تويت
ضوييه (الكترونيات)
Optoelectronics - Opto-électronique
الضوئية (الإلكترونيات ـ)
الإلكترونيات الضوئية optoelectronics فرع من الإلكترونيات، يدرس خواص الضوء وسلوكه ويتعامل مع التجهيزات الإلكترونية، التي تولِّد الأشعة الكهرطيسية والضوئية وتتحسسها وترسلها وتعدلها. وقد أدى تطور علم أنصاف النواقل (الموصلات) واندماجه مع الضوئيات إلى ظهور هذا العلم الهندسي الجديد الذي يدعى الإلكترونيات الضوئية.
البنية البلورية للعناصر وناقليتها
تتكون الذرة كما هو معلوم من نواة مركزية، ومن إلكترونات تدور حولها. تحتوي النواة على بروتونات ذات شحنة موجبة تساوي بالقيمة المطلقة شحنة الإلكترونات السالبة، وعلى نترونات عديمة الشحنة، وبالتالي تكون الذرة معتدلة كهربائياً. تدور الإلكترونات حول النواة على مدارات ذات مستويات طاقية مختلفة، تمتلك الأقرب منها إلى النواة طاقة أقل من تلك التي تكون أبعد، أي أننا كلما ابتعدنا عن النواة ازدادت طاقة الإلكترون. تترابط ذرات العنصر فيما بينها بوساطة إلكترونات المدار الأخير لها، والمعروف باسم مدار التكافؤ مشكِّلةً ما يسمى بالبنية البلورية للمادة، وتبعاً لهذا التركيب البلوري للعناصر يُستنتج ما يأتي:
ـ تسبح في المعادن إلكترونات التكافؤ وبشكل حر ضمن الشبكة البلورية متنقلة من نقطة إلى أُخرى حتى يتم التقاطها من قبل شوارد المعدن. إذاً كل ذرة تحرر على الأقل إلكترون وبالتالي فإن عدد الإلكترونات الحرة يكون كبيراً جداً وهذا ما يفسر الناقلية العالية للمعادن (كثافة الإلكترونات الحرة العالية).
ـ إن عدد الإلكترونات الحرة في أنصاف النواقل أقل كثيراً مما هي عليه في المعادن وقد أثبتت التجارب ما يأتي:
ـ في درجة الصفر المطلق لايوجد أي إلكترون حر، وبالتالي فإن ناقلية هذه المواد معدومة.
ـ يؤدي ارتفاع درجة الحرارة إلى ظهور نوع من الناقلية في هذه المواد، إذ تزداد الناقلية بزيادة درجة الحرارة.
ـ يمكن تمييز النواقل عن أنصاف النواقل وعن العوازل بالطاقة اللازمة للإلكترون، ليترك حزمة التكافؤ، وهذه الطاقة تكون معدومة في النواقل وتساوي عدة إلكترون فولط في العوازل، وجزءاً من الإلكترون فولط في أنصاف النواقل (1.1eV للسيلكون و0.72eV للجرمانيوم)
نظرية حزم الطاقة
تُعرَف حزمة الطاقة energy band بأنها مجموعة من مستويات الطاقة المنفردة المتقاربة جداً، يعبّر كل واحد منها عن المستوي الطاقي لإلكترون ذرة منعزلة. ومن ناحية الناقلية الكهربائية يمكن تمييز الحزمتين الآتيتين:
ـ حزمة التكافؤ equivalence band: وهي الحزمة الطاقية المعبرة عن مستويات الطاقة لإلكترونات التكافؤ، أي الإلكترونات التي تؤمن الترابط بين ذرات العنصر لتشكيل البنية البلورية له، ويمثل المستوى EV مستوى الطاقة الأعلى لهذه الحزمة.
ـ حزمة النقل (التوصيل) conduction band: وهي الحزمة الطاقية المعبرة عن مستويات الطاقة للإلكترونات الحرة free electrons والتي تشارك في عملية نقل التيار الكهربائي من دون أن تسهم في تركيب أية ذرة خاصة ويمثل المستوى EC مستوى الطاقة الأدنى لهذه الحزمة.
