Elektronika

Maturitní otázky

FOTOSOUČÁSTKY REAGUJÍCÍ NA SVĚTLO

7.Fotosoučástky reagující na světlo

Všeobecné vlastnosti součástek řízených světlem

Činnost součástek řízených zářením je založena na využití vnitřního fotoelektrického jevu. Při dopadu záření vhodné vlnové délky (tj. vhodné energie, neboť energie záření závisí na vlnové délce l) na polovodičový materiál, dochází k rozbíjení vazeb atomů a ke vzniku volných nosičů náboje elektron-díra. V látce bez přechodu PN dojde v důsledku toho ke zvětšení vodivosti. Dopadá-li záření do oblasti přechodu PN, objevuje se mezi částí P a N tzv. hradlové napětí (několik desetin voltu).

Kdybychom sledovali závislost elektrických vlastností součástky (např. vodivosti nebo hradlového napětí) na vlnové délce (barvě) záření při konstantní intenzitě osvětlení E, získali bychom spektrální charakteristiku (obr.à).

Lidskému zraku je svými vlastnostmi nejbližší sirník kademnatý (CdS). Ostatní materiály mají maximum citlivosti posunuto do oblasti infračerveného záření.

Dále se udává přechodová charakteristika součástek. Je to časová závislost změny elektrických vlastností součástky při skokové změně osvětlení. Je charakterizována časovou konstantou t, náběhem t_r a doběhem t_f. Viz obr. ¯

Fotorezistor

Fotorezistory se vyrábějí zpravidla napařením vrstvy vhodného polovodičového materiálu (např. CdS, CdSe pro viditelné světlo nebo CdTe pro infračervené záření) na keramickou podložku. Aby se dosáhlo většího odporu součástky, má polovodičová vrstva tvar meandru. Pouzdro ]e upraveno tak, aby na citlivou vrstvu mohlo dopadat světlo (záření). Za temna je odpor součástky velmi vysoký (10⁶ až 10⁹ W). Osvětlíme-li citlivou vrstvu, dochází ke zmenšení odporu fotorezistoru. Závislost odporu na osvětlení je přibližně logaritmická (v logaritmických souřadnicích vychází téměř přímkový průběh — obr.). Při osvětlení několik set luxů je odpor fotorezistoru pouze několik set ohmů. Zmenšil se tedy 10⁴ až l0⁷krát. Tento údaj je dokladem velké citlivosti fotorezistoru.

Kdybychom měřili voltampérovou charakteristiku, získali bychom soustavu přímek (obr. b¯), která dokazuje, že fotorezistor je při konstantním osvětlení lineárním symetrickým jednobranem.

Pohled na přechodovou charakteristiku (obr. c¯) ukazuje značnou setrvačnost fotorezistoru. Všimněte si, že při zvětšení osvětlení je změna odporu pomalejší než při zatemnění. Důležité také je, že rychlost změn odporu je závislá na velikosti osvětlení. Literatura udává časové konstanty fotorezistorů z CdS: při osvětlení 10^-2 lx je t řádově desítky sekund, při osvětlení 1000 lx asi 10^-3 až 10^-4 s, při osvětlování impulsy laseru poklesne t řádově na 10^-8 až 10^-9 s.

Obr. a) závislost odporu fotorezistoru na osvětlení, b) voltampérové charakteristiky, c) přechodové charakteristiky

Fotodioda

                Fotodioda je plošná polovodičová dioda konstrukčně upravená tak, aby do oblasti přechodu  PN pronikalo světlo. Není-li přechod osvětlen, má voltampérová charakteristika fotodiody stejný průběh, jako má charakteristika běžné plošné diody. Největší rozdíl mezi osvětleným a neosvětleným stavem pozorujeme při polarizaci diody ve zpětném směru (U_AK < 0; III kvadrant), kdy sochází k téměř lineárnímu růstu proudu I_A při rovnoměrném zvětšování osvětlení. Dioda se v těchto podmnínkách chová jako pasivní souč., jejíž odpor je závislý na osvětlení (odporový režim činnosti diody). Chceme-li pracovní bod diody umístit do této oblasti, použijeme zapojení podle obr. b. Při změně osvětlení se mění napětí uak i ur (obr. a).

Část charakteristik probíhajících 4. kvadrantem odpovídá hradlovému režimu činnosti fototodiody. Zde se součástka chová jako zdroj elektrické energie. Na anodě má kladné napětí několik desetin voltu. Bodům, ve kterých anodové charakteristiky protínají svislou osu, odpovídá proud diody nakrátko (i_AK). Průsečíky charakteristik s vodorovnou osou určují napětí naprázdno (U_AKO) Z obr. (ten níže) vidíme, že proud I_ak závisí na osvětlení lineárně, kdežto u_ako přibližně logaritmicky. Proto, chceme-li využít hradlové činnosti diody např. k měření osvětlení, užijeme zapojení podle obr. c . Snažíme se o to, aby dioda pracovala nakrátko. Proto musí být odpor mikroampérmetru co nejmenší. Pak je stupnice lineární. V propustné oblasti charakteristik (1. kvadrant) se vliv osvětlení téměř neprojevuje. Zde se dioda nepoužívá.

