מדוע תגובת הזמן של פוטודיודה קצרה מזו של פוטונגד?

Photodiodes ו-photoresists הם שני רכיבים רגישים לאור נפוצים שניתן להשתמש בהם כדי לזהות שינויים בעוצמת האור, אך יש להם הבדלים משמעותיים בעקרונות העבודה, המבנים והביצועים שלהם, מה שמוביל להבדלים בתגובת הזמן שלהם.
עקרון עבודה
צילום דיודה
Photodiode הוא התקן מוליכים למחצה הפועל על בסיס האפקט הפוטואלקטרי של צומת PN. כאשר פוטונים מוקרנים על צומת PN, הם נספגים ומייצרים זוגות של חורים אלקטרונים. האלקטרונים והחורים הללו נפרדים מתחת לשדה החשמלי המובנה- של צומת ה-PN, וכתוצאה מכך נוצר זרם. תהליך זה מהיר מאוד מכיוון שקליטת הפוטונים ויצירת זוגות חורים אלקטרונים הם כמעט מיידי.
Photoresistor
photoresistor הוא סוג של אלמנט התנגדות העשוי בדרך כלל מחומרים מוליכים למחצה. עקרון העבודה שלו מבוסס על ההשפעה הפוטו-מוליכה של חומרים רגישים לאור. כאשר אור מוקרן על התנגדות פוטו, אנרגיית הפוטונים נספגת בחומר, מה שגורם לעירור אלקטרונים מרצועת הערכיות לפס ההולכה, מה שמגביר את המוליכות של החומר. תהליך זה כולל עירור והגירה של אלקטרונים, שהיא בדרך כלל איטית יותר מהפרדה של זוגות חורים אלקטרונים בפוטודיודות.
הבדלים מבניים
צילום דיודה
המבנה של פוטודיודה פשוט יחסית, מורכב בעיקר ממבנה PN או מבנה PIN. המאפיינים של צומת PN או מבנה PIN בנויים חזק-בשדה חשמלי ובמהירות הפרדה מהירה של זוגות חורים אלקטרונים.
Photoresistor
המבנה של נגד פוטו הוא בדרך כלל מורכב יותר מזה של פוטודיודה, המורכב משכבות מרובות של חומרים מוליכים למחצה, כולל שכבה רגישה לאור ושכבת אלקטרודה. עובי השכבה הרגישה לאור ומוליכות החומר ישפיעו על זמן התגובה של הנגד הפוטו.

הבדלי ביצועים
זמן תגובה
זמן התגובה של פוטו-דיודות קצר מאוד, בדרך כלל בטווח הננו-שניות. הסיבה לכך היא שקליטת פוטונים ויצירת זוגות חורים אלקטרונים הם תהליכים פיזיקליים מהירים.
זמן התגובה של photoresists הוא בדרך כלל בטווח של אלפיות השנייה, מכיוון שהעירור והנדידה של אלקטרונים דורשים פרק זמן מסוים, והמבנה של photoresists מורכב, עם נתיבי נדידה ארוכים יותר לאלקטרונים בחומר.
רְגִישׁוּת
הרגישות של photodiodes בדרך כלל גבוהה יותר מזו של photoresists כי הם יכולים להמיר ישירות אותות אופטיים לאותות חשמליים ללא כל תהליך המרה ביניים.
הרגישות של פוטו-רזיסטים נמוכה יחסית מכיוון שהם דורשים עירור והגירה של אלקטרונים לשינוי מוליכות, שזה תהליך עם יעילות נמוכה.
יַצִיבוּת
לפוטודיודות יציבות טובה מכיוון שהן מבוססות על תכונות פיזיקליות של חומרים מוליכים למחצה ואינן מושפעות מגורמים סביבתיים כגון טמפרטורה.
היציבות של פוטו-רזיסטים ירודה מכיוון שהמוליכות שלהם מושפעת מאוד מגורמים סביבתיים כמו טמפרטורה ולחות.
תרחישי יישום
פוטודיודות משמשות בדרך כלל ביישומים הדורשים זיהוי אות אופטי מהיר, כגון תקשורת אופטית- במהירות גבוהה וחיישנים פוטו-אלקטריים, בשל התגובה המהירה והרגישות הגבוהה שלהם.
בשל מהירות התגובה הנמוכה שלו ורגישות הטמפרטורה הגבוהה שלו, נגדי פוטו משמשים בדרך כלל ביישומים שאינם דורשים מהירות תגובה גבוהה, כגון מדידת עוצמת אור ומתגים מבוקרים באור.
לסיכום, הסיבה העיקרית לכך שתגובת הזמן של פוטו-דיודות קצרה מזו של פוטו-רזיסטים נובעת מהבדלים בעקרונות העבודה, המבנים והביצועים שלהם. פוטו-דיודות מבוססות על האפקט הפוטואלקטרי של חיבורי PN, עם הפרדה מהירה של זוג חורים אלקטרונים ורגישות גבוהה, בעוד שפוטו-רזיסטים מבוססים על האפקט הפוטו-מוליך, עם תהליכי עירור ונדידה של אלקטרונים איטיים יותר, ומושפעים מאוד מגורמים סביבתיים. מאפיינים אלו הופכים את הפוטודיודות למתאימות יותר ליישומים הדורשים תגובה מהירה, בעוד שפוטו-רזיסטים מתאימים למצבים שאינם דורשים מהירות תגובה גבוהה.