التّعريف بالدّيود الضّوئيّ

 

ما هو الدّيود الضّوئي (photodiode

هو شكل من أشكال حسّاس قياس الضّوء، يحوّل طاقة الضّوء إلى جهد أو تيّار كهربائيّ، كما يعتبر أحد أنواع أنصاف النّواقل بوصلة PN، حيث يوجد بين الطّبقات الموجبة P والسالبة N طبقة داخلية، يستقبل الدّيود الضّوئي الطّاقة الضّوئيّة كدَخل لتوليد تيّار كهربائيّ، ويسمّى أيضاً photodetector أو photo sensor أو light detector.يعمل الدّيود الضّوئي بحالة الانحياز العكسيّ، بمعنى أنّ الجانب الموجب p منه يتّصل مع الطّرف السّالب للبطاريّة (أو منبع التّغذية) ، والجانب السّالب n إلى طرف البطاريّة الموجب.المواد النّموذجيّة للدّيود الضّوئي هي السيليكون Silicon والجرمانيوم Germanium وفوسفيد زرنيخ إنديوم جاليوم Indium Gallium Arsenide Phosphide وزرنيخ الجاليوم إنديوم Indium gallium arsenide.

يحتوي الدّيود الضّوئي في داخله على مرشحات ضوئيّة  مدمجة مع العدسة والسّطح، عندما تزداد مساحة سطح الدّيود الضّوئيّ فإنّ زمن الاستجابة يزداد. بعض الدّيودات الضّوئية تشبه ديود الباعث للضّوء LED (Light Emitting Diode) من حيث الشّكل، ويملك الدّيود الضّوئي طرفين كما هو مبيّن في الشّكل (1)، بحيث يمثّل الطّرف الأقصر القطب السّالب والطّرف الأطول القطب الموجب.

الشكل (1): الديود الضوئي

يشبه رمز الدّيود الضّوئيّ رمز الديود باعث الضوء LED لكن تشير الأسهم هنا إلى الدّاخل على عكس الـ LED حيث تشير إلى الخارج. الشّكل (2) يبيّن رمز الدّيود الضّوئيّ.

                   الشكل (2): رمز الديود الضوئي

عمل الدّيود الضّوئي:

بشكل عام، عندما يسلّط الضّوء على الوصلة PN، تتأيّن الرّابطة التّشاركيّة وهذا يولّد أزواج إلكترون – ثقب تُسبِّب توليد التيّارات الضّوئيّة.

تتشكّل الأزواج إلكترون – ثقب عندما تصطدم فوتونات طاقتها أكثر من 1.1 EV بالدّيود,، عندما يدخل الفوتون المنطقة الفقيرة بحوامل الشحنات   depletion region في الدّيود فإنّه يصدم الذرّة بطاقة عالية، وهذا يؤدّي لتحرير إلكترون من بنية الذّرّة، بعد تحرير الإلكترون تتولّد الإلكترونات الحرّة والثّقوب.

بشكل عام سيكون للإلكترون شحنة سالبة وللثّقوب شحنة موجبة، والطّاقة في المنطقة الفقيرة بالحوامل ستكون بشكل حقل كهربائيّ، وبسبب وجود هذا الحقل الكهربائي فإنّ الأزواج إلكترون- ثقب ستبتعد عن الوصلة PN ،  وبالتّالي تتحرّك الثّقوب إلى القطب الموجب والإلكترونات إلى القطب السّالب لتوليد التيّار الضّوئيّ.

تتناسب كثافة امتصاص الفوتون عكساً مع طاقة الفوتون، حيث يكون الامتصاص أكثر عندما تكون طاقة الفوتون أقل، تُعرَف هذه العمليّة بالتّأثير الكهروضوئيّ الدّاخليّ.

الشكل (3) يبيّن مبدأ عمل الدّيود الضّوئيّ

إنّ تحريض الفوتون يحدُث من خلال التّحريض الخارجيّ والتّحريض الدّاخليّ، وتحدث عمليّة التّحريض الدّاخليّ عندما يثار إلكترون في حزمة التّكافؤ من قبل فوتون ويتحرّك إلى حزمة التّوصيل.

 

طرق تشغيل الدّيود الضّوئيّ:

يعمل الدّيود الضّوئي بثلاث أنماط مختلفة:

  • وضع الفولت ضوئي Photovoltaic Mode:

من ناحية أخرى يُدعى وضع الانحياز الصفري Zero Bias Mode، يفضّل استخدام هذا النّوع عندما يعمل الدّيود الضّوئيّ في تطبيقات التّردّد المنخفض وتطبيقات الإنارة فائقة المستوى،  عندما تتمّ إنارة الدّيود الضّوئيّ بوميض من الضّوء يتولّد الجهد، سيكون الجهد المتولّد في مجال تغيّر صغير جدّاً وله مميّزة غير خطيّة، عندما يوصل الدّيود الضّوئيّ مع مضخّم العمليّات OP-AMP (Operational Amplifier) بهذا الوضع سيكون اختلاف الحرارة أقلّ بكثير.

.

الشّكل (4) يبيّن وضع الفولت ضوئيّ للدّيود الضّوئيّ

  • وضع التّوصيل الضّوئيّ Photoconductive Mode:

في هذا الوضع يعمل الدّيود الضّوئي بوضعية الانحياز العكسيّ, حيث يكون القطب السّالب موجباً والقطب الموجب يكون سالباً .

