Сәуле қабылдағыштар (фотоқабылдағыштар, фоторезисторлар, фототиристорлар).
Оптоэлектроника жиелектері оптикалық аралықта жататың электоромагниттық толқымдары өндіру; олардың қабылдағышқа дейін тасмалдану кезіндегі оларды қабылдағыштардың қабылдау кезінде жүретін физикалық құбылыстарды зертейтің электрониканы саласы.
Оптоэлектороника устанындарың пайдаланып ондірістін технология жерлерін басқаруды автоматтандыру үшін қолдануға болады.
Оптоэлектрондық құралдар инфрақызыл ультра кулгін және оптикалық жиелік аралындағы электромагниттік толқымдары өндіреалатын және қабылдайалатын құралдар.
Оптоэлектрондық құралдар когерентті емес электромагниттік толқымдарды когерентті электромагниттік толқындарға айналдыра алады.
Оптоэлектрондық құралдар арқылы ақпараттарды тасмалдауға болады.
Оптоэлектрондық құралдар арқылы электр тезбегіндегі гальваникалық байланыстардан құтылуға болады.
Оптоэлектрондық құралдарға мысалы мыналарға жатқызу болады:
фотодиодтар,
фототранзисторлар,
фототиристорлар,
оптоқосақтар.
ФОТОРЕЗИСТОРЛАР. Кедергісі жарықталынуынан тәуелді шала өткізгіштен жасалған резисторды фоторезистор деп атаймыз.
Фоторезисторларды ішкі фотоэффект құбылысы байқалатын кадмийдің, висмуттың, германийдің, силицийдің сульфидтерінің және селенидтерінен жасайды. Мұндай материалдарға жарық түскен кезде олардың атомдарында электрондар қозып, жоғарғы энергетикалық деңгейлерге ауысады. Осының нәтижесінде заряд тасымалдаушы электрон-кемтік қос бөлшегі пайда болады да материалдардың электр өткізгіштігі артады. Сондықтан шала өткізгіштің жарықталынуы артқан сайын оның кедергісі азаяды.
Сурет 7.1 - Фоторезистордың жарықтық сипаттамасы (1)
және графикалық шартты белгісі (2)
Фоторезисторлардың негізгі сипаттамалары болып оның жарықтық Iф =f(Ф) және вольт-амперлік Iф=f(U) сипаттамалары есетелінеді.
Фоторезистордың жарықтық сипаттамасы деп кернеудің тұрақты мәнінде фототоктың (Iф) жарық ағынынан (Ф) тәуелділігін айтады (сурет 7.1). Жарық ағыны артқан сайын, яғни шала өткізгіштің жарықталынуы артқан сайын, оның фототогы да артып отырады.
Фоторезистордың вольт-амперлік сипаттамасы деп жарық ағынының белгілі-бір тұрақты шамасында (яғни Ф=const) фототоктың кернеудің (U) шамасынан тәуелділігін айтады (сурет 7.2). Егер жарықталынбаған фоторезисторға кернеу көзін жалғаса, онда фоторезистор арқылы қаранғылық тогы деп аталатын азғана ток жүреді. Мұның себебі шала өткізгіште жарықталынбаған кезде де аздаған заряд тасымалдаушылардың болатындығында. Кейін фоторезисторға жарық түскен кезде кернеу көбейген сайын фототок та көбейеді. Бұл тәуелділік түзу сызық бойынша өзгеріп отырады.
Сурет 7.2 - Фоторезистордың вольт-амперлік сипаттамасы
Фоторезисторлардың үлесті интегралдық сезгіштігі, қараңғылық кедергісі және жұмыстық кернеуі оның негізгі параметрлері болып саналады.
Фоторезисторлар үлесті интегралдық сезгіштігі (s) деп фототоктың жарық ағыны мен оған түсірілген кернеудің көбейтіндісіне қатынасынасын айтады.
