اقرأ في هذا المقال
- ما هو الترانزستور الضوئي؟
- بناء الترانزستور الضوئي
- عمل الترانزستور الضوئي
- مزايا وعيوب الترانزستور الضوئي
ما هو الترانزستور الضوئي؟
كان مفهوم الترانزستور الضوئي معروفًا في السنوات العديدة الماضية. اقترح “ويليام شوكلي” الفكرة الأولى في عام 1951، بعد اكتشاف ترانزستور ثنائي القطب عادي. بعد عامين، تمّ عرض الترانزستور الضوئي. بعد ذلك، تمّ استخدامه في تطبيقات مختلفة، واستمر تطويره يومًا بعد يوم.
يمكن الحصول على أجهزة الترانزستورات الضوئية على نطاق واسع وبتكلفة منخفضة من موزعي المكونات الإلكترونية لاستخدامها في الدوائر الإلكترونية المختلفة. ويتم استخدام أجهزة أشباه الموصلات مثل الترانزستور الضوئي لاكتشاف مستويات الضوء، وتغيير تدفق التيار بين أطراف الباعث والمجمع بناءً على مستوى الضوء الذي يحصل عليه.
تعريف الترانزستور الضوئي:
الترانزستور الضوئي: هو مفتاح إلكتروني ومكون تضخيم للتيار يعتمد على التعرض للضوء ليعمل. وعندما يسقط الضوء على التقاطع، يتدفق التيار العكسي بما يتناسب مع الإنارة. تُستخدم أجهزة الترانزستورات الضوئية على نطاق واسع لاكتشاف نبضات الضوء وتحويلها إلى إشارات كهربائية رقمية. ويتم تشغيلها بواسطة الضوء بدلاً من التيار الكهربائي، لتوفير قدر كبير من الكسب والتكلفة المنخفضة ويمكن استخدام هذه الترانزستورات الضوئية في العديد من التطبيقات.
إنّها قادرة على تحويل الطاقة الضوئية إلى طاقة كهربائية. تعمل أجهزة الترانزستورات الضوئية بطريقة مماثلة لمقاومات الضوء المعروفة باسم (LDR) “المقاومة المعتمدة على الضوء”، ولكنّها قادرة على إنتاج التيار والجهد بينما تكون المقاومات الضوئية قادرة فقط على إنتاج التيار بسبب التغيير في المقاومة.
شرح الترانزستور الضوئي:
الترانزستورات الضوئية هي ترانزستورات مع طرف قاعدة مكشوف. بدلاً من إرسال تيار إلى القاعدة، تعمل الفوتونات المنبعثة من الضوء الساطع على تنشيط الترانزستور. وذلك لأنّ الترانزستور الضوئي مصنوع من أشباه الموصلات ثنائية القطب ويركز على الطاقة التي يتم تمريرها من خلاله.
يتم تنشيطها بواسطة جزيئات الضوء وتستخدم في جميع الأجهزة الإلكترونية التي تعتمد على الضوء بطريقة ما. تستجيب جميع أجهزة الاستشعار الضوئية للسيليكون “أجهزة الترانزستورات الضوئية” لكامل نطاق الإشعاع المرئي وكذلك للأشعة تحت الحمراء. في الواقع، وجميع الثنائيات والترانزستورات و”دارلينجتون” و(TRIACs) وما إلى ذلك لها نفس استجابة تردد الإشعاع الأساسية. وتمّ تحسين هيكل الترانزستور الضوئي خصيصًا لتطبيقات الصور. بالمقارنة مع الترانزستور العادي، ويحتوي الترانزستور الضوئي على قاعدة أكبر وعرض للمجمع ويتم تصنيعه باستخدام الانتشار أو زرع الأيونات.
بناء الترانزستور الضوئي:
يشبه بناء الترانزستور الضوئي تمامًا الترانزستور العادي. في وقت سابق، تمّ استخدام “الجرمانيوم” و”السيليكون” لتصنيع الترانزستور الضوئي. يتم عمل الفتحة الصغيرة على سطح تقاطع قاعدة المجمع لوضع العدسة. العدسة تركز الضوء على السطح. في الوقت الحاضر، ويتكون الترانزستور من مادة فعّالة للغاية “مثل الغاليوم (Gallium) والزرنيخيدات”. يتم الاحتفاظ بوصلة قاعدة الباعث منحازة للأمام، ويكون تقاطع قاعدة المجمع متحيزًا في الاتجاه العكسي.
عندما لا يسقط ضوء على سطح الترانزستور، يحث تيار التشبع العكسي الصغير على الترانزستور. يستحث تيار التشبع العكسي بسبب قلة ناقلات الشحنة الأقلية. تسقط طاقة الضوء على تقاطع قاعدة المجمع وتولد حامل الشحنة الأكبر الذي يضيف التيار إلى تيار التشبع العكسي. ويستخدم الترانزستور الضوئي على نطاق واسع في الأجهزة الإلكترونية مثل كاشفات الدخان ومستقبل الأشعة تحت الحمراء ومشغلات الأقراص المضغوطة والليزر وما إلى ذلك لاستشعار الضوء.
أنواع الترانزستور الضوئي:
يتم تصنيف الترانزستورات الضوئية إلى نوعين هما (BJT) و(FET).
الترانزستور الضوئي BJT:
في حالة نقص الضوء، يسمح الترانزستور الضوئي (BJT) بالتسرب بين المجمعات بالإضافة إلى باعث (100 nA) منخفض. بمجرد تعرض هذا الترانزستور للحزمة، فإنّه يؤدي حتى (50) مللي أمبير. وهذا ما يميزه عن الثنائي الضوئي الذي لا يمكن أن يسمح بالكثير من التيار.
