اپتو الکترونیک چیست؟ معرفی دستگاه های الکترونیکی نوری

قبل از اینکه ما به دستگاه های الکترونیکی نوری بپردازیم، بیایید در ابتدا در مورد الکترونیک نوری (Optoelectronics) صحبت کنیم.

اپتو الکترونیک چیست؟

الکترونیک نوری شاخه ای از الکترونیک است که نور و الکترونیک را با هم ترکیب می کند. این یکی از زمینه های تکنولوژی است که به سرعت در حال ظهور است. الکترونیک نوری از اثر مکانیکی کوانتوم نور استفاده می کند. این خاصیت عمدتا در موادی که در ساخت نیمه هادی ها استفاده می شود، بکار می رود. الکترونیک نوری استفاده از دستگاه‌هایی الکترونیکی است که نور را تولید، شناسایی و کنترل می کنند.

اکنون، ما وارد بحث دستگاه های الکترونیک نوری می شویم. این ها دستگاه هایی هستند که با فناوری الکترونیک نوری سر و کار دارند. دستگاه های الکترونیکی نوری را می توان به دو دسته تقسیم کرد: دستگاه های حساس به نور و دستگاه های تولید کننده نور.

برخی از نمونه های دستگاه های حساس به نور، فوتودیود ها، ترانزیستور های نوری، مقاومت های حساس به نور، سلول های فتوولتائیک و … هستند. نمونه هایی از دستگاه های تولید کننده نور شامل دیود ساطع کننده نور (LED)، لوله اشعه کاتد (CRT) و موارد دیگر است. چنین وسایلی برای اهداف مختلفی از جمله ارتباطات از راه دور، نظارت و مدیریت، تجهیزات پزشکی و علوم عمومی استفاده می شود.

امروزه از الکترونیک نوری به طور گسترده ای استفاده می شود. مزایای زیادی دارد: یکی از آن ها مصرف توان کم است. الکترونیک نوری حتی به صنعت نظامی و هوافضا بسیار کمک می کند و بعد جدیدی در طراحی ماهواره های آینده می دهد. با این حال، معایبی نیز دارد. دستگاه های الکترونیکی نوری به دما حساس هستند.

در این مقاله، ما به رایج ترین دستگاه های الکترونیکی خواهیم پرداخت: مقاومت های نوری، فوتودیود ها، دیود های لیزری، فوتوترانزیستور ها و اپتوکوپلر ها.

مقاومت های نوری

مقاومت های نوری (ترکیبی از فوتون ها (ذرات نور) و مقاومت ها) اجزای ساخته شده از نیمه هادی ها هستند. از آنجا که مقاومت به نور وابسته است، قطعاً به نور حساس است. وقتی نور به این ماده برخورد می کند، آن را جذب می کند و الکترون ها از باند تعادل نیمه هادی به باند هدایت منتقل می شوند. هرچه تعداد الکترون ها در باند هدایت مقاومت بیشتر باشد، پایداری مقاومت کمتر می شود. به زبان ساده، با افزایش نور پایداری (مقاومت) آن کاهش می یابد.

مقاومت های نوری از سیلیکون یا ژرمانیم ساخته شده اند که نیمه رسانا هایی با مقاومت بالا هستند. جدا از این دو، مقاومت نوری می تواند از مواد دیگری مانند سولفید کادمیوم یا سلنید کادمیوم نیز ساخته شود. در نبود نور، مقاومت نوری به عنوان ماده با مقاومت بالا عمل می کنند، در حالی که در حضور نور، مقاومت نوری به عنوان ماده با مقاومت کم عمل می کند. مقاومت نوری چندین کاربرد مانند باز کردن درب اتوماتیک یا کنترل روشنایی دارد.

انواع مقاومت های نوری

مقاومت نوری ذاتی: این مقاومت در برابر نور از مواد نیمه رسانای خالص مانند سیلیکون یا ژرمانیوم ساخته شده است. مقاومت با افزایش انرژی نور کمی کاهش می یابد. از این رو، مقاومت های نوری ذاتی حساسیت کمتری به نور دارند. بنابراین، آن ها برای کاربرد های عملی قابل اعتماد نیستند.

مقاومت های غیرذاتی یا مصنوعی: این مقاومت ها از مواد نیمه رسانای غیرذاتی ساخته شده اند. در مقاومت های نوری مصنوعی، تعداد زیادی حامل های بار وجود دارد. مقدار کمی انرژی نوری تعداد بیشتری حامل بار تولید می کند. بنابراین، با افزایش حامل های بار جریان الکتریکی به سرعت افزایش می یابد.

