الفرق بين الصمام الثنائي الضوئي والترانزستور الضوئي Photodiode vs Phototransistor

تعريف الصمام الثنائي الضوئي والترانزستور الضوئي:

تعريف الصمام الثنائي الضوئي:

إنّه جهاز أشباه الموصلات له طرفان ينتجان التيار عند تعرضه للضوء. يعمل الثنائي الضوئي على مبدأ التأثير الكهروضوئي وبالتالي يحول الطاقة الضوئية التي تسقط على سطح المادة إلى طاقة كهربائية. مع زيادة شدة الإشعاع الساقط، يزداد التيار عبر الجهاز أيضًا. تمّ تصميم الثنائي الضوئي أساسًا للتشغيل المنحاز العكسي.

نحن ندرك بالفعل حقيقة أنّ تيار التشبع العكسي يتدفق عبر الجهاز في حالة منحازة عكسية للدايود. وبالتالي، في حالة الثنائي الضوئي أيضًا، يكون التيار العكسي نتيجة زوج ثقب الإلكترون المتولد حرارياً بفعل الضوء. مع زيادة شدة الإشعاع الساقط، تزداد درجة الحرارة، وبالتالي يزداد التيار. الطاقة الضوئية التي تسقط على التقاطع مسؤولة عن توليد حامل الشحنة وبالتالي التيار. في بعض الأحيان، يتم ملاحظة التيار في الجهاز دون التعرض لأشعة الضوء، وهذا ما يعرف “بالتيار الداكن” (dark current).

تعريف الترانزستور الضوئي:

إنّه جهاز مشابه تقريبًا لترانزستور الوصلات العادي. ومع ذلك، فإنّ الاختلاف الوحيد الموجود هو مساحة كبيرة من منطقة المجمع الأساسي. في الترانزستور الضوئي، لا يتم توفير التيار الأساسي كمدخل، بدلاً من توفير الطاقة الضوئية المستخدمة لتشغيل الترانزستور. تولد هذه الطاقة الضوئية المزودة تيارًا كهربائيًا من خلال الجهاز بسبب التأثير الكهروضوئي.

يمكن أن يكون جهازين أو ثلاثة أجهزة طرفية اعتمادًا على وجود المحطة الأساسية. تتعرض أشعة الضوء إلى منطقة قاعدية حساسة للضوء ويتم أخذ الإخراج من خلال طرف مجمع الترانزستور. عندما تسقط الطاقة الضوئية على الجهاز، يتم إنشاء أزواج من الثقوب الإلكترونية.

هذه الإلكترونات بعد التغلب على جهد الحاجز، تنتقل من الباعث إلى المجمع. تولد هذه الحركة تيارًا كهربائيًا في الجهاز. تحدد شدة الضوء المنبعث مقدار التيار الكهربائي. من الجدير بالذكر هنا أنّ تيار الخرج للترانزستور الضوئي يكمن في المللي أمبير، لكن التبديل يحدث في الميكروثانية.

دارات الصمام الثنائي الضوئي والترانزستور الضوئي:

دارات الترانزستور الضوئي:

يمكن إحضار الترانزستور الضوئي إلى المجمع المشترك، أو الباعث المشترك، أو أي تكوين ترانزستور قياسي آخر لاستخراج التيار. عندما لا يسقط ضوء على الجهاز، فإنّها تعمل تمامًا مثل أي ترانزستور آخر “كجهاز ثلاثي الأطراف”. بمجرد سقوط الضوء على الجهاز، ويتم امتصاصه في القاعدة. هذا يعادل زيادة التيار الأساسي في الجهاز. لهذا السبب، ويمكن تشغيل الترانزستور الضوئي كجهاز ذي طرفين، “على سبيل المثال، مع اتصال القاعدة العائم”.

عند تشغيله كجهاز ثلاثي الأطراف، يمكن تعديل تيار الخرج عن طريق ضبط الجهد الأساسي لأجهزة (NPN أو PNP) أو جهد البوابة لأجهزة (FET). عند تشغيله كجهاز ثلاثي الأطراف، يمكن تعديل تيار الإخراج المرئي عند الحمل عن طريق ضبط تيار قاعدة الإدخال. وهذا يعني أنّ الجهاز يعمل كمفتاح مع عتبة مدمجة. عندما يكون الضوء الساقط شديدًا بدرجة كافية، ويكون التيار المرسل من المصدر إلى القاعدة كبيرًا بدرجة كافية، ويتغير جهد باعث القاعدة ويمكن للتيار أن يمر بسهولة عبر الجهاز.

ومع ذلك، يمكن قمع هذا عن طريق خفض التيار الأساسي الكلي، الأمر الذي يتطلب تعديل التحيز الخارجي في القاعدة. يجعل سلوك التبديل هذا أجهزة الترانزستورات الضوئية مفيدة في عدد من التطبيقات التي تتطلب قياس حالة التشغيل أو الإيقاف، بدلاً من قياس شدة معينة.

دارات الصمام الثنائي الضوئي:

يمكن تشغيل الصمام الثنائي الضوئي في دائرة حقيقية في الوضع الكهروضوئي. “عند تشغيله في انحياز أمامي” أو في وضع الثنائي الضوئي “عند تشغيله في انحياز عكسي”. يتم تشغيل الثنائيات الضوئية في انحياز عكسي حيث يوفر ذلك استجابة خطية، ويمكن أن يكون نطاق الاستجابة كبيرًا جدًا. حيث يمكن إرسال تيار الخرج مباشرة إلى الحمل، أو يمكن إرساله إلى دائرة مكبر للصوت. فإذا كنت ترغب في تحويل الإدخال مرة أخرى إلى دفق من النبضات المربعة، فما عليك سوى إرسال خرج مكبر الصوت إلى المقارنة.

