อุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์พื้นฐาน - ไดโอดออปโตอิเล็กทรอนิกส์
นี่คือไดโอดที่ทำงานด้วยแสง คำว่า“ Opto” หมายถึงLight. มีหลายประเภทที่การนำขึ้นอยู่กับความเข้มของแสงและประเภทอื่น ๆ ที่การนำไฟฟ้าให้แสงบางส่วน แต่ละประเภทมีแอพพลิเคชั่นของตัวเอง ให้เราพิจารณาประเภทที่โดดเด่นในหมู่คนเหล่านี้
ไดโอดบางตัวดำเนินการตามความเข้มของแสงที่ตกกระทบ มีไดโอดสองประเภทหลักในประเภทนี้ พวกโฟโต้ไดโอดและโซลาร์เซลล์
โฟโต้ไดโอด
โฟโต้ไดโอดตามชื่อคือชุมทาง PN ที่ทำงานบนแสง ความเข้มของแสงมีผลต่อระดับการนำในไดโอดนี้ โฟโต้ไดโอดมีวัสดุประเภท P และวัสดุประเภท N ที่มีintrinsic วัสดุหรือก depletion region ในระหว่าง.
ไดโอดนี้โดยทั่วไปจะทำงานใน reverse biasเงื่อนไข. แสงเมื่อโฟกัสไปที่บริเวณการพร่องจะเกิดคู่ของรูอิเล็กตรอนและการไหลของอิเล็กตรอนจะเกิดขึ้น การนำอิเล็กตรอนนี้ขึ้นอยู่กับความเข้มของแสงที่โฟกัส รูปด้านล่างแสดงไดโอดภาพถ่ายที่ใช้งานได้จริง
รูปด้านล่างแสดงสัญลักษณ์ของโฟโตไดโอด
เมื่อเชื่อมต่อไดโอดแบบไบแอสย้อนกลับกระแสอิ่มตัวย้อนกลับขนาดเล็กจะไหลเนื่องจากคู่ของรูอิเล็กตรอนที่สร้างขึ้นด้วยความร้อน เนื่องจากกระแสที่มีอคติย้อนกลับไหลเนื่องจากพาหะของชนกลุ่มน้อยแรงดันขาออกจะขึ้นอยู่กับกระแสย้อนกลับนี้ เมื่อความเข้มของแสงที่มุ่งเน้นไปที่ทางแยกเพิ่มขึ้นการไหลของกระแสเนื่องจากผู้ให้บริการรายย่อยเพิ่มขึ้น รูปต่อไปนี้แสดงการจัดเรียงน้ำหนักพื้นฐานของโฟโต้ไดโอด
โฟโต้ไดโอดถูกห่อหุ้มไว้ในบรรจุภัณฑ์แก้วเพื่อให้แสงตกกระทบ ในการโฟกัสแสงให้ตรงกับพื้นที่พร่องของไดโอดเลนส์จะถูกวางไว้เหนือจุดเชื่อมต่อดังที่แสดงไว้ด้านบน
แม้ในขณะที่ไม่มีแสงกระแสไฟฟ้าจำนวนเล็กน้อยซึ่งเรียกว่า Dark Current. โดยการเปลี่ยนระดับการส่องสว่างจะสามารถเปลี่ยนกระแสย้อนกลับได้
ข้อดีของ Photo diode
โฟโต้ไดโอดมีข้อดีหลายประการเช่น -
- เสียงเบา
- กำไรสูง
- การทำงานความเร็วสูง
- ความไวแสงสูง
- ราคาถูก
- ขนาดเล็ก
- อายุการใช้งานยาวนาน
การใช้งานโฟโต้ไดโอด
