ФОТО- И ОПТОЭЛЕКТРОННЫЕ ПРИБОРЫ
Цель работы: изучение структуры, основных характеристик фотодиода и фоторезистора, принципа функционирования простейших устройств на оптронах.
Общие сведения
Оптоэлектроникой называют научно-техническое направление, в котором для передачи, обработки и хранения информации используются электрические и оптические средства и методы. В оптоэлектронике световой луч выполняет те же функции управления, преобразования и связи, что и электрический сигнал в электрических цепях. Устройства оптоэлектроники обладают некоторыми существенными преимуществами по сравнению с чисто электронными устройствами. В них обеспечивается полная гальваническая развязка между входными и выходными цепями. Отсутствует обратное влияние приемника сигнала на его источник. Облегчается согласование между собой электрических цепей с разными входными и выходными сопротивлениями. Оптоэлектронные приборы имеют широкую полосу пропускания и преобразования сигналов, высокое быстродействие и большую информационную емкость оптических каналов связи (1013 - 1015 Гц). На оптические цепи не оказывают влияние различные помехи, вызванные электрическими и магнитными полями. К недостаткам оптоэлектронных компонентов относятся: низкая температурная и временная стабильность характеристик; сравнительно большая потребляемая мощность; сложность изготовления универсальных устройств для обработки информации; меньшие функциональные возможности по сравнению с ИМС, необходимость жестких требований к технологии изготовления.
Входной сигнал в виде импульса или перепада входного тока возбуждает фотоизлучатель и вызывает световое излучение. Световой сигнал по световоду попадает в фотоприемник, на выходе которого образуется электрический импульс или перепад выходного тока. В оптронных устройствах в качестве источников света применяются обычно лампы накаливания, электролюминесцентные конденсаторы или светодиоды. В качестве приемников света используют фоторезисторы, фотодиоды, фототиристоры, фототранзисторы и различные комбинации этих приборов. Условные обозначения некоторых типов оптронов показаны на рис.3.2 (а) - диодный, б) - резисторный, в) - динисторный).
Работа фоторезисторов основана на явлении изменения сопротивления вещества под воздействием внешнего светового излучения. Конструктивно фоторезистор представляет собой пластину полупроводника, на поверхности которой нанесены электроды. Структура фоторезистора и условное обозначение показаны на рис.3.3, где 1 -диэлектрическая пластина; 2 - полупроводник; 3 - контакты фоторезистора.
1. Вольтамперная характеристика - зависимость тока I через фоторезистор от напряжения U, приложенного к его выводам, при различных значениях светового потока Ф, либо освещенности Е (рис.3.4). Ток при Ф =0 называется темновым током I т, при Ф > 0 общим током I общ. Их разность равна фототоку I ф= I общ- I т. 2. Энергетическая характеристика - это зависимость фототока от светового потока, либо освещенности при U = const. В области малых Ф она линейна, а при увеличении светового потока рост фототока замедляется из-за возрастания вероятности рекомбинации носителей заряда (рис.3.5). Энергетическая характеристика иногда называется люксамперной, в том случае, если по оси абсцисс откладывают освещенность Е в люксах. 3.
S ф= и токовую чувствительность к освещенности Е S Е= В качестве одного из основных параметров фоторезистора используют величину удельной интегральной чувствительности, которая характеризует интегральную чувствительность, когда к фоторезистору приложено напряжение 1В. S Ф инт.уд= У промышленных фоторезисторов удельная интегральная чувствительность имеет пределы десятые, сотые доли Важными характеристиками фоторезистора являются также: спектральная характеристика; граничная частота сигнала, модулирующая световой поток; температурный коэффициент фототока и пороговый поток. Фотодиоды имеют структуру обычного р-n -перехода (рис.3.6), где а) - условное обозначение фотодиода, б) - структура фотодиода. Вследствие оптического возбуждения в р и n областях возникает неравновесная концентрация носителей заряда. На границе перехода неосновные носители заряда под влиянием электрического поля, перебрасываются через переход в область, где они являются основными носителями. Электрический ток, созданный ими есть полный фототок. Если р-n -переход разомкнут, то перенос носителей заряда, генерируемых светом, приводит к накоплению отрицательного в n -области и положительного в р -области зарядов. Новое равновесное состояние соответствует меньшей высоте потенциального барьера, равной (U к- Е ф). ЭДС Е ф, возникающую при этих процессах, на значение которой снижается потенциальный барьер U к в р-n -переходе, называют фотоэлектродвижущей силой (фото-ЭДС) В данной ситуации фотодиод работает в режиме фотогенератора, преобразуя световую энергию в электрическую.
 Фотодиод может работать совместно с внешним источником (рис.3.6в). При освещении фотодиода поток неосновных носителей заряда через р-n- переход возрастает. Увеличивается ток во внешней цепи, определяемый напряжением источника и световым потоком. Значение фототока можно найти из выражения I ф= S инт Ф, где S инт - интегральная чувствительность. Вольтамперные характеристики освещенного p-n -перехода показаны на рис.3.9, б. Фототок суммируется с обратным током теплового происхождения. К основным характеристикам фотодиода относят: 1.
