एक फोटोडायोड क्या है? (भाग 2)

के प्रयोग से निम्नलिखित समस्याओं का समाधान किया जा सकता हैफोटोडायोडया फोटोट्रांजिस्टर. उदाहरण के लिए, फ़ोन कैमरे को यह निर्धारित करने के लिए परिवेश प्रकाश को मापने की आवश्यकता है कि फ़्लैश को सक्रिय करने की आवश्यकता है या नहीं। रक्त में ऑक्सीजन के स्तर का गैर-आक्रामक मूल्यांकन कैसे करें? ये ऑप्टोइलेक्ट्रॉनिक उपकरण प्रकाश (फोटॉन) को विद्युत संकेतों में परिवर्तित करते हैं जिन्हें एक माइक्रोप्रोसेसर (या माइक्रोकंट्रोलर) "देख सकता है।" इस तरह, वस्तुओं की स्थिति और व्यवस्था को नियंत्रित करना, प्रकाश की तीव्रता निर्धारित करना और प्रकाश के साथ इसकी बातचीत के आधार पर सामग्री के भौतिक गुणों को मापना संभव है।

अब बात करते हैं दूसरे पार्ट की.

1. फोटोडायोड संरचना

फोटोडायोड के लिए प्रमुख आवश्यकताओं में से एक प्रकाश एकत्र करने के लिए उपयुक्त क्षेत्र है। एक मानक पीएन जंक्शन के भीतर, यह अपेक्षाकृत छोटा है, लेकिन पिन डायोड का उपयोग करके क्षेत्र को बढ़ाया जा सकता है। चूंकि आंतरिक क्षेत्र प्रकाश संग्रह के लिए उपयोग किए जाने वाले सक्रिय जंक्शन में निहित है, प्रकाश संग्रह के लिए उपयोग किया जाने वाला क्षेत्र बहुत बड़ा है, जिससे पिन फोटोडायोड अधिक कुशल हो जाता है।

फोटोडायोड निर्माण प्रक्रिया में, पी-प्रकार और एन-प्रकार परतों के बीच मोटी आंतरिक परतें डाली जाती हैं। मध्यवर्ती ईजन परत को एन-लेयर बनाने के लिए पूरी तरह से ईजन या बहुत हल्के ढंग से डोप किया जा सकता है। कुछ मामलों में, इसे सब्सट्रेट पर एपिटैक्सियल परत के रूप में उगाया जा सकता है, या इसे सब्सट्रेट के भीतर ही समाहित किया जा सकता है।

पी प्लस प्रसार परत को भारी डोप्ड एन-प्रकार एपिटैक्सियल परत पर विकसित किया जा सकता है। संपर्क धातु डिज़ाइन से बना है और इसे एनोड और कैथोड जैसे दो टर्मिनलों में बनाया जा सकता है। डायोड के सामने वाले क्षेत्र को दो प्रकारों में विभाजित किया जा सकता है, जैसे सक्रिय सतह और निष्क्रिय सतह।

निष्क्रिय सतह का डिज़ाइन सिलिकॉन डाइऑक्साइड (SiO2) से किया जा सकता है। सक्रिय सतह पर प्रकाश चमक सकता है, जबकि निष्क्रिय सतह पर प्रकाश नहीं चमक सकता। सक्रिय सतह को प्रति-परावर्तक सामग्री से ढकने से, प्रकाश की ऊर्जा नष्ट नहीं होती है, और अधिकतम को विद्युत प्रवाह में परिवर्तित किया जा सकता है।

फोटोडायोड की मुख्य आवश्यकताओं में से एक यह सुनिश्चित करना है कि प्रकाश की अधिकतम मात्रा आंतरिक परत तक पहुंचे। इसे प्राप्त करने के सबसे प्रभावी तरीकों में से एक विद्युत संपर्कों को डिवाइस के किनारे पर रखना है, जैसा कि छवि में दिखाया गया है। इससे प्रकाश की अधिकतम मात्रा प्रभावी क्षेत्र तक पहुंच पाती है। यह पाया गया है कि चूंकि सब्सट्रेट को भारी मात्रा में डोप किया गया है, इसलिए लगभग कोई प्रकाश हानि नहीं है क्योंकि यह एक सक्रिय क्षेत्र नहीं है।

चूँकि प्रकाश अधिकतर एक निश्चित दूरी में अवशोषित होता है, आंतरिक परत की मोटाई आमतौर पर इससे मेल खाती है। इस मोटाई में कोई भी वृद्धि ऑपरेशन की गति को कम कर देगी - कई अनुप्रयोगों में एक महत्वपूर्ण कारक - और दक्षता में बहुत अधिक वृद्धि नहीं होगी।

प्रकाश जंक्शन के एक तरफ से भी फोटोडायोड में प्रवेश कर सकता है। इस तरह से फोटोडायोड को संचालित करके, कम दक्षता के साथ, ऑपरेशन की गति बढ़ाने के लिए कम आंतरिक परतें बनाई जा सकती हैं।