มีแอพพลิเคชั่นมากมายสำหรับโฟโต้ไดโอดเช่น -
- การตรวจจับอักขระ
- สามารถตรวจจับวัตถุได้ (มองเห็นหรือมองไม่เห็น)
- ใช้ในวงจรที่ต้องการความเสถียรและความเร็วสูง
- ใช้ใน Demodulation
- ใช้ในวงจรสวิตชิ่ง
- ใช้ในโปรแกรมเข้ารหัส
- ใช้ในอุปกรณ์สื่อสารด้วยแสง
อีกไดโอดประเภทนี้คือโซลาร์เซลล์ เรียกว่าเซลล์แม้ว่าจะเป็นไดโอด ให้เราเข้าไปดูรายละเอียด
โซล่าเซลล์
ไดโอดที่ขึ้นกับแสง ได้แก่ เซลล์แสงอาทิตย์ซึ่งเป็นไดโอดทางแยก PN ปกติ แต่มีการนำกระแสโดยโฟตอนที่เร่งรีบซึ่งถูกแปลงเป็นการไหลของอิเล็กตรอน สิ่งนี้คล้ายกับไดโอดภาพถ่าย แต่มีวัตถุประสงค์อื่นในการแปลงแสงตกกระทบสูงสุดเป็นพลังงานและจัดเก็บไว้
รูปด้านล่างแสดงถึงสัญลักษณ์ของเซลล์แสงอาทิตย์
เซลล์แสงอาทิตย์มีชื่อและสัญลักษณ์ที่บ่งบอกถึงการจัดเก็บพลังงานแม้ว่าจะเป็นไดโอดก็ตาม คุณสมบัติในการดึงพลังงานออกมามากขึ้นและกักเก็บไว้ในเซลล์แสงอาทิตย์
การสร้างเซลล์แสงอาทิตย์
ไดโอดทางแยก PN ที่มีวัสดุภายในในขอบเขตการลบถูกสร้างขึ้นเพื่อห่อหุ้มในแก้ว แสงถูกสร้างขึ้นให้ตกกระทบกับพื้นที่สูงสุดที่เป็นไปได้โดยมีกระจกบาง ๆ อยู่ด้านบนเพื่อรวบรวมแสงสูงสุดโดยมีความต้านทานต่ำสุด
รูปต่อไปนี้แสดงการสร้างเซลล์แสงอาทิตย์
เมื่อแสงตกกระทบบนเซลล์แสงอาทิตย์โฟตอนในแสงจะชนกับเวเลนซ์อิเล็กตรอน อิเล็กตรอนจะถูกกระตุ้นให้ออกจากอะตอมแม่ ดังนั้นการไหลของอิเล็กตรอนจึงถูกสร้างขึ้นและกระแสไฟฟ้านี้เป็นสัดส่วนโดยตรงกับความเข้มของแสงที่โฟกัสไปที่เซลล์แสงอาทิตย์ ปรากฏการณ์นี้เรียกว่าPhoto-Voltaic effect.
รูปต่อไปนี้แสดงให้เห็นว่าเซลล์แสงอาทิตย์มีลักษณะอย่างไรและเซลล์แสงอาทิตย์จำนวนหนึ่งประกอบกันเป็นแผงโซลาร์เซลล์ได้อย่างไร
ความแตกต่างระหว่าง Photo diode และ Solar cell
Photo Diode ทำงานได้เร็วขึ้นและมุ่งเน้นไปที่การสลับแทนที่จะให้พลังงานที่เอาต์พุตมากขึ้น มีค่าความจุต่ำด้วยเหตุนี้ นอกจากนี้พื้นที่ของการเกิดพลังงานแสงยังน้อยกว่าใน Photo diode ตามการใช้งาน
