Тақырып: Оптоэлектрондық аспаптар.

Қарастырылатын сұрақтар:

1. Фотоэлектрлі құрылғылар.

2. Оптоэлектрондық аспаптар.

Дәрістің қысқаша жазбасы:

Оптикалық сәулелену энергиясын электр энергиясына айналдыратын құрылғыларды фотоэлектрлі құрылғы деп атайды.

Фотоэлектрлі аспаптардың жұмыс істеу принципі ішкі және сыртқы фотоэффектке негізделген.

Ішкі фотоэффект – кристалдарға немесе жартылай өткізгіштерге жарық сәулелері түскенде жарық жұтылады да, олардың құрамындағы кейбір электрондар тобы зоналардан өткізгіштік зоналарға ауысып қозғалады. Осының нәтижесінде жартылай өткізгіш электрлік кедергісі кемиді де, электр өткізгіштігі артады.

ФОТОДИОД. Кері тогы р-n өтпесінің жарықталынуына байланысты өзгеріп отыратын жартылай өткізгішті диод фотодиод деп аталады. Фотодиодтар екі түрлі жұмыс әлпінде пайдаланады: сыртқы қорек көзінсіз фотогенератор ретінде және сыртқы қорек көзімен фототүрлендіргіш ретінде.

7.1-сурет. Фотодиодтың құрылысы (а) мен графикалық шартты белгісі (б).

Фотодиод, қарапайым диод секілді, бір р-n өтпесінен тұрады. Бірақ түйіспенің ауданы басқа диодтарға қарағанда әлдеқайда үлкен болады, өйткені сәуле осы ауданға перпендикуляр түсуі керек (7.1-сурет). р-n өтпесіне түскен сәуле фотондары қоздыратын валенттік электрондар өткізгіштік аймақка өтеді. Осының салдарынан екі жартылай өткізгіште де заряд тасушы қос бөлшектердің (электрондар мен кемтіктердің) саны көбейеді. Түйіспелік потенциалдар айырымының әсерінен n-түрлі жартылай өткізгіштегі негізгі емес заряд тасымалдаушылар - кемтіктер р-түрлі жартылай өткізгішке өтеді де, ал мұндағы негізгі емес заряд тасымалдаушылар — электрондар n-түрлі жартылай өткізгішке өтеді. Сөйтіп, n-түрлі жартылай өткізгіште артық электрондар, ал р-түрлі жартылай өткізгіште артық кемтіктер пайда болады. Бұл фотодиодтың қысқыштарында потенциалдар айырымын, яғни фотоэлектрлік ЭҚК-ті тудырады. Фотоэлектрлік ЭҚК-тің мәні көптеген фотодиодтарда 0,5...0,9 В шамасында болады және сәуле ағынынан тәуелді. Бірақ сәуле ағыны белгілі бір шамаға жеткенде р-n өтпесі заряд тасымалдаушыларға қанығады да фотоэлектрлік ЭҚК одан әрі өспейді.

Фотогенератор әлпінде істейтін фотодиодтар күн сәулелерінің энергиясын электр энергиясына түрлендіретін қорек көздері ретінде пайдаланылады. Оларды күн сәулелік элементтер деп атап, олардан күн сәулелік батарея құрайды. Бірақ мұндай күн сәулелік элементтердің пайдалы әрекет коэффициенті өте төмен — 20% шамасында ғана.

Егер фотодиодты кернеу кезіне қосып және жарықтандырса, онда тура кернеу берілгенде оның вольт-амперлік сипаттамасының (7.2-сурет) АВ бөлігінің генератор әлпіне сәйкес келетінін, ал кері кернеу берілгенде оның тогының жарықтандырылмаған фотодиодқа қарағанда недәуір өсетінің көруге болады.

7.2-сурет. Жарықталмаған (1) және жарықталған (2) фотодиодтың вольт-амперлік сипаттамалары.

Фотодиодтардың негізгі параметрлері болып интегралдық сезгіштігі және қараңғылық тогы есептелінеді. Силицийден және германийдан жасалған фотодиодтардың интегралдық сезгіштігі 3 мА/лм және 20 мА/лм, ал қараңғылық токтары сәйкесінше 1...3 мкА және 10....30 мкА шамасында болады.

Фотодиодтар фотометрияда, фотоколориметрияда және телекескіндерді беру құрылғыларында қолданылады.

ЖАРЫҚ ДИОДЫ. Ток жүрген кезле р-n өтпесінен жарық шығаратын жартылай өткізгішті диод жарық диоды деп аталады. Жарық диодтары негізінен цифрлық индикаторларда қолданылады.