تتشابك حزمتا النقل والتكافؤ في بعض العناصر، مما يعني أن الإلكترونات الحرة التي تسهم في نقل التيار الكهربائي متوافرة دائماً، وتدعى هذه العناصر بالنواقل االكهربائية electric conductors. كما تتميز بعض العناصر عادةً بثغرة طاقية عريضة wide energy gap تفصل بين الحزمتين السابقتين، ذلك أن إلكترونات التكافؤ لاتستطيع أن تنتقل إلى الحزمة الناقلة إلا بعد تطبيق كمية كبيرة من الطاقة عليها، تدعى هذه المواد بالعوازل الكهربائية electric insulators. بين هذين النوعين من المواد ثمة نوع ثالث يسمّى بأنصاف النواقل semiconductors، وهي العناصر التي تكوِّن الثغرة الطاقية التي تفصل حزمة التكافؤ عن حزمة النقل بقيمة متوسطة بين العوازل والنواقل.
ظاهرة التحويل الكهر ـ ضوئي
تعبِّر هذه الظاهرة عن إمكانية تحويل الطاقة الضوئية إلى طاقة كهربائية والعكس. ففي الحالة الأولى، إذا كانت الطاقة الضوئية الساقطة على لاقط من السيلكون أكبر أو تساويs1.1eV (وهي المسافة الطاقية التي تفصل حزمة النقل عن حزمة التكافؤ لمادة السيلكون) فإنّ إلكتروناً من حزمة التكافؤ سيتحرر ويقفز إلى حزمة النقل محدثاً موضعه ثقباً حراً. وإذا كانت حوامل الشحنة الحرة هذه خاضعة لحقل كهربائي ساكن فإنها ستكون قياساً إلى مقدار إستطاعة الإشعاع الساقط على اللاقط الضوئي، أي إنه تم تحويل حبيبات الضوء (الفوتونات) إلى حوامل شحنة حرة.
أمّا في الحالة الثانية التي يقفز فيها الإلكترون من مدار أبعد عن النواة إلى مدار أقرب إليها، أو ينتقل من حزمة النقل إلى حزمة التكافؤ فسوف يتم إشعاع طاقة ضوئية (فوتونات) تساوي الفرق بين مستوى الطاقة التي قفز منها الإلكترون والمستوى الذي هبط إليه، ومن ثم تم تحويل الطاقة الكهربائية إلى طاقة ضوئية. ويبين الشكل (2) هاتين الظاهرتين.
عناصر الإلكترونيات الضوئية optoelectronics devices
إن الوسائل الإلكترونية هي، من جهة: تلك العناصر التي تتغير خواصها الكهربائية، أو يمكن التحكم فيها بوساطة التحكم بالطاقة الضوئية الساقطة عليها، ومن جهة أُخرى هي: العناصر التي تحدث أو تعدل الضوء. وسوف نتناول فيما يأتي أهم العناصر الكهرضوئية المستخدمة في الحياة العملية، وهي الآتية:
1ـ المقاومات الضوئية photo resistors: هي وسيلة إلكترونية غير فعالة مركبة من مادة نصف ناقلة من كبريت الكادميوم cadmium sulfide (CdS) المعرضة للضوء حيث تتناقص المقاومة الكهربائية لهذه المادة مع تزايد الشدة الضوئية الساقطة عليها. تُغلف المادة نصف الناقلة بمادة شفافة مُحكمة الأغلاق، وذلك لتجنب التغير في قيمة المقاومة نتيجة الرطوبة المحيطة بها. ويبين الشكل (3) نموذجاً هندسياً لمقاومة ضوئية، وإحدى المساوئ الرئيسية لها هو زمن الاستجابة الطويل، والذي يحد من استخدامها عند الترددات الأعلى من 1KHZ.
2ـ الديودات (ثنائيات الوصلة) الضوئية photo diodes: وهي وصلة PN مصنّعة بحيث يمكن تعريضها للضوء الخارجي. تعمل هذه الديودات في حالة الاستقطاب العكسي إذ يزداد التيار العكسي بزيادة الشدة الضوئية الساقطة عليها. تتميز هذه الديودات بزمن استجابة أكبر سرعةًََ وأكثر خطيةً مقارنة بالمقاومات الضوئية إلا أن التيار الكهرضوئي المار فيها يكون ضعيفاً.
