पिन फोटोडायोड क्या है? | यह 5+ महत्वपूर्ण उपयोग और विशेषताएं है

चर्चा का विषय : पिन फोटोडायोड

पिन फोटोडायोड क्या है?

फोटोडायोड एक पीएन जंक्शन डायोड है जो रिवर्स बायस में संचालित होता है। जैसा कि नाम से पता चलता है, पिन फोटोडायोड एक विशेष प्रकार का फोटोडायोड है जिसमें एक भारी डोप्ड पी-टाइप और एक भारी डोप्ड एन-टाइप परत के बीच एक आंतरिक परत रखी जाती है। चूंकि अशुद्धता में वृद्धि के साथ प्रतिरोधकता कम हो जाती है और इसके विपरीत, p और n परतों में बहुत कम प्रतिरोधकता होती है, जबकि I परत में प्रतिरोधकता बहुत अधिक होती है। पिन-फोटोडायोड में एक बड़ा अपक्षय क्षेत्र होता है जिसका उपयोग प्रकाश के स्वागत में किया जाता है।

पिन फोटोडायोड आइकॉन

पिन-फोटोडायोड का प्रतीकात्मक प्रतिनिधित्व मानक पीएन जंक्शन डायोड के समान है, डायोड पर नीचे की ओर तीरों को छोड़कर, जो प्रकाश को इंगित करता है।

पिन फोटोडायोड संरचना

पिन-फोटोडायोड में तीन परतें होती हैं- पी-लेयर, आई या इंट्रिंसिक लेयर, और एन-लेयर। पी-लेयर को त्रिसंयोजक अशुद्धता के साथ डोप किया गया है, और एन-लेयर को पेंटावैलेंट अशुद्धता के साथ डोप किया गया है। आई-लेयर अनडॉप्ड है या बहुत हल्का डोप किया गया है। पी टर्मिनल एनोड की तरह काम करता है और एन टर्मिनल कैथोड की तरह काम करता है। सामान्य के विपरीत पीएन जंक्शन डायोड, पिन-फोटोडायोड में आंतरिक परत की चौड़ाई बड़ी होती है।

इसका निर्माण दो तरह से किया जा सकता है:

• तलीय संरचना: इस प्रकार की संरचना में, पी-परत पर एक पतली एपिटैक्सियल फिल्म बनाई जाती है।
• मेसा संरचना: इस प्रकार की संरचना में, पहले से ही डोप्ड सेमीकंडक्टर परतें आंतरिक परत पर उगाई जाती हैं।

पिन फोटोडायोड सर्किट आरेख

पिन-फोटोडायोड एक फोटोडेटेक्टर के रूप में तभी काम करता है जब यह रिवर्स बायस में काम कर रहा हो। एनोड बैटरी के नेगेटिव टर्मिनल से जुड़ा होता है। बैटरी का धनात्मक पक्ष एक प्रतिरोधक के माध्यम से कैथोड से जुड़ा होता है।

पिन फोटोडायोड का संचालन | पिन फोटोडायोड का कार्य सिद्धांत

• जब डिवाइस पर रिवर्स बायस लागू किया जाता है, तो आंतरिक परत में कमी क्षेत्र का विस्तार शुरू हो जाता है। चौड़ाई तब तक बढ़ती जाती है जब तक यह I परत की मोटाई तक नहीं पहुंच जाती।
• नतीजतन, कमी क्षेत्र किसी भी मोबाइल चार्ज वाहक से मुक्त हो जाता है। तो कोई करंट प्रवाहित नहीं होता है। इस बिंदु पर, ह्रास क्षेत्र में कोई इलेक्ट्रॉन-छेद पुनर्संयोजन नहीं होता है।
• जब पर्याप्त ऊर्जा का प्रकाश ( एच? मैं अर्धचालक की बैंडगैप ऊर्जा) I क्षेत्र में प्रवेश करता है, अवशोषित प्रत्येक फोटॉन एक इलेक्ट्रॉन-छेद जोड़ी उत्पन्न करता है। ये जोड़े अवक्षय क्षेत्र में मौजूद अवरोध विद्युत क्षेत्र के कारण एक मजबूत बल का अनुभव करते हैं। यह बल जोड़े को अलग करता है, और आवेश वाहक विपरीत दिशाओं में चलते हैं, और करंट उत्पन्न होता है। इस प्रकार प्रकाशिक ऊर्जा विद्युत ऊर्जा में परिवर्तित हो जाती है।
• चूँकि प्रकाश ऊर्जा से करंट उत्पन्न होता है, इसे कहते हैं फोटोक्रेक्ट और के रूप में लिखा I_p.

