ثنائي ضوئي شلالي
ثنائي ضوئي شلالي (بالإنجليزية: avalanche photodiode أو single-photon avalanche diode) أو ثنائي شلالي لفوتون واحد هو مجس حساس للضوء من نوع وصلة بي إن ترانزستور. عند امتصاص الجزء الحساس منه لشعاع ضوء فوتون تنتج فيه شحنة كهربائية تشتد كثيرا كالشلال، وتنتج نبضة كهربائية محسوسة يمكن تسجيلها. يستطيع ثنائي الضوئي الشلالي «رؤية» شعاع ضعيف، أما الثنائي الشلالي لفوتون واحد فهو مصمم لتسجيل فوتون واحد. وهو يستطيع أيضا تسجيل زمن سقوط الشعاع عليه خلال 20 بيكو ثانية. يوجد من المجس الضوئي نوعان: SPAD وهو يستطيع تسجيل فوتونا واحدا، و APD الحساس لعدة فوتونات أي له حساسية لشعاع ضوئي ضعيف.

كلا النوعان تتحرر فيه شحنة كهربائية بسبب امتصاصة لطاقة فوتون، قم تتضاعف فيه الشحنة الكهربائية الأولية في شكل شلال مؤدية إلى نبضة كهربائية يمكن لجهاز إلكتروني تسجيلها وعدها. وبينما يعمل النوعان بطريقة «الجهد معكوس الانحياز» فإن نوع الثنائي الضوئي لفوتون واحد SPAD يختلف على الثنائي الضوئي الشلالي في كون جهده المعكوس الانحياز يكون أعلى من جهد الانهيار. ويسمى هذا النمط للتشغيل «نمط غايغر» إشارة إلى عداد غايغر.

طريقة عمله 
يشتغل الثنائي الشلالي لفوتون واحد SPAD بطريقة عمل ترانزيستور (وصلة بي إن) p-n junction بجهد معكوس الانحياز
Va ويكون هذا الجهد أعلى من جهد الانهيار VB (أنظر الشكل 1)
فعند جهد الانحياز bias يكون الحقل الكهربائي شديدا وأعلى من 3×105 فولط/سنتيمتر، بحيث عندما تنشأ شحنة وتدخل الطبقة الوسطية فهي تزيد من كمية الشحنات كثيرا مثل الشلال. وبالتالي يزداد التيار سريعا في حدود نانوثانية إلى حد ثابت يبلغ قدره عدة ملي أمبير. فإذا كانت الشحنة الأولية قد تولدت نتيجة لامتصاص ضوء فإن الحافة الأولى لنبضة الشلال تمثل وقت سقوط الشعاع علي المجس. ويستمر التيار فترة حتي ينخفض جهد الانحياز VD
إلى جهد الانهيار VB أو يكون أقل منه:
ويضعف بالتالي الحقل الكهربائي ويصبح ليس في استطاعته تسريع الشحنات لكي تصتدم بذرات المادة وتوليد شحنات جديدة، فيضعف التيار.

ولكي يستطيع المجس من نوع ثنائي شلالي لفوتون واحد  تحسس فوتونا آخرا فيجب أن يرتفع جهد الانحياز مرة ثانية فوق جهد الانهيار.

أي أن عملية تحسس فوتون تحتاج دارة كهربائية مناسبة بحيث:
 تتحسس الجزء الأول من الشحنة التي تتسبب في شلال الشحنات ;
 تولد نبضة كهربائية متزامنة مع تكون الشلال ;
 تقضي على الشلال عن طريق خفض جهد الانحياز إلى جهد الانهيار ;
 إعادة الثنائي الضوئي إلى مرحلة التحسس. وتسمى تلك الدارة "دارة كبت " quenching circuit."

الكبت السلبي 

الكبت هنا يعني الإجهاز على شلال الشحنات بحيث يكون يكون المجس مستعدا لتلقي شلال ثاني. وتوجد طريقتان لكبت الشلال، الأولي تسمى «الكبت السلبي» أو «دارة الكبت السلبي». وتتكون دارة الكبت السلبي بتوصيل مقاومة على التوالي مع المجس. وفيها ينخفض تيار الشلال من ذاته بسبب انخفاض الجهد الذي يحدثه في المقاومة
RL (ومقدارها عادة 100 kΩ أو أكثر). وبعد اختفاء تيار شلال الشحنات، يستعيد المجس SPAD جهد انحيازه VD تدريجيا إلى Va ، وبالتالي يصبح المجس مستعدا لتلقي شعاعا (فوتون) جديدا.