3ـ الترانزيستورات الضوئية photo transistors: هي ترانزيستورات مُعلَّبة بمادة شفافة تحتوي عدسة وظيفتها تركيز الضوء في وصلة المجمع قاعدة هذه الوصلة المستقطبة عكسياً تسلك سلوك الديود الضوئي المشروح في الفقرة السابقة، وبالتالي فإن تيار المجمع الباعث للترانزيستور يكون أكبر من التيار الكهرضوئي لوصلة المجمع ـ قاعدة بمقدار B (عامل التكبير للترانزيستور المعتبر). ويقدم الشكل (4) نموذجاً هندسياً لترانزيستور ضوئي.
4ـ الديودات الباعثة للضوء light-emitting diodes (LED): في وصلة PN مستقطبة أمامياً، يتدفق تيار من الإلكترونات الحرة من الجانب N، ثم تندمج بالثقوب الموجودة على الجانب P. إن الإلكترونات الحرة تقع في حزمة النقل، فهي إذاً تمتلك طاقة أكبر من الثقوب التي تقع في حزمة التكافؤ. فعندما يندمج إلكترون من حزمة النقل بثقب في حزمة التكافؤ تتحرر طاقة مساوية إلى الفرق بين مستويي الطاقة الأعلى والأدنى للإلكترون المنتقل. يمكن لهذه الطاقة أن تكون حرارية، كما هي الحال في السيليكون، أو ضوئية في مواد نصف ناقلة أُخرى كزرنيخ الغاليوم gallium arsenide (GaAs) أو فوسفور الغاليوم gallium phosphor (GaA)، وبفرض أن الطاقة الضوئية المتحررة كانت مرئية تدعى عندها وصلة PN بالديود الباعث للضوء. توضع وصلة PN المصدرة للضوء في علبة شفافة وملونة بطريقة معينة لزيادة التباين الضوئي، وتكون مجهَّزة بمُحرف بغية تركيز الضوء المنبعث كما هو موضح بالشكل (5).
يتميز هذا النوع من الديودات بالكلفة المنخفضة والاستهلاك المنخفض ويراوح الجهد العكسي الأعظمي المسموح لهذه الديودات من 3 ـ 5 فولط. إنَّ الاستخدام الشائع لهذه الديودات هو في صنع نظام الإظهار ذي السبع قطع seven-segment displays.
5ـ المُظهِِرات ذات البلورات المائعة liquuid-crystal displays (LCD): وهي وسائل إلكترونية لا تولد الضوء كما هي الحال في الديودات المصدرة للضوء، وإنما تعمل في إظهار الأرقام أو المحارف بلون غامق على خلفية فاتحة على شرط ملاحظتها تحت ضوء النهار، وذلك بالاستفادة من الخصائص الكهربائية لهذه المواد التي تملك خواصَّ بلورية معينة موجودة في الأجسام الصلبة لكنها تسيل كالموائع. يتميز هذا النوع من المظهرات بالاستهلاك شبه المعدوم للطاقة، وهي تستخدم كثيراً في صناعة الساعات الرقمية والآلات الحاسبة الصغيرة. ويوضح الشكل (6) نموذجاً من هذه الوسائل.
6ـ الألياف الضوئية: الليف الضوئي عبارة عن ليف من السيليس النقي جداً محاط بغمد قادر على المحافظة على الشعاع الضوئي الذي يمر عبر الليف من أي تبديد، ويعد الليف الضوئي هنا مرشداً للشعاع المار فيه، كما هو موضح بالشكل (7).
عند استخدام هذه الألياف في نقل الإشارة الكهربائية يتم ـ أولاًـ تحويل هذه الإشارة إلى إشارة ضوئية مناسبة بمساعدة ديود مصدر للضوء، ومن ثم نقلها عبر الليف الضوئي إلى جهة المُسْتَقْبِل الذي يقوم بمعالجة الإشارة الضوئية المستقبَلة وتحويلها باستخدام ديود ضوئي أو ترانزيستور ضوئي إلى تيار كهربائي متناسب والإشارة الكهربائية في جهة الإرسال.
