ما هو الفوتودايود؟

ما هو الصمام الضوئي؟

تعريف الصمام الضوئي

الصمام الضوئي هو صمام ثنائي PN يولد تيارًا عند تعرضه للضوء. يتم تشكيل هذا الاتصال بدمج مواد نصف موصلة من النوع P والنوع N. المادة من النوع P تحتوي على حاملات شحنة إيجابية إضافية (ثقوب)، بينما المادة من النوع N تحتوي على حاملات شحنة سالبة إضافية (إلكترونات). عندما تلتقي هذه المواد، تنتقل الإلكترونات من منطقة النوع N إلى منطقة النوع P، وتتجمع مع الثقوب لتكوين منطقة استنزاف. تعمل هذه المنطقة كحاجز لمنع انتشار المزيد من حاملات الشحنة.

يحتوي الصمام الضوئي على طرفين، الأنود والكاثود، اللذان يرتبطان بمناطق النوع P والنوع N على التوالي. عادةً ما يتم وضع علامة على الأنود بواسطة علامة أو نقطة على عبوة الجهاز. رمز الصمام الضوئي موضح أدناه، مع سهمين يشيران نحو الاتصال لتوضيح أنه حساس للضوء.

مبدأ العمل

عند توصيل الصمام الضوئي في تيار عكسي مع دائرة خارجية، يتدفق تيار عكسي صغير من الأنود إلى الكاثود. يعرف هذا التيار باسم التيار الداكن، وينتج عن توليد الأقليات من حاملات الشحنة في النصف الموصل. لا يعتمد التيار الداكن على الجهد العكسي المطبق ولكن يتغير مع درجة الحرارة ومستوى التغذية.

عندما يضرب الضوء ذو الطاقة الكافية الصمام الضوئي، فإنه يخلق أزواج إلكترون-ثقب في المادة النصف موصلة. يُعرف هذا العملية أيضًا بالتأثير الضوئي الداخلي. إذا حدث امتصاص الضوء داخل منطقة الاستنزاف أو بالقرب منها، فإن هذه حاملات الشحنة تتم مسحها بواسطة المجال الكهربائي عبر الاتصال، مما يخلق تيار ضوئي يضيف إلى التيار الداكن. وبالتالي، تتحرك الثقوب نحو الأنود، والإلكترونات تتجه نحو الكاثود، ويزداد التيار العكسي مع زيادة شدة الضوء.

يتناسب التيار الضوئي مع شدة الضوء لطيف معين ودرجة حرارة معينة. إذا كانت شدة الضوء عالية جدًا، يصل التيار الضوئي إلى قيمة قصوى تسمى التيار المشبع، بعد ذلك لم يعد يزداد. يعتمد هذا التيار المشبع على هندسة الجهاز وخصائص المادة.

يمكن للصمام الضوئي أن يعمل في نمطين: النمط الضوئي الكهروضوئي والنمط الضوئي الموصل.

النمط الضوئي الكهروضوئي

في النمط الضوئي الكهروضوئي، لا يتم تطبيق جهد عكسي خارجي على الصمام الضوئي، مما يجعله يعمل مثل الخلية الشمسية التي تولّد الطاقة من الضوء. يتدفق التيار الضوئي عبر دائرة قصيرة أو مقاومة الحمل المتصلة بالطرفين. إذا كانت الدائرة مفتوحة أو ذات مقاومة عالية، ينشأ فرق جهد عبر الجهاز، مما يميله للأمام. يعتمد هذا الفرق الجهد، المعروف بالجهد المفتوح، على شدة الضوء وموجة الطول.

يستخدم النمط الضوئي الكهروضوئي التأثير الكهروضوئي، الذي يستخدم لإنتاج الطاقة الشمسية من ضوء الشمس. ومع ذلك، لهذا النمط بعض العيوب، مثل سرعة الاستجابة المنخفضة والمقاومة السلسلية العالية والاستجابة المنخفضة.

النمط الضوئي الموصل

في النمط الضوئي الموصل، يتم تطبيق جهد عكسي خارجي على الصمام الضوئي، ويقوم بتغيير مقاومته مع شدة الضوء. يتدفق التيار الضوئي عبر دائرة خارجية توفر جهد تغذية وقياس التيار أو الجهد الخارج.

لهذا النمط بعض المزايا على النمط الضوئي الكهروضوئي، مثل سرعة الاستجابة العالية والمقاومة السلسلية المنخفضة والاستجابة العالية والمدى الديناميكي الواسع. ومع ذلك، لهذا النمط أيضًا بعض العيوب، مثل مستويات الضوضاء المرتفعة واستهلاك الطاقة العالي وعدم الخطية الأقل.

خصائص الصمام الضوئي

تصف خصائص الصمام الضوئي أدائه تحت ظروف مختلفة من شدة الضوء وموجة الطول ودرجة الحرارة وجهد التغذية وغيرها. بعض هذه الخصائص هي:

تطبيقات الصمام الضوئي

• الاتصال الضوئي

• القياس الضوئي

• التصوير الضوئي

• التبديل الضوئي

• إنتاج الطاقة الشمسية

خاتمة

الصمام الضوئي هو جهاز نصف موصل يحول الضوء إلى تيار كهربائي. يعمل على مبدأ التأثير الضوئي الداخلي الذي يخلق أزواج إلكترون-ثقب عندما تصيب الفوتونات الصمام الثنائي PN. يعمل الصمام الضوئي في ظروف التيار العكسي ولديه نمطين: النمط الضوئي الكهروضوئي والنمط الضوئي الموصل. للصمام الضوئي خصائص متعددة، مثل الاستجابة الكمية والكفاءة الكمية والاستجابة الطيفية والتيار الداكن والمقاومة الداكنة والضوضاء والخطية وقت الاستجابة.

للصمام الضوئي العديد من التطبيقات في الاتصال الضوئي والقياس الضوئي والتصوير الضوئي والتبديل الضوئي وإنتاج الطاقة الشمسية. يمكن استخدام الصمام الضوئي لصنع دوائر إنذار ودوائر عد من خلال اكتشاف انقطاع شعاع الضوء. الصمام الضوئي هو جهاز متنوع ومفيد يمكنه اكتشاف وتحويل الضوء إلى كهرباء.