الثنائي الضوئي هو ملف الصمام الثنائي PN- تقاطع التي تستهلك الطاقة الضوئية لإنتاج تيار كهربائي. أحيانًا يطلق عليه أيضًا كاشف الصور ، وكاشف الضوء ، ومستشعر الصور. تم تصميم هذه الثنائيات بشكل خاص للعمل في ظروف التحيز العكسي ، وهذا يعني أن الجانب P من الثنائي الضوئي يرتبط بالطرف السالب للبطارية ، والجانب n متصل بالطرف الموجب للبطارية. هذا الصمام الثنائي معقد جدًا للضوء ، لذلك عندما يسقط الضوء على الصمام الثنائي فإنه يغير الضوء بسهولة إلى تيار كهربائي. يتم وصف الخلية الشمسية أيضًا بأنها ثنائية ضوئية كبيرة المساحة لأنها يحول الطاقة الشمسية إلى طاقة كهربائية . رغم ذلك ، تعمل الخلايا الشمسية فقط في الضوء الساطع.

ما هو الثنائي الضوئي؟

يعد الثنائي الضوئي أحد أنواع أجهزة الكشف عن الضوء ، يستخدم لتحويل الضوء إلى تيار أو جهد على أساس طريقة تشغيل الجهاز. وهي تتألف من مرشحات بصرية وعدسات مدمجة ومساحات سطحية. تتمتع هذه الثنائيات بوقت استجابة بطيء عندما تزداد مساحة سطح الثنائي الضوئي. تتشابه الثنائيات الضوئية مع الثنائيات العادية شبه الموصلة ، ولكنها قد تكون إما مرئية للسماح للضوء بالوصول إلى الجزء الحساس من الجهاز. عدة ديودات مخصصة ل استخدمه تمامًا كما سيستخدم الثنائي الضوئي أيضًا تقاطع PIN إلى حد ما من تقاطع PN المعتاد.

ستبدو بعض الثنائيات الضوئية الصمام الثنائي الباعث للضوء . لديهم محطتان قادمتان من النهاية. الطرف الأصغر من الصمام الثنائي هو محطة الكاثود ، بينما الطرف الأطول للديود هو طرف الأنود. انظر الرسم التخطيطي التالي لجوانب الأنود والكاثود. في ظل حالة التحيز الأمامي ، سيتدفق التيار التقليدي من القطب الموجب إلى الكاثود ، متبعًا السهم الموجود في رمز الصمام الثنائي. يتدفق التيار الضوئي في الاتجاه العكسي.

أنواع الثنائي الضوئي

على الرغم من وجود أنواع عديدة من الثنائي الضوئي المتاحة في السوق وتعمل جميعها على نفس المبادئ الأساسية ، على الرغم من تحسين بعضها من خلال تأثيرات أخرى. يعمل عمل أنواع مختلفة من الثنائيات الضوئية بطريقة مختلفة قليلاً ، لكن العملية الأساسية لهذه الثنائيات تظل كما هي. يمكن تصنيف أنواع الثنائيات الضوئية بناءً على بنائها ووظائفها على النحو التالي.

الثنائي الضوئي PN
شوتكي صور ديود
PIN Photodiode
أفالانش ضوئي

الثنائي الضوئي PN

أول نوع مطور من الثنائي الضوئي هو نوع PN. بالمقارنة مع الأنواع الأخرى ، فإن أدائها ليس متقدمًا ، ولكن في الوقت الحالي ، يتم استخدامه في العديد من التطبيقات. يحدث الكشف الضوئي بشكل أساسي في منطقة نضوب الصمام الثنائي. هذا الصمام الثنائي صغير جدًا ولكن حساسيته ليست كبيرة مقارنة بالآخرين. يرجى الرجوع إلى هذا الرابط لمعرفة المزيد عن الصمام الثنائي PN.

