اصطلاح اپتوالکترونیک رشته خاصی از الکترونیک است که بر قطعات ساطعکننده یا آشکارساز نور تمرکز دارد. قطعات ساطعکننده نور از ولتاژ و جریان برای تولید تابش الکترومغناطیسی (یعنی نور) استفاده میکنند. چنین قطعات ساطعکننده نور معمولاً برای اهداف روشنایی یا بهعنوان چراغهای نشانگر استفاده میشوند. در مقابل، قطعات تشخیص نور، مانند ترانزیستورهای نوری، برای تبدیل انرژی الکترومغناطیسی دریافتی به جریان یا ولتاژ الکتریکی طراحی شدهاند.
شکل ۱: قطعات الکترونیک
این زمینه علمی طیف گستردهای از قطعات از جمله الایدی (LED)، دستگاههای دریافت تصویر، نمایشگرهای اطلاعات، سیستمهای ارتباطی نوری، ذخیرهسازهای نوری و سیستمهای سنجش از راه دور و غیره را پوشش میدهد. نمونههایی از قطعات و دستگاههای الکترونیک نوری عبارتاند از: لیزر مخابراتی، لیزر آبی، فیبر نوری، الایدی، چراغهای راهنمایی، فتودیودها و سلولهای خورشیدی. اکثر قطعات اپتوالکترونیکی (تبدیل مستقیم بین الکترونها و فوتونها) شامل LEDها، دیودهای لیزری، فتودیودی و سلولهای خورشیدی هستند.
فوتونها واحدهای اصلی تابش الکترومغناطیسی (EMR) هستند. فوتونها دارای فرکانس انتشار هستند و ما EMR را بر اساس این فرکانس طبقهبندی میکنیم: EMR مایکروویو، EMR مادونقرمز، EMR نوری و غیره. چشم انسان به EMR نوری حساس است که بیشتر به رنگها طبقهبندی میشود. رنگ ویژگی ذاتی فوتونها نیست، بلکه فوتونها فرکانس دارند و انسانها این فرکانسهای مختلف را به رنگهای مختلف تفسیر میکنند.
رابطه بین فرکانس فوتون و طول موج آن (λ) به صورت زیر است:
λ=ν/f (بر حسب متر)
که در آن، ν سرعت فوتون با واحد m/s و f فرکانس با واحد هرتز است.
فوتون با طولموج بلندتر (یعنی فرکانس کمتر) انرژی کمتری نسبت به فوتون با طولموج کوتاهتر (یعنی فرکانس بالاتر) دارد. برای اطلاعات بیشتر در مورد انرژی، فرکانس و طولموج فوتون شکل ۲ را مشاهده کنید.
شکل ۲: طیف الکترومغناطیسی (EM)
قطعات اپتوالکترونیک به انواع مختلفی از جمله موارد زیر تقسیم میشوند:
در ادامه، با این انواع آشنا میشویم.
فتو دیود (Photo Diode) یک سنسور نور نیمههادی است که وقتی نور روی محل پیوند آن میافتد ولتاژ یا جریان تولید میکند. این قطعه اپتوالکترونیک از یک پیوند P-N فعال تشکیل شده است که در بایاس معکوس عمل میکند. هنگامی که یک فوتون با انرژی فراوان به نیمههادی برخورد میکند، یک جفت الکترون یا حفره ایجاد میشود. الکترونها به محل پیوند پخش میشوند و میدان الکتریکی تشکیل میدهند.
این میدان الکتریکی در سراسر ناحیه تخلیه برابر با یک ولتاژ منفی در سراسر دیود بدون بایاس است. این روش بهعنوان اثر فوتوالکتریک داخلی نیز شناخته میشود.
شکل ۳: فتو دیود
یک فتودیود معمولاً با استفاده از یک نیمههادی بسیار نازک نوع n همراه با یک نیمههادی ضخیمتر از نوع p ساخته میشود. نیمههادی n دارای فراوانی الکترون است و کاتد در نظر گرفته میشود، درحالیکه طرف p دارای حفرههای فراوان است و آند در نظر گرفته میشود. هنگامی که یک فوتون (یعنی نور) با انرژی کافی به دیود برخورد میکند، یک جفت الکترون – حفره ایجاد میکند. حفرهها به سمت آند حرکت میکنند درحالیکه الکترونها به سمت کاتد میروند، بنابراین یک جریان القایی نور (یعنی یک جریان نوری) ایجاد میشود.
فتو دیود در سه حالت فتوولتائیک بهعنوان سلول خورشیدی، بایاس مستقیم بهعنوان LED و بایاس معکوس بهعنوان آشکارساز نوری قابلاستفاده است. فتودیودها در بسیاری از مدارها و دستگاههای مختلف مانند دوربینها، ابزار پزشکی، تجهیزات ایمنی، صنایع، وسایل ارتباطی و تجهیزات صنعتی استفاده میشوند.
