الإلكترونيات الضوئية (The optoelectronics ) ـ لمحة ـ
دراسة المُرَكبات الإلكترونية ( electronic components ) التي تُصدر، تُعَدِل أو تَكشِف إشارة ضوئية تندرج تحت ما يعرف بفرع الإلكترونيات الضوئية. المبادئ الأساسية في هذه الدراسة مبنية على التفاعلات الإلكترونية و الضوئية في المادة الصلبة الحاصلة بالأخص في المواد نصف الناقلة.
تخضع الظواهر الفيزيائية في هذه المركبات للقليل من قوانين الفيزياء الكلاسيكية في حين تتربع النظريات الكوانتية (الكمية) على القسط الأكبر في تفسير هذه الظواهر لا سيما إذا كانت أبعاد المركبات صغيرة من رتبة النانومتر فأقل.
نقدم فيما يلي بعض المفاهيم الفيزيائية التي ساعدت في وصف و شرح التصرف الفيزيائي لهذه المركبات
بنية البلور و طاقة الإلكترونات
في جسم صلب بلوري، تحتل الإلكترونات حالات كمية (quantum states ) تمتلك نفس تناظر شبكة البلور. كل حالة كمية مميزة بــــــطاقة و مجموعة الطاقات التي يمكن للإلكترونات أن تمتلكها تسمى طيفا.
الإلكترونات المرتبطة بِـــذَرَّات البلور تتوزع طاقاتها على "عصابات" (energetic bands) مسموحة (allowed) تتخللها عصابات ممنوعة (forbidden bands) بالتناوب. آخر عصابة مسموحة تُعرف بعصابة التكافؤ
(valence band) .
الإلكترونات التي تمتلك طاقات أعلى قد "تتحرر" من ذرَّات البلور و طاقاتها في هذه الحالة تتوزع على ما تُعرف بعصابة النقل (conduction band).
بنية العصابات الطاقية (بدل المدارات الذرية المتقطعة) تعود أساسا إلى تأثير الكمون البلوري (crystalline potential) للجسم الصلب حيث أن كل ذرَّة من ذرَّات البلور ليست معزولة و إنما خاضعة لتأثير كُمُونات الذرَّات الأخرى. مُجْمَل هذه التأثيرات الكمونية المتبادلة يعطي ما يُعرف بالكمون البلوري و الذي يمتلك دورية الشبكة البلورية
(lattice periodicity).
الإلكترونات الحرة (و التي طاقاتها مُوزَّعة على عصابة النقل) هي المسؤولة عن سريان التيار الكهربائي و ذلك عند تسريعها بحقل كهربائي أو مغناطيسي يُطبق على العَيِّنة.
تَتوَضَّعُ الذرَّات في بلور بطريقة منتظمة و تكون المسافة بين ذرتين متجاورتين (المسافة بين ـ ذرية : inter-atomic) من رتبة 5 أنغشترون (متر) . توصف الإلكترونات (كما هو الحال بالنسبة للفوتونات) بالإزدواجية موجة ـ جسيم ، إذ تتصرف كالموجة عند إمتلاكها لحالة طاقية ما ، و تتصرف كجسيم عند إنتقالها من حالة طاقية إلى أخرى. و هي بذلك مميزة بطول موجة عند حركتها داخل البلور. إذا كان طول الموجة أكبر أو أقل من "المسافة بين ـ ذرية" ، يمكن للإلكترون أن يتحرك بكل سهولة داخل البلور. في حين إذا كان طول الموجة يقارب "المسافة بين ـ ذرية" فإن الإلكترون يقع في حالة رنين
(resonance) مع الإهتزازات الذرية و لا يمكنه السريان. كل طول موجة توافقه طاقة للإلكترون (قدرها مقلوب طول الموجة ضرب سرعة الضوء ضرب ثابت بلانك) و بالتالي سيكون هناك مجال أو عصابة طاقية من أجلها لا يمكن للإلكترون السريان داخل البلور. تسمى هذه العصابة "العصابة الممنوعة" أو "الفاصل الطاقي" و هي متموضعة بين عصابة التكافؤ و عصابة النقل كما يوضحه الشكل 1
شكل1
في النواقل (المعادن) لا وجود لفاصل طاقي أي هناك تداخل بين عصابة التكافؤ و النقل و تكون هذه الأخيرة مملوءة جزئيا بالإلكترونات الحرة عند درجة حرارة الصفر المطلق، البلور في هذه الحالة يمكنه نقل التيار الكهربائي و يتعلق الأمر إذن بمعدن. في حين ، أنصاف النواقل و العوازل مميزة بوجود الفاصل الطاقي و الذي يكون أكبر عرضا في العوازل. عند درجة الصفر المطلق (في كلا الحالتين) تكون عصابة النقل فارغة تماما من الإلكترونات الحرة و يكون البلور عازلا. برفع درجة الحرارة في نصف ناقل فإن الإلكترونات تتحرر و تنتقل إلى عصابة النقل و يتغير تصرف "نصف الناقل" من العازل إلى الناقل .