فوتو دیود ها (دیود های نوری)

فوتوديود ها دستگاه هاي نيمه هادي هستند كه نور را به جريان الكتريكي تبديل مي كنند. هنگام جذب فوتون ها در فوتودیود، جریان تولید می شود. فوتودیود ها ممکن است دارای سطوح بزرگ یا کوچک باشند. همچنین ممکن است حاوی فیلتر های نوری و لنز های داخلی باشند. فوتودیود ها با افزایش سطح آن ها معمولاً زمان پاسخ کندتری دارند. فوتودیود ها مشابه دیودهای نیمه هادی معمولی هستند با این تفاوت که ممکن است در اتصالات پنجره یا فیبر نوری تعبیه شود تا نور به درون قسمت‌های حساس آن وارد شود.

فوتودیودها نوعی دستگاه نیمه هادی با اتصال PN هستند. بین لایه های p (مثبت) و n (منفی)، یک لایه ذاتی وجود دارد. فوتودیود انرژی نور را به عنوان ورودی برای تولید جریان الکتریکی می پذیرد. این سنسور نور نیمه هادی در هنگام لمس نور به محل اتصال (اتصال فعال p-n) برق و ولتاژ تولید می کند و در بایاس معکوس عمل می کند. هنگامی که یک فوتون بر انگیخته به فوتودیود برخورد می کند، جفت های حفره- الکترون ایجاد می شوند. سپس الکترون ها در محل اتصال p-n پخش می شوند تا یک میدان الکتریکی تولید کنند.

برای کاربردهای ساده روزمره، می توان از فوتودیود ها استفاده کرد. فوتودیود ها در وسایل الکترونیکی ایمنی مانند دستگاه های حساس به آتش و دود استفاده می شوند. در واحد های تلویزیونی نیز استفاده می شود. آن ها در دوربین ها به عنوان حسگر نور عمل می کنند. فوتودیود به عنوان رسانا های نوری و لامپ های چند برابر کننده نور استفاده می شود. فوتودیود ها همچنین در کاربرد های پزشکی متعددی مانند ابزار هایی برای تجزیه و تحلیل نمونه ها و مانیتور های علائم حیاتی به طور گسترده ای مورد استفاده قرار می گیرند.

دیود های لیزری

دیود لیزری نوعی دستگاه لیزر نیمه رسانا است که از نظر فرم و عملکرد از نوع دیود ساطع کننده نور (LED) است. لیزر در واقع به معنای تقویت نور توسط انتشار تحریک شده از تابش است. لیزر یک منبع نور جهت دار، منسجم و کاملاً تک رنگ است. تحت شرایط انتشار تحریک شده عمل می کند. وقتی ولتاژ در محل اتصال P-N اعمال می شود، وارونگی جمعیت الکترون و پرتو لیزر از ناحیه نیمه رسانا در دسترس هستند. انتهای دیود لیزر P-N سطح صیقلی دارد و فوتون های منتشر شده در ایجاد جفت (الکترون-حفره) بازتاب می کنند. بنابراین، فوتون های تولید شده با فوتون های قبلی در یک مرحله قرار می گیرند.

دیود های لیزری متداول ترین نوع لیزر های تولید شده با طیف گسترده ای از کاربرد ها شامل ارتباطات فیبر نوری، بارکد خوان، اشاره گر لیزری (اشاره به دور)، خواندن یا ضبط دیسک CD / DVD / Blu-ray، چاپ لیزری، اسکن لیزری و پرتو نور هستند. دیود لیزری همچنین می تواند در سیستم های امنیتی و وسایل نقلیه خودمختار و ارتباطات فیبر نوری استفاده شود. دیود های لیزری در تمام دستگاه های الکترونیکی اصلی، شامل وسایل الکترونیک مصرفی، دستگاه های پزشکی، وسایل نقلیه خودمختار، ابزار دقیق علمی، کاربرد های صنعتی و موارد دیگر مورد استفاده قرار می گیرند.