تُصنع الألياف الضوئية بأقطار صغيرة جداً، وبأوزان خفيفة، ويكون العزل شاملاً بين مدخل الكبل الضوئي ومخرجه، فلا وجود للعناصر الطفيلية، ولا وجود لأي ضجيج محتمل، كما تتميز من الأسلاك الكهربائية بالسرعة العالية في نقل المعلومات والمساوية لسرعة الضوء، وتتميز أيضاً بانعدام ارتفاع درجة الحرارة. ويمكن عبر الليف الضوئي أن يُنقل عددٌ كبيرٌ جداً من الترددات مما يعطي إمكانية تمرير عدد كبير جداً من الأقنية في آن معاً وعلى الليف الضوئي نفسه.
التطبيقات العملية للإلكترونيات الضوئية
ثمة مجموعة واسعة من التطبيقات العملية في مجالات متعددة (طبية، هندسية، عسكرية وغيرها) منها:
ـ الليزر وتطبيقاته في الجراحة.
ـ الاتصالات الضوئية ونقل المعلومات.
ـ الإظهار العددي، كما في أجهزة القياس والحواسب الرقمية.
ـ الصواريخ المتتبِّعة للأشعة تحت الحمراء، وأجهزة الرؤيا الليلية.
ـ آلات النسخ الضوئية.
نضال زيدان
Optoelectronics - Opto-électronique
الضوئية (الإلكترونيات ـ)
الإلكترونيات الضوئية optoelectronics فرع من الإلكترونيات، يدرس خواص الضوء وسلوكه ويتعامل مع التجهيزات الإلكترونية، التي تولِّد الأشعة الكهرطيسية والضوئية وتتحسسها وترسلها وتعدلها. وقد أدى تطور علم أنصاف النواقل (الموصلات) واندماجه مع الضوئيات إلى ظهور هذا العلم الهندسي الجديد الذي يدعى الإلكترونيات الضوئية.
البنية البلورية للعناصر وناقليتها
تتكون الذرة كما هو معلوم من نواة مركزية، ومن إلكترونات تدور حولها. تحتوي النواة على بروتونات ذات شحنة موجبة تساوي بالقيمة المطلقة شحنة الإلكترونات السالبة، وعلى نترونات عديمة الشحنة، وبالتالي تكون الذرة معتدلة كهربائياً. تدور الإلكترونات حول النواة على مدارات ذات مستويات طاقية مختلفة، تمتلك الأقرب منها إلى النواة طاقة أقل من تلك التي تكون أبعد، أي أننا كلما ابتعدنا عن النواة ازدادت طاقة الإلكترون. تترابط ذرات العنصر فيما بينها بوساطة إلكترونات المدار الأخير لها، والمعروف باسم مدار التكافؤ مشكِّلةً ما يسمى بالبنية البلورية للمادة، وتبعاً لهذا التركيب البلوري للعناصر يُستنتج ما يأتي:
ـ تسبح في المعادن إلكترونات التكافؤ وبشكل حر ضمن الشبكة البلورية متنقلة من نقطة إلى أُخرى حتى يتم التقاطها من قبل شوارد المعدن. إذاً كل ذرة تحرر على الأقل إلكترون وبالتالي فإن عدد الإلكترونات الحرة يكون كبيراً جداً وهذا ما يفسر الناقلية العالية للمعادن (كثافة الإلكترونات الحرة العالية).
ـ إن عدد الإلكترونات الحرة في أنصاف النواقل أقل كثيراً مما هي عليه في المعادن وقد أثبتت التجارب ما يأتي:
ـ في درجة الصفر المطلق لايوجد أي إلكترون حر، وبالتالي فإن ناقلية هذه المواد معدومة.
ـ يؤدي ارتفاع درجة الحرارة إلى ظهور نوع من الناقلية في هذه المواد، إذ تزداد الناقلية بزيادة درجة الحرارة.