سلول خورشیدی (Solar Cell) یا سلول فتوولتائیک (Photovoltaic Cell) قطعهای الکترونیکی است که مستقیماً انرژی خورشید را به الکتریسیته تبدیل میکند. هنگامی که نور خورشید روی یک سلول خورشیدی میافتد، هم جریان و هم ولتاژ تولید میکند تا توان الکتریکی تولید کند. نور خورشید که از فوتونها تشکیل شده است از خورشید تابش میکند و هنگامی که فوتونها به اتمهای سیلیکون سلول خورشیدی برخورد میکنند، انرژی خود را برای ازدستدادن الکترونها منتقل میکنند و سپس، این الکترونهای پرانرژی در یک مدار خارجی جریان مییابند.
شکل ۴: سلول خورشیدی
در واقع، سلول خورشیدی از دو لایه تشکیل شده است. لایه اول با الکترون بارگیری میشود، بنابراین این الکترونها آماده پرش از لایه اول به لایه دوم هستند. لایه دوم مقداری الکترون دارد و بنابراین آماده گرفتن الکترونهای بیشتری است.
سلولهای خورشیدی فوتودیودهایی با سطح بزرگ هستند. این سطوح بزرگتر به سلولهای خورشیدی اجازه میدهند تا نسبت به دیودهای نوری حساستر و همچنین از نظر ولتاژ و جریان قویتر به نور ورودی باشند. سلولهای خورشیدی معمولاً در پنلهای خورشیدی استفاده میشوند، اما اغلب بهعنوان عناصر حساس به نور در آشکارسازهای نور مرئی نیز استفاده میشوند. بهعنوانمثال، میتوان به نورسنجها و رلههای حساس به نور اشاره کرد.
مزیت سلولهای خورشیدی این است که مشکل تأمین سوخت و هزینه وجود ندارد. همچنین، سولهای خورشیدی بسیار قابلاعتماد هستند و نیاز به نگهداری کمی دارند. سلولهای خورشیدی در برقرسانی روستایی، سیستمهای مخابراتی، ناوبری اقیانوس، سیستم تولید برق در فضا و سیستمهای نظارت و کنترل از راه دور قابلاستفاده هستند.
دیود ساطعکننده نور (Light-Emitting Diode) یا LED یک دیود نیمههادی PN است که در آن از ترکیب مجدد الکترونها و حفرهها یک فوتون تولید میشود. هنگامی که دیود بهصورت الکتریکی در جهت مستقیم بایاس میشود، نور طیف باریک نامنسجم ساطع میکند.
الایدیها قطعات نیمههادی دو سری مانند دیودهای معمولی هستند، با این تفاوت که نور قابل مشاهدهاند و مادونقرمز یا فرابنفش را ساطع میکنند. هنگامی که سر آند یک LED از نظر ولتاژ مثبتتر از سر کاتد آن میشود (معمولاً با ولتاژی بین 0.6 تا 2.2 ولت)، جریان از LED میگذرد و در نتیجه نور ساطع میشود.
شکل ۵: LED
از نظر تاریخی، قرمز اولین رنگ LED بود که در سال 1962 توسعه یافت و سپس در سال 1968 به تولید انبوه رسید. سپس LEDهای زرد، سبز و مادون قرمز وارد بازار شدند. در سال 1989 بود که LED آبی به صورت تجاری در دسترس قرار گرفت. امروزه تقریباً هر رنگ LED، از جمله سفید، در بازار موجود است.
الایدی انرژی کمتری مصرف میکند و گرمای کمتری تولید میکند. LEDها بیشتر از لامپهای رشتهای عمر میکنند. این قطعات در هر جایی مانند چراغهای نشانگر، اجزای کامپیوتر، دستگاههای پزشکی، ساعتها، سوئیچها، ارتباطات فیبر نوری، لوازم الکترونیکی مصرفی، لوازمخانگی و غیره مورداستفاده قرار میگیرند.
فیبر نوری (Optical Fiber) فیبر پلاستیکی و شفافی است که از پلاستیک یا شیشه ساخته شده است و کمی ضخیمتر از موی انسان است. فیبر نوری بهعنوان یک لوله نور یا موجبر برای انتقال نور بین دو انتهای فیبر عمل میکند. فیبرهای نوری معمولاً شامل سهلایه متحدالمرکز هستند:
هسته، یک ناحیه انتقال نور از فیبر، بخش مرکزی فیبر است که از سیلیس ساخته شده است. روکش، لایه محافظ اطراف هسته، نیز از سیلیس ساخته شده است. این ساختار یک موجبر نوری ایجاد میکند که نور را در هسته با بازتاب کامل در سطح مشترک روکش هسته محدود میکند. ژاکت، لایه غیرنوری اطراف روکش، معمولاً از یک یا چندلایه پلیمر تشکیل شده است که سیلیس را از آسیب فیزیکی یا محیطی محافظت میکند.