“تيار متردد إلى مخطط دائرة محول التيار المستمر بدون محول ”

PIN Photodiode

في الوقت الحاضر ، يعد الثنائي الضوئي الأكثر استخدامًا هو نوع PIN. يجمع هذا الصمام الثنائي الفوتونات الضوئية بقوة أكبر مقارنة بالديود الضوئي القياسي PN لأن المنطقة الجوهرية الواسعة بين منطقتي P و N تسمح بجمع المزيد من الضوء ، بالإضافة إلى ذلك ، فإنه يوفر أيضًا سعة أقل. يرجى الرجوع إلى هذا الرابط لمعرفة المزيد عن الصمام الثنائي PIN.

أفالانش ضوئي

يستخدم هذا النوع من الصمامات الثنائية في مناطق الإضاءة المنخفضة نظرًا لمستويات الكسب العالية. يولد مستويات عالية من الضوضاء. لذا فهذه التقنية ليست مناسبة لجميع التطبيقات. يرجى الرجوع إلى هذا الرابط لمعرفة المزيد عن الصمام الثنائي الانهيار.

شوتكي فوتوديود

يستخدم الثنائي الضوئي Schottky الصمام الثنائي Schottky ، وهو يشتمل على تقاطع ديود صغير مما يعني أن هناك سعة تقاطع صغيرة ، لذا فهي تعمل بسرعات عالية. وبالتالي ، يتم استخدام هذا النوع من الثنائي الضوئي بشكل متكرر في أنظمة الاتصالات البصرية ذات النطاق الترددي العالي (BW) مثل روابط الألياف الضوئية. يرجى الرجوع إلى هذا الرابط لمعرفة المزيد عن الصمام الثنائي شوتكي.

كل نوع من أنواع الثنائي الضوئي له فوائده وعيوبه. يمكن اختيار هذا الصمام الثنائي بناءً على التطبيق. تشمل المعلمات المختلفة التي يجب مراعاتها أثناء اختيار الثنائي الضوئي بشكل أساسي الضوضاء ، وطول الموجة ، وقيود التحيز العكسي ، والكسب ، وما إلى ذلك. تشتمل معلمات أداء الثنائي الضوئي على الاستجابة ، أو الكفاءة الكمية ، أو وقت العبور ، أو وقت الاستجابة.

تستخدم هذه الثنائيات على نطاق واسع في التطبيقات التي تتطلب الكشف عن وجود الضوء واللون والموضع والشدة. تشمل السمات الرئيسية لهذه الثنائيات ما يلي.

خطية الصمام الثنائي جيدة فيما يتعلق بالضوء الساقط
الضوضاء منخفضة.
الاستجابة طيفية واسعة
وعرة ميكانيكيا
خفيف الوزن وصغير الحجم
حياة طويلة

تشمل المواد المطلوبة لعمل الثنائي الضوئي ونطاق نطاق الطول الموجي للطيف الكهرومغناطيسي ما يلي

بالنسبة لمادة السيليكون ، سيكون نطاق الطول الموجي للطيف الكهرومغناطيسي (190-1100) نانومتر
بالنسبة لمادة الجرمانيوم ، سيكون مدى الطول الموجي للطيف الكهرومغناطيسي (400-1700) نانومتر
بالنسبة لمادة زرنيخيد الإنديوم الغاليوم ، سيكون نطاق الطول الموجي للطيف الكهرومغناطيسي (800-2600) نانومتر
بالنسبة لمادة كبريتيد الرصاص (II) ، سيكون نطاق الطول الموجي للطيف الكهرومغناطيسي<1000-3500) nm
بالنسبة للزئبق ، مادة تيلورايد الكادميوم ، سيكون نطاق الطول الموجي للطيف الكهرومغناطيسي (400-14000) نانومتر

بسبب فجوة الحزمة الأفضل ، تنتج الثنائيات الضوئية القائمة على Si ضوضاء أقل من الثنائيات الضوئية المستندة إلى Ge.

