Фотодиод түрлері

Жұмыс түрі: Реферат
Тегін: Антиплагиат
Көлемі: 9 бет
Таңдаулыға:

Қазақстан Республикасы Білім және ғылым министрлігі

Семей қаласының Шәкәрім атындағы мемлекеттік университеті

Ақпараттық-коммуникациялық технологиялар факультеті

Автоматтандыру және есептеу техникасы кафедрасы

СӨЖ №2

Пән: Электроника

Тақырыбы: Фотоэлектрлік аспаптар (фоторезисторлар, фотодиодтар) .

Орындаған: Әбдікәрім Ә. Қ

Топ: АУ-601

Тексерген: Турусбекова Б. Ш.

Семей 2018

Жоспар :

Кіріспе 3-4-бет

Фотоэлектрлік құбылыстар, фотоэффект 4-6-бет
Фотоэлектрлік аспаптар. 6-бет
Фоторезисторлар 6-7-бет
Фотодиодтар 7-10-бет

Қорытынды 11-бет

Пайданылған әдебиеттер 12-бет

1. Кіріспе

Түскен жарық ықпалынан заттан электрондардың бөлініп шығу құбылысын фотоэлектрлік эффект деп атаймыз. Бұл құбылыс қатты денелерде, сұйықтықтарда, сондай-ақ газдарда да байқалады. Фотоэлектрлік құбылыстар қатарына рентген сәулелерінің фотоэффектісі мен ядролардың фотоэффекті де жатады. Қатты немесе сұйық денелердің жарық сәулесін (фотондарды) жұтуы нәтижесінде электрондардың бөлініп шығу құбылысы сыртқы фотоэффект делінеді. Мұны 1887 жылы Г. Герц ашқан. Сыртқы фотоэффектіні тәжірибе жүзінде А. Г. Столетов (1888) толық зерттеп, оның бірнеше заңдарын тұжырымдап берген:

1. Фотоэлектрондардың алғашқы максимал жылдамдығы фотокатодқа түскен жарықтың интенсивтігіне тәуелді болмай, тек жарықтың тербеліс жиілігіне байланысты анықталады.

2. Бірлік уақыт ішінде катодтан бөлініп шыққан фотоэлектрондар саны түскен жарық интенсивтігіне пропорционал болады(өйткені қанығу тогі жарық ағыны қуатына пропорционал) .

3. Кез келген заттың әлі де болса фотоэффект құбылысын қоздыра алатын жарық жиілігін υ фотоэффектінің қызыл шекарасы деп атайды.

$C:\Users\компьютер\Pictures\220px-Photoelectric_effect.svg.png$

1-сурет. Сыртқы фотоэффект

1905 жылы А. Эйнштейн сыртқы фотоэффект құбылысын жарықтың кванттық теориясы тұрғысынан түсіндіріп берді. Сыртқа қарай бөлініп шыққан электронның максимал кинетикалық энергиясының (Емак) шамасы электронға берілген фотонныңэнергиясы (hv) мен шығу жұмысының (φ) айырымына тең (Емак=hv-φ) екендігі тәжірибе жүзінде дәлелденді. Сыртқы фотоэффектінің бұл екінші заңы , яғни Эйнштейн заңы былайша тұжырымдалады: фотоэлектрондардың максимал энергиясы түскен жарық жиілігіне сызықты тәуелді болып өседі және оның қарқындылығына байланысты болмайды.

Сонымен фотоэлектрондардың кинетикалық энергиясы жарықтың тербелістер жиілігіне тәуелді болады, өйткені катодқа түскен жарықтың тербеліс жиілігі көп болса, электрондардың жылдамдығы да соғұрлым көп болады.

Ішкі фотоэффект мазмұнын былайша түсіндіруге болады: кристалдарға немесе жартылай өткізгіштерге жарық сәулелері түскенде жарық жұтылады да, олардың құрамындағы кейбір электрондар сыртқа ұшып шықпағанымен, босанып, толы зоналардан өткізгіштік зоналарға ауысып қозғалады. Осының нәтижесінде жартылай өткізгіштердің электрлік кедергісі кемиді де, электр өткізгіштігі артады. Олай болса, жарық әсерінен кедергісі кемитін жартылай өткізгіштер фотокедергілер деп аталады.