पिन फोटोडायोड अभिलक्षण

• प्रतिरोधकता: यह P , और N परतों ( से कम) में कम प्रतिरोधकता प्रदान करता है 1kΩ/सेमी) और I परत में उच्च प्रतिरोधकता (100 . तक) केΩ/सेमी)

• समाई: चूंकि कैपेसिटेंस पी और एन परतों के बीच के अंतर के साथ व्युत्क्रमानुपाती होता है, इस फोटोडायोड में कैपेसिटेंस मानक डायोड से कम होता है।    

कहा पे ?₀= मुक्त स्थान का परावैद्युत मान

             ?_r= अर्धचालक का ढांकता हुआ स्थिरांक

             ए = आंतरिक परत का क्षेत्र

             डी = कमी क्षेत्र की चौड़ाई

• बिजली की ख़राबी: आंतरिक परत अवक्षय क्षेत्र को चौड़ा करती है, जिसके कारण ब्रेकडाउन वोल्टेज बहुत अधिक होता है।

• धारा प्रवाह: वर्तमान प्रवाह डिटेक्टर पर प्रकाश की घटना की मात्रा के सीधे आनुपातिक है।

• आगे पूर्वाग्रह की स्थिति: यदि इसे फॉरवर्ड बायस मोड में संचालित किया जाता है, तो रिक्तीकरण परत की चौड़ाई कम हो जाती है और करंट प्रवाहित होता है। इस मामले में, डायोड एक चर अवरोधक की तरह व्यवहार करता है।

• क्वांटम दक्षता(?): इसे ऊर्जा वाले प्रति फोटॉन उत्पन्न होने वाले इलेक्ट्रॉन-छेद जोड़े की संख्या के लिए संदर्भित किया जाता है h?

• जवाबदेही: यह प्रति इनपुट आउटपुट गेन (फोटॉन) को मापता है।

पिन फोटोडायोड में संचालन के तरीके

इसके संचालन के मुख्य रूप से दो तरीके हैं-

• निष्पक्ष फोटोवोल्टिक मोड 
• रिवर्स बायस्ड फोटोकॉन्डक्टिव मोड 

पिन फोटोडायोड IV घटता

फोटोडायोड पिन आरेख

फोटोडायोड पिन विन्यास

3 पिन फोटोडायोड

थ्री-पिन फोटोडायोड हाई-स्पीड सिलिकॉन पिन-फोटोडायोड हैं जो विशेष रूप से आस-पास के अवरक्त प्रकाश का पता लगाने के लिए डिज़ाइन किए गए हैं। कम पूर्वाग्रह पर, ये उपकरण वाइडबैंड विशेषताओं की सुविधा प्रदान करते हैं, जो उन्हें ऑप्टिकल संचार और अन्य फोटोमेट्री के लिए प्रयोग करने योग्य बनाता है।

पिन फोटोडायोड में शोर

शोर किसी भी अवांछनीय घटना या प्राप्त सूचना संकेत में त्रुटि को संदर्भित करता है। यह विभिन्न स्रोतों से आने वाली अशांतकारी शक्तियों का समामेलन है।

निम्नलिखित शोर हैं जो एक फोटोडायोड के कुल शोर के लिए जिम्मेदार हैं:

• क्वांटम या शॉट शोर
• डार्क करंट शोर
• थर्मल शोर

जबकि पहले दो प्रकार के शोर फोटॉन की सांख्यिकीय प्रकृति से इलेक्ट्रॉन रूपांतरण प्रक्रिया में उत्पन्न होते हैं, थर्मल शोर एम्पलीफायर सर्किटरी से जुड़ा होता है।

क्वांटम या शॉट शोर: 