بناء

يمكن أن يتم إنشاء الثنائي الضوئي باستخدام اثنين من أشباه الموصلات مثل النوع P و النوع N. في هذا التصميم ، يمكن تكوين مادة من النوع P من انتشار الركيزة من النوع P وهي مخدرة قليلاً. لذلك ، يمكن تشكيل طبقة P + أيونات بسبب طريقة الانتشار. على الركيزة من النوع N ، يمكن زراعة الطبقة الفوقية من النوع N.

البناء الضوئي

يمكن تطوير طبقة انتشار P + على طبقة فوقية من النوع N مخدر بشدة. تم تصميم جهات الاتصال بالمعادن لعمل محطتين مثل الأنود والكاثود. يمكن فصل المنطقة الأمامية من الصمام الثنائي إلى نوعين مثل الأسطح النشطة وغير النشطة.

يمكن تصميم السطح غير النشط باستخدام ثاني أكسيد السيليكون (SiO2). على سطح نشط ، يمكن لأشعة الضوء أن تضربه بينما ، على سطح غير نشط ، لا يمكن لأشعة الضوء أن تضرب. ويمكن تغطية السطح النشط من خلال مادة مضادة للانعكاس بحيث لا تفقد طاقة الضوء ويمكن تغيير أعلىها إلى تيار.

عمل Photodiode

مبدأ عمل الثنائي الضوئي هو ، عندما يضرب فوتون ذو طاقة وافرة الصمام الثنائي ، فإنه يصنع ثقبين من الإلكترون. تسمى هذه الآلية أيضًا التأثير الكهروضوئي الداخلي. إذا نشأ الامتصاص في تقاطع منطقة النضوب ، فسيتم إزالة الناقلات من التقاطع بواسطة المجال الكهربائي الداخلي لمنطقة الاستنفاد.

مبدأ عمل الثنائي الضوئي

لذلك ، تتحرك الثقوب في المنطقة نحو الأنود ، وتتحرك الإلكترونات نحو الكاثود ، وسيتم توليد تيار ضوئي. التيار بأكمله عبر الصمام الثنائي هو مجموع غياب الضوء والتيار الضوئي. لذلك يجب تقليل التيار الغائب لزيادة حساسية الجهاز.

أساليب عملها

تتضمن أوضاع التشغيل الخاصة بالديود الضوئي ثلاثة أوضاع ، وهي الوضع الكهروضوئي ، ووضع التوصيل الضوئي ، ووضع الصمام الثنائي الانهيار

الوضع الكهروضوئي: يُعرف هذا الوضع أيضًا باسم وضع التحيز الصفري ، حيث يتم إنتاج الجهد بواسطة الثنائي الضوئي المضاء. إنه يعطي نطاقًا ديناميكيًا صغيرًا جدًا وضرورة غير خطية للجهد المتشكل.

“كيف تعمل مستشعرات درجة الحرارة ”

الوضع الضوئي: عادةً ما يكون الثنائي الضوئي المستخدم في هذا الوضع الضوئي متحيزًا عكسيًا. سيؤدي تطبيق الجهد العكسي إلى زيادة عرض طبقة النضوب ، مما يؤدي بدوره إلى تقليل وقت الاستجابة وسعة الوصلة. هذا الوضع سريع جدًا ويعرض ضوضاء إلكترونية

وضع الصمام الثنائي الانهيار: تعمل ثنائيات الانهيار الجليدي في حالة انحياز عكسي عالية ، مما يسمح بتكاثر انهيار الانهيار الجليدي لكل زوج من الثقوب الإلكترونية المنتجة بالصور. هذه النتيجة هي مكسب داخلي في الثنائي الضوئي ، مما يزيد ببطء من استجابة الجهاز.