عندما يزداد الجهد العكسيّ يزداد أيضاً عرض منطقة الاستنزاف ، وبالتّالي سوف يقلّ زمن الاستجابة وسعة التّوصيل نسبياً، تُعتبَر وضعية التّشغيل هذه سريعة وتُنتِج ضوضاء إلكترونيّة.

الشّكل (5) يبيّن وضع التّوصيل الضّوئيّ.

تُستخدم المضخّمات Transimpedance amplifiers ( وهي مضخّمات تحوّل التيّار إلى جهد) كمضخّمات أوليّة (preamplifier) (وهو مضخّم إلكتروني يحوّل الإشارة الكهربائيّة الضعيفة إلى إشارة خرج قويّة بما يكفي لتحمّل الضّوضاء وقويّة بما يكفي لمزيد من المعالجة) للدّيود الضّوئي، مثل هذه المكبّرات تعمل على الحفاظ على ثبات الجهد لجعل الدّيود الضّوئيّ يعمل في وضعيّة التّوصيل الضّوئيّ.

  • وضع ديود الانهيار Avalanche Diode Mode:

في هذا النّموذج يعمل ديود الانهيار في شروط انحياز عكسيّ عالية, ويسمح بتضاعف الانهيار الإلكترونيّ لكلّ فوتون منتجاً زوج إلكترون- ثقب،  وبالتّالي هذا ينتج ربحا داخليّا ضمن الدّيود, هذا الرّبح يزيد استجابة الجهاز.

وصل الدّيود الضّوئيّ في دارة خارجيّة:

يعمل الدّيود في الدّارة بانحياز عكسيّ، القطب الموجب يوصل إلى تأريض الدّارة والسّالب يوصل إلى جهد التّغذية الموجب للدّارة، عندما يُنار بالضّوء يتدفّق التّيّار من السّالب إلى الموجب.

الشّكل (6) يبيّن وصل الدّيود الضّوئي بدارة خارجيّة.

عندما تستخدم الدّيودات الضّوئيّة في دارات خارجيّة، فإنّها توصل إلى مصدر تغذية في الدّارة، كميّة التّيّار المتولّدة عن طريق الدّيود الضّوئي تكون صغيرة جدّاً ولا تكفي لتشغيل جهاز إلكترونيّ، لذلك عند توصيلها إلى مصدر تغذية خارجيّ فإنّها تنقل مزيد اً من التّيّار للدّارة ، لذلك تستخدم البطاريّة كمصدر تغذية، تساعد البطاريّة كمصدر للتّغذية على زيادة قيمة التّيّار وهذا يساعد الأجهزة الخارجيّة على العمل بأداء أفضل.

مميّزة (جهد – تيّار) للدّيود الضّوئيّ:

يعمل الدّيود الضّوئيّ في حالة الانحياز العكسيّ، يرسم الجهد العكسيّ على المحور X مقاساً بالفولت V، ويرسم التّيّار العكسي ّعلى المحور Y مقاساً بالميكرو أمبير.

لا يعتمد التيّار العكسيّ على الجهد العكسيّ، عند عدم وجود ضوء مسلّط فإنّ التيّار يساوي الصّفر تقريباً ، ويسمّى الحدّ الأدنى من التيّار بتيّار الظّلام، وعند زيادة الإنارة يزداد التّيّار خطيّاً.

الشّكل (7) يبيّن مميّزة جهد – تيار للدّيود الضّوئيّ.

تطبيقات الدّيود الضّوئيّ:

  • تُستخدم الدّيودات الضّوئية في الحياة اليوميّة البسيطة، وذلك بسبب استجابتها الخطيّة للإنارة الضّوئيّة، عندما يسلّط مزيد من الضّوء على الحسّاس فإنّه ينتج كميّة كبيرة من الضّوء، وسوف تظهر هذه الزّيادة في التّيّار على جهاز الغلفانومتر galvanometer الموصول إلى الدّارة.
  • الدّيودات الضّوئيّة تساعد على توفير عزل كهربائيّ بمساعدة optocoupler (وهو مكوِّن إلكترونيّ ينقِل الإشارات الكهربائيّة بين دارتين معزولتين)، عندما تضاء دارتان معزولتان، يتمّ استخدام الـ optocoupler لربط الدّارتين بصريّاً، بينما تكونان معزولتين كهربائياً، قياساً بالأجهزة التّقليديّة يعتبر الـ optocoupler سريعاً.
  • تستخدم الدّيودات الضّوئيةّ في دارات الحماية الإلكترونيّة مثل كواشف الحريق والدخان، وتستخدم أيضاً في وحدات التّلفزيون.
  • عند استخدامها في الكاميرات، فإنّها تعمل كحسّاس صورة, تستخدم في أجهزة سينتيليتور (وهي مواد تظهر الوميض حيث عندما تصطدم بجسيم قادم تمتص طاقته وتتلألأ، أي إعادة انبعاث الطّاقة على شكل ضوء) مزدوجة الشّحن (scintillators charge-coupled devices)، الموصلات الضّوئيّة photoconductors، وأنابيب مضاعفة الضّوء photomultiplier tubes.
  • كما تستخدم الدّيودات الضّوئيّة على نطاق واسع في الكثير من التّطبيقات الطّبيّة مثل أدوات تحليل العيّنات، والكواشف للتّصوير الشّعاعيّ الطّبقي المحوريّ وأيضاً في أجهزة مراقبة غازات الدّمblood gas monitors.

المصدر : هنا
ترجمة: راما سلوم  ،  تدقيق: علي العلي  ،  تدقيق لغوي: سلام أحمد  ،  تصميم: وليد برهوم ، تحرير: كريم سلوم .

Leave a Reply

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