تجدون في المرجع A Zappa et al. وصفا كاملا لعملية الكبت.

كبت نشط 

توجد طريقة حديثة لكبت شلال الشحنات تسمى طريقة «الكبت النشط». في تلك الحالة يتحسس حاجز جهدي discriminator بدء تزايد تيار الشلال عبر مقاومة 50 أوم وينتج نبضة إلى جهاز قياس Emitter-coupled logic متزامنة مع وقت امتصاص الفوتون في طبقة المجس الحساسة. ويخفض في الحال جهد الانحياز إلى أقل من جهد الانقطاع، ثم يعود به سريعا إلى جهد أعلى من جهد الانقطاع، ويصبح المجس مستعدا لاستقبال فوتونا آخرا.

عد الفوتونات ووقت تسجيلها 

تقاس شدة الشعاع بعد الفوتونات ويمثلها عدد النبضات الناشئة في المجس خلال فترة زمنية معينة (مثل دقيقة أو ثلاث دقائق أو نصف ساعة مثلا). كما يُعين تغير شدة الشعاع مع الزمن عن طريق قياس التوزيع الزمني للنبضات الناتجة، وهذا هو ما يسمى «وقت الفوتونات»، أي وقت سقوط الفوتونات.

التشبع 
خلال الفترة الزمنية التي تقضي فيها الدارة على الشلال وتعيد جهد الانحياز لا يستطيع المجس قياس فوتونات. وأي فوتون يصل إلى المجس خلال تلك الفترة لا يقاس. ويحدث ذلك عندما يزداد عدد الفوتونات الساقطة على المجس في الثانية حيث تكون الفترة الزمنية بين فوتونين أقل أو مساوية لفترة القضاء على الشلال، عندئذ لا يستطيع المجس عد جميع الفوتونات، وإنما يقيس بعضها فقط، وتصبح العلاقة بين معدل القياس ومعدل سقوط الفوتونات ليست متناسبا خطيا.

عند هذا الحد يصل مجس الثنائي الضوئي الشلالي إلى حالة التشبع . ويصل معدل القياس إلى حد أقصى (قد يكون 10 ملايين نبضة في الثانية أو أكثر) يعتمد فقط على زمن انحلال الشلال. وقد يكون ذلك ضارا بالمجس حيث يكون فيه شلال الشحنات مستمرا وبلا انقطاع، فيسخن ويفسد.

ضجيج داخلي 

كما يحدث انتاجا في المجس لشحنات بسبب الفوتونات، كذلك يحدث فيه انتاجا لشحنات تنتجها حرارة المجس، في العادة يكون معدل تولد تلك الشحنات المتولدة حراريا ضئيلا، وبالطبع يكون في استطاعتها توليد شلالات. تسمى تلك الشلالات الناشئة من حرارة المجس ونبضاتها «ضجيجا»، وهو ضجيج ذاتي (شوشرة).

لذلك فمن الممكن قياس هذا الضجيج عندما يكون المجس في حالة ظلام دامس. ويكون معدل القياس في الثانية في تلك الحالة «معدل قياس الظلام» dark count rate وهو معدل الضجيج للمجس.

ومقلوب معدل قياس الظلام يعين الفترة الزمنية التي يكون خلالها المجس منحازا فوق جهد الانهيار قبل أن يشوشر عليه ضجيج شلال حراري (ضجيج ذاتي). ولذلك فإذا أردنا قياس فوتونات منفردة بواسطة  ثنائي شلالي لفوتون واحد  SPAD
فلابد من أن يبقى منحازا فوق جهد الانهيار لمدة كافية (عدة مللي ثانية)، أي عند معدل قياس أقل من 1000 نبضة/الثانية (counts per second (cps.

العلاقة بين الجهد والتيار 

العلاقة بين الجهد والتيار هي أحد خواص الثنائي الضوئي الشلالي APD وكذلك أحد خواص الثنائي الشلالي لفوتون واحد SPAD (وهي خاصية يعطيها المصنع). ويمكن تعيين شكل منحنى تلك العلاقة لكل منهما، بزيادة الجهد الكهربي رويدا رويدا مع قياس فيمة التيار عند كل قراءة. الشكل 2 المجاور يمثل نتيجة مثل ذلك القياس لكلا المجسين.