यह प्रोटॉन से इलेक्ट्रॉन रूपांतरण प्रक्रिया के कारण होता है। यहां पोइसन प्रक्रिया का पालन किया जाता है। शॉट शोर का माध्य वर्ग मान i_q photocurrent i . पर_p है,

जहाँ, q= एक इलेक्ट्रॉन का आवेश

             बी = बैंडविड्थ

डार्क करंट शोर:

डार्क करंट वह धारा है जो फोटोडेटेक्टर पर कोई प्रकाश नहीं होने पर सर्किट से प्रवाहित होती है। इसके दो प्रमुख घटक हैं- बल्क डार्क करंट शोर और सतह रिसाव वर्तमान शोर। बल्क डार्क करंट पीएन जंक्शन में ऊष्मीय रूप से उत्पन्न छिद्रों और इलेक्ट्रॉनों का परिणाम है।

बल्क डार्क करंट शोर का माध्य वर्ग मान i_db डार्क करंट i . पर_d है,

सतह रिसाव वर्तमान शोर का औसत वर्ग मूल्य i_ds सतह पर रिसाव वर्तमान i_L है,

थर्मल शोर:

इसे जॉनसन शोर भी कहा जाता है। लोड रोकनेवाला का थर्मल शोर एम्पलीफायर के थर्मल शोर की तुलना में बहुत अधिक है क्योंकि लोड प्रतिरोध का एम्पलीफायर प्रतिरोध की तुलना में एक छोटा मूल्य है।

इसलिए, ऊष्मीय शोर का माध्य वर्ग मान i_r भार प्रतिरोध R . के कारण_L

 जहां के_B= बोल्ट्जमान स्थिरांक

             टी = पूर्ण तापमान

             बी = बैंडविड्थ

InGaAs पिन फोटोडायोड

InGaAs (इंडियम गैलियम आर्सेनाइड) इंडियम आर्सेनाइड और गैलियम आर्सेनाइड का एक मिश्र धातु है। गैलियम आर्सेनाइड कुशलतापूर्वक बिजली को सुसंगत प्रकाश में परिवर्तित कर सकता है।

InGaAs पिन-फोटोडायोड या फोटोडेटेक्टर ऑप्टोइलेक्ट्रॉनिक उपकरण हैं जो बहुत उच्च क्वांटम दक्षता प्रदान करने में सक्षम हैं जो 800 से 1700 एनएम तक हो सकते हैं। वे विस्तारित बैंडविड्थ में कम समाई, उच्च रैखिकता, बढ़े हुए प्रतिरोध के कारण उच्च संवेदनशीलता, कम अंधेरे धारा, और डिटेक्टर के सक्रिय क्षेत्र में एकरूपता प्रदर्शित करते हैं। ये सभी विशेषताएँ लचीलेपन को बढ़ाने और अनुप्रयोगों की एक विस्तृत श्रृंखला की पेशकश करने में मदद करती हैं।

GaAs पिन फोटोडायोड

GaAs (गैलियम आर्सेनाइड) एक अर्धचालक है जिसमें सिलिकॉन की तुलना में उच्च इलेक्ट्रॉन गतिशीलता और उच्च इलेक्ट्रॉन वेग होता है। यह बहुत उच्च आवृत्तियों पर कार्य कर सकता है।

GaAs पिन फोटोडायोड्स का उपयोग 850 एनएम पर ऑप्टिकल सिग्नल का पता लगाने में किया जाता है। इसका एक बड़ा सक्रियण क्षेत्र है जो एक स्थिर और संवेदनशील प्रतिक्रिया सुनिश्चित करता है। इसका उपयोग ऑप्टिकल टेलीकम्युनिकेशन में ऑप्टिकल रिसीवर के रूप में, परीक्षण मशीनों आदि में भी किया जा सकता है। GaAs फोटोडायोड तेजी से प्रतिक्रिया, कम डार्क करंट और उच्च विश्वसनीयता प्रदान करते हैं।

