الثنائيات الضوئية: مفصلة بلغة بسيطة. الخصائص والمعلمات الرئيسية للديودات الضوئية Photodiode كمصدر للطاقة

الغرض: الثنائي الضوئي- جهاز استقبال للإشعاع الضوئي يقوم بتحويل الضوء الساقط على المنطقة الحساسة للضوء إلى شحنة كهربائية.

مبدأ التشغيل: أبسط الثنائي الضوئيهو الصمام الثنائي التقليدي لأشباه الموصلات ، والذي يوفر إمكانية التعرض للإشعاع الضوئي على تقاطع p – n. عند التعرض للإشعاع في اتجاه عمودي على مستوى تقاطع pn ، نتيجة لامتصاص الفوتونات بطاقة أكبر من فجوة النطاق ، تظهر أزواج ثقب الإلكترون في المنطقة n. تسمى هذه الإلكترونات والثقوب ناقلات ضوئية. عندما تنتشر الحاملات الضوئية في عمق المنطقة n ، فإن الجزء الرئيسي من الإلكترونات والثقوب ليس لديه وقت لإعادة الاتحاد ويصل إلى حدود الوصلة p-n. هنا ، يتم فصل الحاملات الضوئية بواسطة المجال الكهربائي لتقاطع p n ، وتمرير الثقوب إلى المنطقة p ، بينما لا تستطيع الإلكترونات التغلب على مجال الانتقال وتتراكم عند السطح البيني بين تقاطع p - n والمنطقة n. وبالتالي ، فإن التيار عبر تقاطع p - n يرجع إلى انجراف ناقلات الأقلية - الثقوب. تيار الانجراف للناقلات الضوئية يسمى فوتوكورينت.

يمكن أن تعمل الثنائيات الضوئية في أحد وضعين - بدون مصدر خارجي للطاقة الكهربائية (وضع المولد الضوئي) أو بمصدر خارجي للطاقة الكهربائية (وضع المحول الضوئي).

الجهاز: مخطط هيكلي للديود الضوئي. 1 - بلورة أشباه الموصلات ؛ 2 - جهات الاتصال 3 - الاستنتاجات Ф - تدفق الإشعاع الكهرومغناطيسي ؛ ه - المصدر الحالي المباشر ؛ Rн - تحميل.

خيارات: الحساسية (تعكس التغير في الحالة الكهربائية عند خرج الثنائي الضوئي عند تطبيق إشارة ضوئية واحدة على المدخلات) ؛ الضوضاء (بالإضافة إلى الإشارة المفيدة ، تظهر إشارة فوضوية عند إخراج الثنائي الضوئي بسعة عشوائية و نطاق- ضوضاء الثنائي الضوئي)

صفات: أ) خاصية الجهد الحاليالثنائي الضوئي هو اعتماد جهد الخرج على تيار الإدخال. ب) الضوء المميزيتوافق اعتماد التيار الضوئي على الإضاءة مع التناسب المباشر للتيار الضوئي على الإضاءة. ج) الخصائص الطيفية للديود الضوئيهو اعتماد التيار الضوئي على الطول الموجي للضوء الساقط على الثنائي الضوئي.

طلب: أ) الدوائر المتكاملة الكهروضوئية.

ب) أجهزة كشف ضوئية متعددة العناصر.ج) مقارنات بصرية.

9. المصابيح. الغرض والجهاز ومبدأ التشغيل والمعايير والخصائص الأساسية.

الغرض: LEDجهاز أشباه الموصلات ينبعث منه الضوء عند مرور التيار من خلاله في الاتجاه الأمامي.

مبدأ العملية: يعتمد العمل على الظاهرة الفيزيائية لحدوث إشعاع ضوئي أثناء مرور التيار الكهربائي عبر الوصلة p-n. يتم تحديد لون التوهج (الطول الموجي لأقصى طيف الانبعاث) حسب نوع مواد أشباه الموصلات المستخدمة التي تشكل تقاطع p-n.

LED هو جهاز انبعاث لأشباه الموصلات مع تقاطع n-p واحد أو أكثر ، والذي يحول الطاقة الكهربائية إلى طاقة إشعاع الضوء غير المتماسك. يحدث الإشعاع نتيجة إعادة تركيب ناقلات محقونة في إحدى المناطق المجاورة لتقاطع n-p. يحدث إعادة التركيب عندما تنتقل الناقلات من المستويات العليا إلى المستويات الدنيا.

الخصائص والمعلمات: المعلمة الرئيسية لمصابيح LED هي كفاءة الكم الداخلية (نسبة عدد الفوتونات إلى عدد الحاملات المحقونة في القاعدة) والكفاءة الخارجية (نسبة تدفق الفوتون من LED إلى تدفق حامل الشحنة فيه). يتم تحديد الكفاءة الخارجية إلى حد كبير من خلال التكنولوجيا ويمكن مع نمو مستواها أن تزداد بشكل كبير.

الخصائص الرئيسية لمصابيح LED هي الجهد الحالي والسطوع والطيفي. المعلمات الرئيسية للديودات الباعثة للضوء هي الطول الموجي ونصف عرض طيف الانبعاث وقوة الانبعاث وتردد التشغيل ونمط الإشعاع.

تستخدم مصابيح LED على نطاق واسع في المؤشرات الرقمية وشاشات الإضاءة والأجهزة الإلكترونية الضوئية. من حيث المبدأ ، من الممكن تشكيل شاشة تلفزيون ملونة على أساسها.