р-n өтпесіне тура кернеу бергенде негізгі заряд тасымалдаушылардың пайда болуымен қатар, олардың рекомбинаиясы да жүріп жатады. Рекомбинация кезінде бөлініп шағатын фотондардң энергиясы жарық сәулелерінің энергиясына тең болғанда, ол сәулелер көзге көрінетін болады. Егер жартылай өткізгіште тыйым салынған аймақтың ені 1,7 эВ-тен артық болса, онда электрондар өткізгіштік аймақтан валенттік аймаққа қайтып оралғанда шығаратын фотондары көзге көрінетін жарық тудырады.

Жарық диодтары галлий арсенидтері мен фосфидтерінен және силиций карбидтерінен жасалады.

Жарықтылықтың токтан тәуелділігі жарық диодының негізгі сипаттамасы болып саналады (7.3-сурет). Токтың белгілі бір мәнінен бастап ток өскен сайын жарықтылық та өсіп отырады. Бірақ кейін ток одан әрі өскенде заряд тасымалдаушылардың рекомбинациясы көбеймей бір мөлшерде жүріп отыратындықтан жарықтылық та өзгермей қалады.

Жарық диодының негізгі параметрлері: жұмыстық кернеулерінің төменгі және жоғарғы шекті аралығы мен инерциялылығы. Жарық диодының жұмыстық кернеуінің төменгі шекті мәні оның жарық шығара бастағандағы кернеуімен анықталса, ал жоғарғы шекті мәні шашырата алатын ең үлкен қуатымен анықталады. Жарық диодының инерциялылығы оның жарықтылығы максимал мәнінің 0,1 және 0,9 бөлігіне тең болған кездегі жану және сөну уақыттарымен анықталады.

7.3-сурет. Жарық диодының жарықтылық сипаттамасы мен графикалық шартты белгісі.

Электр сигналдарын оптикалық сигналдарына түрлендіріп және оның энергиясын индикатор немесе фотоэлектрлік түрлендіргішке беретін (ұзататын) аспаптарды оптоэлектрондық аспаптар деп атайды.

7.4 – сурет. 1-шыңжылары, 2-фотоқабылдағыш, 3-корпус, 4-оптикалық орта, 5-диод.

Электр құрылғыларда оптрондар оптикалық сәуле қабылдағыш пен сәулелендіргішті қосып тұрушы байланыс элементі ретінде қолданады.

Сәулелендіргіш ретінде жарық диодын қолданады, ал қабылдағыштар ретінде - фотокедергі, фотодиод, фототранзистор, фототиристор болуы мүмкін. Қолданған фотоқабылдағыштың түріне байланысты оптрондар фотокедергілі, фотодиодты, фототранзисторлы, фототиристорлы болады.

Кірмелі және шықпалық сипаттамалары мұндағы қолданылған сәулелендіргіш пен қабылдағышқа байланысты. Оптрондардың негізгі параметрі – беріліс сипаттамасы. Фотокедергілік оптрондарда қараңғылық кедергінің жарықтық кедергіге қатынасы β=R_қ/R_ж. Фотодиод және фототранзистор бойынша беріліс коэффициенті К_i=I_мың/I_кір

7.5 – сурет. Оптрондық аспаптар.

Диодты оптрондардың жарық көзі ретінде арсенид диодың, ал қабылдағыш болып кремнийлі фотодиодты алады. Бұл оптронды кілт ретінде қолданады және жиілігі 10¹³-10¹⁵ Гц токты коммутация жасайды. Жабық күйдегі каранғылық кедергісі 10⁸-10¹⁰ Ом, ашық күйде – бірнеше жүздеген килоомға дейін болады. Кірмелі және шықпалы тізбек арасындағы кедергісі 10¹³-10¹⁵ Ом. Сондықтан диодты оптрон кірмелі және шықпалы тізбек арасында өзара гальваникалық ажырату мүмкіндігіне ие болып, ауысу кезінде жақсы сипаттаманы қамтамасыз етеді. Оптронның структурасы бойынша арасында кеңістік болады, ал ондағы оптикалық ортаның сындыру көрсеткішін минималды энергия жоғалуы болатындай етіп таңдайды және жарық көзін сфераның пішініндей жасайды.

Бақылау сұрақтары:

1. Фотоэлектрондық құрылғыларға не жатады?

2.Жарық диодтары қайда қолданылады?

3.Оптоэлектрондық аспаптарды атаңыз.

4. Фотодиодтың жұмыс принципі.

5. Жарық диодтың жұмыс принципі.