استعمال عصابات الطاقة في الإلكترونيات الضوئية
عندما تكون عصابة التكافؤ مملوءة كليا ، عصابة النقل تكون فارغة و التيار لا يمكنه أن يسري. يجب إذن نقل إلكترونات من عصابة التكافؤ إلى عصابة النقل حتى يصبح نصف الناقل ناقلا للتيار الكهربائي. غياب إلكترون في عصابة التكافؤ يوافقه ظهور ثقب (hole) حر. نعتبره كعنصر موجب ينتقل في اتجاه معاكس لحركة الإلكترون المتحرر. لنقل إلكترون إلى عصابة النقل يجب منحه طاقة ، عادة بامتصاص فوتون على أن تكون طاقة هذا الأخير أكبر من عرض العصابة الممنوعة. هذه العملية تؤدي إلى تولد (generation) لزوج (إلكترون ـ ثقب) حر. و بالعكس عودة إلكترون حر إلى عصابة التكافؤ يعني إلتحام (recombination) بين الزوج (إلكترون ـ ثقب) و يرافق العملية إصدار فوتون . يوضح الشكل 2 كلا العَمَلِيَتين .
شكل2
لكل مادة نصف ـ ناقلة عصابة ممنوعة بعرض معين و بالتالي طاقة امتصاص خاصة بها تسمح بِتوَلُد حاملات الشحنة الحرة (شكل3).
شكل3
معرفة المسافة بين ـ ذرية أو ما تعرف أيضا بثابت الشبكة مُهِم ، إذ يسمح بمعرفة أي من أنصاف النواقل يمكن جمعهما كخليط و ذلك ممكن حين يكون هناك تقارب بين ثوابت الشبكة .
تطعيم أنصاف النواقل
يمكن تسهيل عملية نقل الإلكترونات إلى عصابة النقل بتطعيم أو إشابة (dopage) لنصف الناقل. هناك نوعان من التطعيم : تطعيم نوع N (سالب) و تطعيم نوع P (موجب).
نشرح بمثال لبلور السيلكون Si. ذرة Si تملك أربع روابط تكافؤية (covalent liaisons). نُدخل كمثال ذرة فوسفور P في شبكة السيلكون. لذرة الفوسفور خمس إلكترونات في طبقة التكافؤ (خماسية التكافؤ) ، إلا أنها لن تُحقق إلا أربع روابط المطلوبة في شبكة السيلكون. الإلكترون الخامس يبقى إضافي و يمكنه أن يتحرر بكل سهولة برفع طفيف لدرجة الحرارة.
تعتبر الذرات خماسية التكافؤ ذرات مانحة للإلكترونات (donor) و إدخال تركيز معين منها سيؤدي إلى رفع تركيز الإلكترونات الحرة مقارنة بتركيز الثقوب و يصبح لدينا نصف ناقل من نوع N بمعنى الشحنات السالبة تكون هي الأكثرية.
