مبدأ عمل الثنائيات الضوئية

تلعب الثنائيات الضوئية، باعتبارها جهازًا رئيسيًا يحول الإشارات الضوئية إلى إشارات كهربائية، دورًا حاسمًا في التكنولوجيا الإلكترونية الحديثة. من الاتصالات والتصوير إلى تكنولوجيا الاستشعار، أصبح تطبيق الثنائيات الضوئية في كل مكان، مما أدى إلى تقدم ثوري في التكنولوجيا الحديثة.
يعتمد مبدأ عمل الثنائيات الضوئية بشكل أساسي على التأثير الكهروضوئي ومبدأ الوصلة PN. يشير التأثير الكهروضوئي إلى الظاهرة التي عندما يتم تشعيع الضوء على مواد معينة، تمتص الإلكترونات الموجودة داخل هذه المواد طاقة الفوتونات، مما يؤدي إلى تحولات وتكوين أزواج ثقب الإلكترون. في الثنائيات الضوئية، يحدث هذا التأثير الكهروضوئي في منطقة تقاطع PN.
تعتبر الوصلة PN هي البنية الأساسية للثنائي الضوئي، والتي تتكون من شبه موصل من النوع P- ونوع شبه موصل من النوع N-. عند تقاطع PN، بسبب انتشار الثقوب من أشباه الموصلات من النوع P- إلى أشباه الموصلات من النوع N- والإلكترونات من شبه الموصل من النوع N- إلى شبه الموصل من النوع P-، يتشكل مجال كهربائي مدمج-. يشير اتجاه هذا المجال الكهربائي المدمج - من N إلى P، مما يمنع المزيد من انتشار الثقوب والإلكترونات، وبالتالي يشكل طبقة استنفاد رقيقة جدًا عند واجهة الوصلة PN.
عندما يتم تشعيع الضوء على تقاطع PN للثنائي الضوئي، يتم امتصاص الفوتونات بواسطة الذرات أو الجزيئات في طبقة النضوب، مما يتسبب في انتقال الإلكترونات من نطاق التكافؤ إلى نطاق التوصيل، مما ينتج أزواج ثقب الإلكترون. تحت تأثير المجال الكهربائي المدمج-، تتحرك الإلكترونات نحو المنطقة N وتتحرك الثقوب نحو المنطقة P، وبالتالي تشكل قوة دافعة كهربية مستحثة بالصور على جانبي الوصلة PN. يتناسب حجم القوة الدافعة الكهربائية المستحثة في هذه الصورة بشكل مباشر مع شدة الضوء الساقط.
أثناء تشغيل الثنائي الضوئي، عادة ما يكون من الضروري تطبيق جهد انحياز عكسي عليه. وذلك لأن جهد التحيز العكسي يمكن أن يعزز تأثير المجال الكهربائي المدمج-، مما يجعل القوة الدافعة الكهربائية المولدة بالصورة أكثر وضوحًا. في الوقت نفسه، يمكن لجهد الانحياز العكسي أيضًا قمع التيار المظلم (أي تيار ضعيف يتولد عند عدم وجود ضوء)، وتحسين الحساسية ونسبة الإشارة - إلى -الثنائيات الضوئية.