تحتل الثنائيات الضوئية مكانة خاصة في الهندسة الكهربائية ، والتي تستخدم في مختلف الأجهزة والأجهزة. الثنائي الضوئي هو عنصر من أشباه الموصلات يشبه في خصائصه الصمام الثنائي البسيط. يعتمد تياره العكسي بشكل مباشر على شدة تدفق الضوء الساقط عليه. في أغلب الأحيان ، تُستخدم عناصر أشباه الموصلات ذات الوصلة pn كديود ضوئي.

الجهاز ومبدأ العملية

يعد الثنائي الضوئي جزءًا من العديد من الأجهزة الإلكترونية. هذا هو السبب في أنها اكتسبت شعبية واسعة. LED العادي هو الصمام الثنائي مع تقاطع p-n ، ويعتمد توصيله على الضوء الساقط عليه. في الظلام ، يتميز الثنائي الضوئي بخصائص الصمام الثنائي التقليدي.

1 - تقاطع أشباه الموصلات.
2 - قطب موجب.
3 - طبقة حساسة.
4 - القطب السالب.

تحت تأثير تدفق الضوء على المستوى الانتقالي ، يتم امتصاص الفوتونات بطاقة تتجاوز القيمة المحددة ؛ لذلك ، تتشكل أزواج من ناقلات الشحنة - ناقلات ضوئية - في المنطقة n.

عند خلط الحاملات الضوئية في عمق المنطقة "n" ، لا يتوفر للجزء الرئيسي من الموجات الحاملة وقت لإعادة الاتحاد ويمر إلى حد p-n. عند الانتقال ، يتم فصل الحاملات الضوئية بواسطة مجال كهربائي. في هذه الحالة ، تمر الثقوب إلى المنطقة "p" ، ولا تستطيع الإلكترونات المرور خلال الانتقال ، وبالتالي تتراكم بالقرب من حدود الانتقال p-n ، وكذلك المنطقة "n".

يزيد التيار العكسي للديود عند تعرضه للضوء. تسمى القيمة التي يزداد بها التيار العكسي بالتيار الضوئي.

تحمل حاملات الصور على شكل ثقوب شحنة موجبة للمنطقة "p" فيما يتعلق بالمنطقة "n". بدورها ، تنتج الإلكترونات شحنة سالبة في المنطقة "n" بالنسبة إلى المنطقة "p". يسمى فرق الجهد الناتج بالقوة الكهروضوئية ، ويُشار إليه بالحرف "E f". التيار الكهربائي الذي يحدث في الثنائي الضوئي هو عكس ، ويتم توجيهه من الكاثود إلى القطب الموجب. علاوة على ذلك ، تعتمد قيمتها على مقدار الإضاءة.

أوضاع التشغيل

الثنائيات الضوئية قادرة على العمل في الأوضاع التالية:

• وضع المولد الضوئي. لا يوجد اتصال كهرباء.
• وضع المحول الضوئي. مع اتصال مصدر طاقة خارجي.

في العمل مولد ضوئي تستخدم الثنائيات الضوئية بدلاً من مصدر الطاقة الذي يحول ضوء الشمس إلى طاقة كهربائية. تسمى مولدات الصور هذه الخلايا الشمسية. إنها الأجزاء الرئيسية للألواح الشمسية المستخدمة في الأجهزة المختلفة ، بما في ذلك تلك الموجودة في المركبات الفضائية.

تبلغ كفاءة الخلايا الشمسية القائمة على السيليكون 20٪ ، وتكون هذه المعلمة أعلى بكثير لخلايا الفيلم. من الخصائص المهمة للخلايا الشمسية اعتماد طاقة الخرج على وزن ومساحة الطبقة الحساسة. تصل هذه الخصائص إلى قيم 200 واط / كجم و 1 كيلو واط / م 2.

عندما يعمل الثنائي الضوئي كـ محول ضوئي ، يتم توصيل مصدر الجهد بالدائرة بقطبية عكسية. في هذه الحالة ، يتم استخدام الرسوم البيانية العكسية لخاصية الجهد الحالي لظروف الإضاءة المختلفة.

يتم تحديد الجهد والتيار عند الحمل R n على الرسم البياني من خلال تقاطعات خصائص الثنائي الضوئي وخط التحميل ، والذي يتوافق مع المقاوم R n. في الظلام ، يكون الثنائي الضوئي مكافئًا في عمله للديود التقليدي. يتراوح التيار في الوضع المظلم لثنائيات السيليكون من 1 إلى 3 ميكرو أمبير ، لثنائيات الجرمانيوم من 10 إلى 30 ميكرو أمبير.

أنواع الثنائيات الضوئية

هناك عدة أنواع مختلفة من الثنائيات الضوئية لها مزاياها الخاصة.

ص – أنا – نالثنائي الضوئي

في منطقة pn ، يحتوي هذا الصمام الثنائي على قسم يتمتع بمقاومة عالية وموصلية داخلية. عند التعرض للضوء ، تظهر أزواج من الثقوب والإلكترونات. المجال الكهربائي في هذه المنطقة له قيمة ثابتة ، لا توجد شحنة فضائية.

تقلل هذه الطبقة المساعدة بشكل كبير من سعة الطبقة الحاجزة ، وهي مستقلة عن الجهد. هذا يوسع نطاق تردد التشغيل للثنائيات. نتيجة لذلك ، ترتفع السرعة بشكل حاد ، ويصل التردد إلى 10 10 هرتز. تقلل المقاومة المتزايدة لهذه الطبقة بشكل كبير من تيار التشغيل في غياب الإضاءة. لكي يتمكن تدفق الضوء من اختراق الطبقة p ، يجب ألا يكون سميكًا.

الثنائيات الضوئية الانهيار الجليدي

هذا النوع من الصمام الثنائي هو أشباه موصلات شديدة الحساسية تقوم بتحويل الضوء إلى إشارة تيار كهربائي باستخدام التأثير الكهروضوئي. بمعنى آخر ، هذه أجهزة كشف ضوئية تعمل على تضخيم الإشارة بسبب تأثير مضاعفة الانهيار الجليدي.

1 - اتصالات أوميه 2 - طلاء مضادة للانعكاس

تعد الثنائيات الضوئية عند الانهيار الجليدي أكثر حساسية من أجهزة الكشف الضوئية الأخرى. هذا يجعل من الممكن استخدامها لقوى الإضاءة المنخفضة.

تُستخدم الشبكات الفائقة في تصميم الثنائيات الضوئية للانهيار الجليدي. يكمن جوهرها في حقيقة أن الاختلافات المهمة في تأين تأثير الحاملات تؤدي إلى انخفاض في الضوضاء.

ميزة أخرى لاستخدام هياكل مماثلة هي توطين تربية الانهيار الجليدي. كما أنه يقلل من التداخل. في الشبكة الفائقة ، يتراوح سمك الطبقات من 100 إلى 500 أنجستروم.

مبدأ التشغيل

عند جهد عكسي قريب من قيمة انهيار الانهيار الجليدي ، يزداد التيار الضوئي بشكل حاد بسبب تأين تأثير حاملات الشحن. يتمثل الإجراء في أن طاقة الإلكترون ترتفع من المجال الخارجي ويمكن أن تتجاوز حد تأين المادة ، ونتيجة لذلك سيؤدي اجتماع هذا الإلكترون مع إلكترون من نطاق التكافؤ إلى ظهور زوج جديد من الإلكترون وفتحة. سيتم تسريع حاملات الشحنة لهذا الزوج بواسطة المجال وقد تساهم في تكوين حاملات شحنة جديدة.

صفات

يمكن وصف خصائص هذه الثنائيات الخفيفة من خلال بعض التبعيات.

فولت أمبير

هذه الخاصية هي اعتماد القوة الحالية عند التدفق المستمر للضوء على الجهد.

أنا- تيار م- عامل الضرب يو- الجهد االكهربى

مضيئة

هذه الخاصية هي اعتماد تيار الصمام الثنائي على الإضاءة. مع زيادة تدفق الضوء ، يزداد التيار الضوئي.

طيفية

هذه الخاصية هي اعتماد تيار الصمام الثنائي على الطول الموجي للضوء ، وهي عرض المنطقة الحدودية.

ثابت الزمن

هذا هو الوقت الذي يستغرقه التيار الضوئي للديود للتغيير بعد تطبيق الضوء مقارنة بقيمة الحالة المستقرة.

مقاومة الظلام

هذه هي قيمة مقاومة الصمام الثنائي في الظلام.

التعطيل

العوامل التي تؤثر على هذه الخاصية:

• وقت انتشار ناقلات الشحن غير المتوازنة.
• وقت المرور على طول انتقال pn.
• فترة إعادة شحن سعة حاجز التقاطع pn.

نطاق التطبيق

الثنائيات الضوئية هي العناصر الرئيسية للعديد من الأجهزة الإلكترونية الضوئية.

الدوائر المتكاملة (الكتروضوئي)

يمكن أن يكون للديود الضوئي سرعة تشغيل كبيرة ، لكن عامل التضخيم الحالي لا يزيد عن الوحدة. نظرًا للتوصيل البصري ، تتمتع الدوائر الدقيقة بمزايا كبيرة: عزل كلفاني مثالي لدوائر التحكم عن دوائر الطاقة القوية. في نفس الوقت ، يتم الحفاظ على علاقة وظيفية بينهما.

أجهزة كشف ضوئية مع عناصر متعددة

هذه الأجهزة في شكل مصفوفة ضوئية ، ماسح ضوئي ، هي أجهزة إلكترونية تقدمية جديدة. يمكن للعين الإلكترونية الضوئية المزودة بالديود الضوئي أن تخلق استجابة للخصائص المكانية والسطوع للأشياء. بمعنى آخر ، يمكنه رؤية صورته البصرية الكاملة.

عدد الخلايا الحساسة للضوء كبير جدًا. لذلك ، بالإضافة إلى قضايا السرعة والحساسية ، من الضروري قراءة المعلومات. جميع أجهزة الكشف الضوئية ذات الخلايا الكهروضوئية المتعددة هي أنظمة مسح ضوئي ، أي أجهزة تسمح لك بتحليل المساحة المدروسة عن طريق عرض تسلسلي لكل عنصر.

تُستخدم الثنائيات الضوئية أيضًا على نطاق واسع في خطوط الألياف الضوئية وأجهزة ضبط المسافة بالليزر. في الآونة الأخيرة ، تم استخدام هذه الثنائيات الضوئية في التصوير المقطعي بالإصدار البوزيتروني.

في الوقت الحاضر ، هناك عينات من المصفوفات الحساسة للضوء تتكون من ثنائيات ضوئية الانهيار الجليدي. فعاليتها ونطاقها يعتمد على عدة عوامل.

كانت العوامل الأكثر تأثيرًا هي:

• تيار التسرب الكلي الناتج عن إضافة الضوضاء والتيار في حالة عدم وجود ضوء.
• الكفاءة الكمية ، والتي تحدد نسبة الكميات العارضة ، مما يؤدي إلى ظهور ناقلات التيار والشحنة.

معمل # 16

دراسة الثنائي الضوئي

استهداف:تعرف على مبدأ التشغيل والجهاز وخصائص وتطبيق الصمامات الثنائية الضوئية شبه الموصلة.

الآلات والاكسسوارات:الثنائي الضوئي الجرمانيوم FD-7G ، حامل لقياس خصائص الجهد الحالي للثنائيات ، مقعد بصري مع إضاءة ، مزود طاقة ، راسم الذبذبات.

مقدمة نظرية

الثنائي الضوئييسمى الصمام الثنائي شبه الموصّل الحساس للضوء والمصمم لتحويل تدفق الضوء (الإشعاع البصري) إلى إشارة كهربائية.

لا تختلف في مبدأ التشغيل عن المحول الضوئي للطاقة الشمسية ، فالديودات الضوئية لها ميزات وخصائص التصميم الخاصة بها ، والتي يتم تحديدها من خلال الغرض منها.

الثنائيات الضوئية مخصصة للاستخدام كمستقبلات ومستشعرات للإشعاع البصري (المرئي عادةً والأشعة تحت الحمراء) كجزء من المعدات والأجهزة المختلفة التي تستخدم الأشعة المرئية والأشعة تحت الحمراء.

يعتمد تشغيل الصمامات الضوئية على ظاهرة التأثير الكهروضوئي الداخلي ، حيث تظهر ، تحت تأثير الضوء ، إلكترونات وثقوب إضافية (غير متوازنة) في أشباه الموصلات ، مما ينتج عنه تيار ضوئي أو جهد ضوئي.

1. مبدأ تشغيل الثنائيات الضوئية مع تقاطع p-n.في الصمامات الثنائية الضوئية ، يكون العنصر الحساس للضوء هو منطقة الانتقال - تقاطع p-n ، الواقع بين المناطق ذات الموصلية الإلكترونية والتوصيلية بالفتحة (الشكل 1).

تشكيل تقاطع pn.تحتوي أشباه الموصلات من النوع n على كمية معينة من الذرات من النوع المانح للشوائب ، والتي تتأين جميعها تقريبًا في درجة حرارة الغرفة. وهكذا ، في مثل هذا أشباه الموصلات لا توجد إلكترونات حرة ونفس العدد من الأيونات غير المتحركة الموجبة الشحنة للشوائب المانحة.

يحدث موقف مماثل في ثقب أشباه الموصلات (نوع p- أشباه الموصلات). لديها p حول الثقوب الحرة ونفس عدد الأيونات سالبة الشحنة للذرات المستقبلة. يظهر مبدأ تكوين تقاطع pn في الشكل. واحد.

عندما تتلامس المنطقتان p و n ، بسبب وجود تدرج تركيز للإلكترونات والثقوب ، ينشأ تدفق انتشار للإلكترونات من أشباه الموصلات من النوع n إلى أشباه الموصلات من النوع p ، وعلى العكس من ذلك ، تدفق الثقب من أشباه الموصلات p إلى أشباه الموصلات n. تتحد الإلكترونات التي مرت من المنطقة n إلى المنطقة p مع ثقوب بالقرب من الواجهة. تتجمع الثقوب بالمثل ، وتنتقل من المنطقة p إلى المنطقة n. نتيجة لذلك ، لا توجد عمليا أي ناقلات شحن مجانية (إلكترونات وثقوب) بالقرب من تقاطع p-n.

وهكذا ، على جانبي تقاطع pn ، يتم تشكيل طبقة مزدوجة مشحونة من أيونات شائبة غير متحركة (أسماء أخرى - طبقة استنفاد أو منطقة شحنة فضائية (SCR) ، طبقة مانعة) ، مما يخلق مجالًا كهربائيًا قويًا. يتم توجيه المجال الكهربائي لطبقة الحجب من المنطقة n إلى المنطقة p ويواجه عملية انتشار ناقلات الشحنة الرئيسية من المناطق البعيدة من تقاطع pn إلى المنطقة المستنفدة. مثل هذه الحالة هي حالة توازن ، وفي حالة عدم وجود اضطرابات خارجية ، يمكن أن توجد لفترة طويلة بشكل تعسفي.

أرز. 1 - تشكيل تقاطع pn. 2

كيف يعمل الثنائي الضوئي.الإشعاع البصري (الضوء) الممتص في هيكل أشباه الموصلات مع تقاطع pn يخلق أزواجًا من الثقوب الإلكترونية الحرة ، بشرط أن تتجاوز طاقة الفوتون h فجوة النطاق لأشباه الموصلات على سبيل المثال.

تنشأ الإلكترونات والثقوب الحرة في منطقتي الوصل p و n وفي المنطقة المجاورة مباشرة لطبقة الحجب. يفصل المجال الكهربائي الموجود في طبقة الحجب (مجال تقاطع pn) حاملات الشحن المجاني التي تم إنشاؤها بواسطة الضوء ، اعتمادًا على علامتها ، إلى أجزاء مختلفة من الثنائي الضوئي: تتحرك الإلكترونات الحرة إلى منطقة n من التقاطع ، و تنتقل الثقوب إلى المنطقة p ، مما يؤدي إلى شحن هذه المناطق (الشكل 2).

عندما تضيء ، تتراكم الثقوب في المنطقة p ، فتشحنها بشكل إيجابي. تتراكم الإلكترونات في المنطقة n ، مما يجعلها سالبة. لذلك ، هناك فرق محتمل بينهما.

في هذه الحالة ، هناك وضعان ممكنان لتشغيل الجهاز: في الدوائر ذات مصدر طاقة خارجي وبدونه. يُطلق على طريقة تشغيل الصمام الثنائي الضوئي مع مصدر طاقة خارجي اسم الثنائي الضوئي ، وبدون مصدر طاقة خارجي ، يُطلق عليه وضع توليد الفولتية الضوئية (اسم آخر هو الوضع الكهروضوئي).

وضع الجيل.في هذه الحالة ، لا يتم تطبيق أي جهد خارجي على التقاطع وتكون الدائرة مفتوحة. تؤدي الإضاءة إلى تراكم الإلكترونات الضوئية في المنطقة n والثقوب في المنطقة p. نتيجة لذلك ، يتشكل فرق الجهد U f (يُسمى غالبًا "الجهد"

أرز. 3 الشكل 4 - خصائص فولت أمبير للديود الضوئي

عند تدفقات الضوء المختلفة (Ф 1< Ф 2 < Ф 3).

تسكع U xx ") ، أي تظهر صورة emf. إن تراكم الإلكترونات الزائدة والثقوب ليس بلا حدود. بالتزامن مع زيادة تركيز الثقوب في منطقة الثقب والإلكترونات في المنطقة الإلكترونية ، يتناقص الحاجز المحتمل للانتقال بقيمة الجهد الضوئي وانتشار ناقلات الشحنة الأغلبية عبر تقاطع pn. هناك توازن ديناميكي.

عند توصيله بالمطاريف الخارجية للحمل الثنائي الضوئي R n ، سيظهر تيار في دائرته (الشكل 3). في الدائرة الخارجية ، يتم توجيه التيار الضوئي من المنطقة p إلى المنطقة n. في ظل هذه الظروف ، يعمل الثنائي الضوئي كمحول للطاقة الإشعاعية إلى طاقة كهربائية.

خاصية Volt-ampere لتقاطع p-n المضيء.يمكن كتابة خاصية الجهد الحالي لتقاطع pn تحت الإضاءة بالشكل التالي:

, (1)

حيث أنا ن - التشبع الحالي في الظلام ؛ أنا و - التيار الضوئي ، أي التيار الناتج عن ناقلات الشحنة التي تثيرها الضوء والتي تمر عبر تقاطع pn ؛ U هو الجهد الخارجي عند التقاطع.

على التين. يوضح الشكل 4 الرسوم البيانية للاعتماد على الجهد الحالي لمختلف تدفقات الضوء F. في حالة عدم وجود الإضاءة (I f = 0) ، فإن خاصية الجهد الحالي (الظلام) تمر عبر الأصل. يتم تحويل المنحنيات المتبقية المقابلة لتدفقات ضوئية معينة على طول المحور الإحداثي (المحور الحالي) إلى شرائح مساوية لقوة التيار الضوئي - I f. يمكن أن نرى من التعبير (1) أنه مع التضمين العكسي (U< 0) и при

(qU >> kT) الحالي خلال الانتقال I \ u003d - (I n + I f).

تتوافق أجزاء المنحنيات الموجودة في الربع الثالث مع وضع تشغيل الثنائي الضوئي): تتوافق أجزاء المنحنيات الموجودة في الربع الرابع مع وضع توليد الفولتية الضوئية.

إذا كانت القوة الحالية في الدائرة الخارجية I \ u003d 0 (الدائرة مفتوحة) ، فمن التعبير (1) يمكنك العثور على جهد الدائرة المفتوحة U f.

(2)

إذا كان الثنائي الضوئي في وضع التوليد متصلاً بدائرة خارجية ذات مقاومة منخفضة ، فإن الإلكترونات الضوئية في المنطقة n لا تتراكم و U f = 0. وبما أنه لا يوجد جهد خارجي ، فإن التيار I = - I f يتدفق في الدائرة ، التي تسمى غالبًا تيار الدائرة القصيرة وتتناسب طرديًا مع التدفق الضوئي.

أرز. 5 - رسم تخطيطي للديود الضوئي والدائرة

تشغيله عند العمل في وضع الثنائي الضوئي: الشكل 6

1 - بلورة أشباه الموصلات ؛ 2 - جهات الاتصال

3 - الاستنتاجات Ф - التدفق الكهرومغناطيسي

إشعاع؛ n و p هي مناطق أشباه الموصلات ؛

ه - المصدر الحالي المباشر ؛ R ن - تحميل.

وضع الثنائي الضوئي.في هذا الوضع ، يتم تطبيق جهد عكسي على الوصلة pn

(المنطقة p متصلة بمصدر الجهد ناقص ، والمنطقة n موصولة إلى زائد المصدر ؛ الشكل 5). تتضمن الدائرة أيضًا مقاومة الحمل (المقاوم) R n. في هذه الحالة ، يكون للانتقال مقاومة كبيرة ويتدفق تيار عكسي ضعيف من خلاله (تيار التشبع في الظلام أنا ن). عندما يضيء الثنائي الضوئي ، يزداد التيار من خلاله بشكل حاد بسبب ظهور تيار ضوئي ويمكن أن يتجاوز بشكل كبير التيار المظلم I n (الشكل 4). وفقًا لذلك ، يتغير أيضًا انخفاض الجهد عبر مقاومة الحمل R n. مع الاختيار الصحيح لمصدر الجهد والمقاومة الخارجية R n ، يمكن أن يكون حجم الإشارة الكهربائية (الجهد عبر المقاوم) كبيرًا ، وبالتالي تُستخدم الثنائيات الضوئية على نطاق واسع لتسجيل وقياس الإشارات الضوئية.

يتم تحديد التيار من خلال الصمام الثنائي الضوئي بشكل أساسي من خلال تدفقات حاملات الشحنة غير المتوازنة الصغيرة (الإلكترونات في المنطقة p والثقوب في المنطقة n) التي تحدث أثناء الإضاءة ، ولا تعتمد على الجهد ، أي أنها تتميز بالطابع لتيار التشبع. لذلك ، في وضع الثنائي الضوئي ، لوحظ اعتماد خطي صارم للتيار الضوئي على الإضاءة حتى قيم إضاءة عالية جدًا. هذه ميزة مهمة للديودات الضوئية.

لتسجيل الإشارات الضوئية المتغيرة (تدفقات الضوء) ، المخطط الموضح في الشكل. 6. يتسبب تدفق الضوء المتغير على الثنائي الضوئي في وجود مكون تيار متناوب في الدائرة ، والذي يكرر التغييرات في شدة الضوء. وعلى المقاوم R n ، تحدث نفس التغييرات في الجهد ، والتي يتم تغذيتها إلى مدخلات نظام التسجيل. من أجل فصل (وليس تخطي) المكون الثابت للجهد عبر المقاوم ، يوجد مكثف فاصل C في دائرة الإشارة.

2. تكنولوجيا التصنيع والتصميم.لتصنيع تقاطعات pn في إنتاج الثنائيات الضوئية ، يتم استخدام طريقة الانصهار والانتشار. في هذه الحالة ، يتم إيلاء الاهتمام الرئيسي لعمق تقاطع pn بالنسبة إلى

الشكل 7 - بناء إبرة الراعي الشكل 8 - الخصائص الطيفية

الثنائي الضوئي FD-1. الجرمانيوم (1) وثنائيات السيليكون الضوئية (2).

سطح بلوري مضيء ، لأنه يحدد القصور الذاتي (سرعة) الثنائي الضوئي. يوضح الشكل 7 تصميم الثنائي الضوئي الجرمانيوم FD-1 في علبة معدنية. اللوحة المستديرة 1 ، المقطوعة من بلورة واحدة من الجرمانيوم مع التوصيل الكهربائي من النوع n ، مثبتة بمساعدة حامل بلوري 2 في علبة كوفار 3. الاستنتاج 4 من قطب إنديوم منصهر في الجرمانيوم يتم تمريره عبر أنبوب كوفار 5 مثبتة بواسطة عازل زجاجي 6 في ساق العلبة 7. القطب الآخر هو علبة الثنائي الضوئي نفسها ، حيث أن بلورة الجرمانيوم ملحومة بحامل الكريستال بحلقة من الصفيح 8. تحتوي علبة الثنائي الضوئي على ثقب دائري مغلق بزجاج العدسة 9 ، التي تجمع تدفق الضوء على السطح المحدود للوحة الجرمانيوم. لحماية الموصل p-n من التأثيرات البيئية ، يتم إغلاق جسم الثنائي الضوئي.

تحتوي بعض أنواع الثنائيات الضوئية على غلاف بلاستيكي. يتم اختيار مادة مثل هذا السكن ونافذة في مبيت معدني بحيث تكون شفافة لذلك الجزء من الطيف (الإشعاع) الذي يجب أن يكون هذا الثنائي الضوئي حساسًا له. لذلك ، بالنسبة لأجهزة الجرمانيوم ، هذا هو الضوء المرئي والأشعة تحت الحمراء قصيرة الموجة.

المواد، التي تصنع منها الثنائيات الضوئية ، هي Ge و Si و GaAs و HgCdTe وغيرها من مركبات أشباه الموصلات.

الخصائص والمعلمات الرئيسية للديودات الضوئية

- الحساسية S -المعلمة التي تعكس التغير في الإشارة الكهربائية (التيار أو الجهد) عند خرج الثنائي الضوئي عندما يكون مضيئًا.

يتم قياسه كميًا من خلال نسبة التغيير في الخاصية الكهربائية (القوة الحالية I f أو الجهد U f) ، المأخوذة عند خرج الثنائي الضوئي ، إلى تدفق الإشعاع الحادث على الجهاز.

S أنا \ u003d أنا و / و- الحساسية الحالية ، S v \ u003d U f / F- حساسية الجهد.

- عتبة الحساسية F ص- قيمة التدفق الضوئي الأدنى المسجل بواسطة الثنائي الضوئي ، المشار إليه بوحدة نطاق تردد التشغيل.

- ثابت الوقت τ ،الذي يميز القصور الذاتي للجهاز ، أي سرعته.

هذا هو الوقت الذي يتغير فيه الثنائي الضوئي بعد الإضاءة أو بعد تعتيم الثنائي الضوئي بمقدار e مرات فيما يتعلق بالقيمة الثابتة.

بالنسبة للديودات الضوئية مع تقاطع p-n ، فهي 10 -6-10 -8 s.

- مقاومة الظلام R Tهي مقاومة الثنائي الضوئي في حالة عدم وجود إضاءة.

- الخاصية الطيفيةهو اعتماد التيار الضوئي على الطول الموجي λ للضوء الساقط على الثنائي الضوئي. بالنسبة للديودات الضوئية الجرمانيوم والسيليكون ، تظهر الخصائص الطيفية في الشكل 8. الطول الموجي ، الذي يمثل الحد الأقصى من الحساسية ، للديودات الضوئية السيليكونية يساوي تقريبًا λmax = 800-900 نانومتر ، بالنسبة لثنائيات الجرمانيوم الضوئية يكون عند λmax = 1500 - 1600 نانومتر.

- خصائص فولت أمبير- اعتماد تيار الضوء على الجهد عند تدفق ضوء ثابت.

- خاصية الضوء -اعتماد التيار الضوئي على الإضاءة.

يتم عرض بعض المعلمات الأخرى في الجدول.

يظهر الشكل البياني التوضيحي التقليدي للديودات الضوئية في الشكل 9 ، وتظهر صور بعض الثنائيات الضوئية في الشكل 10.

أرز. 9 الشكل 10

4. تطبيق الثنائيات الضوئية.تحتوي الثنائيات الضوئية الحديثة على أفضل مزيج من المعلمات الرئيسية:

1. حساسية عالية للإشارات الضوئية.

2. أداء عالي.

3. جهد تشغيل منخفض.

4. الاعتماد الخطي للتيار الضوئي على الإضاءة في نطاق واسع من الإضاءة.

5. ضوضاء منخفضة.

6. بساطة الجهاز.

لذلك ، فهي تستخدم على نطاق واسع في أجهزة الأتمتة ، وتكنولوجيا الكمبيوتر والليزر ، وخطوط الاتصال بالألياف الضوئية.

في الحياة اليومية ، تُستخدم الثنائيات الضوئية في أجهزة مثل محركات الأقراص المضغوطة والكاميرات الحديثة وأجهزة اللمس المختلفة.

على سبيل المثال ، تُستخدم الثنائيات الضوئية التي تعمل بالأشعة تحت الحمراء في أجهزة التحكم عن بُعد ، والأمن ، وأنظمة الأمان والأتمتة.

تستخدم الثنائيات الضوئية للأشعة السينية للكشف عن الإشعاع المؤين والجزيئات عالية الطاقة. أحد التطبيقات المهمة هو الأجهزة الطبية ، مثل أجهزة التصوير المقطعي المحوسب.

استكمال العمل

التمرين 1.قياس خاصية الجهد الحالي للديود الضوئي في غياب الإضاءة (في الظلام).

عندما يتم امتصاص الكميات الخفيفة في تقاطع pn أو في المناطق المجاورة لها ، يتم إنشاء حاملات شحنة جديدة (إلكترونات وثقوب) ، والتي ، عند مرورها ، تتسبب في ظهور جهد عند أطراف الثنائي الضوئي أو تدفق تيار في مكان مغلق. دائرة كهربائية. يُطلق على المقدار الذي يزداد به التيار العكسي المتدفق عبر الوصلة اسم التيار الضوئي.

يستخدم الثنائي الضوئي ، اعتمادًا على المادة التي صنع منها ، لتسجيل تدفق الضوء في نطاقات الأشعة تحت الحمراء الضوئية والأشعة فوق البنفسجية. عادة ما تكون مكونات الراديو هذه مصنوعة من الجرمانيوم والسيليكون وزرنيخيد الغاليوم والإنديوم وما شابه.

يستخدم وضع الثنائي الضوئي مصدر طاقة خارجيًا لعكس تحيز جهاز أشباه الموصلات. في هذه الحالة ، يتدفق تيار عكسي ، متناسبًا مع حادث تدفق الضوء عليه. في نطاق جهد التشغيل (أي قبل حدوث الانهيار) ، يكون هذا التيار مستقلاً عمليًا عن الجهد العكسي المطبق.

في الوضع الكهروضوئي ، يعمل الثنائي الضوئي كمستشعر أو كبطارية منخفضة التيار ، لأنه تحت تأثير تدفق الضوء ، يتم إنشاء جهد عند أطراف الخلية الكهروضوئية ، اعتمادًا على تدفق الإشعاع والحمل.

لفهم أوضاع تشغيل هذا المكون بشكل أفضل ، ضع في اعتبارك خاصية الجهد الحالي.

في حالة عدم وجود انبعاث ضوئي ، يكون الرسم البياني هو الفرع العكسي للخاصية I-V للديود النموذجي. هناك تيار عائد صغير يسمى التيار الداكن المنحاز العكسي.

في وجود الإشعاع ، تقل مقاومة الثنائي الضوئي ويزداد التيار العكسي. كلما زاد تدفق الضوء على الخلية الكهروضوئية ، زاد تدفق التيار العكسي عبر الثنائي الضوئي. الاعتماد في هذا الوضع خطي. كما نرى من CVC ، فإن التيار العكسي للديود الضوئي مستقل عمليًا عن الجهد العكسي.

يتوافق الوضع الكهروضوئي مع العمل في الربع الرابع من الرسم البياني. وهنا يمكننا التمييز بين خيارين محددين: الخمول والدائرة القصيرة.

يتم استخدام الوضع القريب من الخمول للحصول على الطاقة من الثنائي الضوئي ، على الرغم من أن كفاءته منخفضة. ولكن إذا قمت بتوصيل العديد من هذه المكونات في سلسلة ومتوازية ، فيمكن لمثل هذه البطارية الناتجة تشغيل دائرة منخفضة الطاقة.

في وضع الدارة القصيرة ، يميل الجهد على الخلية الكهروضوئية إلى الصفر ، والتيار العكسي يتناسب طرديًا مع التدفق الضوئي. يستخدم هذا الوضع لبناء أجهزة استشعار للصور.

مواصفات الثنائي الضوئي

بالإضافة إلى CVC الذي تمت مناقشته أعلاه ، هناك عدد من المعلمات الأساسية للخلية الكهروضوئية.

خاصية ضوء الثنائي الضوئي، اعتماد التيار الضوئي على الإضاءة ، والذي يتناسب طرديًا مع التيار الضوئي المتولد عند الإضاءة. ويفسر ذلك حقيقة أن سمك قاعدة الثنائي الضوئي أقل بكثير من طول انتشار حاملات شحنة الأقلية. أي أن جميع ناقلات شحن الأقليات تقريبًا التي ظهرت في القاعدة تشارك في تكوين تيار ضوئي.

الخاصية الطيفيةالثنائي الضوئي هو اعتماد التيار الضوئي على الطول الموجي لتدفق الضوء الذي يعمل على الخلية الكهروضوئية.

ثابت الزمن- خلال هذا الوقت ، يتغير التيار الضوئي للخلايا الكهروضوئية بعد الإضاءة أو بعد تعتيم الثنائي الضوئي بالنسبة للقيمة الثابتة.

مقاومة الظلام- مقاومة مكون الراديو في حالة عدم وجود إضاءة.

الصمام الثنائي الضوئي هو صمام ثنائي أشباه الموصلات يعتمد تياره على الإضاءة. عادةً ما يعني هذا التيار التيار العكسي للديود الضوئي ، لأن اعتماده على الإضاءة يتم التعبير عنه بأوامر من حيث الحجم أقوى من التيار المباشر. في المستقبل ، سنتحدث عن التيار العكسي.