Энергетические характеристики, которые связывают фототок со световым потоком. Причем фотодиод может быть включен без внешнего источника ЭДС (генераторный режим), так и с внешним источником (рис.3.7: а) - генераторный режим; б) - при работе с внешним источником). 2. Абсолютные и относительные спектральные характеристики – это зависимости абсолютной либо относительной чувствительности от длины волны регистрируемого потока излучения. Они аналогичны соответствующим характеристикам фоторезистора и зависят от материала полупроводника и введенных примесей. В качестве фотоприемников в оптронных устройствах также используются фототиристоры и фототранзисторы. У фототранзисторов интегральная чувствительность значительно выше, чем у диода и составляет сотни миллиампер на люмен. Биполярный фототранзистор представляет собой обычный транзистор, но в корпусе его сделано прозрачное окно, через которое световой поток воздействует на область базы, вызывая в ней генерацию носителей зарядов. Они диффундируют к коллекторному переходу, где происходит их разделение. Дырки под воздействием поля коллектора идут из базы в коллектор и увеличивают ток коллектора, а электроны, оставаясь в базе, повышают прямое напряжение эмиттерного перехода, что усиливает инжекцию дырок в этом переходе. Если базовый вывод транзистора не подключается к схеме, то такое включение называют с “плавающей” базой. В этом случае режим работы транзистора будет сильно зависеть от температуры. Вывод базы используют для задания оптимального режима работы фототранзистора, при котором достигается максимальная чувствительность к световому потоку. Фототиристоры имеют четырехслойную структуру (рис.3.8, а) и управляются световым потоком, подобно тому, как триодные тиристоры управляются током, подаваемым в цепь управляющего электрода. При действии света на область базы р1 в этой области генерируются электроны и дырки.
Фототиристоры могут успешно применяться в различных автоматических устройствах в качестве бесконтактных ключей для включения значительных напряжений и мощностей. Важные достоинства тиристоров: малое потребление мощности во включенном состоянии, малые габариты, отсутствие искрения, малое время включения. Предварительное задание к эксперименту
Используя вольтамперные характеристики (рис.3.9: а) – фоторезистора, б) - фотодиода), а также данные таблицы 3.1, для заданного вариантом U найти значения фототока I ф, и по полученным значениям построить энергетическую характеристику фотоэлектронного прибора. Определить величину токовой чувствительности к освещенности S Е при Е =200лк.
Таблица 3.1
Порядок выполнения эксперимента Перед началом выполнения работы привести стенд в исходное состояние. Для этого ручки регуляторов Р1 и Р2 повернуть влево до упора. выключатели В1, В2, В3, В5 установить в нижнее положение. Ручку управления Р3 установить в положение А. Соединить с помощью перемычки гнезда Г1 и Г2. Подключить к гнездам Г1 и Г6 цифровой вольтметр. Переключатель пределов измерения микроамперметра В4 установить в положение наименьшей чувствительности х100 и в дальнейшем, перед проведением очередного эксперимента, возвращать его в это положение. Подключить стенд к сети. Тумблер В5 установить в верхнее положение. Примечание: в процессе измерений не допускать «зашкаливания» прибора! 1. Снять вольтамперную характеристику I ф(U) фоторезистора. Для этого ручку переключателя Р3 установить в положение А, а тумблер В1 перевести в верхнее положение. Данные эксперимента занести в таблицу 3.2.
Таблица 3.2
2. Вернуть в левое положение ручки регуляторов Р1 и Р2. Установить ручкой регулятора Р1 напряжение на фоторезисторе U =3 В и снять зависимость фототока от освещенности I Ф(Е), задавая значение Е регулятором Р2, поддерживая постоянным напряжение на фоторезисторе ручкой Р1. Полученные значения занести в таблицу 3.3. Таблица 3.3
3. Соединить перемычкой гнезда Г1 и Г3, тумблер В1 должен находиться в верхнем положении. Снять вольтамперные характеристики фотодиода для различных значений освещенности Е. Напряжение на фотодиоде устанавливать регулятором Р1. Полученные данные занести в таблицу 3.4. Таблица 3.4
3. Для снятия энергетических характеристик фотодиода в генераторном режиме установить тумблер В1 в нижнее положение, ручки регуляторов Р1 и Р2 в крайнее левое положение. Соединить перемычкой гнезда Г1 с Г3 (в режиме R н=0), с Г4 (R н=200 Ом), с Г5 (R н=500 Ом). Снять зависимость фототока I ф от освещенности Е. Данные занести в таблицу 3.5.
Таблица 3.5
5. Перевести тумблер В1 в верхнее положение и снять энергетические характеристики фотодиода для случая, когда напряжение внешнего источника U вш отлично от нуля. Полученные значения занести в таблицу 3.6. Таблица 3.6
7. Исследовать работу порогового устройства, состоящего из динисторного оптрона и элемента, выполняющего функцию логического И. При подаче на вход элемента И двух логических единиц (тумблеры В1 и В2 в верхнем положении), на выходе формируется сигнал высокого уровня, о чем сигнализирует зажигающийся светодиод VD1. В результате этого загорается и светодиод оптрона VD2, освещающий динистор оптрона и вызывающий его включение, о чем сигнализирует лампочка Л1. По окончании работы тумблер В5 перевести в нижнее положение, отключить стенд от сети. Содержание отчета
1. Расчет предварительного задания к эксперименту. 2. Таблицы экспериментальных значений. 3. Энергетическая характеристика, построенная по данным предварительного задания и сравнительный анализ ее вида с аналогичной характеристикой, построенной по экспериментальным данным. 4. Вольтамперные и энергетические характеристики фоторезистора, построенные по снятым значениям. 5. Вольтамперные и энергетические характеристики фотодиода в генераторном режиме и режиме с внешним источником напряжения. Контрольные вопросы
1. Перечислите достоинства и недостатки оптоэлектронных приборов. 2.Назовите основные характеристики фоторезисторов. 3. Почему световые характеристики фоторезисторов нелинейны? 4. Что такое удельная чувствительность фоторезистора? 5. Назовите возможные режимы работы фотодиодов. 6. Опишите механизм образования фото-ЭДС при освещении светом р-n-перехода. 7. Перечислите основные параметры фотодиода.
|
при освещенности Е =200 лк.