$C:\Users\компьютер\Pictures\image028.jpg$

2-сурет. Ішкі фотоэффект

1. Фотоэлектрлік құбылыстар, фотоэффект

Енді фотоэлектрлік құбылыстың басқа да түрлері бар, енді соларды қарастырайық.

Вентильдік фотоэффектіде сыртқы фотоэффект сияқты жарықтың әсерінен заттың бетінен фотоэлектрондар бөлінеді, бірақ олар сыртқа ұшып шықпай, тек тежеуіш қабат деп аталатын өте жұқа қабаттан бір беткей ғана өтеді де, сол қабаттың үстіне орнатылған металл пластинаны зарядтайды, сөйтіп фотоэлектрондар тежеуіш қабаттан кері қарай өте алмайды. Ал жарық түскенде жартылай өткізгіш пен металл пластина аралығында электр өрісі болмайды.

Похожее изображение

3-сурет. Фотоэффектті зерттеу тәжірибесінің сызбасы.

Эйнштейннің пікірінше әрбір фотоэлектрондар тек бір фотон энергиясын жұта алады. Сөйтіп жұтылған фотон энергиясы (hυ) фотоэлектронды металл бетінен бөліп шығаратын шығу жұмысына (А _ш ) және оның кинетикалық энергиясына айналады. Олай болса, Эйнштейн теңдеуі мына түрде жазылады:

hυ=A _ш +mv /2.

Егер жарықтың жиілігі υ белгілі бір минимал υ _с мәнінен артық болса ғана, кез келген зат үшін фотоэффект байқалады. Фотоэлектронды металдан, оған кинетикалық энергия берместен бұрын шығарып алу үшін, А _ш шығу жұмысы істелуі керек. Олай болса жарық квантының энергиясы бұл жұмыстан артық болуға тиіс:

Ћυ _с >А _ш .

Сөйтіп шектік жиілік υ _с -фотоэффектінің қызыл шекарасы деп аталады. Оны мына өрнек арқылы жазамыз:

υ _с =А _ш /h.

Шығу жұмысы (А _ш ) заттың тегіне тәуелді. Сондықтан түрлі заттар үшін фотоэффектінің шектік жиілігі (υ _с ) түрліше болады.

Электрлікте жарық сигналын түрлендіретін сәуле шығаратын қабылдағыш фотоэлемент деп аталады. Сыртқы фотоэффект вакуумды фотоэлементтің әрекет жасау принципінің негізіне қойылған. Вакуумды фотоэлемент фотокод қызметін атқаратын фотоэлектрлік сезгіш қабат 2 және анод қызметін атқаратын электрондар коллекторы 3 ішкі қабырғасына

қойылған шыны баллоннан 1 тұрады. Баллонда 10 мм сын. бағ. қысымы кезінде вакуум пайда болады. Егер фотоэлементкке ке кернеуді қоссақ, онда фотокодтың жарықталуы кезінде тізбекте ток пайда болады. Сыртқы фотоэффектілі фотоэлементтердің негізгі сипаттамасы мыналар болады:

1. Интегралды S=∂I /∂Ф және спектралды S =∂I /∂Ф сезімталдылық. Мұндағы ∂Ι - жарық ағынының ∂Φ өлшеміне өзгеру арқасында болатын фотоағынның өзгерілуі, ∂Ф -толқын ұзындығы λ монохроматты ағынның өзгерісі.

2. Жарықтық сипаттама -фототоктың жарық ағынына тәуелділігі (фотоэлементтегі кернеу тұрақты болған кезде) .

3. Вольт-амперлік сипаттама-фототоктың фотоэлементтегі кернеуге тәуелділігі (тұрақты жарық ағыны кезінде) .