كذلك عند إدخال ذرة البور B ثلاثية التكافؤ ، سوف تسعى إلى تحقيق أربع روابط تكافؤية و ذلك يدفعها إلى اقتناص إلكترون ذرة السيلكون المجاورة فيظهر في هذه الأخيرة ثقب حر. بذلك تكون الذرات ثلاثية التكافؤ آخذة للإلكترونات (acceptor) و تتسبب في ظهور ثقوب حرة إضافية أي تصبح الثقوب ،حاملات الشحنة الموجبة، أكثرية في هذه الحالة و نتحصل على نصف ناقل من نوع P . الشكل 4 يوضح كلا الحالتين من التطعيم.
*********
شكل 4
البئر الكوانتي
البئر الكوانتي (quantum well) يمثل بئر كموني تُقتنص فيه حاملات الشحنة الحرة (إلكترونات و ثقوب). نقول إن الإلكترون محبوس (confined) في بئر كموني إذا لم تكن له طاقة كافية تمكنه من الخروج منه. لصناعة بئر كموني يكفي إدراج عدة طبقات لعناصر مختلفة حيث لن يكون للإلكترونات نفس الطاقة الكامنة في كل طبقة. مثلا الإكترونات في طبقة من AlGaAs لها طاقة كامنة عالية مقارنة مع طاقتها في طبقة من GaAs. ندرج إذن طبقة من GaAs بين طبقتين من AlGaAs و نحصل على بئر كموني كما يوضحه الشكل 5
شكل5
كلما كان البئر الكموني أعمق وجبت أكثر طاقة لإخراج إلكترون و التي يمكن أن تُمنح لدى عبور فوتون.
الكشف الضوئي الكوانتي
تُستعمل عدة طرق لكشف الضوء . رأينا فيما سبق أنه بإمكان فوتونات داخل نصف ناقل أو تُوَلّد إلكترونات و ثقوب حرة أي حاملات شحنة حرة. يكفي إذن استقطاب نصف الناقل بجهد كهربائي يعمل على تحريك الشحنات و الحصول على تيار كهربائي، هذا ما يعرف بالفعل الكهروضوئي.
كذلك يمكن للفوتونات الممتصة أن تحرر حاملات الشحنة من البئر الكموني و بالتالي تجعلها تساهم في التيار الكهربائي.
يوضح الشكل 6 هذه الآليات
شكل6
مرسلات الضوء الكوانتية
كيف يمكن إرسال فوتونات إنطلاقا من نصف ناقل؟ هذا ما يمثل مبدأ عمل الثنائيات الإلكترونية المرسلة للضوء
( LED:light emitting diode) و ثنائيات الليزر (Laser diode).
بالنسبة للنوع الأول ، نكون البئر الكوانتي بإدراج ثلاث طبقات، الطبقتين الأولى و الأخيرة تكونان من نفس نصف الناقل لكن الأولى مطعمة من نوع N أي تحوي الكثير من الإلكترونات الحرة في حين الأخيرة مطعمة من نوع P أي تحوي الكثير من الثقوب الحرة. الطبقة الوسطى تكون من نصف ناقل آخر ،فيه تكون طاقة الإلكترونات الكامنة ضعيفة.
استقطاب هذه الثنائية بحقل كهربائي يعمل على تحريك الإلكترونات و الثقوب الحرة و سقوطها في البئر الكموني أين يحدث إلتحام لكل زوج إلكترون ـ ثقب و ينتج عنه إصدار فوتون. لهذه الثنائية مفعول ضوئي أكبر من مفعول المصابيح الحالية حيث أن إلتحام كل زوج إلكترون ـ ثقب يعطي فوتون. الفوتونات الصادرة قد تنتشر في عدة اتجاهات و تكون غير متناسقة (not coherent) بأطوال موجية مختلفة و تعطي الثنائية ضوءا مركبا . في الشكل 7 تمثيل مبسط لهذه الثنائية.
