Фотокабылдағышта немесе фотоэлектрлік аспапта сәуле энергиясының электр энергиясына түрленуі жүреді.

Олардың жұмысы негізгі үш фотоэлектрлік құбылыстарға негізделген:

а) ішкі фотоэффект – өткізгішті жарықтандыру кезінде ток тасушылардың үлесінің артуы себебінен оның электр өткізгіштігінің артуы (фоторезистор);

б) бекітуші қабаттағы фотоэффект – екі материалдың шекарасында жарықтың әсерінен ЭҚК-ң туындауы (фотодиод, фототранзистор);

в) сыртқы фотоэффект – жарықтың әсерінен заттың электрондарды шығаруы – фотоэлектрондық эмиссия (фотоэлемент, фотоэлектрондық көбейткіш).

8.3.1 Фотодиод

Фотодиод – жұмыс істеуі бекітуші қабаттағы фотоэффектіге негізделген фотоэлектрондық аспап, p-n өткелде жарық ағынының әсерінен ЭҚК пайда болады.

Құрылымы қарапайым p-n өткелдегідей. Германий немесе кремнийден жасалады, көбінесе кремнийден, өйткені оның түрлендіру еселігі жоғары.

Жарықпен екі бағытта әсер етуге болады:

а) p-n өткелге параллель, бірақ бұл жағдайда барлық процестер бетіндегі кішігірім облыста жүреді;

б) p-n өткелге перпендикуляр, облыстардың бірі сәулелерге арналып мөлдір етіп жасалады.

Сәулелендірген кезде бастапқы заттың p-n өткелдегі атомдарының иондалуы жүреді. Меншікті электр өткізгіштігі, яғни электрондар мен кемтіктердің жұбы өседі.

Фотодиод сыртқы қорек көзімен немесе онсыз да қосыла алады:

а) сыртқы қорек көзінсіз – вентильдік немесе фотогенераторлық режим деп аталады;

б) сыртқы қорек көзі бар болса Е_сырт – фотодиодтық немесе фототүрлендіргіш режим деп аталады.

а)фотодиодтың вентиль режимі – Е_сырт = 0:

1) Ф = 0 болғанда (жарықтандырылған диод режимі) тепе-теңдік күйде болады, p-n өткел жабық, сондықтан өткел арқылы өтетін қорытынды ток нөлге тең;

2) Ф > 0. Егер бетіне түсетін фонтонның энергиясы рұқсат етілмеген аймақ енінен үлкен болса, онда валенттік электрон өткізгіштік аймағына өтіп қозғалмалы тасушылар жұбы – электрон және кемтік түзіледі. Жабушы қабаттағы тасушылардың үлесі р және n облыстардағыдан аз болғандықтан, градиент әсерінен олар p-n өткелге диффузиланады. Өткел шекарасында олар бөлінеді. Өткел өрісінің (потенциалдардың түйісу айырмасы) әсерінен қосалқы тасушылар негізгіге айналатын облысқа өткізіледі, яғни кемтіктер р-аймаққа, ал электрондар – n-аймаққа өтеді. р облыста кемтіктердің артық оң заряды, ал n облыста электрондардың артық теріс заряды жинақталады, яғни шықпаларда фото ЭҚК пайда болады – j_Ф, ол p-n- өткелге тура бағытта әсер етеді.

Осылайша жарық ағынының Ф есебінен токтың дрейфтік құраушысы – фото ЭҚК j_Ф өседі. Фото ЭҚК өз кезегінде потенциалдық тосқауылды азайтады және диффузиялық токты өсіреді.

Фото ЭҚК j_Ф шамасын анықтайық.

Диодтағы токтардың қосындысы I_Е – I_Д + I_Ф = 0, мұндағы I_Е – дрейфтік ток, I_Д – диффузиялық ток, I_Ф – фототок.

I_Е=I₀ – p-n өткелдің жылулық тогына.

Диффузиялық ток I_Д=I₀∙еxp(j_Ф /j_Т) ,

фототок I_ф= I_Д – I_Е = I₀ [еxp(j_Ф /j_Т) –1)], осыдан

j_Ф=j_Т∙_∙ln[(I_Ф/I₀+1)].