Вакуумды фотоэлементтің маңызды артықшылығы- ол оның жоғарғы тұрақтылығы және жарық ағынының фототокпен сызықты байланысы. Бірақ олардың сезімталдылығы үлкен емес (жарық ағынының 1лм-ге 20-100 мкА шегінде) . Фотоэлементтерді техникалық қолданудың көптеген жағдайында ең алдымен фотоэлементтердің өзіндегі әлсіз фототоктарды күшейтуде қажеттілік туады. Төмен қысымда (10 мм сын. бағ. ) фотоэлемент қандай да бір инертті газбен толтырылады. Катодтың әсерінен болған фотоэлектрондар электр өрісінен үдемелі қозғала отырып, газ молекулаларын иондау арқасында ток күшейеді, бұдан жаңа электрондар пайда болады. Газға толтырылған фотоэлементтердің сезімталдылығы бірнеше есе жоғары, бірақ олар үлкен инерттілікке және сызықты емес вольт-амперлік сипаттамаға ие болады. Қосымша электрондардан екінші ретті электронды эмиссия көмегімен алынған бастапқы фототоктың басқа күшею әдісі фотоэлектронды көбейтінділер (ФЭК) деп аталатын құрылғы негізінде жатыр. Осындай 10-15 электрод болуы мүмкін. Мұндай жүйенің күшейткіш коэффициенті 10 -10 -ға жетеді, ал ФЭК-нің интегралды сезімталдылығы 1 люменде 1000-даған амперге жетеді. Бұл азды жарық тіркеуге мүмкіндік береді. Біркаскадты және көпкаскадты фотокөбейткіштер қазіргі кезде кең қолданылады.

2. Фотоэлектрлік аспаптар.

Фотоэлектрондық аспаптар - оптикалық ауқымдағы электромагниттік сәулеленудің энергиясын электр энергиясына түрлендіретін немесе көрінбейтін (мысалы, инфрақызыл) сәулелердегі кескіндерді көрінетін кескіндерге түрлендіретін электровакуумдық немесе шалаөткізгіш аспаптар. Фотоэлектрондық аспаптар ақпаратты сақтауға, жинауға, таратуға және қайталап шығаруға арналған. Фотоэлектрондық аспаптардыңжүмыс қағидасы фотоэффектіге негізделген. Фотоэлектрондық аспаптарға әр түрлі фотоэлементтер, фотоэлектрондық көбейткіштер, фоторезисторлар, фотодиодтар, электронды-оптикалық түрлендіргіштер және т. б. жатады. Сәуле шашатын диод ауысуы аймағынын энергия кванттарын шашатын диод. Жарық диоды корінетін спектр аймағында, ал инфрақызыл диод корінбейтін спектр аймағында жарық шашатын диод. заряд тасымалдағыштардың рекомбинациялануы энергия кванттарының бөлініп шығуына әкеліп соғады. Жарық диодтары индикаторлары ретінде қолданылады. Инфрақызыл диод оптоэлектрондық қүрылғыларды сәуле шашушы ретінде қолданылады. Жарық диоды арнайы қүрастырлған диод, мүнда жарық сәулелерінің ауысу аймағынан корпустың мөлдір терезелері арқылы өтуіне жағдай жасалынған. Фотодиодтыңжүмыс істеу үстанымы фотогальваникалық эффектіге негізделген және фото сезімтал элементі жартылай өткізгішті диод. Фотодиод сапасы ең алдымен сәуле көмегімен фото тоқты басқару тиімділігімен анықталады.

3. Фоторезисторлар.

Фоторезистор - өзінің кедергісін жарық әсерінен өзгертетін, жартылай өткізгішті құрал. Фоторезистордың әрекеті ішкі фотоәсер құбылысының қолданысында негізделген. Оның мәні, жарық қуатының әсерінен жартылай өткізгіште қосымша заряд тасушылар, электрондар мен жыртықтар пайда болады, яғни қосымша жартылай өткізгіштің фотоөткізгіштігі пайда болады. Тоқ бағытына тәуелсіз, бірдей өткізгіштігі болады, себебі p - n ауысуы жоқ. Әдетте қараңғыланған фоторезистордың 1 - 200 МОм аралығында кедергісі болады, жарық түскен жағдайда бұл көрсеткіш 2 - 3 есе азайады. Фоторезистордың басты артықшылығы - жарықтан тікелей тәуелділігі, сондықтан оларды аналогті құрылғыларда қолданған өте тиімді.

$D:\Ayala\Өлеңдер\large_ldr.1.jpg$

4-сурет. Фоторезистор

Фоторезисторды тағайындау үшін күбі мен қорғасынның күкіртпен араласуы қажет.