شکل ۶: فیبر نوری
همراه با کابل فیبر نوری، بیرونیترین پوسته یا همان ژاکت در رنگهای مختلف موجود هستند. این رنگها امکان تشخیص کابل فیبر نوری و نوع کابل موردنظر را فراهم میکند. بهعنوانمثال، کابل نارنجیرنگ بهوضوح فیبر تکحالته را نشان میدهد، درحالیکه کابل زرد نشاندهنده فیبر چندحالته است. در فیبر تکحالته، یک حالت پخش میشود و پرتوهای نور مستقیماً از طریق کابل عبور میکنند. در کابل چندحالته، پرتوهای نور به دنبال حالتهای مختلف از طریق کابل عبور میکنند.
کابلهای فیبر نوری در مخابرات، سنسورها، لیزرهای فیبر، زیستپزشکی و در بسیاری از صنایع دیگر استفاده میشوند. از مزایای استفاده از کابل فیبر نوری میتوان به پهنای باند بالاتر، کاهش سیگنال کمتر، وزن کم و نازکی نسبت به سیم مسی، مقرونبهصرفه بودن و انعطافپذیری اشاره کرد که سبب شده است در سیستمهای تصویربرداری پزشکی و مکانیکی از این فناوری استفاده شود.
لیزر (تقویت نور با انتشار تحریکشده تابش) منبع نور تکرنگ، منسجم و جهتدار است که تحت شرایط انتشار تحریکشده عمل میکند. عملکرد دیود لیزری (Laser Diode) تبدیل انرژی الکتریکی به انرژی نوری مانند دیودهای مادونقرمز یا LED است. پرتو یک لیزر معمولی 4×0.6 میلیمتر است که در فاصله 15 متری گسترش مییابد. رایج ترین لیزرهای مورد استفاده لیزرهای تزریقی یا لیزرهای نیمههادی هستند. لیزر نیمههادی نسبت به سایر لیزرها مانند لیزرهای جامد، مایع و گاز متفاوت است.
شکل ۷: دیود لیزری
هنگامی که یک ولتاژ روی پیوند PN اعمال میشود، وارونگی تراکم الکترونها ایجاد میشود و سپس پرتو لیزر از ناحیه نیمههادی در دسترس است. دو انتهای پیوند PN دیود لیزری دارای سطح صیقلی است و ازاینرو، فوتونهای ساطعشده برای ایجاد جفت الکترونهای بیشتر به عقب بازتاب میشوند؛ بنابراین فوتونهای تولید شده با فوتونهای قبلی همفاز خواهند بود.
در این بخش به مهمترین کاربردهای قطعات اپتوالکترونیک اشاره میکنیم.
LEDها میتوانند به نسل بعدی روشنایی تبدیل شوند و در هر جایی مانند چراغهای نشانگر، اجزای کامپیوتر، تجهیزات پزشکی، ساعتها، تابلوها، سوئیچها، ارتباطات فیبر نوری، لوازم الکترونیکی مصرفی، لوازم خانگی، علائم راهنمایی و رانندگی، چراغهای ترمز خودرو، استفاده شوند. همچنین، از نمایشگرهای سون سگمنت و نمایشگرهای غیرفعال در پروژههای مختلف مهندسی الکترونیک و برق مانند موارد زیر استفاده میشود:
همانطور که گفتیم، سلولهای خورشیدی در برقرسانی روستایی، سیستمهای مخابراتی، ناوبری اقیانوسها و تولید برق در فضا و سیستمهای نظارت و کنترل از راه دور و همچنین در پروژههای مختلف مبتنی بر انرژی خورشیدی مانند موارد زیر استفاده میشوند.
فتودیودها در بسیاری از انواع مدارها و کاربردهای مختلف مانند دوربینها، ابزار پزشکی، تجهیزات ایمنی، صنایع، وسایل ارتباطی و تجهیزات صنعتی استفاده میشوند.
فیبرهای نوری در مخابرات، سنسورها، لیزرهای فیبر، زیستپزشکی و در بسیاری از صنایع دیگر به کار میروند.
دیودهای لیزری در ارتباطات فیبر نوری، حافظههای نوری، کاربردهای نظامی، پخشکنندههای سیدی، جراحی، شبکههای محلی، ارتباطات راه دور، حافظههای نوری، ارتباطات فیبر نوری و در پروژههایی مانند وسیله نقلیه رباتیک کنترلشده RF با لیزر و… مورداستفاده قرار میگیرند.
نویسنده شو !
سیسوگ با افتخار فضایی برای اشتراک گذاری دانش شماست. برای ما مقاله بنویسید.