Оптоэлектрондық және фотоэлектрондық аспаптар, лазерлер, интегралдық шағын схемалар.
Фотоэлектрондық аспаптардың жалпы сипаттамасы. Фотоэлектрондық аспаптар жарық энергиясын электрлікке, жарық сәулесін электрлік токқа түрлендіреді. Фотоэлектрондық аспаптар екі негізгі топқа бөлінді:
1) ішкі фотоэффектпен;
2) сыртқы фотоэффектпен.
Жартылайөткізгіш аспаптар, олар да жарық энергия әсерінен қозғалмалы заряд тасмалдаушылардың жұптары пайда болады – электрондар өткізгіштігі және кемтіктер, ішкі фотоэффектісі бар аспаптар деп атайды. Аспаптрада, жарық энергия әсерінен фотоэлектрондық эмиссия пайда болады, осыны сыртқы фотоэффектісі бар аспаптар деп атайды. Фотоөткізгіштік – ол электрлік өткізгіштік, жарық ағынынын әсерінен пайда болады.
Фоторезистор - жарық ағынының әсерінен электрлік кедергісі өзгеретің жартылайөткізгіш аспапты айтады. Фоторезистор конструкциясынын негізгі элементті жартылай өткізгіштің қатпары болып саналады., оған жарық ағыны түседі. 6.1-суретте фоторезистордың құрылғысы көрсетілген. 1- бұл шалаөткізгіштің жарық сезгіштігі, 2- изоляциялық төсеніш, 3,4- металлдық шықпасы.
Сурет 6.1. Фоторезистордың құрылымы. 1- шалаөткізгішті жарықсезгішті қабат, 2-изоляциялық төсеніш, 3,4 – металлдық шықпалар
Жарық сезгіштігі бар қатпарға жарық түсу үшін тесігі бар корпусқа фоторезистор салынады.
Фотодиодішкі күшейткіші жоқ сәулеленудің фотогальваникалық қабылдағыш түрінде келеді, шалаөткішгіш диодтың құрылымын құрайтын фотосезімталдық элемент. Ерекше маңыздысы, р-п өткел әртүрлі сәулеленулермен өзара әрекеттесу мүмкін. Егер р-п өткел жарықпен өзара байланысса, онда оны фотодиод деп атайды. Квантық механика көз қарасы бойынша, жарықты екі түрде қарауға болады: бір жағынан ол электромагниттік толқын, ал екінші жағынан бұл бөлшектердің ағыны-фотондар.Шалаөткізгіш пен жарықтың өзара байланысы фотондардың көз қарасымен қарастырған ыңғайлы. Шалаөткізгіштікке фотон түсіп кеткен кезде, валенттілік аймақтың электронымен қақтығысу мүмкін. Сонымен фотон электронға береді де жоғалып кетеді. Егер фотон спектрдің көрінетін бөлшегінен болса, электрон мен кемтіктің фотогенерациясы болу үшін, онда оның энергиясы әбден жеткілікті.Фотон нейтралды ауданға түскен кезде, онда туылған жұптар(электрон мен кемтік), біраз уақыт жүргеннен кейін, кездесіп рекомбинация жасау мүмкін.
Егер фотодиод қысқаша тұйықталатын тізбекке қосылған болса, онда фотондардың ағыны көп болған сайын, фототок көп болады, осындай фотодиодтар жарықтылықты регистрация жасау үшін қолданылады. Егер фотодиодты ажыратып жіберсек, онда фотогенерация заряд облыстарына алып келеді: n-аудан-теріс, р-аудан-оң. Бірақ та потенциалдық тосқауылдың биіктігі азаяды, демек электрлік өрістің шамасы көлемді заряд ауданында. Ақыр аяғында р-п өткелде потенциалдар айырмасы пайда болады, байланыс потенциалдар айырмасына тең Un, ақырында фотогенерация жұптардың бөлінуі тоқталады.
Бұл әдетте күндік батареяларда қолданылады, арзан көп мөлшерде кремнийлік диодтардың үлкен көлемді жалпы батареяға жиналады. Байланыс потенциалдар айырмасы құрайды 0,6...0,7 В.
Жартылайөткізгіш диодтар сапасына қарай жарық сәулелендіргіштерінде қолданады – оны жарықдиодтары деп атайды Бірақ та германии, кремнии фотондарды шығара алмайды, өйткені олар тікаймақты емес. Тікаймақты шалаөткізгіштер сол жақта сурет -1 бейнеленген (мысалы AsGa), оң жақта Ge және Si.
Сурет 6.2. Тікаймақты және тікаймақты емес шалаөткізгіштер.
Германий мен кремнийде қабырға минимумы негізгіден бірнеше төмен орналасқан және оны электрондар толтырады, сондықтан олар энергия мен импульс бөлінген кезде, рекомбинация жасау мүмкін, ал AsGa аймақтар түзу болғандықтан, импульссіз рекомбинация болады (тек энергия бөлінеді). Сондықтан германий мен кремний де фонондар бөлінеді( шамамен сондай импульс бар), ал арсенид галлияда- фотондар( импульс жоқ).
Бірақ арсенид галлияда сәулеленудің толқын ұзындығы 1 мкм, яғни ол инфроқызыл спектрде сәулеленеді. Ыңғайлы толқын ұзындығы фосфид галлиде, оның рұқсат етпейтің аймағы аса енді, бұл көрінетің жарықққа сәйкес келеді.
Фотодиодтардың негізгі сипаттамалары:
1. Iд =f(Uд ) вольтамперлік сипаттамасы Ф = const болғанда, жарық ағынын тұрақты шамасында фотодиод тогынын кернеуден тәуелділігін анықтайды.
2. Фотодиодтағы тұрақты кернеу кезінде жарық ағынын шамасынан фотодиод тогынын тәуелділігін жарық сипаттамасы бейнелейді : Iд =f(Ф) болғанда Uд = const.
3. Спектральдік сипаттама фотодиодтқа жарық толқын ұзындығынын түсуі спектральдік сезгіштікке тәуелділігін көрсетеді.
Фотодиодтардың параметрлері:
1. Интегралдық сезгіштігі Sинт – берілген спектралдық құрамның түскен немонохромдық сәуле шығару интенсивтігінің диод фототогына қатынасы: Sинт= Iд/ Ф
2. Жұмыс кернеуі Uр – фотодиодқа тұрақты кернеу арқылы берілген эксплутациядағы оның ұзақ уақыт жұмыс істеуінің номиналды параметрін қамтамасыз етеді.
3. Қараңғылық ток Iқ спектральдік сезгіштігі бар диапазонда сәуле шығару ағыны болмағанда, көрсетілген кернеу бойынша фотодиод арқылы ағатын ток.
4. Ұзақөмірлік( долговечность) – қызметтің минималды мерзімі.
Фототранзистораспапты жарықпен сәулелендіргенде оның тоғын үлкейтетінжылдам заряд тасмалдаушылары пайда болады, екі электронды–кемтіктік өткелі бар фотоэлектрлік шала өткізгішті айтамыз
Негізгі сипаттамалары.
1. Фототранзистордың шығыс статикалық сипаттамасы Iк =f(Uкэ) болғанда Ф = const.
2. Фототранзистордың жарық сипаттамсы Iк =f(Ф) болғанда Uкэ = const
Негізгі параметрлері.
1. Фототранзистордың интегралдық сезгіштігі Sинт
2. Қараңғылық ток Iт берілген жұмыс кернеу бойынша жарықталған фототранзистор арқылы өтетін ток.
3. Жарық болған кездегі ток Iс- берілген жұмыс кернеу бойынша қараңғыланған фототранзистор арқылы өтетін ток.
4. Шашыратудың шағын қуаты Ршашр..мах
Сәулелік диод-бір электронды-кемтіктік өткелі бар, жарық шығаратын жартылайөткізгіш аспап.
6.3– сәулешығарушы диодтың шартты белгісі (жарық диод).
Негізгі параметрлері.
1. Диодтын ашық сәулеленуі.
2. Тұрақты тікелей кернеуі.
3. Жарық шығарудың толық қуатты Ртолық
4. Максималды кері кернеуі Uкері .мах
5. Жарық сәуле бағытынын ені.
Негізгі сипаттамалары.
1. Спектрлік сипаттамасы.
2. Бағытталу сипаттамасы .
Оптрондар.Электрлік сигналдарды оптикалыққа түрлендіретің, осы энергияны индикаторлар мен фотоэлектрлік аспаптарға беретің аспаптарды оптроэлектрондар дейміз. Оптрондардың кіріс және шығыс тізбектері оптикалық сигналдар көмегімен байланысқан.
| ЖШ |
| ОК |
| ФТ |
Сурет 6.4. Оптронның сұлба құрылысы
ЖШ-жарық шығарушы .
ОК – оптикалық канал
ФТ- фотоэлектрлік түрлендіргіш
Фототүрлендіргіш сапасында оптрондарда фотодиодтар, фототранзисторлар, фототиристорлар мен фоторезисторлар қолданылады.
Дәріс тақырыбы