Эксплуатациондық мүмкіндіктерін көрсететін фоторезисторлардың параметрлері:

қаранғылық тоғы Iқ, жарықтың алуынан кейін, берілген жұмыс режимінде 30 с кейін тізбекте фоторезистордың ағуы;
қаранғылық кедергісі Rк - фоторезистордың 20oС кедергісі;
жарық тоғы Iсв- ток белілген жұмыс кедергісінде және 200 лк жарықтылықта ;
фототок Iф- жарықтық және қаранғылық ток арасындағы ерекшеліктер ;

- жұмыс кедергісі - ұзақ эксплуатациякезіндегі зақымданусыз фоторезисторға жұмсалуы;

Р _доп - 20 ^o С фоторезистордың мүмкін шашырау күші оның зақымдануысыз қоршаған ортаның 20 ^o С температурасында анықталады .

Фоторезисторлардың негізгі қасиеттерінің бірі -жоғары салыстырмалы интнгралдық сезімталдығы. Жоғары сезімталдық фоторезисторларды кушейткішсіз қолдануға жағдай жасайды. Фоторезисторлардың негізгі кемшіліктеріне: екпіндік және температураның қатты әсер етуі.

$C:\Users\компьютер\Pictures\220px-Photoresistor.svg.png$

5-сурет. Фоторезистордың шартты таңбалануы

4. Фотодиодтар.

Кері тогы р-n өтпесінің жарықталынуына байланысты өзгеріп отыратын жартылай өткізгішті диод фотодиод деп аталады. Фотодиодтар екі түрлі жұмыс әлпінде пайдаланады: сыртқы қорек көзінсіз фотогенератор ретінде және сыртқы қорек көзімен фототүрлендіргіш ретінде.

$C:\Users\компьютер\Pictures\fotodiod.png$

6-сурет. Фотодиод түрлері

Фотодиод, қарапайым диод секілді, бір р-n өтпесінен тұрады. Бірақ түйіспенің ауданы басқа диодтарға қарағанда әлдеқайда үлкен болады, өйткені сәуле осы ауданға перпендикуляр түсуі керек. р-n өтпесіне түскен сәуле фотондары қоздыратын валенттік электрондар өткізгіштік аймақка өтеді. Осының салдарынан екі жартылай өткізгіште де заряд тасушы қос бөлшектердің (электрондар мен кемтіктердің) саны көбейеді. Түйіспелік потенциалдар айырымының әсерінен n-түрлі жартылай өткізгіштегі негізгі емес заряд тасымалдаушылар - кемтіктер р-түрлі жартылай өткізгішке өтеді де, ал мұндағы негізгі емес заряд тасымалдаушылар - электрондар n-түрлі жартылай өткізгішке өтеді. Сөйтіп, n-түрлі жартылай өткізгіште артық электрондар, ал р-түрлі жартылай өткізгіште артық кемтіктер пайда болады. Бұл фотодиодтың қысқыштарында потенциалдар айырымын, яғни фотоэлектрлік ЭҚК-ті тудырады. Фотоэлектрлік ЭҚК-тің мәні көптеген фотодиодтарда 0, 5 . . . 0, 9 В шамасында болады және сәуле ағынынан тәуелді. Бірақ сәуле ағыны белгілі бір шамаға жеткенде р-n өтпесі заряд тасымалдаушыларға қанығады да фотоэлектрлік ЭҚК одан әрі өспейді.

Фотогенератор әлпінде істейтін фотодиодтар күн сәулелерінің энергиясын электр энергиясына түрлендіретін қорек көздері ретінде пайдаланылады. Оларды күн сәулелік элементтер деп атап, олардан күн сәулелік батарея құрайды. Бірақ мұндай күн сәулелік элементтердің пайдалы әрекет коэффициенті өте төмен - 20% шамасында ғана.

Егер фотодиодты кернеу кезіне қосып және жарықтандырса, онда тура кернеу берілгенде оның вольт-амперлік сипаттамасының (7-сурет) АВ бөлігінің генератор әлпіне сәйкес келетінін, ал кері кернеу берілгенде оның тогының жарықтандырылмаған фотодиодқа қарағанда недәуір өсетінің көруге болады.