ـ يمكن تمييز النواقل عن أنصاف النواقل وعن العوازل بالطاقة اللازمة للإلكترون، ليترك حزمة التكافؤ، وهذه الطاقة تكون معدومة في النواقل وتساوي عدة إلكترون فولط في العوازل، وجزءاً من الإلكترون فولط في أنصاف النواقل (1.1eV للسيلكون و0.72eV للجرمانيوم)
نظرية حزم الطاقة
 |
| الشكل (1) مخطط حزم الطاقة للعناصر الكهربائية أ ـ للعوازل ب ـ لأنصاف النواقل ج ـ للنواقل |
ـ حزمة التكافؤ equivalence band: وهي الحزمة الطاقية المعبرة عن مستويات الطاقة لإلكترونات التكافؤ، أي الإلكترونات التي تؤمن الترابط بين ذرات العنصر لتشكيل البنية البلورية له، ويمثل المستوى EV مستوى الطاقة الأعلى لهذه الحزمة.
ـ حزمة النقل (التوصيل) conduction band: وهي الحزمة الطاقية المعبرة عن مستويات الطاقة للإلكترونات الحرة free electrons والتي تشارك في عملية نقل التيار الكهربائي من دون أن تسهم في تركيب أية ذرة خاصة ويمثل المستوى EC مستوى الطاقة الأدنى لهذه الحزمة.
تتشابك حزمتا النقل والتكافؤ في بعض العناصر، مما يعني أن الإلكترونات الحرة التي تسهم في نقل التيار الكهربائي متوافرة دائماً، وتدعى هذه العناصر بالنواقل االكهربائية electric conductors. كما تتميز بعض العناصر عادةً بثغرة طاقية عريضة wide energy gap تفصل بين الحزمتين السابقتين، ذلك أن إلكترونات التكافؤ لاتستطيع أن تنتقل إلى الحزمة الناقلة إلا بعد تطبيق كمية كبيرة من الطاقة عليها، تدعى هذه المواد بالعوازل الكهربائية electric insulators. بين هذين النوعين من المواد ثمة نوع ثالث يسمّى بأنصاف النواقل semiconductors، وهي العناصر التي تكوِّن الثغرة الطاقية التي تفصل حزمة التكافؤ عن حزمة النقل بقيمة متوسطة بين العوازل والنواقل.
ظاهرة التحويل الكهر ـ ضوئي
 |
| الشكل (2) |
أمّا في الحالة الثانية التي يقفز فيها الإلكترون من مدار أبعد عن النواة إلى مدار أقرب إليها، أو ينتقل من حزمة النقل إلى حزمة التكافؤ فسوف يتم إشعاع طاقة ضوئية (فوتونات) تساوي الفرق بين مستوى الطاقة التي قفز منها الإلكترون والمستوى الذي هبط إليه، ومن ثم تم تحويل الطاقة الكهربائية إلى طاقة ضوئية. ويبين الشكل (2) هاتين الظاهرتين.
عناصر الإلكترونيات الضوئية optoelectronics devices
إن الوسائل الإلكترونية هي، من جهة: تلك العناصر التي تتغير خواصها الكهربائية، أو يمكن التحكم فيها بوساطة التحكم بالطاقة الضوئية الساقطة عليها، ومن جهة أُخرى هي: العناصر التي تحدث أو تعدل الضوء. وسوف نتناول فيما يأتي أهم العناصر الكهرضوئية المستخدمة في الحياة العملية، وهي الآتية:
 |
| الشكل (3) مقاومة ضوئية |
 |
| الشكل (4) ترانزيستور ضوئي |
 |
| الشكل (5) ديودات باعثة للضوء |
 |
| الشكل (6) |
3ـ الترانزيستورات الضوئية photo transistors: هي ترانزيستورات مُعلَّبة بمادة شفافة تحتوي عدسة وظيفتها تركيز الضوء في وصلة المجمع قاعدة هذه الوصلة المستقطبة عكسياً تسلك سلوك الديود الضوئي المشروح في الفقرة السابقة، وبالتالي فإن تيار المجمع الباعث للترانزيستور يكون أكبر من التيار الكهرضوئي لوصلة المجمع ـ قاعدة بمقدار B (عامل التكبير للترانزيستور المعتبر). ويقدم الشكل (4) نموذجاً هندسياً لترانزيستور ضوئي.
