Електроніка,ч1
.pdf
його джерело. Полегшується узгодження між собою електричних ланцюгів з різними вхідними і вихідними опорами. Оптоелектронні прилади мають широку смугу пропускання і перетворення сигналів, високу швидкодію і велику інформаційну ємність оптичних каналів зв'язку (1013 ... 1015 Гц). На оптичні ланки не впливають різні перешкоди, викликані електричними і магнітними полями.
До недоліків оптоелектронних компонентів відносяться: низька температурна і тимчасова стабільність характеристик; порівняно велика споживана потужність; складність виготовлення універсальних пристроїв для обробки інформації; менші функціональні можливості в порівнянні з ІМС, необхідність жорстких вимог до технології виготовлення.
|
|
|
|
|
|
|
Оптоелектронні |
прилади |
випромінюють |
і |
|
|
|
|
|
|
|
||||
|
|
|
|
|
|
|
перетворюють випромінювання в інфрачервоній, видимій |
|||
|
1 |
|
3 |
|||||||
|
2 |
|||||||||
|
|
або ультрафіолетовій областях спектру. Основним |
||||||||
|
|
|
|
|
|
|
||||
|
|
|
|
|
|
|||||
|
|
|
|
|
|
|
компонентом оптоелектроніки є пара з фотонним зв'язком, |
|||
|
|
|
|
|
|
|
||||
|
|
|
Рис.1. |
|
|
|
що називається оптроном. Найпростіший оптрон можна |
|||
уявити чотириполюсником, що складається з трьох елементів: джерело світла - 1, світловод - 2 і приймач світла - 3 (рис. 1).
Вхідний сигнал у вигляді імпульсу або перепаду вхідного струму збуджує фотовипромінювач і викликає випромінювання світла. Світловий сигнал по світловоду потрапляє у фотоприймач, на виході якого утворюється електричний імпульс або перепад вихідного струму.
В оптронних пристроях в якості джерел світла застосовуються зазвичай лампи розжарювання, електролюмінесценці конденсатори або світлодіоди. В якості приймачів світла використовують фоторезистори, фотодіоди, фототиристори, фототранзистори і різні комбінації цих приладів.
а |
б |
в |
|
Рис.2. |
|
41
Умовні позначення деяких типів оптронів показані на рис.2 (а -діодний, б - |
|||
резисторний, в - динисторний). |
|
||
Робота фоторезисторів базується на явищі зміни опору речовини під впливом |
|||
зовнішнього світлового випромінювання. Конструктивно фоторезистор являє |
|||
собою пластину напівпровідника, на поверхню якої нанесені електроди. Структура |
|||
фоторезистора |
та |
умовне |
позначення |
зображені на рис.3, |
|
3 |
|
де 1-діелектрична пластина; |
R |
||
2 |
|||
2 - напівпровідник; |
1 |
||
|
|
|
|
3 - контакти фоторезистора. |
|
||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Рис.3. |
|
|
|
|
|
|
Основні характеристики фоторезистора: |
|
|
|
||||||||
1. |
Вольтамперная |
характеристика |
- |
залежність |
струму |
I |
через |
||||||
фоторезистор від напруги U, прикладеної до його виходів, при різних значеннях |
|||||||||||||
світлового потоку Ф, або освітленості Е (рис.4). |
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||
I |
|
|
|
Струм |
при |
Ф=0 |
називається |
темновим |
|||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Ф1<Ф2<Ф3 |
Ф3 |
|
струмом Iт , при Ф 0 - загальним струмом Iзаг. |
||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Ф2 |
|
Їх різниця дорівнює фотоструму Iф=Iзаг–Iт. |
|
||||||||
|
|
|
2. Енергетична |
характеристика |
- |
це |
|||||||
|
|
|
|
||||||||||
|
|
Ф1 |
|
залежність фотоструму від світлового потоку, |
|||||||||
|
|
|
або освітленості при U = const. В області малих |
||||||||||
|
|
|
|
||||||||||
|
|
|
Ф0 |
Ф вона |
лінійна, |
а |
при |
збільшенні |
світлового |
||||
|
|
|
U |
потоку зростання фотоструму сповільнюється |
|||||||||
|
Рис.4. |
|
через зростання імовірності рекомбінації носіїв |
||||||||||
|
|
|
заряду |
(рис.5.). |
Енергетична характеристика |
||||||||
Iф |
|
|
|
||||||||||
|
|
іноді називається люксамперною, в тому випадку, |
|||||||||||
|
|
|
|||||||||||
|
|
|
якщо по осі абсцис відкладають освітленість Е в |
||||||||||
|
|
|
люксах. |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
3. Чутливість |
- |
це |
відношення |
вихідної |
|||||
|
Рис.5. |
|
Ф величини до вхідної. |
Залежно |
від того, |
якою |
|||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
42 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
величиною характеризується випромінювання, розрізняють струмову чутливість до потоку
Sф IФф і струмову чутливість до освітленості Е
SE IEф
В якості одного з основних параметрів фоторезистора використовують величину питомої інтегральної чутливості, яка характеризує інтегральну чутливість, коли до фоторезистора прикладено напругу 1 В:
S I
U
У промислових фоторезисторах питома інтегральна чутливість має близько
десятих, сотих часток мА при освітленості Е = 200 лк.
