ما هو Avalanche Photodiode او APD وما عمله وتطبيقاته
تم تصميم الثنائيات الضوئية للانهيار الجليدي أو APD بواسطة مهندس ياباني يُدعى "Jun-ichi Nishizawa" في عام 1952. و APD هو كاشف لأشباه الموصلات شديد الاستجابة يستخدم التأثير الكهروضوئي لتحويل الضوء إلى كهرباء. في عام 2020 ، تمت إضافة طبقة من الجرافين إلى هذا الصمام الثنائي لتجنب التدهور في النهاية للحفاظ على هذه الثنائيات.
في أنظمة اتصالات الألياف الضوئية ، يتم تحويل الضوء إلى إشارات كهربائية باستخدام مكون واحد مثل الثنائي الضوئي الانهيار الجليدي أو APD. في عملية الانهيار الجليدي ، يتم إنتاج حاملات الشحنة من خلال الاصطدامات. يولد الفوتون الخفيف الشبيه بالجسيمات العديد من الإلكترونات لإنتاج تيار كهربائي. تتناول هذه المقالة نظرة عامة على ما هو الانهيار الضوئي الانهيار الجليدي وأعماله مع التطبيقات.
ما هو أفالانش Photodiode؟
يُعرف الصمام الثنائي الذي يستخدم طريقة الانهيار الجليدي لتوفير أداء إضافي مقارنة بالديودات الأخرى باسم الثنائي الضوئي الانهيار الجليدي.
أفالانش ضوئي Avalanche photodiode
تستخدم هذه الثنائيات لتغيير الإشارات من ضوئية إلى كهربائية. يمكن تشغيل هذه الثنائيات بانحياز عكسي مرتفع. يشبه رمز الثنائي الضوئي الانهيار الجليدي الصمام الثنائي Zener.
الرمز الضوئي الانهيار الجليدي Avalanche photodiode
يتشابه إنشاء كل من الثنائي الضوئي PIN و Avalanche photodiode. يشتمل هذا الصمام الثنائي على منطقتين مخدرتين بشدة ومنطقتين مخدرتين بشكل خفيف. هنا ، المناطق المخدرة بشدة هي P + & N + بينما المناطق المخدرة طفيفة هي I & P.
في المنطقة الجوهرية ، يكون عرض طبقة النضوب أرق إلى حد ما في هذا الصمام الثنائي مقارنةً بالثنائي الضوئي PIN. هنا ، تعمل المنطقة p + مثل الأنود بينما تعمل المنطقة n + ككاثود.
بالمقارنة مع الثنائيات الضوئية الأخرى ، يعمل هذا الصمام الثنائي في حالة تحيز عكسي مرتفع. لذلك يسمح هذا بمضاعفة الانهيار الجليدي لحاملات الشحنة المتكونة من خلال تأثير الضوء أو الفوتون. يسمح إجراء الانهيار الجليدي بتحسين كسب الثنائي الضوئي عدة مرات لتوفير نطاق عالي من الحساسية.
مبدأ عمل Avalanche photodiode
يحدث انهيار الانهيار الجليدي بشكل أساسي بمجرد تعرض الثنائي الضوئي لجهد عكسي أقصى. يعزز هذا الجهد المجال الكهربائي وراء طبقة النضوب. عندما يخترق الضوء الساقط منطقة p + ، يتم امتصاصه داخل منطقة p شديدة المقاومة ، ثم يتم إنشاء أزواج ثقب الإلكترون.
تنجرف حاملات الشحنة بما في ذلك سرعة تشبعها إلى منطقة pn + حيثما يوجد مجال كهربائي مرتفع. عندما تكون السرعة القصوى ، عندها ستصطدم حاملات الشحنة من خلال ذرات أخرى وتنتج أزواجًا جديدة من الثقوب الإلكترونية. سينتج عن زوج حامل الشحنة الضخمة تيار ضوئي مرتفع.