कुछ मामलों में, हेटेरोजंक्शन का उपयोग किया जा सकता है। निर्माण के इस रूप में सब्सट्रेट से प्रकाश प्राप्त करने के लिए अतिरिक्त लचीलापन है और इसमें एक बड़ा ऊर्जा अंतर है, जो इसे प्रकाश के लिए पारदर्शी बनाता है।

कम मानक प्रक्रिया के रूप में, इसे लागू करना अधिक महंगा है और इसलिए इसका उपयोग अधिक विशिष्ट उत्पादों के लिए किया जाता है।

2. फोटोडायोड विशेषताएँ

(1) वोल्ट-एम्पीयर विशेषताएँ

यह फोटोडायोड पर फोटोकरंट और उस पर लागू वोल्टेज के बीच संबंध को संदर्भित करता है।

(2) प्रकाश विशेषताएँ

यह चमकदार प्रवाह और फोटोकरंट के बीच संबंध को संदर्भित करता है जब कैथोड और एनोड के बीच फोटोडायोड वोल्टेज स्थिर होता है। प्रकाश विशेषता वक्र के ढलान को फोटोडायोड संवेदनशीलता कहा जाता है।

(3) वर्णक्रमीय विशेषताएँ

प्रकाश धारा और आपतित प्रकाश की तरंग दैर्ध्य के बीच के संबंध को वर्णक्रमीय गुण कहा जाता है। फोटॉन ऊर्जा प्रकाश की तरंग दैर्ध्य से संबंधित है: तरंग दैर्ध्य जितनी लंबी होगी, फोटॉन ऊर्जा उतनी ही छोटी होगी; तरंगदैर्घ्य जितना छोटा होगा, फोटॉन उतना ही अधिक ऊर्जावान होगा।

3. फोटोडायोड का कार्य

(1) प्रकाश नियंत्रण

फोटोडायोड का उपयोग फोटोइलेक्ट्रिक स्विच के रूप में किया जा सकता है, और इसका सर्किट निम्नलिखित चित्र में दिखाया गया है। जब कोई प्रकाश नहीं होता है, तो रिवर्स वोल्टेज के कारण फोटोडायोड VD1 कट जाता है। ट्रांजिस्टर VT1 और VT2 भी बिना बेस करंट के कट जाते हैं। रिले रिलीज़ स्थिति में है.

जब प्रकाश VD1 पर उत्सर्जित होता है, तो यह कटऑफ से चालन में परिवर्तित हो जाता है। परिणामस्वरूप, VT1 और VT2 क्रमिक रूप से चालू होते हैं, रिले K खींचता है, और नियंत्रण सर्किट चालू होता है।

(2) ऑप्टिकल सिग्नल रिसेप्शन

फोटोडायोड का उपयोग प्रकाश संकेत प्राप्त करने के लिए किया जा सकता है। निम्नलिखित चित्र ऑप्टिकल सिग्नल प्राप्त करने वाले प्रवर्धन फोटोडायोड सर्किट को दिखाता है। प्रकाश संकेत फोटोडायोड वीडी द्वारा प्राप्त होता है, जिसे वीटी द्वारा प्रवर्धित किया जाता है, और आउटपुट कपलिंग कैपेसिटर सी द्वारा प्राप्त किया जाता है।

4. फोटोडायोड अनुप्रयोग

(1) फोटोकेल

फोटोकेल मूलतः पीएन जंक्शन का एक बड़ा क्षेत्र है। जब प्रकाश पीएन जंक्शन सतह पर उत्सर्जित होता है, जैसे कि पी-क्षेत्र सतह, तो पी-क्षेत्र में प्रत्येक फोटॉन एक मुक्त इलेक्ट्रॉन-छेद जोड़ी का उत्पादन करता है यदि फोटॉन ऊर्जा अर्धचालक सामग्री के बैंडगैप बैंडविड्थ से अधिक है।

इलेक्ट्रॉन-छेद जोड़ी तेजी से अंदर की ओर फैलती है और जंक्शन विद्युत क्षेत्र के तहत प्रकाश की तीव्रता से संबंधित एक इलेक्ट्रोमोटिव बल बनाती है। इस समय, यदि हम इसे बिजली आपूर्ति के रूप में उपयोग करते हैं और इसे बाहरी सर्किट से जोड़ते हैं, तो जब तक प्रकाश रहेगा, यह बिजली की आपूर्ति करता रहेगा, जो कि एक फोटोकेल है। दूसरे शब्दों में, फोटोकेल एक पीएन-जंक्शन फोटोइलेक्ट्रिक डिवाइस है जिसमें कोई पूर्वाग्रह वोल्टेज नहीं है। यह प्रकाश ऊर्जा को सीधे बिजली में परिवर्तित कर सकता है।