لماذا يعمل الثنائي الضوئي في التحيز العكسي؟

يعمل الثنائي الضوئي في وضع موصل ضوئي. عندما يتم توصيل الصمام الثنائي بتحيز عكسي ، يمكن زيادة عرض طبقة النضوب. لذلك سيقلل هذا من سعة التقاطع وزمن الاستجابة. في الواقع ، سيؤدي هذا التحيز إلى أوقات استجابة أسرع للديود. لذا فإن العلاقة بين التيار الضوئي والإضاءة متناسبة خطيًا.

أيهما أفضل ثنائي ضوئي أم ترانزستور ضوئي؟

يتم استخدام كل من الثنائي الضوئي والترانزستور الضوئي لتحويل طاقة الضوء إلى طاقة كهربائية. ومع ذلك ، فإن الترانزستور الضوئي يكون أكثر استجابة على عكس الثنائي الضوئي بسبب استخدام الترانزستور.

يغير الترانزستور التيار الأساسي الذي يسببه امتصاص الضوء وبالتالي يمكن الحصول على تيار ناتج ضخم في جميع أنحاء طرف المجمع للترانزستور. الاستجابة الزمنية للديودات الضوئية سريعة جدًا مقارنة بالترانزستور الضوئي. لذلك فهو قابل للتطبيق عند حدوث تقلبات في الدائرة. من أجل فهم أفضل ، قمنا هنا بإدراج بعض نقاط الثنائي الضوئي مقابل المقاوم الضوئي.

ضوئي	الترانزستور الضوئي
يُعرف جهاز أشباه الموصلات الذي يحول الطاقة من الضوء إلى التيار الكهربائي باسم الثنائي الضوئي.	يستخدم الترانزستور الضوئي لتغيير طاقة الضوء إلى تيار كهربائي باستخدام الترانزستور.
يولد كلاً من التيار والجهد	يولد التيار
وقت الاستجابة هو السرعة	وقت الاستجابة بطيء
إنه أقل استجابة بالمقارنة مع الترانزستور الضوئي	إنه مستجيب ويولد تيارًا كبيرًا.
يعمل هذا الصمام الثنائي في كل من ظروف التحيز	يعمل هذا الصمام الثنائي في التحيز الأمامي فقط.
يتم استخدامه في عداد الضوء ومحطة الطاقة الشمسية وما إلى ذلك	يتم استخدامه للكشف عن الضوء

حلبة الثنائي الضوئي

يظهر الرسم البياني للدائرة للديود الضوئي أدناه. يمكن بناء هذه الدائرة بمقاوم 10 كيلو بايت وثنائي ضوئي. بمجرد أن يلاحظ الثنائي الضوئي الضوء ، فإنه يسمح لبعض تدفق التيار من خلاله. يمكن أن يتناسب مجموع التيار الذي يتم توفيره من خلال هذا الصمام الثنائي بشكل مباشر مع مجموع الضوء الذي يتم ملاحظته من خلال الصمام الثنائي.

مخطط الرسم البياني

توصيل الثنائي الضوئي في دائرة خارجية

في أي تطبيق ، يعمل الثنائي الضوئي في وضع التحيز العكسي. يمكن توصيل محطة الأنود للدائرة بالأرض بينما يتم توصيل محطة الكاثود بمصدر الطاقة. بمجرد إضاءته من خلال الضوء ، يتدفق التيار من محطة الكاثود إلى محطة الأنود.

بمجرد استخدام الثنائيات الضوئية مع الدوائر الخارجية ، يتم ربطها بمصدر طاقة داخل الدائرة. لذلك ، فإن كمية التيار المتولدة من خلال الثنائي الضوئي ستكون صغيرة للغاية ، لذا فإن هذه القيمة ليست كافية لصنع جهاز إلكتروني.

بمجرد توصيلها بمصدر طاقة خارجي ، فإنها توفر مزيدًا من التيار نحو الدائرة. في هذه الدائرة ، يتم استخدام البطارية كمصدر للطاقة للمساعدة في زيادة قيمة التيار بحيث توفر الأجهزة الخارجية أداءً أفضل.