पिन फोटोडायोड डिटेक्टर

फोटोडेटेक्टर का उपयोग प्रकाश संकेत को विद्युत संकेत, उनके प्रवर्धन और आगे की प्रक्रिया में परिवर्तित करने के लिए किया जाता है। ऑप्टिकल फाइबर सिस्टम में, फोटोडेटेक्टर एक आवश्यक तत्व है। सेमीकंडक्टर फोटोडायोड सबसे व्यापक रूप से उपयोग किए जाने वाले डिटेक्टरों में से हैं क्योंकि वे उत्कृष्ट प्रदर्शन प्रदान करते हैं, आकार में छोटे होते हैं, और लागत में कम होते हैं।

उदाहरण: गैलियम आर्सेनाइड फोटोडायोड, इंडियम गैलियम आर्सेनाइड फोटोडायोड, आदि

ऑप्टिकल संचार में पिन फोटोडायोड

 फोटोडेटेक्टर का उपयोग ऑटोमोबाइल क्षेत्र, चिकित्सा उद्देश्य, सुरक्षा उपकरण, कैमरा, उद्योग, खगोल विज्ञान और सबसे महत्वपूर्ण रूप से संचार में किया जाता है। फोटोडिटेक्शन के लिए दो अलग-अलग फोटोइलेक्ट्रिक तंत्र उपलब्ध हैं:

1. बाहरी प्रभाव: पीएमटी या फोटोमल्टीप्लायर ट्यूब
2. आंतरिक प्रभाव: पीएन जंक्शन फोटोडायोड्स, पिन-फोटोडायोड्स, हिमस्खलन फोटोडायोड         

फोटोडिटेक्शन सिद्धांत:       

• इलेक्ट्रॉन-छेद जोड़ी फोटोजेनरेशन होता है
• पिन जंक्शन रिवर्स बायस्ड है
• कमी क्षेत्र वाहक बहाव देखता है
• इलेक्ट्रॉन-छेद जोड़ी विपरीत दिशा में चलती है और प्रकाश धारा का कारण बनती है

पिन फोटोडायोड विकिरण डिटेक्टर | पिन फोटोडायोड गामा डिटेक्टर

पिन फोटोडायोड गामा विकिरण में व्यक्तिगत फोटॉन का पता लगाने में सक्षम हैं। एक पिन फोटोडायोड, एक तुलनित्र, और चार कम शोर परिचालन एम्पलीफायरों इस प्रक्रिया में एक साथ उपयोग किया जाता है।  

 रिवर्स बायस की स्थिति में, जब फोटॉन कमी क्षेत्र पर हमला करते हैं, तो वे फोटॉन की ऊर्जा के सीधे आनुपातिक एक छोटा चार्ज उत्पन्न करते हैं। परिणामी संकेत मिलता है op-amps . द्वारा प्रवर्धित और फ़िल्टर किया गया. तुलनित्र संकेत और शोर को अलग करता है। तुलनित्र का अंतिम आउटपुट हर बार एक उच्च पल्स दिखाता है जब कोई गामा फोटॉन न्यूनतम आवश्यक ऊर्जा के साथ पिन फोटोडायोड पर हमला करता है।

पिन फोटोडायोड रिसीवर

ऑप्टिकल रिसीवर विद्युत ऊर्जा रूपांतरण के लिए ऑप्टिकल के लिए जिम्मेदार हैं। ऑप्टिकल रिसीवर का सबसे महत्वपूर्ण तत्व फोटोडायोड है।

रिसीवर को पहले विकृत, कमजोर संकेतों का पता लगाना चाहिए और फिर उस सिग्नल के प्रवर्धित संस्करण के आधार पर तय करना चाहिए कि किस प्रकार का डेटा भेजा गया था। विभिन्न स्रोतों से आने वाली त्रुटियां सिग्नल से जुड़ी पाई जा सकती हैं। इसलिए संकेतों को नियंत्रित किया जाना चाहिए, और अत्यधिक सटीकता के साथ संसाधित किया जाना चाहिए क्योंकि रिसीवर के डिजाइन में शोर पर विचार एक महत्वपूर्ण कारक है।

