Теоретичні відомості до лабораторної роботи

Фотоприлади – це такі прилади, електричний режим яких змінюється під впливом випромінювання. Робота будь-яких фотоприладів заснована на використанні явища фотоефекта.

У напівпровідникових фотоприладах використовується внутрішній фотоефект, суть якого в тому, що під впливом випромінювання в речовині з'являються додаткові вільні носії заряду. При цьому провідність напівпровідникового матеріалу зростає.

Для того, щоб мало місце явище фотоефекту, кванти випромінювання повинні мати достатню енергію для вивільнення електронів напівпровідника. Взаємозв'язок енергії квантів випромінювання та енергії електронів, що звільнилися, описується формулою Ейнштейна:

,

де h - постійна Планка; - частота випромінювання; , - відповідно заряд і маса електрона; - енергія, яку необхідно передати електрону для того, щоб він став вільним (робота виходу електрона); - швидкість руху вільного електрона.

Таким чином, фотоефект можливий, якщо енергія кванта випромінювання більше або дорівнює роботі виходу: . Частота називається граничною частотою фотоефекту. Для кремнію лежить в інфрачервоній області.

Існують різні типи фотоприладів: фоторезистори (рис. 3.2.а), фотодіоди (рис. 3.2.б), фототранзистори (рис. 3.2.в), фототиристори (рис. 3.2.г) і т.д.

а) б) в) г)

Рис.3.2. Фотоприлади: фоторезистор (а), фотодіод (б), фототранзистор (в) та

фототиристор (г)

Фоторезистори – це напівпровідникові резистори, опір яких змінюється під впливом випромінювання: при збільшенні світлового потоку опір резистора падає. Конструктивно фоторезистор має прозоре вікно (рис. 3.2.а), через яке випромінювання впливає на світлочутливий шар. Схема вмикання фоторезистора в електричний ланцюг наведена на рис. 3.3.

Рис. 3.3. Схема вмикання фоторезистора в електричне коло

Якщо фоторезистор R (рис. 3.3) не освітлений, він має дуже великий опір, який називається темновим опором . В цьому випадку у показаному на рис. 3.3 ланцюзі протікає невеликий темновий струм:

.

При освітленні опір фоторезистора зменшується. Опір освітленого фоторезистора називається світловим опором . При освітленні фоторезистора в ланцюзі протікає значно більший світловий струм:

.

Різниця світлового і темнового струмів є фотострумом: .

ВАХ фоторезисторів у діапазоні робочих напруг є лінійними (рис.3.4).

Фоторезистори характеризуються інтегральною чутливістю, що дорівнює відношенню зміни фотоструму до збільшення світлового потоку , що викликав цю зміну: .

Рис. 3.4. Вольт-амперні характерстики фоторезистора

Оскільки значення фотоструму залежить також і від прикладеної напруги U, іноді використовують інший параметр ­– статичну питому чутливість:

.

Фоторезистори виготовляються з різних матеріалів. Кожен матеріал чутливий до випромінювання з певною довжиною хвилі. Спектральні характеристики , наведені на рис. 3.5, показують залежність фотоструму від довжини хвилі падаючого випромінювання для деяких двох різних напівпровідникових матеріалів.

Рис.3.5. Залежність фотоструму фоторезистора від довжини хвилі опромінення

Фоторезистори звичайно використовуються як датчики інтенсивності світлового потоку.

Фотодіод – це напівпровідниковий діод, у якому під впливом зовнішнього випромінювання створюється спрямований рух носіїв заряду, тобто виникає електричний струм (рис. 3.2.б).

Фотодіод може працювати у двох режимах:

1) фотогенераторному (рис. 3.6.а);

2) фотоперетворювальному (рис. 3.6.б).

а) б)

Рис. 3.6. Схеми вмикання фотодіода у випадку його роботи в

фотогенераторному (а) та фотоперетворювальному (б) режимах

При роботі фотодіода в генераторному режимі не потрібне зовнішнє джерело живлення. (рис. 3.6.а). Під впливом світлового потоку Ф у області pn-переходу зменшується напруженість внутрішнього електричного поля , в результаті чого дірки будуть більш вільно переходити в p-область, а електрони в n-область, що призведе до накопичення по обидва боки pn-переходу електричних зарядів протилежного знаку. Якщо замкнути ключ S, у зовнішній ланцюг через навантаження потече струм I. Таким чином, фотодіод перетворить світлову енергію в електричну. Розглянутий принцип використовується в сонячних батареях.