توفر أيضًا الثنائيات الضوئية انهيار (Avalanche)، وتهدف دائمًا إلى العمل بتحيز قريب جدًا من جهد الانهيار العكسي. وبمجرد وقوع الضوء على الجهاز، يتم مضاعفة عدد الموجات الحاملة الناتجة عن الصور من خلال التحيز الخارجي حيث يتجاوز الجهاز جهد الانهيار. هذا ينتج مكاسب أثناء الإضاءة. حيث تمّ تصميم هذه الثنائيات الضوئية لتعمل في حالة انهيار وهي مفيدة للكشف عن الإشارات الضوئية الضعيفة.

يمكن أيضًا استخدام الثنائي الضوئي جنبًا إلى جنب مع مكبر للصوت والمحول التناظري إلى الرقمي (ADC) لتلقي البيانات الرقمية المشفرة في نبضات بصرية معدلة بالسعة أو (PWM). في حالة (PWM)، ستحتاج إلى حساب عرض النطاق الترددي للدايود الضوئي ومكبر الصوت لأنّ هذا يحد من الحد الأقصى لمعدل البيانات. تتمتع الثنائيات الضوئية بوقت استجابة مرتبط بسعة نهايتها. وعادةً ما يتم أخذ تردد الاستجابة الأقصى على أنّه تردد الركبة لنبضة رقمية مع وقت صعود معين، والذي يساوي (0.35) / “وقت الاستجابة”.

الفرق بين الصمام الثنائي الضوئي والترانزستور الضوئي:

مبدأ العمل لكل من الصمام الثنائي الضوئي (Photodiode) والترانزستور الضوئي (Phototransistor) هو نفسه، ومع ذلك، هناك عوامل مختلفة تفرق بينهما. والفرق الرئيسي بين الثنائي الضوئي والترانزستور الضوئي هو مكاسبهما للتيار. وبعبارة أخرى، يمكننا القول أنّ الترانزستور الضوئي ينتج تيارًا أكبر مقارنة بالدايود الضوئي عند تعرضه لنفس الكمية من الطاقة الضوئية.

هناك اختلاف مهم آخر بين الثنائي الضوئي والترانزستور الضوئي وهو أنّ الصمام الثنائي العادي للوصلة (PN) يُستخدم في الثنائي الضوئي الذي ينتج تيارًا كهربائيًا عند تعرضه للضوء. فعلى العكس من ذلك، يتم تحويل الطاقة الضوئية إلى تيار كهربائي في الترانزستور الضوئي، وهو في الأساس ترانزستور ثنائي القطب.

جدول المقارنة بين الصمام الثنائي الضوئي والترانزستور الضوئي:

أسس المقارنة	الصمام الثنائي الضوئي	الترانزستور الضوئي
التعريف	إنّه نوع من الصمام الثنائي (PN-junction) الذي يولد تيارًا كهربائيًا عند سقوط الضوء أو الفوتون على سطحه.	إنّه نوع من الترانزستور الذي يحول الطاقة الضوئية إلى طاقة كهربائية.
الرمز
يولد	تيار كهربائي.	تيار كهربائي وجهد.
استجابة الخرج	سريعة	بطيئة
الحساسية	أقل	أكثر
الانحياز	كل من التحيز للأمام والتحيز العكسي.	التحيز إلى الأمام “الباعث أكثر سلبية مقارنة بالمجمع”.
الاستخدامات	لتوليد الطاقة الشمسية، للكشف عن الأشعة فوق البنفسجية أو الأشعة تحت الحمراء، لقياس الضوء وما إلى ذلك.	كاشف الدخان، ومشغلات الأقراص المدمجة، ومستقبل الضوء غير المرئي، بالليزر.

الاختلافات الرئيسية بين الصمام الثنائي الضوئي والترانزستور الضوئي:

• يتكون الصمام الثنائي الضوئي من الصمام الثنائي شبه الموصّل، الذي يولد التيار عند تعرضه للضوء. على الجانب الآخر، يتكون الترانزستور الضوئي من ترانزستور تقاطع والذي عند تعرضه للطاقة الضوئية يولد تيارًا.

• يعتبر الترانزستور الضوئي أكثر كفاءة بالمقارنة مع الصمام الثنائي الضوئي.

• عندما نتحدث عن مناعة الضوضاء، فمن الجدير بالذكر أنّ الصمام الثنائي الضوئي ليس محصنًا ضد التداخل الناجم عن الضوضاء. ومع ذلك، فإنّ الترانزستورات الضوئية محصنة ضد مثل هذا التداخل. هذا يثبت أحيانًا أنّه عيب في الصمام الثنائي الضوئي.

• في نطاق التردد العالي، لا يقوم الترانزستور الضوئي بتحويل الطاقة الضوئية إلى طاقة كهربائية بشكل فعّال. مقابل هذا العيب ليس هو السائد في الصمام الثنائي الضوئي، وبالتالي يوفر استجابة جيدة مقارنة بالترانزستور الضوئي.

• يعد الترانزستور الضوئي كمستشعر الضوء جهازًا أقل تكلفة مقارنة بأي جهاز آخر حساس للضوء. وهكذا يستخدم على نطاق واسع.

• تتمتع الثنائيات الضوئية بالقدرة على توليد مخرجات بمعدل أسرع بكثير عندما يسقط الضوء على سطحه مقارنةً بالترانزستور الضوئي.