چگونه بازده کوانتومی فتودیود پیژیتیال را محاسبه کنیم؟

سلام! به‌عنوان تامین‌کننده فتودیودهای پیژیتیال، اغلب درباره نحوه محاسبه بازده کوانتومی این دستگاه‌های فوق‌العاده سؤال می‌شود. راندمان کوانتومی یک پارامتر حیاتی است که به شما می گوید که چگونه یک فوتودیود می تواند فوتون ها را به الکترون تبدیل کند. در این وبلاگ، من روند محاسبه بازده کوانتومی یک فتودیود پیژیتیال را به روشی که به راحتی قابل درک باشد، توضیح خواهم داد.

بازده کوانتومی چیست؟

قبل از اینکه وارد محاسبات شویم، اجازه دهید به سرعت به معنای واقعی بازده کوانتومی بپردازیم. بازده کوانتومی (QE) نسبت تعداد حامل‌های بار جمع‌آوری‌شده توسط فوتودیود به تعداد فوتون‌هایی است که روی آن می‌افتند. به عبارت ساده تر، این معیاری است که نشان می دهد فوتودیود چقدر می تواند نور را به سیگنال الکتریکی تبدیل کند. بازده کوانتومی بالاتر به این معنی است که تعداد بیشتری از فوتون های ورودی به سیگنال های الکتریکی مفید تبدیل می شوند، که بدیهی است در بیشتر کاربردها مطلوب است.

عوامل موثر بر کارایی کوانتومی

عوامل متعددی می توانند بر بازده کوانتومی یک فتودیود پیژیتیال تأثیر بگذارند. اینها شامل طول موج نور فرودی، ماده فتودیود و ساختار دستگاه است. مواد مختلف ضرایب جذب متفاوتی در طول موج های مختلف دارند، به این معنی که بسته به رنگ نور، فوتون ها را کم و بیش کارآمد جذب و تبدیل می کنند. به عنوان مثال، فتودیودهای مبتنی بر سیلیکون در مناطق مرئی و نزدیک به مادون قرمز کارآمدتر هستند، در حالی که فوتودیودهای مبتنی بر ژرمانیوم برای طول موج‌های بلندتر در مادون قرمز مناسب‌تر هستند.

محاسبه بازده کوانتومی

حال، بیایید به سختی محاسبه بازده کوانتومی یک فتودیود پیژیتیال بپردازیم. فرمول اصلی راندمان کوانتومی:

[ QE = \frac{\text{تعداد حامل‌های بار جمع‌آوری‌شده}}{\text{تعداد فوتون‌های فرود}} \times 100% ]

با این حال، در عمل، اغلب راحت تر است که جریان نوری تولید شده توسط دیود نوری و توان نوری فرودی را اندازه گیری کنیم و سپس از این مقادیر برای محاسبه بازده کوانتومی استفاده کنیم. در اینجا نحوه انجام آن آمده است:

مرحله 1: اندازه گیری قدرت نوری تصادفی ((P_{in}))

اولین قدم اندازه گیری قدرت نوری است که به فتودیود برخورد می کند. برای این کار می توانید از یک متر برق استفاده کنید. مطمئن شوید که قدرت سنج کالیبره شده است و قدرت را در طول موجی که منبع نور استفاده می کنید اندازه می گیرید. توان نوری فرودی معمولاً بر حسب وات (W) اندازه گیری می شود.

مرحله 2: اندازه گیری جریان عکس ((I_{ph}))

در مرحله بعد، باید جریان نوری تولید شده توسط فتودیود زمانی که در معرض نور فرودی قرار می گیرد، اندازه گیری کنید. برای اندازه گیری جریان نور می توانید از جریان سنج یا آمپرمتر استفاده کنید. مطمئن شوید که فتودیود به درستی به مدار متصل است و جریان را به دقت اندازه گیری می کنید. جریان نوری معمولاً با آمپر (A) اندازه گیری می شود.

مرحله 3: تعداد فوتون های حادثه را محاسبه کنید

برای محاسبه تعداد فوتون های برخوردی می توانید از فرمول زیر استفاده کنید:

[ N_{ph} = \frac{P_{in}}{h \times f} ]

که در آن (N_{ph}) تعداد فوتون‌های فرودی است، (P_{in}) توان نوری فرودی است، (h) ثابت پلانک است ((6.626 \times 10^{-34} \text{J s})) و (f) فرکانس نور فرودی است. می توانید فرکانس را با استفاده از فرمول (f = \frac{c}{\lambda}) محاسبه کنید، که در آن (c) سرعت نور ((3 \ برابر 10^8 \ متن{ m/s})) و (\lambda) طول موج نور فرودی است.

