الصمّام الثنائي الضوئي والكواشف

2013 الرمل والسيليكون

دنيس ماكوان

مؤسسة الكويت للتقدم العلمي

الفيزياء

في الاتصالات الضوئية يحوِّل المُرسل إشارة كهربائية إلى إشارة ضوئية تنتقل بدورها عبر ليف ضوئي. وفي نهاية الليف الأخرى، يقوم صمّام ثنائي ضوئي بتحويل الإشارة الضوئية من جديد إلى إشارة كهربائية، وتُستعمل الصمّامات الثنائية الضوئية السيليكونية بشكلٍ واسع في حيز الترددات الضوئية حوالي 850 نانومتر.

يختلف عمل الصمّام الثنائي الضوئي عن الخلية الشمسية التي يتوجه فيها الإلكترونات والثقوب، الناتجة عن امتصاص الضوء، بعيداً عن الوصلة ونحو الأقطاب مولِّدة بذلك تياراً من منشأ ضوئي.

وفي غياب الضوء، يحصل تعادل بين الأزواج إلكترون- ثقب المتولدة حرارياً وإعادة اتحاد الأزواج إلكترون- ثقب المتواجدة. إذا ما طُبق فرق فولطية موجه (الجانب p سالب والجانب n موجب)، فإن إعادة الاتحاد تتناقص عندها بشدة لأن الإلكترونات والثقوب تتجه بعيداً عن الوصلة p-n، كما تزداد بهذا النمط من العمل محساسية الصمّام الثنائي الضوئي عند استعماله ككاشف.

بزيادة عرض منطقة التنضيب، تتحسن أكثر فعالية الصمّام الثنائي الضوئي، ويمكن زيادة العرض بواسطة طبقة سيليكون صرفة (غير مشابة) تُدخل بين المناطق نوع n ونوع p كما في الشكل 6.5. (يتشابه ذلك مع الخلية الشمسية متعددة الوصلات المبينة في الشكل 5.5).

وتزيد هذه الطبقة حجم المناطق التي تتشكل فيها الأزواج الكترون- ثقب. تسمى هذه الكواشف بالصمّامات الثنائية p-i-n التي تُمثل أجهزة ذات مناطق موجبة- صرفة- سالبة.

وتعتبر الصمّامات الثنائية Pin، أو النسخة الأكثر تطوراً المسماة صمّامات الانهيار الثنائية الضوئية، المُستقبلات في معظم أنظمة الاتصالات الضوئية.

 

تُستعمل كواشف CCD السيليكونية لتسجيل الصور في الهواتف المحمولة وآلات التصوير الرقمية وأجهزة الفيديو.

وتتألف هذه الصور من شبكات من النقاط (Pixels) حتى أن إعلانات آلات التصوير الرقمية تتحدث عن 4 و 8 و 10 ميغا بيكسل وما شابه.

تبدأ كل نقطة مع صمّام ثنائي صغير مقام كي يُخزِّن شحنة كهربائية تتناسب مع عدد الأزواج الكترون- ثقب المتولدة عن ورود الضوء على النقطة.

لتخزين صورة رقمية، يجب تحويل شحنات كل النقاط من شبكة مصفوفة الأبعاد إلى تتابع خطي من النبضات الفولطية التي تتناسب سعة كل منها مع الشحنة المخزنة في نقطة. تُحوَّل كل فولطية نبضة إلى إشارة رقمية في محول تمثيلي- رقمي ويُخزِّن القرص في آلة التصوير تتابع الإشارات الرقمية.

يُستعمل جهاز ترابط الشحنة (CCD) لنقل شحنة كل نقطة إلى سجل تبديل يتألف من تتابع مكثفات تتغير فيها الفولطية الموجه بالتناوب على وضعية التشغيل ووضعية التوقف من أجل نقل الشحنة.

تُستعمل هذه العملية لتحويل الشحنات المخزنة في كل نقطة من مصفوفة ثنائية الأبعاد إلى تتابع خطي للشحنات في السجل. يعود اختراع CCD إلى فيليارد بويل (Williard Boyle) وجورج إ. سميث (George E. Smith) في مختبرات بل عام 1969، ولقد تقاسم جائزة نوبل مع تشارلز كاو (Charles Kao) عام 2009.

تعتمد كواشف الإشعاع المؤين مثل الأشعة السينية أيضاً على الصمامات الثنائية p-i-n حيث يحدث امتصاص الإشعاع المؤين وتوليد عدد من الأزواج إلكترون- ثقب يتناسب مع طاقة الأشعة السينية.

 

تُستعمل شبكات كواشف سيليكونية أيضاً ككواشف جسيمات في تجارب فيزياء الطاقات العالية والفيزياء النووية في المصادم الهادروني الكبير LHC في مركز سرن CERN وفي منشأة TEVATRON في مختبر فيرمي ومصادم الإيون الثقيل النسبوي RHIC في مختبر بروكهافن الوطني. ويمتلك كاشف STAR في RHIC أكثر من 200 كاشف انزياح سيليكوني مرتبة على ثلاثة براميل متمركزة (الشكل 8.5).

وتُحلل صفوف الكواشف السيليكونية طاقة واتجاه الجسيمات المشحونة الناتجة عندما تصطدم الحزمات عالية الطاقة مع بعضها. يُحدَّد اتجاه الجسيم بواسطة موضع الكواشف بالنسبة إلى منطقة الفعل المتبادل حيث تصطدم حزمات الجسيمات المتعاكسة في الاتجاه.

تطورت الخلايا الشمسية والكواشف من حبات الرمل إلى السيليكون النقي إلى الوصلات p-n. ولقد مهّد تضافر التقدم في الفيزياء على مدار مائة سنة والتقدم في تصنيع مواد جديدة السبيل إلى مصادر موثوقة للطاقة الكهربائية وإلى كواشف من أجل الاتصالات الضوئية وإلى التصوير الرقمي وعلم الفلك الفضائي.

[KSAGRelatedArticles] [ASPDRelatedArticles]