ما هو الثنائي الضوئي؟ (الجزء الأول)

الثنائي الضوئيهو جهاز أشباه الموصلات يحول الضوء إلى تيار ، وبين الطبقات p (الموجبة) و n (السالبة) ، توجد طبقة جوهرية. يستقبل الثنائي الضوئي الطاقة الضوئية كمدخل لإنتاج تيار كهربائي. تُعرف الثنائيات الضوئية أيضًا باسم أجهزة الاستشعار الضوئية أو أجهزة الاستشعار الكهروضوئية أو أجهزة الكشف عن الضوء.

يعمل الثنائي الضوئي في ظل ظروف التحيز العكسي ، أي أن الجانب P من الثنائي الضوئي متصل بالقطب السالب للبطارية (أو مزود الطاقة) ، والجانب N متصل بالإلكترود الموجب للبطارية. المواد النموذجية للديود الضوئي هي السيليكون والجرمانيوم وفوسفيد زرنيخيد الغاليوم الإنديوم وزرسيد الإنديوم الغاليوم.

في الداخل ، يحتوي الثنائي الضوئي على مرشح ضوئي وعدسة مدمجة ومساحة سطحية. عندما تزداد مساحة سطح الثنائي الضوئي ، يقل وقت الاستجابة. عدد قليل جدًا من الثنائيات الضوئية يشبه الثنائيات الباعثة للضوء (LED). لها محطتان ، كما هو موضح أدناه. تعمل المحطة الأصغر ككاثود وتعمل المحطة الأطول كأنود.

يشبه رمز الثنائي الضوئي رمز LED ، لكن السهم يشير إلى الداخل بدلاً من الخارج في LED. توضح الصورة أدناه رمز الثنائي الضوئي.

1. مبدأ الثنائي الضوئي

تعمل الثنائيات الضوئية عن طريق إنشاء زوج من الثقوب الإلكترونية عندما يضرب فوتون نشط الصمام الثنائي. تُعرف هذه الآلية أيضًا بالتأثير الكهروضوئي الداخلي. إذا حدث الامتصاص في تقاطع منطقة النضوب ، تتم إزالة الناقلات من التقاطع بواسطة المجال الكهربائي الداخلي في منطقة النضوب.

عادة ، عندما يضيء الضوء تقاطع PN ، تتأين الرابطة التساهمية. هذا يخلق الثقوب وأزواج الإلكترون. يتم إنشاء التيار الضوئي بسبب توليد أزواج ثقب الإلكترون. عندما تضرب الفوتونات ذات الطاقات الأكبر من 1.1eV الصمام الثنائي ، تتشكل أزواج ثقب الإلكترون. عندما يدخل الفوتون منطقة نضوب الصمام الثنائي ، فإنه يضرب الذرة بطاقة عالية. ينتج عن هذا إطلاق الإلكترونات من التركيب الذري. عندما يتم إطلاق الإلكترونات ، يتم إنشاء إلكترونات وثقوب حرة.

بشكل عام ، تحتوي الإلكترونات على شحنة سالبة وتكون الثقوب لها شحنة موجبة. سيكون للطاقة المستنفدة مجال كهربائي مدمج. بسبب هذا المجال الكهربائي ، يكون زوج ثقب الإلكترون بعيدًا عن تقاطع PN. وهكذا ، تتحرك الثقوب نحو الأنود وتتحرك الإلكترونات نحو القطب السالب لإنتاج تيار ضوئي.

تتناسب كثافة امتصاص الفوتون وطاقة الفوتون مع بعضهما البعض. كلما قلت طاقة الصورة ، زادت امتصاصها. هذه العملية برمتها تسمى التأثير الكهروضوئي الداخلي.

الإثارة الداخلية والإثارة الخارجية هما طريقتان لإثارة الفوتون. تحدث عملية الإثارة الجوهرية عندما يتم تحفيز الإلكترونات في نطاق التكافؤ بواسطة الفوتونات إلى نطاق التوصيل.

2. دائرة عمل الثنائي الضوئي

تعمل الثنائيات الضوئية بشكل أساسي في ثلاثة أوضاع مختلفة ، وهي:

(1) الوضع الكهروضوئي

(2) الوضع الضوئي

(3) وضع الصمام الثنائي الانهيار الجليدي

(1) الوضع الكهروضوئي

يسمى هذا الوضع أيضًا وضع التحيز الصفري. يُفضل هذا الوضع عندما تعمل الثنائيات الضوئية في تطبيقات التردد المنخفض وتطبيقات الإضاءة بمستوى الطاقة الفائقة. عندما يضرب الفلاش الثنائي الضوئي ، فإنه ينتج جهدًا. سيكون للجهد الناتج نطاق ديناميكي صغير جدًا وسيكون له خصائص غير خطية. عندما يتم تكوين الثنائي الضوئي باستخدام OP-AMP في هذا الوضع ، سيكون التغيير في درجة الحرارة صغيرًا جدًا.

