Optoelectronics

مدخل إلى الالكترونيات الضوئية

سيتم التّحدُّث في هذا المقال عن أساسيات الالكترونيات الضوئية بما في ذلك الفوتونات، وأيضاً ستتم مناقشة الأجهزة الالكتروضوئية المتنوعة بما فيها المصابيح Lamps، اللدات LEDs، الديودات الضوئية Photodiodes، المقاومات الضوئية Photoresistor، الديودات الليزرية Laserdiodes، وغيرها الكثير.

ماهي الالكترونيات الضوئية؟

إنَّ مصطلح الإلكترونيات الضوئية Optoelectronics هو وصف محدد للإلكترونيات التي تركز على الأجهزة الباعثة للضوء Light-emitting التي تستخدم الجهد والتيار لإنتاج إشعاع كهرومغنطيسي وهي مُستخدمة بشكل شائع لهدف الإضاءة، وفي المقابل تمَّ تصميم الأجهزة المستقبِلة للضوء Light-detecting كالـ Phototransistors لتحويل الطاقة الكهرومغناطيسية المستقبَلة إلى تيار كهربائي أو جهد كهربائي. ويمكن استخدام هذه الأجهزة لتحسس الضوء (مثال عليها المبدلات النشطة بالظلام darkness-activated switches وأجهزة التحكم)، و تعتمد على الفوتونات لتحرير الالكترونات الموجودة داخل المواد النصف ناقلة.

مُراجعة عن الفوتونات:

الفوتونات Photons هي الوحدات الأساسية للإشعاع الكهرومغناطيسي (Electromagnetic radiation (EMR ولها تردد انتشار ويتم تصنيفها بناءً على هذا التردد إلى: الإشعاع الكهرومغناطيسي الميكروي microwave EMR، الإشعاع التابع لتردد الأشعة تحت الحمراء infrared EMR، والإشعاع الضوئي optical EMR وما إلى ذلك. تتحسس العين البشرية للإشعاع الكهرومغناطيسي الضوئي optical والتي تحلله وتفسره كمجموعة من الألوان، واللون ليس خاصية أساسية موجودة بالفوتونات إنما التردد هو الأساسي، لكل يفسر البشر اختلاف هذه الترددات على أنها ألوان.

بعض الفيزياء وراء حقيقة الفوتونات:

تُعطى العلاقة بين تردد الفوتون وطول الموجة بالمعادلة التالية:

λ = v/f

حيث: v سرعة الفوتون تُقدَّر بـ m/s.
f التردد مقدراً بالهرتز.
تكون السرعة (v) في الفضاء الحر بسرعة الضوء c = 3*108 m/s، لكن تتباطأ في أوساط أُخرى كالزجاج مثلاً.
الفوتون ذو طول الموجة الأطول (تردد صغير) يملك طاقة أقل من ذلك الذي يملك طول موجة أصغر (تردد مرتفع). والصورة التالية توضح معلومات حول الفوتونات من طاقة، تردد، وطول موجة.

المصابيح Lamps:

إن المصابيح (كمصابيح الإضاءة) عبارة عن أجهزة تقوم بتحويل التيار الكهربائي إلى طاقة ضوئية مرئية، حيث تحتوي على سلك مصنوع من التنغستين وعند مرور التيار بالسلك يصطدم التيار بذرات الفتيل مؤدياً لإصدار حرارة تقوم بإطلاق الفوتونات، ومن الجدير ذكره أن هذه العملية بالذات تقوم بإنتاج الفوتونات مع مجموعة متنوعة من الأطوال الموجية مما يسبب توهج المصباح باللون الأبيض.
تتشابه مصابيح الهالوجين مع المصابيح العادية الآنفة الذكر إلا أنها في الواقع تعتبر بمثابة نوع متقدم عنها وتُعرف عادةً بضوئها اللامع وحرارتها المرتفعة؛ حيث يستخدم هذا النوع من المصابيح فتيلاً موجوداً داخل لمبة مضغوطة بالغاز، وهذا الغاز عبارة عن غاز خامل وكمية صغيرة من عنصر الهالوجين مثل البروم أو اليود كما أنَّ زجاج هذا المصباح أقوى من زجاج المصباح السابق، أما مصابيح الفلورسنت فهي مختلفة تماماً، فتتكون من أنبوب زجاجي مملوء بالبخار جداره الداخلي مغطى بمادة مفلورة fluoresces فعندما تصطدم الالكترونات المنبعثة من المهبط الفلوري مع ذرات الزئبق ينبعث الإشعاع فوق البنفسجي ويتم امتصاصه عبر طلاء الفلورسنت للمصباح وبعد ذلك يتم إصدار الضوء.