Фото ЭҚК j_Ф жарықтандырылуға, толқын ұзындығына l, рұқсат етілмеген аймақ еніне, тасушылардың өмір сүру уақытына, электрондардың қозғалғыштығына, беттің күйіне тәуелді;

б) фотодиодтық немесе фототүрлендіру режимі.

Сыртқы қорек көзінің кернеуі диодқа кері бағытта қосылады:

а) Ф = 0 болғанда өткел арқылы кері жылулық ток – I₀ ағады;

б) Ф >0 әсерінен тасушылар жұбының саны өседі және кері ток – фототок өседі. Диод арқылы ағатын жалпы ток I_жалпы=I₀+I _Ф.

Фотодиодтың негізгі сипаттамалары:

а) вольт-амперлік сипаттама I=f(U)|Ф= const (8.8-сурет).

Мұндағы IV ширекте генераторлық режим бейнеленген:

1) I = 0 болғанда (бос жүріс режимі) U = j_ф – фото ЭҚК;

2) U = 0 болғанда (қысқа тұйықтау режимі) I_ҚТ тогы ағады;

3) R_ж ¹ 0 болғанда ток I = j_ф / R_ж.

III ширекте фотодиодтық режим бейнеленген. Ф = 0 болса, сипаттама түзеткіш диодтың кері тармағымен (қараңғылық режимі) сәйкес келеді. Ф-ң артуымен I_Ф фототогы да өседі. Жалпы ток I_жалпы кері ток пен фототоктың қосындысына тең I_жалпы=I₀+I_Ф.

I-ширекте – Ф = 0 болғанда ВАС түзеткіш диодтікіндей болады.

Ф > 0 болғанда I_тур >> I_Ф және I_Ф –ті I_тур қалқасында ажырату мүмкін емес. Сондықтан фотодиод тура қосылуда пайдаланылмайды. I_Ф және I_кер мөлшерлес болғандықтан, фотодиод кері бағытта қосылады;

б) спектрлік сипаттама I_ф=f(l).

Германий фотодиодының спектрі кеңірек болып келеді (8.9-сурет);

в) энергиялық сипаттама I_ф=f(Ф):

1) жарықтық (вентильдік режим үшін – 8.10,а -сурет) I_ф=f(Ф)|_Rж = const, R_ж = 0 болғанда I_ф жарық ағыны Ф-ке тура пропорционал өзгереді, R_ж-нің артуымен U_Rж өседі және сипаттама сызықты заңдылықтан ауытқиды;

2) жарықтық (фотодиодтық режим үшін –8.10,б-сурет) I_ф=f(Ф) |_U=const

Негізгі параметрлері:

а) шығыс кедер­гісі R_шығ – ондаған мегаом;

б) сезімталдығы К=DI_Ф/DФ|_U=const – бірнеше ондаған мА/лм;

в) қараңғылық тогы I_қ , Ф=0 және U_кер=1 В болған кездегі ток.

Кемшіліктері:

а) температураның күшті әсер етуі;

б) инерциялылығы жоғары;

в) шығынның жоғарылығынан түрлендіру еселігі төмен.

Фотодиодтардың қолданылуы:

а) әлсіз төмен жиілікті жарық сигналдарын тіркеу үшін;

б) жарық энергиясын электр энергиясына түрлендіргенде (күн батареялары, қорек көздері);

в) ақпаратты оқу құрылғыларында;

г) автоматикада, фотометрияда, сәулелену көздерінің бар болуын қадағалау кезінде және т.б.

8.3.2 Биполюстік фототранзистор

Бұл екі немесе одан көп шықпасы бар фотоэлектрондық транзистор. Құрылымы жазық транзистордағыдай және эмиттерден, коллектордан және базадан шықпалары бар.

Жарық базаға әсер етеді.

Екі режимде жұмыс істейді:

а) үзілген (қалқымалы) базалы;

б) іске қосылған базамен.

Үзілген базамен жұмыс істеу режимін қарастырайық:

а) Ф=0 болғанда коллекторлық өткел арқылы коллектордың тесіп өту тогы I_ККТ ағады, ол қараңғылық тогы (ОЭ сұлбадағы I_б=0 –үзілген база кезіндегі коллектордың кері тогы) деп аталады.

