الثنائيات الضوئية: الجهاز وخصائص ومبادئ التشغيل
أبسط الثنائي الضوئي هو الصمام الثنائي التقليدي لأشباه الموصلات الذي يوفر القدرة على التأثير على الإشعاع البصري على تقاطع p - n.
في حالة التوازن ، عندما يكون تدفق الإشعاع غائبًا تمامًا ، فإن تركيز الموجة الحاملة والتوزيع المحتمل ومخطط نطاق الطاقة للديود الضوئي يتوافق تمامًا مع بنية pn المعتادة.
عند التعرض للإشعاع في اتجاه عمودي على مستوى تقاطع p-n ، نتيجة لامتصاص الفوتونات بطاقة أكبر من عرض النطاق ، تظهر أزواج ثقب الإلكترون في المنطقة n. تسمى هذه الإلكترونات والثقوب بالناقلات الضوئية.
أثناء انتشار الحامل الضوئي في عمق المنطقة n ، لا يملك الجزء الرئيسي من الإلكترونات والثقوب وقتًا لإعادة الاتحاد والوصول إلى حدود تقاطع pn. هنا ، يتم فصل الحاملات الضوئية بواسطة المجال الكهربائي لتقاطع p - n وتمرير الثقوب إلى المنطقة p ، ولا يمكن للإلكترونات التغلب على مجال الانتقال وتتراكم عند حدود تقاطع p - n والمنطقة n.
وبالتالي ، فإن التيار عبر تقاطع p - n يرجع إلى انجراف ناقلات الأقلية - الثقوب. يسمى تيار الانجراف للحوامل الضوئية التيار الضوئي.
يمكن أن تعمل الثنائيات الضوئية في أحد وضعين - بدون مصدر خارجي للطاقة الكهربائية (وضع مولد ضوئي) أو مع مصدر خارجي للطاقة الكهربائية (وضع المحول الضوئي).
غالبًا ما تستخدم الثنائيات الضوئية التي تعمل في وضع المولد الضوئي كمصادر طاقة تحول الطاقة الشمسية إلى طاقة كهربائية. تسمى الخلايا الشمسية وهي جزء من الألواح الشمسية المستخدمة في المركبات الفضائية.
تبلغ كفاءة خلايا السيليكون الشمسية حوالي 20٪ ، بينما يمكن أن تكون أكثر أهمية بالنسبة لخلايا الفيلم الشمسية. المعلمات التقنية المهمة للخلايا الشمسية هي نسبة الطاقة الناتجة إلى الكتلة والمساحة التي تشغلها الخلية الشمسية. تصل هذه المعلمات إلى قيم 200 واط / كجم و 1 كيلو واط / م 2 ، على التوالي.
عندما يعمل الثنائي الضوئي في وضع التحويل الضوئي ، يتم توصيل مصدر الطاقة E بالدائرة في اتجاه الحجب (الشكل 1 ، أ). تُستخدم الفروع العكسية للخاصية I - V للديود الضوئي في مستويات مختلفة من الإضاءة (الشكل 1 ، ب).
أرز. 1. مخطط التبديل على الثنائي الضوئي في وضع التحويل الضوئي: أ - دارة التبديل ، ب - I - V المميزة للديود الضوئي
يمكن تحديد التيار والجهد في مقاومة الحمل R بشكل بياني من نقاط التقاطع لخاصية الجهد الحالي للديود الضوئي وخط التحميل المقابل لمقاومة المقاوم Rn. في حالة عدم وجود إضاءة ، يعمل الصمام الثنائي الضوئي في وضع الصمام الثنائي التقليدي. التيار المظلم لثنائيات الجرمانيوم الضوئية هو 10 - 30 ميكرو أمبير ، للثنائيات الضوئية السيليكونية 1-3 ميكرو أمبير.
إذا تم استخدام انهيار كهربائي قابل للانعكاس مصحوبًا بمضاعفة الانهيار الجليدي لحاملات الشحن في الثنائيات الضوئية ، كما هو الحال في ثنائيات زينر أشباه الموصلات ، فسيتم زيادة التيار الضوئي ، وبالتالي الحساسية ، بشكل كبير.
يمكن أن تكون حساسية الثنائيات الضوئية للانهيار الجليدي أعلى بعدة مرات من حساسية الثنائيات الضوئية التقليدية (للجرمانيوم - 200 - 300 مرة ، للسيليكون - 104 - 106 مرة).
الثنائيات الضوئية الانهيار الجليدي هي أجهزة كهروضوئية عالية السرعة ذات نطاق تردد يصل إلى 10 جيجاهرتز. إن عيب الثنائيات الضوئية الجليدية هو ارتفاع مستوى الضوضاء مقارنة بالديودات الضوئية التقليدية.
أرز. 2. مخطط الدائرة للمقاوم الضوئي (أ) ، UGO (ب) ، الطاقة (ج) وخصائص الجهد الحالي (د) للمقاوم الضوئي
بالإضافة إلى الثنائيات الضوئية ، يتم استخدام المقاومات الضوئية (الشكل 2) وأجهزة الترانزستورات الضوئية والضوئية ، والتي تستخدم التأثير الكهروضوئي الداخلي. عيبها المميز هو القصور الذاتي العالي (الحد من تردد التشغيل fgr <10-16 كيلو هرتز) ، مما يحد من استخدامها.
يشبه تصميم الترانزستور الضوئي الترانزستور التقليدي الذي يحتوي على نافذة في العلبة يمكن من خلالها إضاءة القاعدة. الترانزستور الضوئي UGO - ترانزستور به سهمان يشيران إليه.
غالبًا ما تستخدم مصابيح LED والصمامات الثنائية الضوئية في أزواج.في هذه الحالة ، يتم وضعها في مسكن واحد بحيث تقع المنطقة الحساسة للضوء في الثنائي الضوئي مقابل منطقة انبعاث الصمام الثنائي الباعث للضوء. تسمى أجهزة أشباه الموصلات التي تستخدم أزواج من الصمامات الثنائية الضوئية optocouplers (تين. 3).
أرز. 3. Optocoupler: 1 - LED ، 2 - الثنائي الضوئي
دارات الإدخال والإخراج في مثل هذه الأجهزة غير متصلة كهربائيًا بأي شكل من الأشكال ، حيث تنتقل الإشارة عن طريق الإشعاع البصري.
بوتابوف ال.