सिलिकॉन पिन फोटोडायोड

सिलिकॉन या सी पिन-फोटोडायोड विभिन्न अनुप्रयोगों को समायोजित कर सकते हैं। पिन संरचना के कारण, यह फोटॉन का पता लगाने के लिए तेज प्रतिक्रिया और उच्च क्वांटम आवृत्ति उत्पन्न करता है। वे 250 एनएम से 1.1 माइक्रोन की सीमा में प्रकाश का पता लगाने में सक्षम हैं। यह उच्च आवृत्तियों में उच्च-ऊर्जा विकिरण का पता लगाता है। कमी क्षेत्र की चौड़ाई 0.5 से 0.7 मिमी तक भिन्न होती है।

सी पिन फोटोडायोड डिटेक्टर

पिन फोटोडायोड्स में, ह्रास क्षेत्र लगभग आंतरिक परत के साथ मेल खाता है। चार्ज कैरियर जनरेशन आपतित विकिरण के कारण होता है।

 प्रकाश विकिरण के साथ-साथ गामा विकिरण, X विकिरण, कण भी आवेश वाहक उत्पन्न कर सकते हैं।

जब डायोड के धातु संपर्क के साथ फोटॉन मिलते हैं, तो यह बड़ी संख्या में इलेक्ट्रॉन-छेद जोड़े पैदा करता है। इलेक्ट्रोड इन्हें इकट्ठा करते हैं, और संकेत उत्पन्न होता है। इलेक्ट्रॉन-होल जोड़े जो अधिक मोबाइल हैं, आसानी से पता लगाने योग्य सिग्नल प्राप्त करने में मदद करते हैं। बाद में उन्हें कम शोर एम्पलीफायर के माध्यम से संसाधित किया जाता है, और विश्लेषक दालों से विकिरण की मात्रा का पता लगाता है।

पिन फोटोडायोड सरणी

फोटोडायोड सरणियों का उपयोग आमतौर पर एक्स-रे मशीनों में इमेज लाइन में ऑब्जेक्ट को लाइन से स्कैन करके किया जाता है। एक्स-रे को स्किंटिलेटर क्रिस्टल के माध्यम से प्रकाश में परिवर्तित किया जाता है। तब फोटोडायोड प्रकाश की तीव्रता को मापता है।

हाई-स्पीड पिन फोटोडायोड

हाई-स्पीड पिन-फोटोडायोड्स को सिग्नल की ताकत, बढ़ी हुई संवेदनशीलता, कम ऑपरेटिंग वोल्टेज और उच्च बैंडविड्थ के खिलाफ सटीक ट्रिगरिंग के लिए पसंद किया जाता है।

पिन फोटोडायोड एम्पलीफायर

फोटोक्यूरेंट को मापने योग्य वोल्टेज में बदलने के लिए ऑपरेशनल एम्पलीफायरों का उपयोग फीडबैक रेसिस्टर के साथ किया जाता है। इसे ट्रांस-प्रतिबाधा एम्पलीफायर भी कहा जाता है।

पिन फोटोडायोड का अनुप्रयोग

पिन-फोटोडायोड सबसे लोकप्रिय फोटोडायोड्स में से एक हैं जिनकी विभिन्न विशेषताएं हैं, जो उन्हें विभिन्न अनुप्रयोगों के लिए उपयुक्त बनाती हैं। फोटो-डिटेक्शन के अलावा, इसका उपयोग डीवीडी प्लेयर, सीडी ड्राइव, स्विच, चिकित्सा उपचार और कई अन्य में किया जाता है।

• हाई वोल्टेज रेक्टिफायर: आंतरिक परत पी और एन क्षेत्र के बीच एक बड़ा अलगाव प्रदान करती है, जिससे उच्च रिवर्स वोल्टेज को सहन किया जा सकता है।

• ‌आरएफ और डीसी नियंत्रित माइक्रोवेव स्विच: आंतरिक परत P और N परतों के बीच की दूरी को बढ़ाती है। यह कैपेसिटेंस को भी कम करता है, जिससे रिवर्स बायस्ड कंडीशन में आइसोलेशन बढ़ता है।

• ‌फोटोडेटेक्टर और फोटोवोल्टिक सेल: प्रकाश से वर्तमान बातचीत अवक्षय क्षेत्र में होती है। चूंकि आंतरिक परत की चौड़ाई अधिक होती है, यह प्रकाश को पकड़ने के प्रदर्शन में सुधार करती है।