4ـ الديودات الباعثة للضوء light-emitting diodes (LED): في وصلة PN مستقطبة أمامياً، يتدفق تيار من الإلكترونات الحرة من الجانب N، ثم تندمج بالثقوب الموجودة على الجانب P. إن الإلكترونات الحرة تقع في حزمة النقل، فهي إذاً تمتلك طاقة أكبر من الثقوب التي تقع في حزمة التكافؤ. فعندما يندمج إلكترون من حزمة النقل بثقب في حزمة التكافؤ تتحرر طاقة مساوية إلى الفرق بين مستويي الطاقة الأعلى والأدنى للإلكترون المنتقل. يمكن لهذه الطاقة أن تكون حرارية، كما هي الحال في السيليكون، أو ضوئية في مواد نصف ناقلة أُخرى كزرنيخ الغاليوم gallium arsenide (GaAs) أو فوسفور الغاليوم gallium phosphor (GaA)، وبفرض أن الطاقة الضوئية المتحررة كانت مرئية تدعى عندها وصلة PN بالديود الباعث للضوء. توضع وصلة PN المصدرة للضوء في علبة شفافة وملونة بطريقة معينة لزيادة التباين الضوئي، وتكون مجهَّزة بمُحرف بغية تركيز الضوء المنبعث كما هو موضح بالشكل (5).
يتميز هذا النوع من الديودات بالكلفة المنخفضة والاستهلاك المنخفض ويراوح الجهد العكسي الأعظمي المسموح لهذه الديودات من 3 ـ 5 فولط. إنَّ الاستخدام الشائع لهذه الديودات هو في صنع نظام الإظهار ذي السبع قطع seven-segment displays.
5ـ المُظهِِرات ذات البلورات المائعة liquuid-crystal displays (LCD): وهي وسائل إلكترونية لا تولد الضوء كما هي الحال في الديودات المصدرة للضوء، وإنما تعمل في إظهار الأرقام أو المحارف بلون غامق على خلفية فاتحة على شرط ملاحظتها تحت ضوء النهار، وذلك بالاستفادة من الخصائص الكهربائية لهذه المواد التي تملك خواصَّ بلورية معينة موجودة في الأجسام الصلبة لكنها تسيل كالموائع. يتميز هذا النوع من المظهرات بالاستهلاك شبه المعدوم للطاقة، وهي تستخدم كثيراً في صناعة الساعات الرقمية والآلات الحاسبة الصغيرة. ويوضح الشكل (6) نموذجاً من هذه الوسائل.
6ـ الألياف الضوئية: الليف الضوئي عبارة عن ليف من السيليس النقي جداً محاط بغمد قادر على المحافظة على الشعاع الضوئي الذي يمر عبر الليف من أي تبديد، ويعد الليف الضوئي هنا مرشداً للشعاع المار فيه، كما هو موضح بالشكل (7).
عند استخدام هذه الألياف في نقل الإشارة الكهربائية يتم ـ أولاًـ تحويل هذه الإشارة إلى إشارة ضوئية مناسبة بمساعدة ديود مصدر للضوء، ومن ثم نقلها عبر الليف الضوئي إلى جهة المُسْتَقْبِل الذي يقوم بمعالجة الإشارة الضوئية المستقبَلة وتحويلها باستخدام ديود ضوئي أو ترانزيستور ضوئي إلى تيار كهربائي متناسب والإشارة الكهربائية في جهة الإرسال.
 |
| الشكل (7) |
التطبيقات العملية للإلكترونيات الضوئية
ثمة مجموعة واسعة من التطبيقات العملية في مجالات متعددة (طبية، هندسية، عسكرية وغيرها) منها:
ـ الليزر وتطبيقاته في الجراحة.
ـ الاتصالات الضوئية ونقل المعلومات.
ـ الإظهار العددي، كما في أجهزة القياس والحواسب الرقمية.
ـ الصواريخ المتتبِّعة للأشعة تحت الحمراء، وأجهزة الرؤيا الليلية.
ـ آلات النسخ الضوئية.
نضال زيدان