عملية الانهيار الضوئي Avalanche photodiode َAPD
يمكن إجراء عملية الصمام الثنائي هذه في وضع مستنفد تمامًا. ومع ذلك ، يمكنهم أيضًا العمل في وضع Geiger بالإضافة إلى وضع الانهيار الخطي. في هذا النوع من وضع التشغيل ، يمكن تشغيل الثنائي الضوئي بجهد الانهيار أعلاه. في الوقت الحاضر ، تم إطلاق وضع آخر وهو "وضع Sub-Geiger".
الانهيار الضوئي الانهيار في اتصالات الألياف الضوئية
في أنظمة اتصالات الألياف الضوئية (OFC) ، تُستخدم الثنائيات الضوئية للانهيار الجليدي عمومًا للتعرف على الإشارات الضعيفة ، لكن الدوائر تحتاج إلى التحسين بدرجة كافية بحيث تكون نسبة الإشارة إلى الضوضاء عالية (S / N). هنا ، SNR هو
S / N = الطاقة من قوة التيار الضوئي / كاشف الصور + قوة ضوضاء مكبر الصوت
للحصول على نسبة إشارة إلى ضوضاء مثالية ، يجب أن تكون الكفاءة الكمية عالية لأن هذه القيمة هي الحد الأقصى تقريبًا ، لذلك يتم ملاحظة معظم الإشارات.
خصائص الثنائي الضوئي Avalanche photodiode َAPD
الثنائيات الضوئية الانهيار الجليدي هي صمامات ثنائية حساسة للغاية وذات سرعة عالية تستخدم طريقة كسب داخلية تعمل من خلال تطبيق جهد عكسي. بالمقارنة مع الثنائي الضوئي من نوع PIN ، تقيس هذه الثنائيات الضوء منخفض المدى المستخدم في تطبيقات مختلفة حيث تكون الحساسية العالية مطلوبة مثل قياس المسافة الضوئية والاتصال البصري لمسافات طويلة.
هناك عائلات مختلفة من الثنائي الضوئي للانهيار الجليدي والتي تم تصميمها أساسًا لاكتشاف الأطوال الموجية القصيرة بخلاف الأشعة تحت الحمراء.
ما هو الفرق بين Pin Photodiode و Avalanche Photodiode؟
يشمل الفرق بين الثنائي الضوئي والصمام الثنائي الانهيار ما يلي.
أفالانش ديود Avalanche photodiode َAPD
ديود PIN
يشمل الصمام الثنائي الانهيار أربع طبقات مثل P + و I و P & N +. يشتمل الصمام الثنائي PIN على أربع طبقات مثل P + و I & N +.
وقت الاستجابة مرتفع للغاية. وقت الاستجابة منخفض جدًا.
تيار الإخراج منخفض. يمكن أن يتسبب تكاثر التيار الحامل في القيمة الحالية للمضخم.
الكسب الداخلي 200 ديسيبل. الكسب الداخلي ضئيل.
الحساسية عالية. الحساسية منخفضة.
ضوضاء عالية. انخفاض مستوى الضجيج.
جهد التحيز العكسي مرتفع جدًا. جهد التحيز العكسي منخفض جدًا.
استقرار درجات الحرارة العالية. استقرار درجات الحرارة المنخفضة.
مكبر الصوت ليس ضروريًا بسبب الكسب المتاح. مكبر الصوت إلزامي بسبب عدم توفر الكسب.
ما هو وقت استجابة الثنائي الضوئي للانهيار الجليدي؟
صور الصمام الثنائي لديه وقت استجابة سريع.
ما هي المقاومة المظلمة للديود الضوئي؟
تُعرف خلية السيلينيوم ، بخلاف ذلك ، مقاومة الأجهزة الكهروضوئية الأخرى في ظلام تام باسم المقاومة المظلمة.
أين تستخدم ثنائيات الانهيار الجليدي؟
تُستخدم الثنائيات الانهيار الجليدي بشكل أساسي كمولدات ضوضاء بيضاء ومصادر ضوضاء داخل التروس الراديوية. هذا الصمام الثنائي يحمي الدائرة من الفولتية غير المرغوب فيها.