نجد أن الثنائي الشلالي لفوتون واحد  SPAD - حيث يعمل فوق جهد الانهيار - يسري فيه تيار شلال عندما يسقط عليه شعاع ضوء (الفرع on-branch) متناسبا مع الجهد. وعندما لا يسقط عليه فوتون أو لا يتولد فيه شلال حراري ذاتي فلا يسري فيه تيار (فرع off-branch). أي عندما يكون SPAD مضبوطا بجهد فوق جهد الانهيار ويسقط عليه فوتون فإنه ينتقل من حالة عدم التوصيل (عدم مرور تيار) إلى حالة التوصيل (مرور تيار).

مقارنة بين المجسين 

الثنائي الضوئي الشلالي APD والثنائي الشلالي لفوتون واحد  SPAD كلاهما عبارة عن وصلة بي إن ذات جهد انحياز عكسي. يعمل الثتائي الضوئي الشلالي تحت جهد الانهيار بينما يعمل الثنائي الشلالي لفوتون واحد فوق جهد الانهيار. يؤدي الحقل الكهربائي في الثنائي الضوئي الشلالي إلى تضاعف في عدد الشحنات بطريقة هادئة، حيث تبلغ عدد الإلكترونات الناتجة في النبضة عدة مئات فقط، ويكون «الشلال» الحادث متناسبا مع شدة الضوء الساقطة على المجس.

ولكن الثنائي الشلالي لفوتون واحد يعمل فوق جهد الانهيار، ويكون حساسا لفوتون واحد، إذ ينشأ عن كل فوتون شلال كبير من الإلكترونات وبالتالي نبضة كهربية.

هذا معناه أن الثنائي الضوئي الشلالي ينتج نبضة كهربية مكونة من عدة مئات من الإلكترونات، بينما ينتج الثنائي الشلالي لفوتون واحد مليارات من الإلكترونات في الثانية وتكون نبضته الكهربائية كبيرة في حيز مللي أمبير.

المراجع

اقرأ أيضا 
 عداد جايجر
 عداد شبه الموصلات
 وصلة بي إن
 انبوب جايجر-مولر
 عداد شرائح رقيقة
 غرفة سلكية
 عداد شيرينكوف
 عداد وميضي
 عداد تناسبي