Для роботи фотодіода в фотоперетворювальному режимі необхідне зовнішнє джерело живлення E (рис. 3.6.б). Відносно фотодіода VD джерело живлення увімкнено в замикаючому напрямку (до діода прикладена зворотна напруга). При зміні освітлення буде змінюватися зворотний струм I, що протікає через діод і навантаження (рис. 3.7). Оскільки при такому вмиканні діода в схему pn-перехід закритий, його опір значно більший за опір навантаження , тому струм I мало залежить від , а визначається тільки світловим потоком Ф. Фотодіод в даній схемі фактичне є змінним опором, який регулюється світловим потоком.

Рис.3.7. Вольт-амперні характеристики фотодіода

Фототранзистор – це транзистор, у корпусі якого є вікно, через яке освітлюється область бази (рис. 3.6.в). Освітлення бази фототранзистора еквівалентно збільшенню струму бази у звичайному транзисторі. Оскільки біполярний транзистор здатний підсилювати струм, то фототранзистор відразу ж підсилює фотострум, що утворився в базі під впливом освітлення, і в результаті, вихідний струм збільшується в декілька раз. Тому чутливість фототранзистора до освітлення значно вища, ніж у фотодіода. Фототранзистор, як і звичайний транзистор, має базовий вивід, що керувати ним як за допомогою світла, так і за допомогою електричних сигналів.

Фототиристор, на відміну від звичайного тиристора, має в корпусі прозоре вікно, через яке можна освітлювати область напівпровідника, до якої підключений керуючий електрод (рис. 3.2.г). Освітлення фототиристора еквівалентно зміні струму керування для звичайного тиристора.

Для зворотного перетворення електричної енергії в оптичне випромінювання застосовують світлодіоди – прилади, основу яких складає pn-перехід, зміщений у прямому напрямку. При переході електронів з n- в p- область і дірок з p- в n- область, відбувається їх рекомбінації, в результаті чого виділяється енергія. Ця енергія в основному передається кристалічним ґраткам і перетворюється в теплоту, але в деяких матеріалах, наприклад в арсеніді галію (GaAs), рекомбінація супроводжується виділенням енергії у вигляді квантів світла. Частина квантів поглинається всередині речовини, а частина випромінюється в простір. Потужність і яскравість випромінювання залежить від сили струму, що протікає через pn-перехід. Перевага світлодіода – мале споживання енергії та великий термін служби. Умовне позначення світлодіода зображено на рис. 3.8.а. Світлодіоди застосовуються як індикатори в пристроях сигналізації, а також як світловипромінювачі в більш складних оптоелектронних приладах, таких як оптрони.

Оптрон – це прилад, що містить джерело та приймач випромінювання, які оптично і конструктивно пов'язані між собою. Як світловипромінювачі найчастіше використовуються світлодіоди, а як фотоприймачі – фотодіоди, фоторезистори, фототиристори та інші фотоприлади. Обидва елементи розміщені в герметичному єдиному корпусі, що має декілька зовнішніх виводів для подачі вхідних сигналів керування та зняття вихідних сигналів (рис. 3.8.б).

На рис. 3.8.б наведена структура оптрона, а на рис. 3.8.в приклади оптронів з різними типами фотоприймачів.

а) б)

в)

Рис. 3.8. Схематичне позначення світлодіода (а), структура оптоелектронної пари (б), різні види оптопар (в)

Оптрон працює наступним чином. Електричний сигнал керування впливає на випромінюючий світлодіод діод (ВД). До складу оптрону може входити і електронна схема керування струмом ВД. Світловий потік від ВД потрапляє на фотоприймач (фотодіод, фототранзистор, фототиристор і ін.), в результаті чого опір фотоприймача (ФП) змінюється і у вихідному ланцюзі починає протікати струм.

Основні переваги оптронів :

1) вхід і вихід електрично розв'язані між собою;

2) висока завадозахищеність (зв'язок входу і виходу здійснюється фотонами, на які не впливають електромагнітні поля);

3) відсутній зворотний вплив виходу на вхід.

Оптрони часто застосовуються як елементи систем керування напівпровідникових ключів в системах перетворення електричної енергії.