الترانزستور الضوئي FET:
يشتمل هذا النوع من الترانزستور الضوئي على محطتين متصلتين بالداخل من خلال المجمع والباعث، وإلّا فإنّ المصدر والصرف ستكون داخل (FET). وتتفاعل محطة قاعدة الترانزستور مع الضوء وتتحكم في تدفق التيار بين المحطات.
عمل الترانزستور الضوئي:
يستخدم الترانزستور الضوئي مفهوم الترانزستور ثنائي القطب الأساسي كأساس لعمله. في الواقع، يمكن صنع الترانزستور الضوئي عن طريق تعريض أشباه الموصلات في الترانزستور العادي للضوء. حيث تم تصنيع ترانزستورات الصور المبكرة جدًا من خلال عدم تغطية التغليف البلاستيكي للترانزستور ثنائي القطب بالطلاء الأسود. ويعمل الترانزستور الضوئي لأنّ الضوء الذي يصيب أشباه الموصلات يحرر الإلكترونات / الثقوب ويسبب تدفق التيار في منطقة القاعدة.
تعمل الترانزستورات الضوئية من خلال نظامها النّشط، على الرغم من أنّ الاتصال الأساسي يُترك عمومًا دائرة مفتوحة أو غير متصل لأنّه غالبًا ما يكون غير مطلوب. لن يتم استخدام قاعدة الترانزستور الضوئي إلا لتحيز الترانزستور بحيث يتدفق تيار المجمع الإضافي، وهذا من شأنه أنّ يخفي أي تيار يتدفق نتيجة للحركة الضوئية. للتشغيل، تكون ظروف التحيز بسيطة للغاية. حيث يكون جامع ترانزستور (NPN) موجبًا فيما يتعلق بالباعث أو سلبيًا لترانزستور (PNP).
يدخل الضوء إلى منطقة القاعدة حيث يتسبب في توليد أزواج الإلكترونات الثقوب. يحدث هذا التوليد بشكل رئيسي في تقاطع القاعدة المنحازة عكسياً. تتحرك أزواج الثقوب والإلكترونات تحت تأثير المجال الكهربائي وتوفر التيار الأساسي، ممّا يؤدي إلى حقن الإلكترونات في الباعث. نتيجةً لذلك، يتم ضرب تيار الثنائي الضوئي في كسب التيار (β) للترانزستور.
يمكن أن يكون أداء الترانزستور الضوئي أعلى من أداء الثنائي الضوئي لبعض التطبيقات في ضوء مكاسبه. كدليل تقريبي، حيث قد يسمح الثنائي الضوئي بتدفق تيار يبلغ حوالي (1µA) في ظل ظروف الغرفة النموذجية، قد يسمح الترانزستور الضوئي بتدفق تيار (100µA). هذه تقديرات تقريبية للغاية، لكنّها توضح ترتيب حجم القيم والمقارنات المختلفة.
التضخيم Amplification:
يعتمد نطاق تشغيل الترانزستور الضوئي بشكل أساسي على شدة الضوء المطبقة لأنّ نطاق تشغيله يعتمد على مدخلات القاعدة. يمكن تضخيم تيار المحطة الأساسية من الفوتونات الساقطة من خلال كسب الترانزستور، ممّا ينتج عنه كسب تيار يتراوح من (100) إلى (1000). الترانزستور الضوئي أكثر حساسية بالمقارنة مع الثنائي الضوئي من خلال مستوى ضوضاء أقل. يمكن توفير تضخيم إضافي من خلال ترانزستور من نوع (photodarlington).
هذا هو الترانزستور الضوئي بما في ذلك خرج الباعث المتصل بالطرف الأساسي للترانزستور ثنائي القطب التالي. يعطي حساسية عالية ضمن مستويات الإضاءة المنخفضة حيث أنّه يوفر ربحًا للتيار يعادل الترانزستورين. حيث يمكن أن يوفر مكاسب المرحلتين مكاسب صافية أعلى من (100000) ألف. يتضمن ترانزستور (photodarlington) استجابة أقل مقارنةً بالترانزستور الضوئي العادي.
مزايا وعيوب الترانزستور الضوئي:
مزايا الترانزستور الضوئي:
- تنتج الترانزستورات الضوئية تيارًا أعلى من الثنائيات الضوئية.
- تعتبر أجهزة الترانزستورات الضوئية غير مكلفة نسبيًا وبسيطة وصغيرة بما يكفي لتناسب العديد منها في شريحة كمبيوتر واحدة متكاملة.
- الترانزستورات الضوئية سريعة جدًا وقادرة على توفير مخرجات فورية تقريبًا.
- تنتج أجهزة الترانزستورات الضوئية جهدًا لا تستطيع المقاومات الضوئية القيام بذلك.
عيوب الترانزستور الضوئي:
- الترانزستورات الضوئية المصنوعة من السيليكون غير قادرة على التعامل مع الفولتية التي تزيد عن (1000) فولت.
- كما أن أجهزة الترانزستورات الضوئية أكثر عرضة للانخفاضات والارتفاعات في الكهرباء ويشبه بذلك الطاقة الكهرومغناطيسية.
- لا تسمح الترانزستورات الضوئية أيضًا للإلكترونات بالتحرك بحرية كما تفعل الأجهزة الأخرى، مثل أنابيب الإلكترون.