أجهزة بصرية
ثنائيات ضوئية
كواشف جسيمات
ثنائي ضوئي شلالي ( بالإنجليزية : avalanche photodiode أو single - photon avalanche diode ) أو ثنائي شلالي لفوتون واحد هو مجس حساس للضوء من نوع وصلة بي إن ترانزستور . عند امتصاص الجزء الحساس من ه لشعاع ضوء فوتون تنتج في ه شحنة كهربائية تشتد كثيرا كالشلال ، و تنتج نبضة كهربائية مح سوسة يمكن تسجيل ها . يستطيع ثنائي الضوئي الشلالي « رؤية » شعاع ضعيف ، أما الثنائي الشلالي لفوتون واحد ف هو مصمم لتسجيل فوتون واحد . و هو يستطيع أيضا تسجيل زمن سقوط الشعاع علي ه خلالبيكو ثانية . يوجد من المجس الضوئي نوعان : SPAD و هو يستطيع تسجيل فوتونا واحدا ، و APD الحساس ل عدة فوتونات أي ل ه حساسية لشعاع ضوئي ضعيف . كلا النوعان تتحرر في ه شحنة كهربائية ب سبب امتصاصة لطاقة فوتون ، قم تتضاعف في ه الشحنة الكهربائية الأولية في شكل شلال مؤدية إلى نبضة كهربائية يمكن لجهاز إلكتروني تسجيل ها وعد ها . و بينما يعمل النوعان ب طريقة « الجهد معكوس الانحياز » ف إن نوع الثنائي الضوئي لفوتون واحد SPAD يختلف على الثنائي الضوئي الشلالي في كون جهد ه المعكوس الانحياز يكون أعلى من جهد الانهيار . ويسمى هذا النمط للتشغيل « نمط غايغر » إشارة إلى عداد غايغر . طريقة عمل ه يشتغل الثنائي الشلالي لفوتون واحد SPAD ب طريقة عمل ترانزيستور ( وصلة بي إن ) p - n junction بجهد معكوس الانحياز Va و يكون هذا الجهد أعلى من جهد الانهيار VB ( أنظر الشكل ف عند جهد الانحياز bias يكون الحقل الكهربائي شديدا وأعلى من 105 فولط / سنتيمتر ، ب حيث عندما تنشأ شحنة وتدخل الطبقة الوسطية ف هي تزيد من كمية الشحنات كثيرا مثل الشلال . و ب التالي يزداد التيار سريعا في حدود نانوثانية إلى حد ثابت يبلغ قدر ه عدة ملي أمبير . ف إذا كانت الشحنة الأولية قد تولدت نتيجة ل امتصاص ضوء ف إن الحافة الأولى لنبضة الشلال تمثل وقت سقوط الشعاع علي المجس . و يستمر التيار فترة حتي ينخفض جهد الانحياز VD إلى جهد الانهيار VB أو يكون أقل من ه : و يضعف ب التالي الحقل الكهربائي ويصبح ليس في استطاعت ه تسريع الشحنات لكي تصتدم بذرات المادة وتوليد شحنات جديدة ، ف يضعف التيار . و لكي يستطيع المجس من نوع ثنائي شلالي لفوتون واحد تحسس فوتونا آخرا ف يجب أن يرتفع جهد الانحياز مرة ثانية فوق جهد الانهيار . أي أن عملية تحسس فوتون تحتاج دارة كهربائية مناسبة ب حيث : تتحسس الجزء الأول من الشحنة التي تتسبب في شلال الشحنات ; تولد نبضة كهربائية متزامنة مع تكون الشلال ; تقضي على الشلال عن طريق خفض جهد الانحياز إلى جهد الانهيار ; إعادة الثنائي الضوئي إلى مرحلة التحسس . وتسمى تلك الدارة " دارة كبت " quenching circuit . " الكبت السلبي الكبت هنا يعني الإجهاز على شلال الشحنات ب حيث يكون يكون المجس مستعدا ل تلقي شلال ثاني . و توجد طريقتان لكبت الشلال ، الأولي تسمى « الكبت السلبي » أو « دارة الكبت السلبي » . و تتكون دارة الكبت السلبي ب توصيل مقاومة على التوالي مع المجس . و في ها ينخفض تيار الشلال من ذات ه ب سبب انخفاض الجهد الذي يحدثه في المقاومة RL ( و مقدار ها عادة kΩ أو أكثر ) . و بعد اختفاء تيار شلال الشحنات ، يستعيد المجس SPAD جهد انحيازه VD تدريجيا إلى Va ، و ب التالي يصبح المجس مستعدا ل تلقي شعاعا ( فوتون ) جديدا . تجدون في ال مرجع A Z appa et al . وصفا كاملا ل عملية الكبت . كبت نشط توجد طريقة حديثة لكبت شلال الشحنات تسمى طريقة « الكبت النشط » . في تلك الحالة يتحسس حاجز جهدي discriminator بدء تزايد تيار الشلال عبر مقاومةأوم و ينتج نبضة إلى جهاز قياس Emitter - coupled logic متزامنة مع وقت امتصاص الفوتون في طبقة المجس الحساسة . و يخفض في الحال جهد الانحياز إلى أقل من جهد ال انقطاع ، ثم يعود ب ه سريعا إلى جهد أعلى من جهد ال انقطاع ، ويصبح المجس مستعدا ل استقبال فوتونا آخرا . عد الفوتونات ووقت تسجيل ها تقاس شدة الشعاع بعد الفوتونات ويمثل ها عدد النبضات الناشئة في المجس خلال فترة زمنية معينة ( مثل دقيقة أو ثلاث دقائق أو نصف ساعة مثلا ) . كما يُعين تغير شدة