كفاءة الثنائي الضوئي

يمكن تعريف الكفاءة الكمية للديود الضوئي على أنها تقسيم الفوتونات الممتصة التي تتبرع للتيار الضوئي. بالنسبة لهذه الثنائيات ، يرتبط علنًا بالاستجابة 'S' بدون أي تأثير للانهيار الجليدي ، ثم يمكن التعبير عن التيار الضوئي كـ

أنا = S P = ηe / hv. ص

أين،

'η' هي الكفاءة الكمية

'e' هي شحنة الإلكترون

'hν' هي طاقة الفوتون

الكفاءة الكمومية للصمامات الضوئية عالية للغاية. في بعض الحالات ، ستكون أعلى من 95٪ ولكنها تتغير على نطاق واسع من خلال الطول الموجي. تتطلب الكفاءة الكمية العالية التحكم في الانعكاسات بصرف النظر عن الكفاءة الداخلية العالية مثل الطلاء المضاد للانعكاس.

الاستجابة

استجابة الثنائي الضوئي هي نسبة التيار الضوئي الذي يتم إنشاؤه وكذلك يمكن تحديد القدرة الضوئية الممتصة داخل القسم الخطي من الاستجابة. في الثنائيات الضوئية ، يكون الحد الأقصى عادةً في منطقة الطول الموجي حيث تكون طاقة الفوتون أعلى إلى حد ما من طاقة فجوة الحزمة وتنخفض داخل منطقة فجوة النطاق حيث ينخفض الامتصاص.

يمكن إجراء حساب الثنائي الضوئي بناءً على المعادلة التالية

R = η (e / hv)

هنا ، في المعادلة أعلاه ، 'h ν' هي طاقة الفوتون 'η' هي كفاءة الكم و 'e' شحنة الابتدائية. على سبيل المثال ، تبلغ الكفاءة الكمية للديود الضوئي 90٪ بطول موجة 800 نانومتر ، ثم تكون الاستجابة 0.58 أمبير / واط.

للمضاعفات الضوئية والانهيارات الثلجية الضوئية ، هناك عامل إضافي لمضاعفة التيار الداخلي ، بحيث تكون القيم المحتملة أعلى من 1 A / W. بشكل عام ، لا يتم تضمين مضاعفة التيار ضمن الكفاءة الكمية.

الثنائي الضوئي PIN مقابل الثنائي الضوئي PN

يمكن الحصول على كل من الثنائيات الضوئية مثل PN & PIN من الكثير من الموردين. يعد اختيار الثنائي الضوئي مهمًا جدًا أثناء تصميم الدائرة بناءً على الأداء والخصائص المطلوبة.
لا يعمل الثنائي الضوئي PN في انحياز عكسي وبالتالي ، فهو أكثر ملاءمة لتطبيقات الإضاءة المنخفضة لتحسين أداء الضوضاء.

يمكن أن يقدم الثنائي الضوئي PIN الذي يعمل في انحياز عكسي تيار ضوضاء لتقليل نسبة S / N
بالنسبة لتطبيقات النطاق الديناميكي العالي ، فإن الانحراف العكسي سيعطي أداءً جيدًا
بالنسبة لتطبيقات BW العالية ، سيوفر التحيز العكسي أداءً جيدًا مثل السعة بين مناطق P & N وتخزين سعة الشحن صغيرة.

مزايا

ال مزايا الثنائي الضوئي تشمل ما يلي.

مقاومة أقل
سرعة تشغيل عالية وسريعة
طويل العمر الافتراضي
أسرع كاشف ضوئي
الاستجابة الطيفية جيدة
لا يستخدم الجهد العالي
استجابة التردد جيدة
صلبة ومنخفضة الوزن
إنه شديد الاستجابة للضوء
تيار الظلام هو ليبس
كفاءة كمية عالية
أقل ضوضاء

سلبيات

ال مساوئ الثنائي الضوئي تشمل ما يلي.