В лм
Важливими характеристиками фоторезистора є також: спектральна характеристика; гранична частота сигналу, яка модулює світловий потік; температурний коефіцієнт фотоструму і пороговий потік.
Фотодіоди мають структуру звичайного р-n-переходу (рис.6, а, б), де а - умовне позначення фотодіода, б - структура фотодіода. Внаслідок оптичного збудження в р і n областях виникає нерівноважна концентрація носіїв заряду.
|
– |
Eф |
|
|
|
VD |
+ |
|
|
|
|
P |
|
|
|
|
|
|
|
|
Rн |
|
|
|
|
|
|
Uвы |
|
|
n |
VD |
|
|
|
|
Uв |
|
|
||
a |
|
|
|
||
|
|
|
|
||
|
|
|
+ |
– |
|
|
Ф |
|
|
в |
|
б
Рис.6.
На межі переходу неосновні носії заряду під впливом електричного поля, переходять через перехід в область, де вони є основними носіями. Електричний струм, створений ними, є повним фотострумом. Якщо р-n-перехід розімкнений,
43
то перенесення носіїв заряду, що генеруються світлом, призводить до накопичення негативного в n-області і позитивного в р-області зарядів. Новий рівноважний стан відповідає меншій висоті потенційного бар'єру, рівної (Uк - Еф). ЕРС Еф, що виникає при цих процесах, на значення якої знижується потенційний бар'єр Uк в р- n-переході, називають фотоелектрорушійною силою (фото-ЕРС). У даній ситуації фотодіод працює в режимі фотогенератора, перетворюючи світлову енергію в електричну.
Фотодіод може працювати спільно з зовнішнім джерелом (рис.6, в). При освітленні фотодіода потік неосновних носіїв заряду через р-n-перехід зростає. Збільшується струм у зовнішній ланці, який визначається напругою джерела і світловим потоком. Значення фотоструму можна знайти з виразу Iф=SінтФ, де Sінт – інтегральна чутливість. Вольтамперні характеристики освітленого p-n-переходу показані на рис.9, б. Фотострум підсумовується з зворотнім струмом теплового походження.
До основних характеристик фотодіода відносять:
1.Енергетичні характеристики, які пов'язують фотострум зі світловим потоком. Причому, фотодіод може бути включений без зовнішнього джерела ЕРС (генераторний режим), так і з зовнішнім джерелом (рис.7: а - генераторний режим; б - при роботі із зовнішнім джерелом).
Iф |
|
|
Iф |
Uвш1>Uвш2>Uвш3 |
|||
|
|
Rн=0 |
Rн1<Rн2<Rн3 |
||||
|
|
Rн1 |
Uвш1 |
||||
|
|
|
|||||
|
|
|
Uвш2 |
||||
|
|
|
|
|
|
||
|
|
|
Rн2 |
|
|
||
|
|
|
|
Rн3 |
Uвш3 |
||
|
|
|
|
|
|
||
|
|
|
|
Ф |
|
|
Ф |
|
|
|
|
|
|
||
|
|
а |
|
Рис.7. |
б |
||
|
|
|
|
|
|
||
2. |
|
Абсолютні і відносні спектральні |
характеристики - це залежності |
||||
абсолютної чи відносної чутливості від довжини хвилі реєстрованого потоку
44
випромінювання. Вони аналогічні відповідним характеристикам фоторезистора і залежать від матеріалу напівпровідника і введених домішок.