الشعاع مع الزمن عن طريق قياس التوزيع الزمني للنبضات الناتجة ، و هٰذا هو ما يسمى « وقت الفوتونات » ، أي وقت سقوط الفوتونات . التشبع خلال الفترة الزمنية التي تقضي في ها الدارة على الشلال و تعيد جهد الانحياز لا يستطيع المجس قياس فوتونات . وأي فوتون يصل إلى المجس خلال تلك الفترة لا يقاس . و يحدث ذلك عندما يزداد عدد الفوتونات الساقطة على المجس في الثانية حيث تكون الفترة الزمنية بين فوتونين أقل أو مساوية ل فترة القضاء على الشلال ، عندئذ لا يستطيع المجس عد جميع الفوتونات ، و إنما يقيس بعض ها فقط ، و تصبح العلاقة بين معدل القياس و معدل سقوط الفوتونات ليست متناسبا خطيا . عند هذا الحد يصل مجس الثنائي الضوئي الشلالي إلى حالة التشبع \ . و يصل معدل القياس إلى حد أقصى ( قد يكونملايين نبضة في الثانية أو أكثر ) يعتمد فقط على زمن انحلال الشلال . و قد يكون ذلك ضارا بالمجس حيث يكون في ه شلال الشحنات مستمرا و ب لا انقطاع ، فيسخن ويفسد . ضجيج داخلي كما يحدث انتاجا في المجس لشحنات ب سبب الفوتونات ، كذلك يحدث في ه انتاجا لشحنات تنتج ها حرارة المجس ، في العادة يكون معدل تولد تلك الشحنات المتولدة حراريا ضئيلا ، و ب الطبع يكون في استطاعت ها توليد شلالات . تسمى تلك الشلالات الناشئة من حرارة المجس ونبضات ها « ضجيجا » ، و هو ضجيج ذاتي ( شوشرة ) . ل ذٰلك ف من الممكن قياس هذا الضجيج عندما يكون المجس في حالة ظلام دامس . و يكون معدل القياس في الثانية في تلك الحالة « معدل قياس الظلام » dark count rate و هو معدل الضجيج للمجس . ومقلوب معدل قياس الظلام يعين الفترة الزمنية التي يكون خلال ها المجس منحازا فوق جهد الانهيار قبل أن يشوشر علي ه ضجيج شلال حرار ي ( ضجيج ذاتي ) . و لذٰلك ف إذا أرد نا قياس فوتونات منفردة ب واسطة ثنائي شلالي لفوتون واحد SPAD ف لا بد من أن يبقى منحازا فوق جهد الانهيار ل مدة كافية ( عدة مللي ثانية ) ، أي عند معدل قياس أقل مننبضة / الثانية ( counts per second ( cps . العلاقة بين الجهد و التيار العلاقة بين الجهد و التيار هي أحد خواص الثنائي الضوئي الشلالي APD و كذٰلك أحد خواص الثنائي الشلالي لفوتون واحد SPAD ( و هي خاصية يعطي ها المصنع ) . و يمكن تعيين شكل منحنى تلك العلاقة ل كل من هما ، ب زيادة الجهد الكهربي رويدا رويدا مع قياس فيمة التيار عند كل قراءة . الشكلالمجاور يمثل نتيجة مثل ذلك القياس لكلا المجسين . نجد أن الثنائي الشلالي لفوتون واحد SPAD - حيث يعمل فوق جهد الانهيار - يسري في ه تيار شلال عندما يسقط علي ه شعاع ضوء ( الفرع on - branch ) متناسبا مع الجهد . و عندما لا يسقط علي ه فوتون أو لا يتولد في ه شلال حرار ي ذاتي ف لا يسري في ه تيار ( فرع off - branch ) . أي عندما يكون SPAD مضبوطا بجهد فوق جهد الانهيار ويسقط علي ه فوتون ف إن ه ينتقل من حالة عدم ال توصيل ( عدم مرور تيار ) إلى حالة ال توصيل ( مرور تيار ) . مقارنة بين المجسين الثنائي الضوئي الشلالي APD والثنائي الشلالي لفوتون واحد SPAD كلى هما عبارة عن وصلة بي إن ذات جهد انحياز عكسي . يعمل الثتائي الضوئي الشلالي تحت جهد الانهيار بينما يعمل الثنائي الشلالي لفوتون واحد فوق جهد الانهيار . يؤدي الحقل الكهربائي في الثنائي الضوئي الشلالي إلى تضاعف في عدد الشحنات ب طريقة هادئة ، حيث تبلغ عدد الإلكترونات الناتجة في النبضة عدة مئات فقط ، و يكون « الشلال » الحادث متناسبا مع شدة الضوء الساقطة على المجس . و لٰكن الثنائي الشلالي لفوتون واحد يعمل فوق جهد الانهيار ، و يكون حساسا لفوتون واحد ، إذ ينشأ عن كل فوتون شلال كبير من الإلكترونات و ب التالي نبضة كهربية . هذا معنى ه أن الثنائي الضوئي الشلالي ينتج نبضة كهربية مكونة من عدة مئات من الإلكترونات ، بينما ينتج الثنائي الشلالي لفوتون واحد مليارات من الإلكترونات في الثانية و تكون نبضت ه الكهربائية كبيرة في حيز مللي أمبير . المراجع اقرأ أيضا عداد جايجر عداد شبه الموصلات وصلة بي إن انبوب جايجر - مولر عداد شرائح رقيقة غرفة سلكية عداد شيرينكوف عداد وميضي عداد تناسبي أجهزة بصرية ثنائيات ضوئية كواشف جسيمات