هل الثنائي الضوئي العكسي متحيز؟
نعم ، إنه منحاز عكسيًا للعمل داخل الوضع الضوئي لأنه عندما يكون هذا الصمام الثنائي متحيزًا عكسيًا ، فسيتم زيادة عرض طبقة النضوب. لذلك هذا يقلل من سعة الوصلة ووقت الاستجابة. يمكن أن يتسبب التحيز العكسي في وقت استجابة سريع لهذا الصمام الثنائي.
ما هي ظاهرة الانهيار الجليدي وانهيار زينر؟
الانهيار الجليدي & Zener Breakdown هما آليتان مختلفتان حيث ينكسر تقاطع PN. تحدث هذه الآلية بشكل أساسي داخل الصمام الثنائي في ظروف التحيز العكسي. يحدث الانهيار الجليدي بشكل رئيسي بسبب تأين الإلكترونات وأزواج الفتحات بينما يحدث انهيار Zener بسبب المنشطات الثقيلة.
إيجابيات - سلبيات
تشمل مزايا الثنائي الضوئي الانهيار الجليدي ما يلي.
نطاق الحساسية مرتفع.
أداء عالي.
وقت استجابة سريع.
هذه الثنائيات قابلة للتطبيق هنا ، ومستوى الكسب مهم للغاية لأن الجهد العالي المطلوب ، من خلال الموثوقية المنخفضة يعني أنها في كثير من الأحيان أقل ملاءمة للاستخدام.
يكتشف الضوء منخفض الشدة.
يولد الفوتون المفرد عددًا كبيرًا من أزواج حاملات الشحنات.
تشمل عيوب الثنائي الضوئي الانهيار الجليدي ما يلي.
جهد التشغيل المطلوب مرتفع
خرج هذا الصمام الثنائي ليس خطيًا
نطاق عالي من الضوضاء
لا يتم استخدامه بانتظام بسبب الموثوقية المنخفضة
إنها تستخدم انحيازًا عكسيًا عاليًا لتشغيلها بشكل صحيح
التطبيقات
تشمل تطبيقات الثنائي الضوئي الانهيار الجليدي ما يلي.
الماسح الضوئي بالليزر
جسر محلل هوائي
ماسح PET
قارئ الباركود
الفحص المجهري بالليزر
أجهزة الليزر لتحديد المدى
بندقية السرعة
تُستخدم أجهزة APD في مستقبلات OFC (اتصالات الألياف الضوئية) ، والتصوير ، وإيجاد النطاق ، والفحص المجهري بالليزر ، والماسحات الضوئية بالليزر و OTDR (مقاييس انعكاس مجال الوقت البصري).
هذه تستخدم في الاتصالات الضوئية مثل أجهزة الكشف عن الاستقبال. عرض النطاق الترددي الواسع والحساسية العالية سيجعلانها مشهورة جدًا لدى المصممين. تعمل هذه الثنائيات من خلال جهد عكسي يتجاوز التقاطع مما يسمح بتكوين أزواج حامل شحنة استجابة للإشعاع.
وبالتالي ، فإن هذا كله يتعلق بإلقاء نظرة عامة على الثنائي الضوئي الانهيار الجليدي وهو يعمل. هذا هو صمام ثنائي تقاطع PN ذو طرفين يعمل في منطقة الانهيار العكسي. تشتمل هذه الثنائيات الضوئية على نسبة SNR عالية (نسبة الإشارة إلى الضوضاء) بالمقارنة مع الثنائيات الضوئية PIN ، والاستجابة السريعة للوقت ، والحساسية العالية ، والتيار المظلمة الأقل. يتراوح نطاق استجابته الطيفية عادة من 200 إلى 1150 نانومتر. إليك سؤال لك ، ما هي الأنواع المختلفة للديود الضوئي؟
تعليقات
إرسال تعليق