В якості фотоприймачів в оптронних пристроях також використовуються
фототиристори і фототранзистори.
У фототранзисторів інтегральна чутливість значно вища, ніж у діода. Вона становить сотні міліампер на люмен.
Біполярний фототранзистор являє собою звичайний транзистор, але в його корпусі зроблене прозоре вікно, через яке світловий потік впливає на область бази, викликаючи в ній генерацію носіїв зарядів. Вони дифундують до колекторного переходу, де відбувається їх поділ. Дірки під впливом поля колектора йдуть з бази в колектор і збільшують струм колектора, а електрони, залишаючись в базі, підвищують пряму напруга емітерного переходу, що посилює інжекцію дірок в цьому переході. Якщо базовий вивід транзистора не може з'єднатися з схемою, то таке включення називають з "плаваючою" базою. У цьому випадку режим роботи транзистора буде сильно залежати від температури. Вивід бази використовують для задавання оптимального режиму роботи фототранзистора, при якому досягається максимальна чутливість до світлового потоку.
Фототиристори мають чотиришарову структуру (рис.8, а) і управляються світловим потоком, подібно до того, як тріодний тиристор, управляються струмом, що подається в ланцюг керуючого електрода.
Ф |
– |
+ |
|
|
E |
I |
|
|
|
|
|
n1 |
П1 |
Ф1 < Ф2 < Ф3 |
|
p1 |
|
||
– |
+ |
|
|
|
|
|
|
|
П2 |
|
|
|
|
Rн |
Ф3 |
|
|
|
|
n2 |
|
|
Ф2 |
П3 |
|
Ф1 |
|
|
|
||
|
|
|
|
+ |
|
|
|
p2 |
|
|
U |
|
|
|
|
|
|
|
Uвкл3 Uвкл2 Uвкл1 |
а |
|
Рис.8. |
б |
|
|
|
|
45
При дії світла на область бази р1 в цій області генеруються електрони і дірки. Електрони, потрапляючи в область переходу П2, що знаходиться під зворотною напругою, зменшують його опір. При дії світла на область бази р1 в цій
області генеруються електрони і дірки.
В результаті відбувається збільшення інжекції носіїв з переходів П1 і П3. Струм через структуру приладу лавиноподібно зростає, тобто тиристор відмикається. Чим більший світловий потік, що діє на тиристор, тим менша напруза потрібна для увімкнення тиристора (рис.8, б).
Фототиристори можуть успішно застосовуватися в різних автоматичних пристроях як безконтактні ключі для включення значних напруг і потужностей. Важливі переваги тиристорів: мале споживання потужності у включеному стані, малі габарити, відсутність іскріння, малий час включення.
Завдання до виконання роботи:
Використовуючи вольтамперні характеристики (рис.9: а - фоторезистора, б- фотодіода), а також дані таблиці 1, для заданого варіантом U знайти значення фотоструму Iф, і за отриманими значеннями побудувати енергетичну характеристику фотоелектронного приладу. Визначити величину струмової чутливості до освітленості SЕ при Е=200 лк.
