt lở tuyết. Điều này dẫn đến tăng cường khuếch đại và phản ứng đặc trưng với sự kiện.

Phototransistor

Phototransistor là một loại transistor có vỏ bọc với cửa trong suốt cho phép photon đi vào. Công nghệ chế tạo áp dụng các biện pháp hạn chế dòng dò và nhiễu.

• Trong phototransistor lưỡng cực, khi photon xâm nhập vào tiếp giáp base–collector, các điện tử sinh ra sẽ xâm nhập vào vùng base và được khuếch đại với hệ số khuếch đại dòng β (hoặc h_fe). Nó có đáp ứng chậm hơn và phản ứng kém với ánh sáng yếu. Nếu emitter để trống, nó hoạt động như một photodiode thông thường.
• Trong phototransistor FET hay photoFET, khi photon xâm nhập vào kênh dẫn, nó điều khiển dòng drain tương tự như cơ chế của điện áp cực gate.

Liên kết bên ngoài