เซลล์แสงอาทิตย์มุ่งเน้นไปที่การส่งพลังงานออกสูงและจัดเก็บพลังงาน นี้มีhigh capacitanceมูลค่า. การทำงานช้ากว่าโฟโต้ไดโอดเล็กน้อย ตามวัตถุประสงค์ของเซลล์แสงอาทิตย์พื้นที่ของการเกิดแสงมีขนาดใหญ่กว่าโฟโตไดโอด
การใช้งาน Solar Cell
Solar cell มีหลายแอพพลิเคชั่นเช่น -
Science and Technology
- ใช้ในแผงโซลาร์เซลล์สำหรับดาวเทียม
- ใช้ในระบบโทรมาตร
- ใช้ในระบบไฟระยะไกลเป็นต้น
Commercial Use
- ใช้ในแผงโซลาร์เซลล์สำหรับจัดเก็บไฟฟ้า
- ใช้ในอุปกรณ์จ่ายไฟแบบพกพาเป็นต้น
- ใช้ในครัวเรือนเช่นทำอาหารและให้ความร้อนโดยใช้พลังงานแสงอาทิตย์
Electronic
- Watches
- Calculators
- ของเล่นอิเล็กทรอนิกส์ ฯลฯ
ไดโอดบางตัวเปล่งแสงตามแรงดันไฟฟ้าที่ใช้ มีไดโอดสองประเภทหลักในประเภทนี้ เป็น LED และไดโอดเลเซอร์
LED (ไดโอดเปล่งแสง)
อันนี้เป็นไดโอดที่นิยมใช้ในชีวิตประจำวันของเรา นอกจากนี้ยังเป็นไดโอดทางแยก PN ตามปกติยกเว้นว่าแทนที่จะใช้ซิลิกอนและเจอร์เมเนียมจะใช้วัสดุเช่นแกลเลียมอาร์เซไนด์แกลเลียมอาร์เซไนด์ฟอสไฟด์ในการก่อสร้าง
รูปด้านล่างแสดงสัญลักษณ์ของไดโอดเปล่งแสง
เช่นเดียวกับไดโอดทางแยก PN ปกติสิ่งนี้เชื่อมต่อในสภาพอคติไปข้างหน้าเพื่อให้ไดโอดดำเนินการ การนำไฟฟ้าเกิดขึ้นใน LED เมื่ออิเล็กตรอนอิสระในแถบการนำไฟฟ้ารวมกับรูในแถบวาเลนซ์ กระบวนการรวมตัวกันใหม่นี้จะเปล่งออกมาlight. กระบวนการนี้เรียกว่าElectroluminescence. สีของแสงที่เปล่งออกมาขึ้นอยู่กับช่องว่างระหว่างแถบพลังงาน
วัสดุที่ใช้ยังมีผลต่อสีเช่นแกลเลียมอาร์เซไนด์ฟอสไฟด์จะปล่อยสีแดงหรือสีเหลืองแกลเลียมฟอสไฟด์จะปล่อยแสงสีแดงหรือสีเขียวและแกลเลียมไนเตรตจะเปล่งแสงสีน้ำเงิน ในขณะที่แกลเลียมอาร์เซไนด์ปล่อยแสงอินฟราเรด ไฟ LED สำหรับแสงอินฟราเรดที่มองไม่เห็นส่วนใหญ่จะใช้ในรีโมทคอนโทรล
รูปต่อไปนี้แสดงให้เห็นว่าไฟ LED สีต่างๆมีลักษณะเป็นอย่างไร
LED ในรูปด้านบนมีด้านแบนและด้านโค้งส่วนตะกั่วด้านแบนจะสั้นกว่าอีกด้านหนึ่งเพื่อระบุว่าส่วนที่สั้นกว่าคือ Cathode หรือขั้วลบและอีกขั้วหนึ่งคือ Anode หรือขั้วบวก
โครงสร้างพื้นฐานของ LED ดังแสดงในรูปด้านล่าง
ดังแสดงในรูปด้านบนเมื่ออิเล็กตรอนกระโดดเข้าไปในรูพลังงานจะกระจายไปตามธรรมชาติในรูปของแสง LED เป็นอุปกรณ์ที่ขึ้นอยู่กับปัจจุบัน ความเข้มของแสงขาออกขึ้นอยู่กับกระแสผ่านไดโอด
ข้อดีของ LED
ข้อดีของ LED มีหลายประการเช่น -
- ประสิทธิภาพสูง
- ความเร็วสูง
- ความน่าเชื่อถือสูง
- การกระจายความร้อนต่ำ
- ช่วงชีวิตที่ใหญ่ขึ้น
- ราคาถูก
- ควบคุมและตั้งโปรแกรมได้ง่าย
- ระดับความสว่างและความเข้มสูง
- ข้อกำหนดด้านแรงดันไฟฟ้าและกระแสไฟฟ้าต่ำ
- ไม่ต้องเดินสายไฟ
- ค่าบำรุงรักษาต่ำ
- ไม่มีรังสี UV
- เอฟเฟกต์แสงทันที
การใช้งาน LED
แอพพลิเคชั่นสำหรับ LED มีมากมายเช่น -
In Displays
- ใช้เป็นพิเศษสำหรับการแสดงผลเจ็ดส่วน
- นาฬิกาดิจิตอล
- เตาอบไมโครเวฟ
- การส่งสัญญาณจราจร
- บอร์ดแสดงในทางรถไฟและที่สาธารณะ
- Toys
In Electronic Appliances
- เครื่องรับสัญญาณสเตอริโอ
- Calculators
- แหล่งจ่ายไฟ DC
- ไฟแสดงสถานะเปิด / ปิดในเครื่องขยายเสียง
- ไฟแสดงสถานะ
Commercial Use
- เครื่องอ่านอินฟราเรด
- เครื่องอ่านบาร์โค้ด
- แสดงวิดีโอแบบโซลิดสเตต
Optical Communications
- ในแอปพลิเคชันการสลับแสง
- สำหรับการเชื่อมต่อแบบออปติคัลที่ไม่สามารถใช้วิธีใช้ด้วยตนเอง
- การถ่ายโอนข้อมูลผ่าน FOC
- วงจรตรวจจับภาพ
- สัญญาณกันขโมย
- ในเทคนิคการส่งสัญญาณรถไฟ
- ประตูและระบบควบคุมความปลอดภัยอื่น ๆ
เช่นเดียวกับ LED มีข้อดีและการใช้งานมากมายจึงมีไดโอดที่สำคัญอีกตัวหนึ่งเรียกว่า Laser diode ซึ่งมีคุณสมบัติขั้นสูงมากมายและขอบเขตแห่งอนาคต ให้เราพูดคุยเกี่ยวกับไดโอดเลเซอร์
เลเซอร์ไดโอด
Laser Diode เป็นไดโอดที่ได้รับความนิยมอีกชนิดหนึ่ง นี่คือไดโอดออปติคัลที่เปล่งแสง แต่มีกระบวนการกระตุ้น ชื่อLASER หมายถึง Light Amplification โดย Sตามกำหนดเวลา Eภารกิจของ Radiation.
กระตุ้นการปล่อย
นี่คือไดโอดทางแยก PN ซึ่งการกระทำเริ่มต้นเมื่อมีแสงตกกระทบ ด้วยรังสีแสงเมื่อโฟตอนตกกระทบกับอะตอมอะตอมจะตื่นเต้นและขึ้นสู่ระดับบนซึ่งสามารถเรียกได้ว่าเป็นHigher Energy Level.
อะตอมเมื่อเปลี่ยนจากระดับพลังงานที่สูงขึ้นไปเป็น Lower Energy Levelมันเผยแพร่ two photons ซึ่ง ได้แก่ similar in characteristics ไปยังโฟตอนที่ตกกระทบและอยู่ใน equal phaseไปเลย กระบวนการนี้เรียกว่าStimulated Emission. โดยทั่วไปแล้วอะตอมสามารถอยู่ในสถานะตื่นเต้นนี้ได้10-8 secs ของเวลา
ดังนั้นกระบวนการข้างต้นจึงกำหนดหลักการสำหรับเลเซอร์ไดโอด
หลักการของเลเซอร์ไดโอด
เมื่อใดก็ตามที่โฟตอนเกิดขึ้นกับอะตอมอะตอมนั้นจะตื่นเต้นจากสถานะพลังงานที่ต่ำกว่าไปสู่สถานะพลังงานที่สูงขึ้นและโฟตอนสองตัวจะถูกปล่อยออกมาในกระบวนการนี้ ที่จริงโดยทั่วไปแล้วอะตอมสามารถอยู่ในสถานะตื่นเต้นนี้ได้10-8วินาทีของเวลา ดังนั้นเพื่อให้เกิดการขยายในระหว่างกระบวนการที่ตื่นเต้นนี้อะตอมจะถูกสร้างให้อยู่ในสถานะอื่นที่เรียกว่าMeta Stable State ซึ่งต่ำกว่าระดับพลังงานที่สูงกว่าและสูงกว่าระดับพลังงานที่ต่ำกว่า
อะตอมสามารถอยู่ในสถานะเสถียรของ Meta สำหรับ 10-3วินาที ในขณะที่อะตอมเข้าสู่สถานะที่ต่ำกว่าจากนี้โฟตอนสองตัวจะถูกปล่อยออกมา หากมีจำนวนอะตอมมากขึ้นในสถานะตื่นเต้นก่อนที่โฟตอนจะกระทบกับอะตอมเราก็จะมีLasing Effect.
ในขั้นตอนนี้เรามีสองคำที่ต้องทำความเข้าใจ มีจำนวนอะตอมมากกว่าสถานะ Meta Stable มากกว่าสถานะพลังงานต่ำกว่าหรือสถานะพื้นเรียกว่าเป็นPopulation inversion. จากนั้นพลังงานที่ช่วยให้อะตอมส่งจากสถานะพลังงานที่ต่ำกว่าไปยังสถานะพลังงานที่สูงขึ้นเพื่อให้เกิดการผกผันของประชากรเรียกว่าเป็นPumping. นี่คือOptical pumping.
ข้อดี
ข้อดีของเลเซอร์ไดโอดมีหลายประการเช่น -
- พลังงานที่ใช้โดยเลเซอร์ไดโอดนั้นน้อยกว่ามาก
- ความเร็วในการเปิด / ปิดที่สูงขึ้น
- กะทัดรัดมากขึ้น
- ที่ราคาไม่แพง
- มีราคาถูกกว่าเครื่องกำเนิดเลเซอร์
- โอกาสในการเกิดไฟฟ้าช็อตน้อยลง
ข้อเสีย
Laser diode มีข้อเสียอยู่เล็กน้อยเช่น -
- รังสีที่แตกต่างกันมากขึ้นและด้วยเหตุนี้คุณภาพจึงไม่ดีนัก
- อายุการใช้งานน้อยกว่าเมื่อเทียบกับ LED
- มีแนวโน้มที่จะเกิดความเสียหายระหว่างอุปกรณ์จ่ายไฟที่ไม่เสถียร
การใช้งาน
เลเซอร์ไดโอดมีการใช้งานมากมายเช่น -
ใช้เป็นเลเซอร์ปั๊มและเลเซอร์เมล็ด
ใช้ในอุปกรณ์จัดเก็บข้อมูลแบบออปติคัล
ใช้ในเครื่องพิมพ์เลเซอร์และเครื่องแฟกซ์เลเซอร์
ใช้ในตัวชี้เลเซอร์
ใช้ในเครื่องอ่านบาร์โค้ด
ใช้ในไดรฟ์ดีวีดีและซีดี
ใช้ใน HD DVD และเทคโนโลยี BLU RAY
มีวัตถุประสงค์ทางอุตสาหกรรมหลายอย่างเช่นการอบชุบการหุ้มการเชื่อมตะเข็บเป็นต้น
มีประโยชน์มากมายในเทคโนโลยีการสื่อสารเช่นการเชื่อมโยงและการส่งข้อมูล
หลังจากผ่านสิ่งเหล่านี้แล้วให้เราพยายามทำความเข้าใจคำศัพท์เล็กน้อย
ส่วนประกอบ
- ส่วนประกอบเป็นองค์ประกอบพื้นฐานของอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์
- พวกเขามีคุณสมบัติที่แตกต่างกันเมื่อเทียบกับการก่อสร้าง
- ทุกส่วนประกอบมีการใช้งานที่แตกต่างกัน
Ex - ตัวต้านทานตัวเก็บประจุไดโอด ฯลฯ
วงจร
- วงจรคือเครือข่ายของส่วนประกอบต่างๆ
- ส่วนประกอบในวงจรทั้งหมดอยู่รอดตามวัตถุประสงค์ที่ตั้งใจไว้
- หากต้องใช้งานวงจรควรมีแหล่งจ่ายไฟ
Ex - วงจร clipper และ clamper วงจรเครื่องขยายเสียงวงจรรีเลย์ ฯลฯ
อุปกรณ์
อุปกรณ์คืออุปกรณ์ที่ประกอบด้วยวงจรต่างๆ
วงจรทั้งหมดในอุปกรณ์ช่วยให้ทำงานได้ตามวัตถุประสงค์
อุปกรณ์สามารถใช้ในการวัดสัญญาณสร้างสัญญาณควบคุมผลลัพธ์หรือป้องกันวงจรและอื่น ๆ
Ex - CRO, เครื่องกำเนิดฟังก์ชัน ฯลฯ
อุปกรณ์ Solid State
ก่อนหน้านี้เราเคยมีท่อสุญญากาศซึ่งทำงานบนหลักการเทอร์มิโอนิกและเต็มไปด้วยสุญญากาศภายใน มีขนาดใหญ่กว่าส่วนประกอบในปัจจุบัน หลอดสูญญากาศเหล่านี้ถูกแทนที่ด้วยอุปกรณ์เซมิคอนดักเตอร์ซึ่งเรียกอีกอย่างว่าSolid state devices.
อุปกรณ์ที่ใช้งานอยู่
อุปกรณ์ (หรือส่วนประกอบที่แม่นยำ) ที่สามารถควบคุมการไหลของกระแสเรียกได้ว่าเป็นอุปกรณ์ที่ใช้งานอยู่
- พวกเขาต้องการแหล่งจ่ายไฟอินพุตเพื่อนำเข้า
- การทำงานของส่วนประกอบเหล่านี้กำหนดพฤติกรรมของวงจร
Ex - หลอดสุญญากาศไดโอดทรานซิสเตอร์ SCR
อุปกรณ์แบบพาสซีฟ
อุปกรณ์ (หรือส่วนประกอบที่แม่นยำ) ที่ไม่สามารถควบคุมการไหลของกระแสสามารถเรียกได้ว่าเป็นอุปกรณ์ Passive
- พวกเขาไม่ต้องการแหล่งจ่ายไฟเข้าในการทำงาน
- การทำงานของส่วนประกอบเหล่านี้จะเปลี่ยนแปลงพฤติกรรมของวงจรเล็กน้อย
Ex - ตัวต้านทานตัวเก็บประจุตัวเหนี่ยวนำ ฯลฯ
ยาสลบ
กระบวนการของการเพิ่มอิเล็กตรอนหรือการสร้างรูเพื่อเปลี่ยนแปลงลักษณะของวัสดุเซมิคอนดักเตอร์ไม่ว่าจะโดยการทำให้เป็นบวกมากขึ้นหรือโดยการทำให้เป็นลบมากขึ้นสามารถเข้าใจได้ว่า Doping.
การใช้งานของไดโอดประกอบด้วยวงจรต่างๆที่เริ่มต้นจากปัตตาเลี่ยนและวงจรคร่อมซึ่งจะกล่าวถึงในบทแนะนำวงจรอิเล็กทรอนิกส์