نحوه کار دیود لیزری:

دیود لیزری در سه مرحله کار می کند:

1. جذب انرژی: وقتی ولتاژ خاصی در محل اتصال p-n دیود لیزر اعمال می شود، الکترون ها انرژی را جذب می کنند و به سطح انرژی بالاتر می روند. حفره ها در موقعیت اصلی الکترون برانگیخته تشکیل می شوند. الکترون ها بدون ترکیب مجدد با حفره ها برای حداقل مدت زمان در این حالت بر انگیخته می مانند.
2. انتشار خود به خودی: پس از حالت بالای الکترون های برانگیخته، آن ها با حفره ها ترکیب می شوند. با سقوط الکترون ها از سطح انرژی بالاتر به سطح انرژی پایین تر، اختلاف انرژی به فوتون یا تابش الکترومغناطیسی تبدیل می شود. انرژی فوتون منتشر شده با اختلاف بین دو سطح انرژی داده می شود.
3. انتشار تحریک شده: در هر دو طرف دیود از یک آینه بازتابنده استفاده می شود تا فوتون های آزاد شده از انتشار خود به خود در محل اتصال p-n به دام بیفتند تا مقدار آن ها به یک حد آستانه برسد. این فوتون های به دام افتاده الکترون های برانگیخته را تحریک می کنند تا با حفره ها ترکیب شوند. هنگامی که مقدار فوتون ها از آستانه فراتر رفت، آن ها از آینه هایی که بازتاب کمی دارند، فرار می کنند و در نتیجه یک نور منسجم تک رنگ روشن ایجاد می کنند.

انواع دیود های لیزری

• دیود لیزر با ساختار ناهمسان دوتایی
• دیود لیزر کوانتومی
• دیود لیزر آبشاری کوانتومی
• دیود لیزر با اتصال سری باند میانی
• دیود لیزر باساختار ناهمسان از سلول های جداگانه
• دیود لیزر بازتابنده توزیع شده
• دیود لیزر بازخورد توزیع شده
• دیود لیزر ساطع کننده سطح حفره خارجی عمودی (VCSEL)

فوتو ترانزیستور ها (ترانزیستور های نوری)

فوتوترانزیستور ها نوعی ترانزیستور دو قطبی هستند که به نور حساس هستند. این ها حساس تر از فوتودیود ها (دیود های نوری) می باشند. فوتوترانزیستور ها دستگاه های نیمه هادی هستند که می توانند سطوح نوری را حس کرده و جریان جاری بین امیتر و کلکتور را با توجه به سطح نوری که دریافت می کند، تغییر دهند.

فوتوترانزیستور اغلب در ناحیه ی فعالش کار می کند، پایه ی بیس به صورت مدار باز یا قطع رها شده است زیرا نیازی به آن نیست. بیس فوتوترانزیستور فقط برای بایاس ترانزیستور استفاده می شود به طوری که به عنوان یک عکس العمل نوری جریان اضافه ای را در کلکتور جاری می کند که هر جریانی که از قبل بوده را پوشش می دهد. شرایط بایاس برای عملکرد بسیار ساده است. ولتاژ کلکتور در یک ترانزیستور NPN نسبت به ولتاژ امیتر مثبت تر می شود و در ترانزیستورهای PNP باید منفی تر شود. کاربرد های فوتوترانزیستور ها شامل کنترل روشنایی، سیستم های هشدار، دستگاه های نشان دهنده سطح، ردیاب های مجاورتی، کارت خوان های پانچ و رمزگذار ها هستند.

عملکرد فوتوترانزیستور

فوتوترانزیستور ها از مواد نیمه هادی ساخته شده اند. وقتی نور به مواد برخورد می کند، الکترون ها / حفره های آزاد باعث جاری شدن جریان در منطقه بیس می شوند. بیس فوتوترانزیستور جهت بایاس در ترانزیستور است. نور وارد ناحیه بیس فوتوترانزیستور می شود و جفت های الکترون-حفره را تولید می کند. تولید جفت الکترون-حفره عمدتا در بایاس معکوس اتفاق می افتد. حرکت الکترون ها تحت تأثیر میدان الکتریکی باعث ایجاد جریان در منطقه بیس می شود. جریان بیس الکترون ها را در منطقه امیتر تزریق می کند. اشکال عمده فوتوترانزیستور این است که آن ها پاسخ فرکانسی پایینی دارند.

دوقطبی در مقابل اثر میدان در مقابل دارلینگتون

دقیقاً مانند ترانزیستور های معمولی، فوتوترانزیستور ها نیز می توانند ترانزیستور دو قطبی یا ترانزیستور اثر میدان باشند.

فوتوترانزیستور های اثر میدان، ترانزیستور های اثر میدان حساس به نور هستند. برخلاف ترانزیستور های دو قطبی، ترانزیستور های اثر میدان از نور برای تولید ولتاژ گیت (gate) استفاده می کنند که برای کنترل جریان درین-سورس (drian_source) استفاده می شود. ترانزیستور های اثر میدان نیز در برابر تغییرات نور حساس هستند و نسبت به فوتوترانزیستور های دو قطبی شکننده ترند.