|
|
|
|
|
|
I |
|
|
|
|
|
|
|
I |
|
|
|
|
|
мA |
|
|
|
|
|
|
|
м |
|
|
E=800 |
E=600 |
0,2 |
|
|
|
|
|
E=700 |
||
|
|
0,18 |
|
|
|
|
|
||||||
3.2 |
|
|
|
|
E=40 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
0,16 |
|
|
|
|
|
E=600 |
|||
2,8 |
|
|
|
|
0 |
|
|
|
|
|
|||
|
|
|
|
0,14 |
|
|
|
|
|
|
|
||
2,4 |
|
|
|
|
E=30 |
|
|
|
|
|
E=500 |
||
2,0 |
|
|
|
|
0 |
0,12 |
|
|
|
|
|
||
|
|
|
|
|
0,1 |
|
|
|
|
|
|
|
|
1,6 |
|
|
|
|
E=20 |
|
|
|
|
|
E=400 |
||
|
|
|
|
0,08 |
|
|
|
|
|
||||
1,2 |
|
|
|
|
0 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
0,06 |
|
|
|
|
|
|
|
||
0,8 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
E=300 |
||
|
|
|
|
|
0,04 |
|
|
|
|
|
|||
0,4 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
0,02 |
|
|
|
|
|
E=200 |
||
0 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||
|
|
|
|
U |
0 |
2 |
4 |
6 |
8 |
10 |
12 |
U |
|
|
|
|
|
|
|||||||||
2 |
4 |
6 |
8 |
10 |
12 B |
|
B |
||||||
|
|
|
б |
|
|
|
|||||||
|
|
a |
|
|
|
Рис.9. |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
46 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Таблиця 1 |
||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Тип приладу |
|
Фоторезистор |
|
|
Фотодіод |
|
|
|
||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Варіант |
1 |
2 |
3 |
4 |
5 |
6 |
7 |
|
8 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Напруга на приладі |
10 |
8 |
6 |
4 |
2 |
4 |
8 |
|
12 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Порядок виконання роботи:
1. Зняти вольтамперну характеристику Iф(U) фоторезистора. Дані
експерименту занести в таблицю 2. |
|
|
|
|
|
|
||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Таблиця 2 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
U, В |
2 |
|
4 |
6 |
8 |
10 |
12 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Е=0 лк |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
IФ, мкА |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Е=200 лк |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Е=400 лк |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Е=1000 лк |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
2. Зняти залежність фотоструму від освітленості IФ(Е), підтримуючи постійну напругу на фоторезисторі. Отримані значення занести в таблицю 3.
|
|
|
|
|
|
|
Таблиця 3 |
||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Е , лк |
0 |
100 |
200 |
400 |
1000 |
1200 |
1500 |
2000 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
IФ, мкА |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
3. Зняти вольтамперні характеристики фотодіода для різних значень освітленості Е. Отримані дані занести в таблицю 4.
47
|
|
|
|
|
|
|
Таблиця 4 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
U, В |
2 |
4 |
6 |
8 |
10 |
12 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Е=200 лк |
|
|
|
|
|
|
|
IФ, мкА |
|
|
|
|
|
|
|
|
Е=400 лк |
|
|
|
|
|
|
|
|
Е=1000 лк
4. Вимірювання енергетичні характеристики фотодіода в генераторному режимі встановити. Зняти залежність фотоструму Iф від освітленості Е. Дані занести в таблицю 5.
|
|
|
|
|
|
|
Таблиця 5 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Е, лк |
200 |
400 |
1000 |
1200 |
1500 |
2000 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Rн=0 |
|
|
|
|
|
|
|
Iф, мкА |
|
|
|
|
|
|
|
|
Rн=200 Ом |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Rн=500 Ом |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
5. Зняти енергетичні характеристики фотодіода для випадку, коли напруга зовнішнього джерела Uвш відмінна від нуля. Отримані значення занести в табл. 6.
|
|
|
|
|
|
|
Таблиця 6 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Е, лк |
200 |
400 |
1000 |
1200 |
1500 |
2000 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Iф, мкА |
Uвш=2 В |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Uвш=4 В |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Зміст звіту:
1.Розрахунок попереднього завдання до експерименту.
2.Таблиці експериментальних значень.
3.Енергетична характеристика, побудована за даними попереднього завдання і порівняльний аналіз її виду з аналогічною характеристикою, побудованої за експериментальними даними.
48
4.Вольтамперні та енергетичні характеристики фоторезистора, побудовані за отриманими значеннями.
5.Вольтамперні та енергетичні характеристики фотодіода в генераторному режимі і режимі із зовнішнім джерелом напруги.
Контрольні запитання
1.Перерахуйте переваги і недоліки оптоелектронних приладів.
2.Назвіть основні характеристики фоторезисторів.
3.Чому світлові характеристики фоторезисторов нелінійні?
4.Що таке питома чутливість фоторезистора?
5.Назвіть можливі режими роботи фотодіодів.
6.Опишіть механізм утворення фото-ЕРС при освітленні світлом р-n-переходу.
7.Перерахуйте основні параметри фотодіода.
49
НАВЧАЛЬНЕ ВИДАННЯ
ЕЛЕКТРОНІКА ЧАСТИНА 1 МЕТОДИЧНІ ВКАЗІВКИ
до виконання лабораторних робіт для студентів базового напрямку 051004 «Оптотехніка»
Укладачі: Татарин Василь Ярославович Протальчук Тетяна Олександрівна
Редактор
Комп’ютерне верстання
50