(2) الوضع الضوئي

في هذا الوضع ، سيعمل الثنائي الضوئي في ظل ظروف التحيز العكسي. الكاثود موجب والأنود سالب. مع زيادة الجهد العكسي ، يزداد عرض طبقة النضوب أيضًا. نتيجة لذلك ، سيتم تقليل وقت الاستجابة وسعة الوصلة. في المقابل ، فإن وضع التشغيل هذا سريع ويولد ضوضاء إلكترونية.

(3) وضع الصمام الثنائي الانهيار الجليدي

تعمل ثنائيات الانهيار الجليدي في ظل ظروف انحياز عكسي عالية ، مما يسمح بانهيار الانهيار الجليدي يتضاعف في كل زوج من الثقوب الإلكترونية التي تنتجها الكهرباء الضوئية. والنتيجة هي الكسب الداخلي للديود الضوئي ، مما يزيد ببطء من استجابة الجهاز.

(4) دائرة الثنائي الضوئي

يظهر الرسم التخطيطي للدائرة الضوئية أدناه. يمكن إنشاء الدائرة بمقاوم 10 كيلو بايت وثنائي ضوئي. بمجرد أن يلاحظ الثنائي الضوئي الضوء ، فإنه يسمح لبعض التيار بالمرور عبره. يمكن أن يتناسب مجموع التيار الموفر من خلال الصمام الثنائي مع مجموع الضوء المرصود من خلال الصمام الثنائي.

3. قم بتوصيل الثنائي الضوئي بالدائرة الخارجية

يعمل الثنائي الضوئي في دائرة منحازة عكسيًا. يتم توصيل القطب الموجب بأرض الدائرة ويتم توصيل الكاثود بجهد الإمداد الإيجابي للدائرة. عندما يضيء بالضوء ، يتدفق تيار كهربائي من الكاثود إلى القطب الموجب.

عند استخدام الثنائيات الضوئية مع دائرة خارجية ، يتم توصيلها بمصدر طاقة في الدائرة. سيكون التيار الناتج عن الثنائي الضوئي صغيرًا جدًا. هذه القيمة الحالية ليست كافية لتشغيل الجهاز الإلكتروني. لذلك ، عند توصيلها بمصدر طاقة خارجي ، فإنها توفر مزيدًا من التيار للدائرة. لذلك يتم استخدام البطارية كمصدر للطاقة. يساعد مصدر البطارية في زيادة القيمة الحالية ، مما يساهم في تحسين أداء الأجهزة الخارجية.

4. عملية تصنيع الثنائي الضوئي

مادة الثنائي الضوئي

تحدد مادة الثنائي الضوئي العديد من خصائصه. السمة الرئيسية هي موجة الضوء التي يستجيب لها الثنائي الضوئي ، والآخر هو مستوى الضوضاء ، وكلاهما يعتمد إلى حد كبير على المادة المستخدمة في الثنائي الضوئي.

تحدث استجابات مختلفة للأطوال الموجية بسبب استخدام مواد مختلفة لأن الفوتونات ذات الطاقة الكافية فقط لإثارة الإلكترونات في فجوة النطاق للمادة تنتج طاقة كبيرة لتوليد التيار من الثنائي الضوئي.

في حين أن حساسية الطول الموجي للمادة مهمة للغاية ، فإن المعلمة الأخرى التي يمكن أن يكون لها تأثير كبير على أداء الثنائي الضوئي هي مستوى الضوضاء المتولدة.

بسبب فجوة النطاق الكبيرة ، تنتج الثنائيات السليكونية ضوضاء أقل من الثنائيات الضوئية الجرمانيوم. ومع ذلك ، هناك أيضًا حاجة للنظر في الطول الموجي للديود الضوئي المطلوب ، ويجب استخدام الثنائيات الضوئية الجرمانيوم لأطوال موجية أطول من حوالي 1000 نانومتر.

انتقل إلى الجزء 2 لمعرفة المزيد.

معلومات الاتصال:

إذا كانت لديك أية أفكار ، فلا تتردد في التحدث إلينا. بغض النظر عن مكان وجود عملائنا ومتطلباتنا ، سوف نتبع هدفنا لتزويد عملائنا بجودة عالية وأسعار منخفضة وأفضل خدمة.