از طرف دیگر، فوتوترانزیستور های دارلینگتون با ساختار داخلی خود مانند ترانزیستور دارلینگتون معمولی هستند. خصوصیات حساسیت ترانزیستور فوتودارلینگتون ممکن است تقریباً ده برابر بیشتر از یک فوتوترانزیستور عادی باشد. با این حال، فرکانس کار این واحد ها کمتر از انواع نرمال است و ممکن است فقط به حدود 10 کیلو هرتز محدود شود.

اپتوکوپلر ها

اپتوکوپلر ها با نام های مختلفی ازجمله اپتویزولاتور و فوتوکوپلر نیز توصیف می شوند. اپتوکوپلر (optocoupler) یک مولفه ی الکتریکی است که سیگنال های الکتریکی را بین دو مدار جدا از هم منتقل می کند. اکثرا در مدار ها، به خصوص مدار های ولتاژ پایین یا حساس به نویز از اپتوکوپلر برای ایزوله کردن مدار و جلوگیری از امکان برخورد الکتریکی یا جدا کردن نویز های ناخواسته استفاده می‌شود.

این ها معمولاً در یک بسته وجود دارند که اغلب به اندازه یک IC هستند. همچنین می تواند در رمزگذار های نوری و در بسیاری از مدار هایی که به پیوند های نوری و انتقال نیاز دارند استفاده شود. آن ها حتی در رله های حالت جامد عنصر اساسی را تشکیل می دهند. از کوپلینگ نوری برای جداسازی ورودی و خروجی به صورت الکتریکی استفاده می شود در حالی که خروجی را می توان مطابق با حالت ورودی تغییر داد. در نتیجه، آن ها در تعداد زیادی از مدار ها یافت می شوند.

اپتوکوپلر به جزئی گفته می شود که شامل دو المان باشد.

المان اول ساطع کننده نور است. این المان در سمت ورودی است، سیگنال ورودی را می گیرد و آن را به یک سیگنال نوری تبدیل می کند. معمولا، ساطع کننده نور یک دیود ساطع کننده نور است. المان دوم آشکارساز نور است. نور را از ساطع کننده تشخیص داده و مجدداً به یک سیگنال الکتریکی درون اپتوکوپلر تبدیل می کند. آشکارساز نور می تواند هر وسیله ای باشد، از فوتودیود گرفته تا فوتوترانزیستور، فوتودارلینگتون و …

ساطع کننده نور و آشکارساز متناسب با یکدیگر طراحی شده و دارای طول موج های منطبق هستند تا حداکثر کوپلینگ حاصل شود.

اپتوکوپلر ها اغلب در دستگاه های با جریان AC استفاده می شوند. برخی از اپتوکوپلر ها نیز در مدار های DC مورد استفاده قرار می گیرند. کاربرد اصلی اپتوکوپلر جداسازی دو مدار است. اما همچنین می توانید از آن در کاربرد های سوئیچینگ و در عملیات مختلف مربوط به میکروکنترلر که به پالس های دیجیتال یا اطلاعات آنالوگ از مدار ولتاژ بالا مورد نیاز است، استفاده کنید.

انواع اپتوکوپلر ها

• اپتوکوپلر شکاف دار: این نوع اپتوکوپلر دارای شکافی است که در داخل بسته بین منبع نور LED و سنسور نور فوتوترانزیستور قرار گرفته است. در حالت عادی نور LED به راحتی از شکاف عبور کرده و به ترانزیستور می رسد اما می توان با قرار دادن یک جسم مات درون شکاف، کانال را به طور کامل مسدود کرد. می توان از اپتوکوپلر شکاف دار در کاربرد های مختلف تشخیص حضور، از جمله تشخیص انتهای نوار و تشخیص سطح مایع استفاده کرد.
• اپتوکوپلر بازتابی: در این اپتوکوپلر ها LED و فوتوترانزیستور هردو در یک جهت رو به بیرون و به سمت یک نقطه مشترک طوری قرار گرفته اند که حضور جسم بازتابنده در نزدیکی خود را تشخیص دهند. از کوپلر های بازتابنده می توان در کاربرد هایی مانند تشخیص موقعیت نوار، شمارش دور موتور یا اندازه گیری سرعت، یا تشخیص دود یا مه، و سایر موارد استفاده کرد.