استقرار درجة الحرارة ضعيف
التغيير داخل التيار ضئيل للغاية ، وبالتالي قد لا يكون كافيًا لقيادة الدائرة
المنطقة النشطة صغيرة
يشتمل الثنائي الضوئي المعتاد لتقاطع PN على وقت استجابة مرتفع
لديها حساسية أقل
يعمل بشكل أساسي بالاعتماد على درجة الحرارة
يستخدم جهد الإزاحة

تطبيقات Photodiode

تتضمن تطبيقات الثنائيات الضوئية تطبيقات مماثلة لأجهزة الكشف الضوئية مثل الأجهزة المقترنة بالشحن والموصلات الضوئية والأنابيب الضوئية.
تستخدم هذه الثنائيات في الأجهزة الإلكترونية الاستهلاكية مثل كاشفات الدخان ومشغلات الأقراص المضغوطة وأجهزة التلفزيون وأجهزة التحكم عن بعد في أجهزة الفيديو.
في الأجهزة الاستهلاكية الأخرى مثل أجهزة الراديو على مدار الساعة ، وعدادات ضوء الكاميرا ، وأضواء الشوارع ، يتم استخدام الموصلات الضوئية بشكل متكرر أكثر من الصمامات الثنائية الضوئية.
كثيرًا ما تُستخدم الثنائيات الضوئية للقياس الدقيق لشدة الضوء في العلوم والصناعة. بشكل عام ، لديهم استجابة خطية محسّنة أكثر من الموصلات الضوئية.
تستخدم الثنائيات الضوئية أيضًا على نطاق واسع في العديد من التطبيقات الطبية مثل أدوات تحليل العينات ، وأجهزة الكشف عن التصوير المقطعي ، وتستخدم أيضًا في أجهزة مراقبة غازات الدم.
هذه الثنائيات أسرع بكثير وأكثر تعقيدًا من ثنائيات الوصلات PN العادية ، وبالتالي فهي تستخدم بشكل متكرر لتنظيم الإضاءة والاتصالات الضوئية.

خصائص V-I للديود الضوئي

يعمل الثنائي الضوئي باستمرار في وضع التحيز العكسي. تظهر خصائص الثنائي الضوئي بوضوح في الشكل التالي ، أن التيار الضوئي مستقل تقريبًا عن جهد التحيز العكسي الذي يتم تطبيقه. بالنسبة للإنارة الصفرية ، يكون التيار الضوئي صفرًا تقريبًا باستثناء التيار المظلم الصغير. إنه من أجل نانو أمبير. مع ارتفاع الطاقة الضوئية ، يرتفع التيار الضوئي أيضًا خطيًا. الحد الأقصى للتيار الضوئي غير مكتمل بسبب تبديد طاقة الثنائي الضوئي.

صفات

“ما هو اتصال الألياف الضوئية ”

وبالتالي ، هذا كل شيء عن مبدأ عمل الثنائي الضوئي والخصائص والتطبيقات. تتوفر الأجهزة الإلكترونية الضوئية مثل Photodiodes بأنواع مختلفة تُستخدم في جميع الأجهزة الإلكترونية تقريبًا. تستخدم هذه الثنائيات مع مصادر ضوء الأشعة تحت الحمراء مثل النيون والليزر LED والفلوريسنت. بالمقارنة مع الثنائيات الأخرى للكشف عن الضوء ، فإن هذه الثنائيات ليست باهظة الثمن. نأمل أن يكون لديك فهم أفضل لهذا المفهوم. علاوة على ذلك ، أي استفسارات بخصوص هذا المفهوم أو التنفيذ المشاريع الكهربائية والإلكترونية لطلبة الهندسة . يرجى تقديم اقتراحاتك القيمة من خلال التعليق في قسم التعليقات أدناه. هنا سؤال لك، ما هي وظيفة الثنائي الضوئي ؟

اعتمادات الصورة: