الثنائي الحساس للضوء Photodiode
يتكون الثنائي العادي من شريحتين الأولى من نصف ناقل نوع N والأخرى من نصف ناقل نوع p وتتشكل بينهما منطقة عبور، في حالة التوصيل العكسي يمر في الثنائي تيار عكسي صغير ينتج عن تحطم الروابط البلورية بسبب قدرة خارجية مثل الحرارة أو الضوء، لذلك يستفاد من خاصية الحساسية الضوئية للمواد نصف الناقلة عند منطقة العبور للحصول على تيار يمكن التحكم به بوساطة الضوء.
 |
| الثنائي الحساس للضوء Photodiode |
ما هو الثنائي الحساس للضوء Photodiode؟
الثنائي الضوئي هو جهاز إلكتروني طرفي عند تعرضه للضوء يبدأ التيار بالتدفق في الصمام الثنائي. يتم تشغيله في الوضع المنحاز العكسي فقط، يحول الطاقة الضوئية إلى طاقة كهربائية.
كيف يعمل الثنائي الحساس للضوء كمجس ضوئي؟
للاستفادة من الثنائي الضوئي كمجس ضوئي يتم وصله في حالة انحياز عكسي في الدارات الإلكترونية؛ ونظرا لصغر قيمة تيار التسريب العكسي يوصل الثنائي الضوئي مع دارة تضخيم مناسبة. مثل الترانزستور لتضخيم الإشارة الكهربائية الناتجة منه وفي الظلام يكون تيار التسريب العكسي أقل ما يكون، ويسمى تيار الظلام، وهنا يعمل الثنائي الضوئي عمل الثنائي العادي.
تركيب (بنية) الثنائي الحساس للضوء Photodiode
 |
| تركيب (بنية) الثنائي الحساس للضوء |
وفيه تكون منطقة العبور ظاهرة بحيث ينفذ إليها أكبر كمية من الضوء من خلال عدسة ضوئية (نافذة زجاجية) وتدل الأسهم في الشكل السابق على اتجاه الأشعة الضوئية.
يوصل الثنائي الضوئي دائما في الوضع العكسي حيث يزداد عدد الحاملات الثانوية فيه عند تعرضه للضوء، فيمر تيار عكسي أكبر وهذا التيار العكسي يتناسب طردا مع شدة الضوء المسلط عليه.
يشبه الثنائي الضوئي الثنائي العادي من حيث الأعطال و محددات التشغيل كالقدرة وجهد التشغيل العكسي وطرق الفحص.
رمز الثنائي الحساس للضوء Photodiode Symbol
 |
| رمز الثنائي الحساس للضوء Photodiode Symbol |
ويرمز له في الدارات الإلكترونية بنفس رمز الثنائي الضوئي رمز LED لكن الأسهم تشير إلى الداخل بدلاً من الخارج في LED.
خصائص الثنائي الحساس للضوء
 |
| خصائص الثنائي الحساس للضوء |
- يعمل الثنائي الضوئي باستمرار في وضع التحيز العكسي.
- التيار الضوئي مستقل تقريبا عن جهد التحيز العكسي الذي يتم تطبيقه.
- بالنسبة للإنارة الصفرية ، يكون التيار الضوئي صفرا تقريبا باستثناء التيار المظلم الصغير.
- مع ارتفاع الطاقة الضوئية يرتفع التيار الضوئي أيضا بشكل خطي.
- الحد الأقصى للتيار الضوئي غير مكتمل من خلال تبديد طاقة الثنائي الضوئي.
أنواع الثنائي الحساس للضوء Types of Photodiode
على الرغم من وجود أنواع عديدة من الثنائي الضوئي في السوق وتعمل جميعها على نفس المبادئ الأساسية ويمكن تصنيف أنواع الثنائيات الضوئية بناء على بنائها ووظائفها على النحو التالي:
- PN Photodiode
- PIN Photodiode
- Avalanche Photodiode
- Schottky Photo Diode
PN Photodiode
أول نوع مطور من الثنائي الضوئي هو نوع PN بالمقارنة مع الأنواع الأخرى فإن أدائها ليس متقدما ولكن في الوقت الحالي يتم استخدامه في العديد من التطبيقات، يحدث الكشف الضوئي بشكل رئيسي في منطقة نضوب الصمام الثنائي وهذا الصمام الثنائي صغير جدا ولكن حساسيته ليست كبيرة مقارنة بالآخرين.
PIN Photodiode
يعد الثنائي الضوئي الأكثر استخداما 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 أيضا سعة أقل.
Avalanche Photodiode
يستخدم هذا النوع من الصمامات الثنائية في مناطق الإضاءة المنخفضة نظرًا لمستويات الكسب العالية. يولد مستويات عالية من الضوضاء، لذلك هذه التقنية ليست مناسبة لجميع التطبيقات.
Schottky Photo Diode
يستخدم الثنائي الضوئي Schottky الصمام الثنائي Schottky، ويتضمن تقاطعا صغيرا للديود 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.
كل نوع من أنواع الثنائي الضوئي له فوائده وعيوبه يمكن اختيار هذا الصمام الثنائي بناء على التطبيق، ومن أهم الأشياء التي يجب مراعاتها أثناء اختيار الثنائي الضوئي هي الضوضاء وطول الموجة وقيود التحيز العكسي والكسب وما إلى ذلك، حيث تحدد هذه الأشياء أداء الثنائي الضوئي على الاستجابة والكفاءة الكمية ووقت العبور أو وقت الاستجابة.
طرق تشغيل الثنائي الحساس للضوء
تتضمن أوضاع التشغيل الخاصة بالديود الضوئي ثلاثة أوضاع ، وهي الوضع الكهروضوئي ، ووضع التوصيل الضوئي ، ووضع الصمام الثنائي الانهيار
الوضع الكهروضوئي
يعرف هذا الوضع أيضا بوضع التحيز الصفري حيث يتم إنتاج الجهد بواسطة الثنائي
الضوئي الخفيف، إنه يعطي نطاقا ديناميكيا صغيرا جدا وضرورة غير خطية للجهد
المتشكل.
الوضع الضوئي
عادة ما يكون الثنائي الضوئي المستخدم في هذا الوضع الضوئي متحيزا عكسيا، سيؤدي
تطبيق الجهد العكسي إلى زيادة عرض طبقة النضوب مما يؤدي بدوره إلى تقليل وقت
الاستجابة وسعة الوصلة، هذا الوضع سريع جدا ويعرض ضوضاء إلكترونية.
وضع الانهيار للصمام الثنائي
تعمل الثنائيات الانهيار في حالة انحياز عكسي عالية مما يسمح بتكاثر انهيار
الانهيار لكل زوج من الثقوب الإلكترونية المنتجة هذه النتيجة هي مكسب داخلي في
الثنائي الضوئي مما يزيد ببطء من استجابة الجهاز.
للثنائي الضوئي تطبيقات كتلك التي تستخدم فيها المقاومة الضوئية، ولكن ما يميز الثنائي الضوئي هو أن استجابته للضوء تكون بشكل خطي ؛ مما يجعله مناسبا للقياسات الدقيقة المتعلقة بالضوء. ويدخل الثنائي الضوئي في كثير من التطبيقات مثل:
تطبيقات الثنائي الحساس للضوء
للثنائي الضوئي تطبيقات كتلك التي تستخدم فيها المقاومة الضوئية، ولكن ما يميز الثنائي الضوئي هو أن استجابته للضوء تكون بشكل خطي ؛ مما يجعله مناسبا للقياسات الدقيقة المتعلقة بالضوء. ويدخل الثنائي الضوئي في كثير من التطبيقات مثل:
- قياس شدة الإضاءة وأجهزة الإنذار و أجهزة التحكم وأجهزة العد.
- يتم استخدامه للكشف عن كل من أشعة الضوء المرئية وغير المرئية.
- تستخدم الثنائيات الضوئية لنظام الاتصالات لغرض الترميز وإزالة التعديل.
- كما أنها تستخدم للدوائر الرقمية والمنطقية التي تتطلب التبديل السريع والتشغيل عالي السرعة.
- تجد هذه الثنائيات أيضا تطبيقا في تقنيات التعرف على الأحرف ودوائر التحكم عن بعد بالأشعة تحت الحمراء.
تحويل شدة الضوء إلى فرق جهد
 |
| تحويل شدة الضوء إلى فرق جهد |
باستخدام قنطرة ويتستون كما في الشكل يمكن تحويل شدة الإضاءة إلى فرق في الجهد ومن ثم إدخالها على دارة تكبير مناسبة (حسب التطبيق) ، إذا كانت الدار معتمة (لا يوجد ضوء) يكون التيار العكسي أقل ما يكون، فيعمل على تغيير قيمة المقاومة المتغيرة حتى نحصل على جهد خرج يساوي صفرا.
عند ارتفاع شدة الإضاءة يمر تيار عكسي في الثنائي الضوئي يتناسب مع شدة الإضاءة ويرتفع الجهد على المخرج، يتناسب ارتفاع الجهد على المخرج طرديا مع شدة الإضاءة وبشكل خطي .
توصيل الثنائي الحساس للضوء في دائرة خارجية
 |
| توصيل الثنائي الحساس للضوء في دائرة خارجية |
يعمل الثنائي الضوئي في دائرة في انحياز عكسي ويتم توصيل الأنود بالأرضي الدائرة والكاثود بجهد الإمداد الإيجابي للدائرة عندما يضيء بالضوء يتدفق التيار من الكاثود إلى الأنود.
الأسئلة الشائعة على الثنائي الحساس للضوء Photodiode
لماذا يعمل الثنائي الضوئي في التحيز العكسي؟
يعمل الثنائي الضوئي في وضع موصل ضوئي عندما يتم توصيل الصمام الثنائي في انحياز عكسي يمكن زيادة عرض طبقة النضوب لذلك سيقلل هذا من سعة التقاطع ووقت الاستجابة، في الواقع سيؤدي هذا التحيز إلى أوقات استجابة أسرع للدايود لذا فإن العلاقة بين التيار الضوئي والإضاءة متناسبة خطيا.
المصادر
كتاب الالكترونيات الصناعية-المناهج الفلسطينية
Photodiode
What is a Photodiode : Working Principle & Its Characteristics
What is a Photodiode? Working, V-I Characteristics, Applications