• ‌आरएफ और चर एटेन्यूएटर्स
• आरएफ मॉड्यूलेटर सर्किट
• एमआरआई मशीन

पिन फोटोडायोड फायदे और नुकसान

पिन फोटोडायोड लाभ

• इसमें उच्च प्रकाश संवेदनशीलता है।
• ‌प्रतिक्रिया की गति अधिक है.
• इसकी बैंडविड्थ चौड़ी है.
• ‌कार्यान्वयन लागत कम है.
• ‌यह कम शोर उत्पन्न करता है.
• ‌तापमान संवेदनशीलता कम है.
• यह आकार में छोटा है small.
• diodeदीर्घायु मानक डायोड से बेहतर.

पिन फोटोडायोड के नुकसान

• इसे केवल रिवर्स बायस्ड स्थिति में ही संचालित किया जा सकता है।
• ‌लागू वोल्टेज कम होना चाहिए.
• ‌यह हर तरह के प्रकाश के प्रति संवेदनशील है.
• ‌तापमान विनिर्देशों को बनाए रखना होगा.

अक्सर पूछे गए प्रश्न

पिन फोटोडेटेक्टर में पोलर कैपेसिटेंस का क्या उपयोग है?

ध्रुवीय समाई का अर्थ है संधारित्र प्लेट एक सकारात्मक और नकारात्मक ध्रुवता वाले इलेक्ट्रोड होते हैं। एक पिन फोटोडेटेक्टर में, पी और एन परतें इलेक्ट्रोड के रूप में कार्य करती हैं, और चूंकि रिक्तीकरण परत की चौड़ाई विशाल होती है; समाई मूल्य कम है। कम क्षमता के कारण गति में सुधार होता है।

पिन फोटोडायोड का क्या लाभ है?

इसमें उच्च संवेदनशीलता, कम शोर, विस्तृत बैंडविड्थ, कम कार्यान्वयन लागत है। विस्तृत विवरण शीर्ष खंड में है।

पिन फोटोडायोड में I का क्या अर्थ है?

मैं पिन फोटोडायोड में आंतरिक परत के लिए खड़ा हूं।

एक नियमित फोटोडायोड और एक पिन फोटोडायोड में क्या अंतर है?

बढ़ी हुई आंतरिक परत पिन फोटोडायोड्स को अधिक करंट ले जाने में सक्षम बनाती है और आवृत्ति प्रतिक्रिया में भी सुधार करती है। विस्तृत विवरण शीर्ष खंड में है।

पिन फोटोडायोड की कमियां क्या हैं?

यह अत्यधिक प्रकाश-संवेदनशील है, और यह केवल रिवर्स बायस में ही अच्छा प्रदर्शन कर सकता है।

फोटोडायोड क्या है और इसका प्रतीक क्या है?

एक फोटोडायोड एक अर्धचालक है जो प्रकाश ऊर्जा को विद्युत ऊर्जा में परिवर्तित करता है।

एक फोटोडायोड सरणी क्या है?

यह फोटोडिटेक्शन, स्पेक्ट्रोफोटोमेट्री आदि में उपयोग किया जाने वाला सेंसर है।

फोटोडायोड का सर्वाधिक प्रयोग किसमें किया जाता है?

पिन-फोटोडायोड सबसे अधिक उपयोग किया जाता है फोटोडायोड.

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कौशिकी बनर्जी

नमस्ते......मैं कौशिकी बनर्जी हूं और मैंने इलेक्ट्रॉनिक्स और संचार में स्नातकोत्तर की पढ़ाई पूरी की है। मैं इलेक्ट्रॉनिक्स उत्साही हूं और वर्तमान में इलेक्ट्रॉनिक्स और संचार के क्षेत्र के लिए समर्पित हूं। मेरी रुचि अत्याधुनिक प्रौद्योगिकियों की खोज में है। मैं एक उत्साही शिक्षार्थी हूं और मैं ओपन-सोर्स इलेक्ट्रॉनिक्स के साथ छेड़छाड़ करता हूं।