9 Дәріс. Фотоэлектронды құрылғылар

Қарастырылатын сұрақтар:

1. Фотоэлектронды құрылғылар.

2. Фотоэлектронды құрылғылардың қолдану саласы мен түрлері.

3. Фотокедергі.

4. Фотодиод.

5. Фототранзистор.

6. Фототиристор.

7. Фотоэлектронды құрылғылардың сипаттамалары мен параметрлері.

Негізгі әдебиет:

1. Гусев В. Г., Гусев Ю. М. Электроника и МПТ: Учебник для вузов - М.: Высш. шк., 2005. - 799 с.

2. Батоврин В.К., Бессонов А.С., Мошкин В.В. LabVIEW: практикум по аналоговой и цифровой электронике: Лабораторный практикум. Издание второе.-М., 2008.

Қосымша әдебиет:

1. Ф.И.Вайсбурд, Г.А.Панаев, Б.Н.Савельев. Электроные приборы и усилители. Изд.3-е, стереотипное. – М.: КомКнига, 2005. – 472 с.

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

Фотоэлектрондық құрылғылардың жұмыс істеу принципі ішкі және сыртқы фотоэффектке негізделген. Ішкі фотоэффект – кристаллдарға немесе жартылай өткізгіштерге жарық сәулелері түскенде жарық жұтылады да, олардың құрамындағы кейбір электрондар тобы энергетикалық деңгейлерден өткізгіштік аймақтарына ауысып қозғалады. Осының нәтижесінде жартылай өткізгіштің электрлік кедергісі кемиді де, электр өткізгіштігі артады.

Жарық әсерінен кедергісі кемитін жартылай өткізгіш фотокедергілер деп аталады. Фотокедергілер – ішкі фотоэффектке негізделген жартылай өткізгішті электрлі құрылғы, мұнда фотоөткізгіштік құбылысы қолданылады, демек оптикалық сәулелену негізінде жартылай өткізгіштің электр өткізгіштігін өзгертуге мүмкін болған құрылғы – фотокедергі.

Егер жарықталмаған фотокедергіні ток көзіне жалғағанда, электр тізбегінде аз мөлшерде «қараңғылық тогы» пайда болады. Бұл құбылыс жартылай өткізгіш жарықталмағанда, онда еркін ток тасушылардың барлығын көрсетеді. Фотокедергі жарықталғанда тізбектегі ток еркін ток тасушыларының коцентрациясының көбейуі мен, арта бастайды. Жарықталған және жарықталмаған кездегі токтың айырмасы жарық тогы немесе фототок деп аталады.

Фотодиодтар. Кері тоғы р-n-өтпесінің жарықталуына байланысты өзгеріп отыратын, сондай-ақ сыртқы ток көзінсіз фотогенератор ретінде, ал сыртқы тоқ көзіне қосылғанда фототүрлендіргіш ретінде пайдаланатын фотоэлектрондық құрылғы фотодиод деп аталады. Фотодиодтар – германийден, кремнийден, галий арсениді, индий арсениді немесе камдий сульфидінен жасалады. Фотодиод бір p-n өтпеден тұрады. р-n өтпесіне түскен фотондар қоздыратын валенттік электрондар аймағынан өткізгіштік аймаққа өтеді. Осының салдарынан ені және заряд тасымалдаушы бөлшектердің саны көбейеді. Е_ф – тің әсерімен n- түрлі кемтіктер р-түрге өтеді және керісінше. Сонымен n- түрлі электрондар мен р-түрлі кемтіктердің артық саны пайда болады. Бұл фотоэлектрлік ЭҚК-ін тұрады. Бірақ сәуле ағыны белгілі бір шамаға жеткенде p-n өтпесі заряд тасмалдаушыларға қанығады да, фотоэлектрлік ЭҚК-і одан әрі өседі.

Фототранзисторлар - екі p-n өтпелі фотоэлектрлі аспап. Әдетте фототранзистор германий немесе кремнийден жасалады да, эмиттер және коллектор екі электроды болады. Жарық ағыны база қабатына түседі. Сол үшін эмиттерді өте жіңішке және кіші етіп жасайды. Электр тізбегіне фототранзистор ЖЭ бойынша жалғанады. Фототранзистордың база қабаты электр тізбегінен жалғанбайды, сонда да бұндай жалғануда U_КЭ кернеу олардың кедергілеріне байланысты екі өтпеге бірдей бөлінеді. Коллектор өтпесіне кері бағытта, ал эмитер өтпесіне тура бағытта беріледі. Дегенмен оның артық бөлігі эмиттер кіші болғандықтан коллектор бөлігіне беріледі. Фотондардың әсерінен базада электрон-кемтік қос бөлшектер пайда болады. p-n-р түрлі фототранзисторда базадағы кемтіктер коллектор өтпесі арқылы қозғалады, коллектор кернеуі кемтіктер санынан арттырады да, І_ф-фототоқты тудырады. Базада қалған электрондар эммиттер өтпесіне өтіп қалған кернеудің мәнін кемітеді, бұл құбылыс кемтіктердің эмитерден базаға өтуіне көмектеседі де, одан әрі коллекторға өтіп фототокты өсіреді.

Фототранзисторды фотодиод пен транзистордың комбинациасы ретінде қарауға болады. Оның сипаттамалары фотодиодтың сипаттамаларына ұқсас болып, тоқ бойынша масштабы артық болуы мүмкін. Транзисторды кернеу көзіне биполяр транзисторға қосқандай етіп қосады. Яғни эмиттер өтпесіне оң және коллектор өтпесіне теріс кернеу беріледі. Оданда басқа көп жағдайларда кернеу көзін коллектор – эмиттер арасына қосып, шықпасын ашық қалдырады. Бұндай жалғау тек қана фототранзис-торларға тән болып, оны қалқымалы базалы деп атайды. Осы жалғану кезінде фототранзисторлар актив режимде жұмыс жасайды, дегенмен Ф=0 болғандықтан, одан ағып өтетін тоқтың мәні кіші болады.

Фототранзистордың қараңғылық тоғы, фотодиодтыкінен артық параметрлері температураға тәуелді болады.