I_КТ=I_ККТ= I _КК /(1 – a);

б) Ф>0 болғанда фотондар базадағы жұптардың пайда болуын туындатады. Кемтіктер КА өрісімен коллекторға тартылады, ал электрондар базада жинақталады. Олар ЭА потенциалдық тосқауылды азайтады, бұл кемтіктердің эмиттерден қосымша инжекциялануын туғызады және I_К коллектор тогын арттырады. Ішкі фотоэффект кезінде пайда болатын электрондар, жарық ағынына Ф пропорционал фототокты I_Ф құрайды және база тогын басқарушы рөлін атқарады.

Диод пен транзисторға әсер ететін жарық ағындары тең болғанда, фототранзистордағы I_К-ның толық өсімі диод фототогынан (b+1) есе артық

I_ФТ=I_Фд(1+b).

Максимал сезімталдық, коллекторға тікелей түйісіп тұрған, база бөлімін жарықтандырғанда алынады, өйткені одан алшақтатылған кезде олар рекомбинацияланады, ал эмиттерлік түйіспені өлі аймақ жарық сезгіш алаңның шетінде болу үшін жылжытады.

Негізгі сипаттамалары:

а) шығыс I_K=f(U_КЭ), Ф=const болғанда ОЭ биполюстік транзистордың сипаттамаларындай, бірақ параметрі I_Б база тогы орнына Ф жарық ағыны болады.

б) энергиялық және спектрлік сипаттамалары фотодиодтың сипаттамаларына ұқсас болып келеді.

8.3.3 Фототиристор

Фототиристор жарық сигналын электр сигналына түрлендіреді. Құрылымы қарапайым тиристор құрылымымен бірдей, бірақ мөлдір терезесі бар (8.11-сурет). Мұндағы:

1 – мөлдір қабат;

n₁, p₂ – базалар;

n_2, p₁ – эмиттерлер;

БЭ – басқарушы электрод.

ВАС-да, қарапайым тиристордағыдай, теріс кедергі бөлігі бар.

Жұмыс істеу режимдерін қарастырайық:

а) Ф=0 болғанда қарапайым тиристордағыдай режим болады, қараңғылық тогы ағады;

б) Ф > 0 болғанда жарық ағыны тиристордың қосылу сәтін басқарады. Тасушылар жұбы пайда болады, кемтіктер р-облысқа, ал электрондар n-облысқа өткізіледі. Эмиттерлік өткелге қарай жылжи отырып, олар ондағы потенциалдық тосқауылдарды азайтады және диффузиялық токтарды арттырады. Ф кейбір шамасында Мa = 1 және тиристор қосылады. Ол арқылы I=(I_К0 + I_Ф)/(1 – Мa) тогы ағады, мұндағы I_Ф – қорытынды фототок ‑ I_Ф= I_Ф2+I_Ф1a₁+I_Ф3a₃.

Жарық ағынымен Ф басқарудың электрлікке қарағанда артықшылығы бар, өйткені ол басқарушы тізбекті күштіктен гальваникалық ажыратуды жүзеге асыруға мүмкіндік береді.

БЭ ‑ қосымша электрод мына себептермен енгізілген:

а) белгілі жұмыс режимін құруға;

б) температуралық тұрақтандыру үшін;

в) жарық сезгіштікті тұрақтандыруға.

Фототиристордың негізгі сипаттамалары:

а) спектрлік сипаттамасы фототранзистордағыдай;

б) ВАС – тиристордегідей;

в) басқару сипаттамасы U_қос =f(Ф)8.12-суретте келтірілген, мұндағы U_қос0 – U_қос, Ф= 0 болғанда. Бұл қараңғылаған кездегі максимал кернеу;

U_қалд – Ф_түз кезіндегі минимал U_қос;

Ф_түз – ВАС түзелетін максимал жарық ағыны;

Ф_таб – басқарушы жарық ағынына бастапқы сезімталсыздық;

г) U=const болғандағы жарықтық сипаттамасы I_Ф=f(Ф) 8.13-суретте келтірілген.

Фототиристор әртүрлі автоматты құрылғыларда жоғары қуатты электр тізбектерін жалғастыру үшін түйіспесіз кілттер ретінде қолданылады.