(2) सौर सेल

सौर सेल एक अर्धचालक उपकरण है। जब सूर्य का प्रकाश अर्धचालक से टकराता है, तो इसका कुछ भाग परावर्तित हो जाता है और शेष अवशोषित हो जाता है या अर्धचालक में प्रवेश कर जाता है। अवशोषित प्रकाश में से कुछ ऊष्मा बन जाते हैं, जबकि अन्य फोटॉन अर्धचालक बनाने वाले वैलेंस इलेक्ट्रॉनों से टकराते हैं, जिससे इलेक्ट्रॉन-छिद्र जोड़े बनते हैं। इस प्रकार, प्रकाश ऊर्जा को बिजली में परिवर्तित किया जाता है।

इसलिए, सूर्य के प्रकाश के विकिरणित होने के बाद, सौर सेल के दोनों सिरे डीसी वोल्टेज उत्पन्न करेंगे, जिससे सूर्य के प्रकाश की ऊर्जा सीधे डीसी करंट में परिवर्तित हो जाएगी। यदि हम धातु को पी और एन परतों की ओर ले जाते हैं और लोड को जोड़ते हैं, तो करंट बाहरी सर्किट से प्रवाहित होगा।

इस प्रकार, यदि हम फोटोकल्स की श्रृंखला को समानांतर में जोड़ते हैं, तो आउटपुट पावर के लिए एक निश्चित वोल्टेज और करंट उत्पन्न किया जा सकता है।

(3) फोटोवोल्टिक प्रकाश व्यवस्था

फोटोवोल्टिक विद्युत उत्पादन प्रणाली एक विद्युत उत्पादन प्रणाली है जो सौर ऊर्जा को बिजली में परिवर्तित करने के लिए सौर कोशिकाओं का उपयोग करती है। यह फोटोवोल्टिक प्रभाव का उपयोग करता है।

मुख्य घटक सौर सेल, बैटरी, नियंत्रक और इनवर्टर हैं। उच्च विश्वसनीयता, लंबी सेवा जीवन, कोई प्रदूषण नहीं, स्वतंत्र बिजली उत्पादन, फोटोडायोड ग्रिड से जुड़ा संचालन।

क्योंकि फोटोडायोड फोटोवोल्टिक मोड प्रकाश और तापमान जैसे बाहरी पर्यावरणीय कारकों से बहुत प्रभावित होता है, ऑपरेटिंग बिंदु जल्दी से बदल जाता है। स्वतंत्र बिजली उत्पादन प्रणालियाँ और ग्रिड से जुड़ी बिजली उत्पादन प्रणालियाँ हैं।

① स्वतंत्र फोटोवोल्टिक विद्युत उत्पादन प्रणाली

एक स्वतंत्र फोटोवोल्टिक विद्युत उत्पादन प्रणाली एक विद्युत उत्पादन विधि है जो ग्रिड से जुड़ी नहीं है। इसे रात भर के लिए ऊर्जा संग्रहित करने के लिए बैटरियों की आवश्यकता होती है। स्वतंत्र सौर फोटोवोल्टिक विद्युत उत्पादन का उपयोग मुख्य रूप से दूरदराज के गांवों और घरों में किया जाता है

वोल्ट-उत्पादक प्रणाली का संरचना आरेख

② ग्रिड से जुड़े फोटोवोल्टिक बिजली उत्पादन प्रणाली

ग्रिड से जुड़ी फोटोवोल्टिक बिजली उत्पादन प्रणाली ग्रिड को बिजली की आपूर्ति करने के लिए राष्ट्रीय ग्रिड से जुड़ी है। इसमें बैटरी की जरूरत नहीं है. आवासीय फोटोवोल्टिक बिजली उत्पादन प्रणालियाँ ज्यादातर घर में होती हैं। इनका उपयोग सार्वजनिक उपयोगिताओं, रात्रि परिदृश्य प्रकाश प्रणालियों और सौर फार्मों में भी किया जाता है।

(4) फोटोडायोड के अन्य अनुप्रयोग हैं:

•एक फोटोडायोड का उपयोग प्रकाश सेंसर के रूप में किया जाता है। चूँकि इसमें धारा प्रकाश की तीव्रता के समानुपाती होती है, इसलिए इसका उपयोग प्रकाश की तीव्रता मापने के लिए भी किया जाता है।

•धूम्र संसूचकों में फोटोडायोड का उपयोग धुएं और आग को महसूस करने के लिए किया जा सकता है।

•फोटोडायोड और एलईडी को ऑप्टिकल आइसोलेटर और ऑप्टिकल कपलर बनाने के लिए संयोजित किया जाता है

•सौर पैनलों में सौर सेल के रूप में उपयोग किया जाता है

•बारकोड स्कैनर, चरित्र पहचान के लिए उपयोग किया जाता है

•बाधा पहचान प्रणालियों के लिए,

•प्रिंटर में पेज उपस्थिति और पेज काउंटर के रूप में उपयोग किया जा सकता है

•निकटता का पता लगाने के लिए, एक ऑक्सीमीटर

•इसका उपयोग ऑप्टिकल एनकोडर और डिकोडर के लिए भी किया जाता है

•ऑप्टिकल सूचना प्रसारण, ऑप्टिकल फाइबर संचार पर आधारित

•स्थिति सेंसर

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