الليدات LEDs:

الديودات الباعثة للضوء (Light-emitting diodes (LEDs عبارة عن أجهزة نصف ناقلة ثنائية النهايات تشبه الديودات العادية إلا أنها تبث الضوء المرئي أو الأشعة تحت الحمرا أو الفوق بنفسجية، فعندما يرتفع الجهد عند طرف المصعد أكثر منه عند طرف المهبط (يتراوح الجهد عادة 0.6v-2.2v) يتدفق التيارعبر اللد مسبباً انبعاث الضوء، ومن الناحية التاريخية كان اللون الأحمر هو أول لون يستخدم للدات وتم تطويره عام 1962، ثم عام 1968 تم إنتاج المجموعات اللونية الأُخرى إلا أن اللون الأزرق لم يكن متاحاً في الأسواق قبل عام 1989، وفي الوقت الحاضر تتوفر جميع الألوان بما فيها الأبيض.

الديودات الليزرية Laser diodes:

وهي جهاز ليزري نصف ناقل، يشبه بشكل كبير الديود الضوئي من حيث الشكل والعمل (التشغيل)، حيث تستخدِم انبعاثات تحرِّض الإشعاع الكهرومغناطيسي لإصدار الضوء، وفيما يلي مجموعة من الأشكال لهذا النوع:

 

المقاومات الضوئية Photoresistors:

ليست أكثر من مقاومات متغيرة مُتحكَّم بها من خلال الضوء، وتعرف أيضاً بـ Light dependent resistor (LDRs)، فعندما توضع هذه المقاومات في الظلام تزداد مقاومتها بشكل كبير وفي المقابل تنخفض مقاومتها عند تعرّضِها لكمية كافية من الضوء، وتستخدم عادةً في أجهزة التبديل الحساسة للضوء.

الديودات الضوئية Photodiodes:

عبارة عن أجهزة نصف ناقلة ثنائية الأقطاب تقوم بتحويل الطاقة الضوئية (الفوتونات) مباشرةً إلى تيار كهربائي، ويتم تصميمها باستخدام طبقة نصف ناقلة رفيعة جداً من النوع n و طبقة أكثر سماكةً من النوع p، بحيث يحتوي الجانب n على وفرة من الالكترونات ويُعتبر المهبط بينما يحتوي الجانب p على وفرة من الثقوب ويُعتبر المصعد؛ وعندما يصطدم الفوتون المليء بالطاقة بالديود فإنه ينشئ زوجاً من الثقوب الالكترونية (منطقة عبور) فتتحرك الثقوب باتجاه المصعد بينما الالكترونات تتجه نحو المهبط مما ينشئ تياراً ضوئياً.

الخلايا الشمسية Solar cells:

ببساطة هي عبارة عن ديودات ضوئية لكن بسطوح كبيرة جداً، حيث تتمتع هذه السطوح الكبيرة بحساسية عالية جداً للضوء وأيضاً أكثر قوة من حيث الجهد والتيار مقارنةً بالديودات الضوئية العادية، وتستخدم بشكل شائع في الألواح الشمسية وكعناصر حساسة للضوء في الأجهزة المستقبِلة للضوء ومن الأمثلة عليها Light meters.

Phototransistors:

يمكن التخمين من اسمها أنها ترانزستورات حساسة للضوء، أُشيع منها نوعين: الأول يشبه الـ BJT والثاني يشبه الـ FET، فيتم استبدال قاعدة الترانزستور الضوئي الـ BJT بمنطقة متحسسة للضوء وببقاء هذا السطح مظلماً يبقى في وضع الإيقاف، أما الترانزستور الضوئي الـ FET يستخدِم الضوء لإنشاء جهد بوابة يتحكم بتيار المنبع-المصرف          drain-source، وتعتبر ترانزستورات الـ FET أكثر حساسية للضوء من نظيرتها الـ BJT.

:Optoisolators

تُعرف أيضاً باسم Optocouplers ويدل على دمج دارتين (بدون توحيد الأرضي) عن طريق واجهة ضوئية، ويتكون النموذج المثالي منه من لد وترانزستور ضوئي مُغلّفان بإحكام ضمن حاوية خاصة، يتم توصيل الجزء المحتوي على اللد للدارة أما الترانزستور الضوئي كـ خرج، وفقاً لذلك عندا يتم تشغيل اللد ستنبعث الفوتونات التي يكشفها الترانزستور الضوئي ويظهرها، أحد التطبيقات النموذجية للـ optocoupler هو العزل الكهربائي بين دارتين منفصلتين.

كابلات الألياف الضوئية Fiber obtic:

يتم استخدامها بالتزامن مع الأجهزة الضوئية الالكترونية optoelectronics لنقل المعلومات عن طريق الضوء المركب، والشكل التالي هو توضيح بسيط لكابل الألياف الضوئية:

المصدر: هنا 

ترجمة: سارة خضر.

Leave a Reply

Your email address will not be published. Required fields are marked *