مرحله 4: تعداد حامل های شارژ جمع آوری شده را محاسبه کنید

تعداد حامل های شارژ جمع آوری شده را می توان با استفاده از فرمول محاسبه کرد:

[ N_{e} = \frac{I_{ph}}{e} ]

که در آن (N_{e}) تعداد حامل‌های بار جمع‌آوری‌شده، (I_{ph}) جریان نوری، و (e) شارژ اولیه است ((1.602 \times 10^{-19} \text{ C})).

مرحله 5: بازده کوانتومی را محاسبه کنید

در نهایت، می توانید بازده کوانتومی را با استفاده از فرمول محاسبه کنید:

[ QE = \frac{N_{e}}{N_{ph}} \times 100% ]

بیایید به یک مثال نگاه کنیم تا ببینیم این کار در عمل چگونه کار می کند. فرض کنید یک فتودیود پیژیتیال دارید که در معرض نور با طول موج 850 نانومتر و توان نوری تابشی 100 میکرووات است. شما جریان نوری 20 میکروآمپر را اندازه می گیرید. در اینجا نحوه محاسبه بازده کوانتومی آمده است:

1. فرکانس نور تابشی را محاسبه کنید:
   [ f = \frac{c}{\lambda} = \frac{3 \times 10^8 \text{ m/s}}{850 \times 10^{-9} \text{ m}} = 3.53 \times 10^{14} \text{Hz} ]

2. تعداد فوتون های فرود را محاسبه کنید:
   [ N_{ph} = \frac{P_{in}}{h \times f} = \frac{100 \times 10^{-6} \text{ W}}{6.626 \times 10^{-34} \text{ J s} \times 3.53 \times 10^{14} \times 10^{14} \times 10^{14} ={text. 10^{11} \text{ فوتون/ها} ]

3. تعداد حامل های شارژ جمع آوری شده را محاسبه کنید:
   [ N_{e} = \frac{I_{ph}}{e} = \frac{20 \times 10^{-6} \text{ A}}{1.602 \times 10^{-19} \text{ C}} = 1.25 \times 10^{14} \text{ الکترونها/s} ]

4. محاسبه بازده کوانتومی:
   [ QE = \frac{N_{e}}{N_{ph}} \times 100% = \frac{1.25 \times 10^{14} \text{ electrons/s}}{4.27 \times 10^{11} \text{photons/s}} \times 100% = 29.

اهمیت کارایی کوانتومی در فتودیودهای پیژیتیال

راندمان کوانتومی یک پارامتر مهم در فتودیودهای پیژیتیال است زیرا مستقیماً بر عملکرد دستگاه تأثیر می گذارد. راندمان کوانتومی بالاتر به این معنی است که فتودیود می تواند سیگنال های نور ضعیف تر را تشخیص داده و آنها را به طور موثرتری به سیگنال های الکتریکی تبدیل کند. این امر به ویژه در کاربردهایی که نیاز به شناسایی سطوح کم نور دارند، مانند سیستم‌های ارتباطی نوری، سنجش از دور و تحقیقات علمی بسیار مهم است.

محصولات پیجیتال فتودیود ما

ما در شرکت ما طیف وسیعی از فتودیودهای پیژیتیال را با راندمان کوانتومی بالا و عملکرد عالی ارائه می دهیم. برخی از محصولات محبوب ما عبارتند از:

• مینی فوتودیود Pigtailed: این فتودیودهای فشرده برای کاربردهایی که فضا محدود است عالی هستند. آنها راندمان کوانتومی بالا و نویز کم را ارائه می دهند که آنها را برای استفاده در سنسورهای نوری و سیستم های ارتباطی ایده آل می کند.
• فتودیود Pigtailed با رابط FC: این فتودیودها دارای یک رابط FC هستند که ادغام آنها را در سیستم های نوری موجود آسان می کند. آنها حساسیت بالا و زمان پاسخ سریع را ارائه می دهند که آنها را برای طیف گسترده ای از برنامه ها مناسب می کند.
• فتودیود 155M 2.5G APD-TIA: این فتودیودهای پیشرفته یک فتودیود بهمنی (APD) را با یک تقویت کننده ترانس امپدانس (TIA) ترکیب می کنند تا بهره بالا و نویز کم را ارائه دهند. آنها برای سیستم های ارتباطی نوری با سرعت بالا طراحی شده اند و عملکرد عالی را با سرعت داده تا 2.5 گیگابیت بر ثانیه ارائه می دهند.

برای تهیه با ما تماس بگیرید

اگر مایل به خرید فتودیودهای پیژیتال ما هستید یا در مورد بازده کوانتومی یا محصولات ما سؤالی دارید، لطفاً با ما تماس بگیرید. ما تیمی از متخصصان باتجربه داریم که می توانند اطلاعات و پشتیبانی لازم را برای انتخاب مناسب برای برنامه خود در اختیار شما قرار دهند.

مراجع

• صالح، BEA، و Teich، MC (2007). مبانی فوتونیک. وایلی.
• Sze, SM, & Ng, KK (2007). فیزیک دستگاه های نیمه هادی. وایلی.