Аспаптың артықшылықтары – қуатты аз тұтынады, өлшемдері кіші, қосылу уақыты аз және ескірмейді.

Оптрондар

8.4.1 Қарапайым оптрон – фотондық байланысы бар жұп

Оптрон – жарық көзін және онымен сәйкестендірілген фотокабылдағышты біріктіретін активті элемент, онда сыртқы электр сигналы оптикалық сигналға түрленіп күшейтіледі, сонан кейін қайтадан электрлік сигналға айналдырылады, немесе осы процестер кері бағытта жүргізіледі, бірақ күшейту еселігі міндетті түрде бірден үлкен болуы қажет.

Негізгі артықшылығы – кіріс және шығыс тізбектерін ажырату мүмкіндігі, яғни гальваникалық немесе оптикалық ажырату.

Оптрондар екі түрге бөлінеді:

а) сыртқы фотондық және ішкі электрлік байланысы бар оптрон.

8.14-суреттегі ФҚ – фотокабылдағыш, К – электр сигналдарын күшейткіш, ЖК – жарық көзі.

Шығыс жарықтылық В_шығкіріске пропорционал өзгереді В_кір. Оптикалық сигнал электрлікке түрленеді, сонан кейін электрондық күшейткішпен күшейтіліп қайтадан оптикалық сигналға айналдырылады.

Егер кіріс сигналының спектрлік құрамы бірдей болса В_шығ>В_кір болса, онда гомохро-матикалық күшейту орын алады, В_шығ>В_кір және әртүрлі спектрлер болса, онда гетерохроматикалық күшейту немесе сәулеленуді түрлендіру болады. Бір толқын ұзындығын басқаға түрлендіруге болады. Оптикалық ФҚ және ЖК қолданған жағдайда жарық күшейеді.

Оптронның негізгі (беріліс) сипаттамасы В_шығ = f(В_кір) 8.15-суретте келтірілген. Сипаттаманың пайдаланылатын бөлігі – сы­зықты бөлігі, жарықтылықтың үлкен және кіші мәндерінде бейсызықты аралықтар пайда болады.

Оптрон – оптоэлектрондық күшейткіштер мен бейнені түрлен­діргіштердің негізі. Көптеген оптрондардан тұратын матрицаның кірісіндегі бейне, шығысында күшейтіледі немесе түрленеді (мысалы, көрінбейтін көрінетінге);

б) ішкі фотондық байланысы бар оптрон (8.16-сурет).

Мұндағы ЖК – жарық көзі, Ж – жарық жолы, ФҚ – фотоқабылдағыш. Осының барлығы жарық өтпейтін саңылаусыз корпусқа орналастырылған. Электр сигналы оптикалық сигналға айналдырылып күшейтіледі және қайтадан электрлік сигналға айналдырылады.

Оптрондар электр сигналын түрлендіру, күшейту, қалыптастыру:

а) және т.б. мақсаттарда пайдаланылады.

Егер оптрон бір сәулелендіргіштен және бір қабылдағыштан тұрса, онда ол оптожұп немесе қарапайым оптрон деп аталады.

Қосымша сәйкестендіргіш және күшейткіш құрылғылары бар бірнеше оптожұптардан тұратын микросұлба оптоэлектрондық интегралдық микросұлба деп аталады.

Опторндардың артықшылықтары:

а) қабылдағыш пен сәулелендіргіштің электрлік ажыратылуы;

б) жиіліктер жолағы кең (0…10¹⁴ Гц);

в) сыртқы электромагниттік өрістерден жақсы қорғалған;

г) басқа шала өткізгіш аспаптармен біріктірілуі мүмкін.

Кемшіліктері:

а) тұтынылатын қуаты үлкен;

б) температуралық тұрақтылығы және радиациялық төзімділігі төмен;

в) параметрлерінің ескіруі және өзгеруі;

г) өзінен туындайтын шуларының деңгейі жоғары.