Фоторезистордың үлесті интегралдық сезгіштігін қылы 2850К дейін қызған шамнан жарықталынуы 200лк болған кезде анықтайды. Әртүрлі фоторезисторлардың үлесті интегралдық сезгіштігі 1...600мА/(В·лм) шамасында болады.
Фоторезистордың қараңғыдағы кедергісін 200лк қылып шаммен жарықтандырып барып сөндіргеннен кейін 30с өткен соң анықтайды. Осылайша қараңғыда өлшенген фоторезистордың кедергісін оның қаранғылық кедергісі деп атаймыз. Фоторезистордың қараңғылық кедергісі 102...1010 Ом шамасында болады.
Фоторезистордың жұмыстық кернеуі ондағы шала өткізгіш материалдың ауданына және электрондардың ара қашықтығына байланысты таңдалынып алынады. Фоторезистордың әр түрлі релелерде және бөлшектерде бұйымдарды сынау үшін қолданылатын аспаптарда пайдаланылады.
Фоторезистордың мынандай жақсы қасиеттері бар:
үлкен интегралдық сезгіштігі;
кішкене габариттік өлшемдері;
аз шаршаушылдығы.
Ал кемшіліктері: инерттілігі, яғни өте тез қосыла алмау қабілеті; фототоктың температураға байланыстылығы.
Фоторезистордың мынандай түрлері бар:
ФСА – қорғасынды-күкіртті;
ФСК – кадмийлы-күкіртті;
ФСБ – висмутты-күкіртті;
ФСД – селенді-кадмийлы.
ФОТОДИОД. Кері тогы р-n өтпесінің жарықталуына байланысты өзгеріп отыратын шала өткізгішті диодты фотодиод деп атайды. Фотодиодтар екі түрлі жұмыс әлпінде пайдаланылады: сыртқы қорек көзінсіз фотогенератор ретінде және сыртқы қорек көзімен фототүрлендіргіш ретінде. Фотодиод, қарапайым диод секілді, бір р-n өтпесінен тұрады. Бірақ түйістің ауданы басқа диодтарға қарағанда әлдеқайда үлкен болады, өйткені сәуле осы ауданға перпендикуляр түсуі керек (сурет 7.3).
Сурет 7.3 – Фотодиодтың сұлбалық құрылысы мен графикалық
шартты белгісі
р-n өтпесіне түскен сәуле фотондары қоздыратын валенттік электрондар өткізгіштік аймаққа өтеді. Осының салдарынан екі шала өткізгіште де заряд тасушы қос бөлшектердің (электрондар мен кемтіктердің) саны көбейеді. Түйістік потенциалдар айырымының әсерінен n түрлі шала өткізгіштегі негізгі емес заряд тасымалдаушылар – кемтіктер р-түрлі шала өткізгішке өтеді де, ал мұндағы негізгі емес заряд тасымалдаушылар – электрондар n-түрлі шала өткізгішке өтеді. Сөйтіп, n-түрлі шала өткізгіште артық электрондар, р-түрлі шала 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 ағымынан 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 болады.
Егер фотодиодты кернеу көзіне қосып және жарықтандырса, онда тура кернеу берілгенде оның вольт-амперлік сипаттамасының (сурет 7.4) АВ бөлігінің генератор әлпіне сәйкес келетінін, ал кері кернеу берілгенде оның тогының жарықтандырылмаған фотодиодқа қарағанда едәуір өсетінін көруге болады.
Сурет 7.4 – Жарықталмаған (1) және жарықталған (2) фотодиодтың вольт-амперлік сипаттамасы
Фотодиодтардың интегралдық сезгіштігі және қараңғылық тогы негізгі параметрлері болып есептелінеді. Силицийден және германийдан жасалған фотодиодтардың интегралдық сезгіштігі 3мА/лм және 20 мА/лм, ал қараңғылық токтары сәйкесінше 1...3 мкА және 10...30 мкА шамасында болады. Фотодиодтар фотометрияда, фотоколориметрияда және телекескіндерді беру құрылғыларында қолданылады.