دید کلی
توزیع الکترونها در یک جامد را میتوان بر حسب یک سری از
نوارهای انرژی که هر نوار آن افقی تعداد محدودی الکترونها را در خود جای میدهد تصویر کرد. پایینترین نوارهای انرژی حاوی الکترونهایی هستند که پیوند محکمی با هسته اتمهایی که جسم جامد را تشکیل میدهند دارند. الکترونهایی که در انرژیهای بالاتر هستند آنهایی هستند که پیوند سستی به هستهها دارند. در یک
نیم رسانا انرژی لازم برای بالا بردن یک
الکترون در فاصله شکاف انرژی بین نوارهای ظرفیتی و رسانش اندک است دادن یک الکترون به
نوار رسانش نتیجهاش بر جای ماندن یک جای خالی در نوار ظرفیتی است و از آنجا که این جای خالی هم
میدان الکتریکی متحرک است مثل الکترونی با بار مثبت است که
حفره نامیده میشود در یک نیم رسانا مثل
سولفید کادمیوم یک فوتون جذب شده تولید یک زوج الکترون و حفره میکند یک فوتو رسانایی نظیر این میتواند در یک مدار الکتریکی برای آشکار سازی تابش مورد استفاده قرار گیرد.
آشکار سازهای فوتو ولتایی
اگر ماده نوع n (حاملهای اکثریت الکترونها) در کنار ماده نوع p (حاملهای اکثریت حفرهها) قرار گیرد، الکترونهای اضافی حفرهها در دور و بر پیوندگاه این دو نوع ماده ترکیب مییابند. این روند ترکیب ، انرژیهای نسبی نوارهای رسانشی و ظرفیتی را تغییر میدهد. جریان حفرهها را الکترونها در پیوندگاه را متوقف میکند و باعث ایجاد یک میدان الکتریکی موضعی دائم در پیوندگاه میشوند اگر یک کوانتوم از تابش هر فردی بر منطقه پیوندگاه جذب و یک زوج الکترون و حفره تولید شده باشد. چنانچه میدان پیوندگان ، حاملان بار را پیش از اینکه بتواند دوباره ترکیب یابند، از همدیگر جدا کند آنگاه در یک مدار باز یک
ولتاژ غیر صفر در دو قطبی پدیدار میشود و در یک مدار بسته
جریان الکتریکی برقرار خواهد شد.
هرگاه یک وسیله اندازه گیری ولتاژ یا جریان به مدار افزوده شود، حاصلش یک آشکار ساز نور است. آشکار سازی که ولتاژ یا جریان را بدون هر منبع اضافی ولتاژ تغذیه میکند گفته میشود که در مد فوتوولتایی کار میکند. یک آشکار ساز نیم رسانا قادر است که تابش را به
توان الکتریکی تبدیل کند. وسیلهای که این کار را به بهترین وجه انجام میدهد
سلول خورشیدی است. این پیوندها از ماده نوع n و p که منطقه پیوندگاه بزرگ است میسازند.
نور ورودی بر این سطح وسیع تولید زوج الکترون حفره می کند و
الکتریسیته ایجاد می شود.
فوتو آشکار سازها
یکی از مزایای استفاده از نیم رساناها در مد فوتوولتایی این است که به منبع قدرت خارجی هیچ نیازی وجود ندارد ولی هرگاه که زمان پاسخ سریع و حساسیت بیشتر باشد، آنگاه یک ولتاژ تغذیه به دو قطبی اعمال میشود این کار میدان را در منطقه پیوندگاه افزایش میدهد و حجمی موسوم به لایه تهی تولید میکند که در آن هیچ حامل بار متحرکی وجود ندارد به سبب حضور
میدان الکتریکی پاسخ زمانی چنین وسایلی را میتوان تا 10 نانو ثانیه کاهش داد. برای افزایش دادن اندازه پیوندگاه و لذا لایه تهی بعضی اوقات دوقطبیهایی با یک لایه اضافی که دارای رسانندگی یکسان با مواد (خالص) هستند ساخته میشود. لایهها در ترتیب p-i-n هستند که در آن i نماینده ذاتی است این وسیله را یک
فوتو دوقطبی PIN مینامند.
فوتو دوقطبیهای بهمنی
میان فوتو دوقطبیهای نیم رسانای ارزان قیمت و
فوتو تکثیرکنهای گران قیمت ، شکاف حساسیت بزرگی در حدود 1 آمپر بر وات تا 1000 آمپر بر وات وجود دارد این شکاف را فوتو دوقطبیهای بهمنی که حساسیت آنها در دور 10 وبر تا 1000 آمپر بر وات است، پر میکنند. فوتو دوقطبی بهمنی شبیه
لامپ فوتوتکثیرکن است، در معنای میکروسکوپی یک
فوتون جذب شده تولید زوج الکترون – حفره میکند. هر حامل بار که بوسیله میدان مذکور مقداری شتاب میگیرد با
شبکه بلوری نیم رسانا برخورد میکند. در چنین حالتی
انرژی جنبشی افزایش یافته تبدیل به ایجاد زوجهای حاصل بار اضافی میشود مثل الکترونها در
تکثیرکننده فوتونی که تولید الکترونهای بیشتری در نتیجه برخورد با
داینودها می کند . این روش تکثیر بار است که نام فوتو دوقطبی بهمنی را به آن داده است.
آرایههای فوتو دیودی
یک آرایه دو قطبی عبارت است از یک ردیف خطی یا یک ردیف دو بعدی از دو قطبیهایی که به همدیگر به گونهای وصل میشوند که مدار الکترونیکی حاصل بتواند پاسخ فوتو دوقطبیها را به روالی منظم ذخیره و قرائت کند. این وسیله ترکیبی است از یک لامپ تصویر ، یک صفحه عکاسی و یک فوتو دوقطبی. ساختمان این آرایهها با ساختمان یک مدار یکپارچه در مقیاس بزرگ مشابهت زیاد دارد یک آرایه فوتو دوقطبی اساساً از یک رشته فوتو دوقطبیها به صورت یک خط یا یک مربع نشانده میشوند، تشکیل مییابد. خود دوقطبیها یا دارای ظرفیت کوچک هستند یا همراه یک
خازن ساخته میشوند. یک آرایه فوتو دوقطبی ثبات ، تغییر مکان - دوقطبیها و خازن را به خط تصویری وصل میکند تا خازن را پر کرده و یک لایه تهی در دوقطبی ایجاد کند. طی نوردهی فوتونهای ورودی جذب میشوند و تولید زوجهای الکترون – حفره میکنند.
کاربردهای ویژه
آرایه فوتو دوقطبی یک تزویج عالی بین
اپتیک و
تکنولوژی نیم رساناها میباشد. از این آرایه میتوان در کاربردهای صنعتی به عنوان یک سنجنده غیر تماسی هم برای ذخیره و اندازهگیری و هم برای تشخیص نقوش استفاده کرد. در بینابینی علمی کاربرد آن بصورت یک
صفحه عکاسی الکترونی که دارای مزیت خطی بودن و مرتبط به
کامپیوتر است رواج دارد. در زمینههای گرافیکی و مخابراتی میتواند جای
تلویزیون را بگیرد، قیمت اکثر فصایل آن نسبتاً گران است بالاخص در کاربردهایی که مستلزم ذخیره کامپیوتری و نرم افزارهای مرتبط با آن است این امر مصداق مییابد.
مباحث مرتبط با عنوان