شكل 7
بالنسبة لثنائية الليزر، عملية إلتحام الزوج إلكترون ـ ثقب و بالتالي إرسال فوتون تكون محثوثة (stimulated) بواسطة فوتون وارد. للفوتون الصادر نفس طول موجة الفوتون الوارد، سيكون لدينا فوتونين متناسقين يحثان من جديد إلتحامات أخرى للأزواج إلكترون ـ ثقب و بالتالي إصدار فوتونات أخرى. أي في الأخير تتابع هذه العملية يؤدي إلى تضاعف عدد الفوتونات الصادرة المتناسقة و الحصول على حزمة ضوئية شديدة متناسقة و هي ما تعرف بالليزر. يوضح الشكل 8 آلية تضاعف الفوتونات الصادرة،
شكل8
عادة توضع الثنائية بين مرآتين نصف عاكستين ، فيعاني جزء من حزمة الليزر انعكاسات داخلية متتالية بين المرآتين أي يهتز ذهابا و إيابا مولدا بذلك فوتونات إضافية و هذا يؤدي إلى تضخم (amplification) لحزمة الليزر (شكل 9).
شكل 9
ثنائيات الليزر تستعمل عادة كمصادر للمعلومة و التي يتم نقلها بواسطة الألياف البصرية.
الفائدة من هذه المركبات
الثنائيات الإلكترونية المرسلة للضوء تُستعمل عادة كمؤشر ضوئي في كل الأجهزة الإلكترونية حولنا، كشاهد عند مرور التيار الكهربائي ، في لوحات الإعلانات ، أضواء الطريق و عدة تطبيقات واسعة.
لثنائية الليزر فوائد أخرى، فَحُزْمَتُهَا الضوئية متجهة و دقيقة جدا من رتبة النانومتر، يمكن أن تستعمل في قراءة الأقراص المضغوطة (CD) و أقراص الفيديو الرقمية (DVD) ـ شكل 10
شكل10
كذلك تستعمل كمحطات لنقل المعلومة عبر الألياف البصرية ، يمكن لليف بصري واحد أن يضم الكثير من الحزم الليزرية الدقيقة جدا و هذا ما يساهم في رفع تدفق المعلومات بصفة معتبرة.
الترانزستور الضوئي (photo-transistor) و الثنائية الضوئية (photo-diode) كثيرا ما يستعملان كمستقبلات للمعلومة المنقولة عبر الألياف البصرية و يحولانها إلى كهرباء. يمكن استعمالهما كذلك ككواشف لوجود أو عدم وجود الضوء في الوسط. الترانزستور الضوئي يتمايز بشكل طفيف عن الثنائية الضوئية فيما يتعلق بزمن الإستجابة و تواتر القطع.
الخلايا الشمسية تُصَنَّع غالبا بكميات كبيرة و تُجَمَّع في لوحات مُمْتَدَة بهدف تحويل الطاقة الضوئية إلى طاقة كهربائية و تصبح بذلك مصدرا للتغذية الكهربائية ، سواء على سطح الأرض أو في التطبيقات الفضائية كأجنحة الأقمار الصناعية .
هناك أيضا ما تُعْرَفُ بأجهزة ربط الشحنات (CCD: Charged coupled devices): عبارة عن مركبات إلكتروضوئية تقترب في طريقة إعدادها من
وصلة P-N ، تُجمع في صفيحة بشكل مستطيل (شكل 11) قد تحوي مليون في مليون وصلة ضوئية.
شكل11
تعتبر هذه الأجهزة من أكثر الأجهزة حساسية للضوء و يكثر إنتشار استعمالها في الكاميرات الرقمية حيث تعطي صورا أعلى جودة من الصور التي تعطيها الأجهزة المبنية على تقنية (CMOS). إلا أن أجهزة CCD صعبة الصنع و تتطلب دارات إلكترونية إضافية و تستهلك كمية أكبر من طاقة البطارية.
حاولنا من خلال هذه السطور، و بنوع من البساطة و الإيجاز ، تقديم لمحة عن أحد فروع الإلكترونيات الحديثة التي تلاقي تطبيقاتها الحالية تطورا مستمرا لا يكاد يخلو من التعقيد ، سواء في الجانب الفيزيائي أو التصنيعي. نرجو أن نكون قد أحاطنا و لو بالشيء القليل بالموضوع.
المصادر
مراجع في مجال فيزياء الجسم الصلب ومجال أنصاف النواقل
المشاركة الأصلية كتبت بواسطة ماجدة2