            Fotodioda reaguje na změny osvětlení velmi rychle. Náběh  t_r je řádově 10^-6 až 10^-9 s. Zvláštní konstrukce těchto diod, např. fotodioda PIN, která má mezi vrstvu P a N vloženou vrstvu s intrizitní vodivostí s velkou elektrickou pevností (U_AK  je až -500 V), a pracuje proto s velmi vysokými intenzitami elektrického pole v oblasti přechodu, nebo Schottkyho fotodioda (napařená vrstva zlata na křemíku) dosahují náběhu řádově 10^-12 až 10^-13 s.

Fotodiody se používají k měření osvětlení (selenové a některé křemíkové v hradlovém režimu), dále ke snímání z děrné pásky, v automatizaci, ve filmových projektorech při snímání optického záznamu zvuku atd. Rychlé fotodiody pracují jako přijímače v optických spojích, optronech apod.

Lavinová fotodioda

Struktura této fotodiody je na obr. a. Ochranný prstenec OP zvětšuje odolnost diody proti povrchovému napěťovému průrazu. Katoda je tvořena vrstvou N s velmi nerovnoměrnou koncentrací příměsí, která se od povrchu do hloubky (asi 0,5 mm prudce zmenšuje (z N⁺ až na velmi čistý intrinzitní polovodič). (Odtud název lavinová fotodioda PIN.) V důsledku toho dochází při působení napětí ve zpětném směru k nerovnoměrnému rozložení intenzity pole uvnitř diody. Páry elektron-díra, uvolněné při osvětlení, jsou elektrickým polem velmi urychleny a způsobují nárazovou ionizaci krystalové mřížky. To se projevuje prudkým vzrůstem anodového proudu při určité velikosti záporného anodového napětí (obr.b).

Lavinové fotodiody pracují v impulsovém režimu jako citlivé a rychlé optické přijímače. Mezní frekvence světelných impulsů, na které dioda reaguje, je až několik desítek gigahertzů.

Fototranzistor

                Místo vstupního proudu přiváděného do báze bipolárních tranzistorů se k řízení kolektorového proudu fototranzistorů využívá světelné energie. Světlo proniká do oblasti přechodu báze-emitor okénkem v pouzdru uzavřeným skleněnou čočkou.

                Vstupní charakteristiky tranzistoru TESLA KP 101 jsou na obr.. Důležitou charakteristickou veličinou je světelná citlivost S = DI_C/I_E (mA/lx), která je analogická strmosti y₂₁ běžných tranzistorů. Při vzrůstu osvětlení se citlivost S zvětšuje.

Fototyristor

Čtyřvrstvová struktura PNPN fototyristoru je umístěna v pouzdru  s průhledným okénkem, které umožňuje, aby do oblasti přechodu J₂ mohlo pronikat světlo. Součástka má vyvedenou řídící elektrodu G a za temna má stejné vlastnosti jako běžný tyristor řízený proudem.

                Kdybychom nastavili určitý řídící proud I_G a měnili osvětlení, zjistili bychom, že blokovací napětí U_B se při zvětšování osvětlení zmenšuje. Situaci zachycují voltampérové charakteristiky na obr.. Důležitou veličinou je tzv. spínací osvětlení E_T, při kterém mizí blokovací schopnost fototyristoru při napětí U_AK > 0. Je zřejmé , že velikostí proudu I_G je možné řídit citlivost fototyristoru na velikost osvětlení, při kterém fototyristor spíná.

                Použití : spínací a řídcí obvody ovládané světlem, ochranná zařízení u strojů, optroelektrické obvody, oprony apod.

Optron (optoelektrický spojovací člen)

Optron je součástka složená z řízeného zdroje světla (ZS) a fotoelektrického přijímače (FP) (obr. a). Z obvodového hlediska jde o dvoj-bran, jehož převodní charakteristika by měla být lineární. Obvykle se dosahuje průběhu nakresleného na obr. b. Jako řízené zdroje světla se používají nejčastěji světelné diody , neboť jejich odezva na změny elektrického signálu je velmi rychlá (t_r řádově 10^-7 až 10^-8 s), mají malé rozměry, velkou životnost, malou spotřebu atd. Přijímače jsou fotodiody nebo fototranzistory. Nepožaduje-li se lineární převodní charakteristika (impulsové obvody), užívají se jako přijímače lavinové fotodiody, fotodiody PIN a fototyristory. Důležité je, aby použitý zdroj světla a fotoelektrický přijímač měly stejné spektrální charakteristiky. Obě části optronu jsou uzavřeny do neprůhledného pouzdra. S vnějším obvodem souvisejí pouze elektrickými veličinami (u_1, i₁, u₂, i₂).

Optrony slouží např. ke galvanickému oddělení dvou obvodů. Přitom užitečný signál optronovou vazbou neprochází(Změny u_1, i₁ na vstupu se projeví jako změny u₂, i₂ na výstupu).