بشكل عام ، الثنائي الضوئي هو تقاطع pn مفتوح للإشعاع الضوئي. تحت تأثير الضوء ، يتم إنشاء ناقلات الشحنة (الإلكترونات والثقوب) في منطقة تقاطع pn ، والتي تمر عبرها وتسبب جهدًا عند أطراف الثنائي الضوئي أو تدفق التيار في دائرة مغلقة.

تم تصميم الثنائي الضوئي ، اعتمادًا على مادته ، لتسجيل تدفق الضوء في أطوال موجات الأشعة تحت الحمراء والبصرية والأشعة فوق البنفسجية. تصنع الثنائيات الضوئية من السيليكون والجرمانيوم وزرنيخيد الغاليوم وزرسيد الإنديوم الغاليوم ومواد أخرى.

تستخدم الثنائيات الضوئية على نطاق واسع في أنظمة التحكم والقياس والروبوتات وغيرها من المجالات. يتم استخدامها أيضًا كجزء من مكونات أخرى ، على سبيل المثال ، مقابس بصرية ، مرحلات بصرية. فيما يتعلق بالميكروكونترولر ، يتم استخدام الثنائيات الضوئية كمستشعرات مختلفة - مستشعرات النهاية ، مستشعرات الضوء ، مستشعرات المسافة ، مستشعرات النبض ، إلخ.

التعيين على الرسوم البيانية

في المخططات الكهربائية ، يشار إلى الثنائي الضوئي على أنه الصمام الثنائي ، مع وجود سهمين يشيران إليه. الأسهم ترمز إلى حادث الإشعاع على الثنائي الضوئي. لا تخلط بينه وبين تعيين LED ، حيث يتم توجيه الأسهم بعيدًا عنه.

يمكن أن يكون التعيين الحرفي للديود الضوئي VD أو BL (الخلية الكهروضوئية).

أوضاع تشغيل الثنائي الضوئي

يعمل الثنائي الضوئي في وضعين: الثنائي الضوئي والوضع الكهروضوئي (الطاقة الكهروضوئية ، والمولد).

يستخدم وضع الثنائي الضوئي مصدر طاقة يعمل على عكس انحياز الثنائي الضوئي. في هذه الحالة ، يتدفق تيار عكسي عبر الثنائي الضوئي ، متناسبًا مع تدفق الضوء عليه. في نطاق جهد التشغيل (أي قبل حدوث الانهيار) ، يكون هذا التيار مستقلاً عمليًا عن الجهد العكسي المطبق.

في الوضع الكهروضوئي ، يعمل الثنائي الضوئي بدون مصدر طاقة خارجي. في هذا الوضع ، يمكن أن تعمل كمستشعرات أو كبطارية (بطارية شمسية) ، لأنه تحت تأثير الضوء ، يظهر جهد على مخرجات الثنائي الضوئي ، والذي يعتمد على تدفق الإشعاع والحمل.

خصائص فولت أمبير

لفهم أوضاع تشغيل الثنائي الضوئي بشكل أفضل ، يجب أن تأخذ في الاعتبار خاصية الجهد الحالي.

يتكون الرسم البياني من 4 مناطق ، تسمى الأرباع. يتوافق وضع الثنائي الضوئي مع العملية في الربع الثالث.

في حالة عدم وجود إشعاع ، يكون الرسم البياني هو الفرع العكسي لخاصية الجهد الحالي للديود التقليدي لأشباه الموصلات. يوجد تيار عكسي صغير يسمى التيار الحراري (المظلم) لتقاطع pn المنحاز عكسيًا.

في وجود تدفق الضوء ، تنخفض مقاومة الثنائي الضوئي ويزداد التيار العكسي للديود الضوئي. كلما زاد سقوط الضوء ، زاد تدفق التيار العكسي عبر الثنائي الضوئي. اعتماد التيار العكسي الثنائي الضوئي على تدفق الضوء في هذا الوضع هو خطي.

يمكن أن نرى من الرسم البياني أن التيار العكسي للديود الضوئي يعتمد بشكل ضعيف على الجهد العكسي. انظر إلى ميل الرسم البياني من صفر جهد إلى جهد انهيار ، إنه صغير.

يتوافق الوضع الكهروضوئي مع تشغيل الثنائي الضوئي في الربع الرابع.هناك حالتان متطرفتان هنا:

الخمول (xx) ،
- ماس كهربائى (ماس كهربائى).

يتم استخدام الوضع القريب من الخمول للحصول على الطاقة من الثنائي الضوئي. أي لاستخدام الثنائي الضوئي كبطارية شمسية. بطبيعة الحال ، فإن الثنائي الضوئي سيكون ذا فائدة قليلة ، وكفاءته منخفضة. ولكن إذا قمت بتوصيل العديد من العناصر ، فيمكن لمثل هذه البطارية تشغيل بعض الأجهزة منخفضة الطاقة.

في وضع الدائرة القصيرة ، يكون جهد الثنائي الضوئي قريبًا من الصفر ، والتيار العكسي يتناسب طرديًا مع ناتج الضوء. يستخدم هذا الوضع لبناء أجهزة استشعار ضوئية.

ما هي مزايا وعيوب أنظمة تشغيل الثنائي الضوئي والخلايا الكهروضوئية؟ يوفر وضع الثنائي الضوئي أداءً أسرع في الثنائي الضوئي ، ولكن يوجد دائمًا تيار داكن في هذا الوضع. في الوضع الكهروضوئي ، لا يوجد تيار مظلم ، لكن سرعة المستشعرات ستكون أبطأ.