8.4.2 Оптрондардың түрлері

Негізінен жарық көзі ретінде оптрондарда инжекциялық сәулелі диод пайдаланылады. Сәулелену спектрі даярлану материалына тәуелді және фотокабылдағыштың типімен ерекшеленеді:

а) резисторлық оптожұп (8.17,а-сурет), ондағы жарық көзі – сәулелі диод, фотокабылдағыш – кадмий селенидінен, кадмий немесе қорғасын сульфидтерінен жасалған фоторезистор;

б) диодтық оптрон (8.17,б-сурет) сәулелі диод (GaAs) пен фотодиодтың (Si) біріктірілуін көрсетеді;

в) фотоварикаптық оптрон (8.17,в-сурет);

г) транзисторлық оптрон – галлий арсенидінен жасалған сәулелі диод кремний фототранзи:

а)стормен (8.17,г-сурет);

д) құрама транзисторлы оптрон, оның сезімталдығы жоғары, бірақ шапшаң­дығы төмен (8.17, д-сурет);

е) диодты транзисторлық оптрон (8.17,е-сурет), шапшаңдығы алдыңғы оптронға қарағанда жоғары;

ж) бір өткелді транзисторлы оптрон (8.17,з-сурет).

Бір өткелді фототранзисторды мына мақсаттарда пайдалануға болады:

1) тек базалар қосылған кезде фоторезистор ретінде;

2) тек эмиттерлік өткел қосылған кезде фотодиод ретінде;

3) барлық үш электрод қосылған кезде бір өткелді транзистор ретінде;

и) өрістік транзисторлы оптрон жақсы сызықты шығыс сипаттамалары болғандықтан оларды аналогты құрылғыларда пайдалану қолайлы;

к) тиристорлық оптрон. Фоторезисторлық және фотодиодтық оптрондардан асқын жұмыстық кернеулер кезіндегі жоғары жүктемелік қабілеттігімен ерекшеленеді.

л) оптоэлектрондық интегралдық сұлбаларда (ОЭ ИС) жеке бөлшектер арасында оптикалық байланыс бар. Бұл микросұлбаларда диодтық, транзисторлық және тиристорлық оптожұптар негізінде жарық көздері мен фотоқабылдағыштардан басқа, фотоқабылдағыштан келген сигналды өңдеуге арналған құрылғылар бар. ОЭ ИС ерекшелігі – сигналды бір жақты тарату және кері байланыстың болмауы. Оптоэлектрондық аспаптардың техникасының келешегі бар және үздіксіз даму үстінде.

Дебиеттер тізімі

1. Степаненко И.П. Основы микроэлектроники: Учебное пособие для вузов. – М.: Лаборатория базовых знаний, 2000. – 488 с.

2. Пасынков В.П., Чиркин Л.К. Полупроводниковые приборы: Учебник для вузов. 5-е издание. – СПб.: Лань, 2006. – 479 с.

3. Шустов М.А. Практическая схемотехника. Полупроводниковые приборы и их применение - Вып. 5. ‑ М.: Альтекс, 2004. ‑ 304 с.

4. Тугов Н.М., Глебов Б.А., Чарыков Н.А. Полупроводниковые приборы: Учебник для вузов. – М.: Энергоатомиздат, 1990. – 576 с.

5. Булычев А.Л., Лямин П.М., Тулинов В.Т. Электронные приборы: Учебник для вузов. – М.: Лайт Лтд., 2000. – 416 с.

6. Бериков А.Б., Ордабаев Б.О. Полупроводниковые приборы. – Алматы: АЭИ, 1992. – 136 с.

7. Лачин В.И., Савельев Н.С. Электроника: Учебное пособие. – Ростов- на-Дону: Феникс, 2000. – 448 с.

8. Гусев В.Г., Гусев М.Ю. Электроника. – М.: Высшая школа, 1991. – 495 с.

9. Валенко В.С. Полупроводниковые приборы и основы схемотехники электронных устройств. – СПб.: Лань, 2001. – 470 с.

10. Жеребцов И.П. Основы электроники. – Л.: Энергоатомиздат. Ленингр.отд-ние, 1989. – 352 с.

11. Носов Ю.Р., Сидоров А.С. Оптроны и их применение. – М.: Радио и связь, 1991. – 280 с.

12. Жолшараева Т.М. Микроэлектроника. Полупроводниковые приборы. – Алматы: АИЭС, 2006. – 79 с.