Fotoelektron şüaqəbuledici cihazlar(fotodiodlar, fototranzistorlar, fototiristorlar, fotorezistorlar, fototutumlar və.s)

 Fotoelektron şüaqəbuledici cihazlar

Şüa enerjisi ilə idarə edilən cihazlara optik şüaqəbuledici cihazlar deyilir. Onlar ultrabənövşəyi, görünən və infraqırmızı şüalanmanı elektrik və optik siqnallara çevirirlər. Optik şüalanmanın maddələrlə qarşılıqlı təsirinin xarakterinə görə şüaqəbulediciləri iki sinfə bölünür: istilik şüaqəbulediciləri və foton şüaqəbulediciləri.

İstilik şüaqəbuledicilərində şüalanma selinin fotonları həssas elementin maddəsinin kristal qəfəsəsinin rəqsi enerjisini çoxaldır və bu isə həssas elementin temperaturunu artırır. Nəticədə həssas elementin termo e.h.q, termomüqaviməti, həcmi və polyarizasiyası dəyişir. Şüalanmanın maddə ilə qarşılıqlı təsirindən istilik şüaqəbuledicisinin dövrəsində elektrik və optik siqnallar yaranır. Belə qəbuledicilərə piro- elektrik qəbuledicilər, bolometrlər, radiasiyalı termoelementlər aiddir.

Piroelektrik qəbuledicilərin işi qızdırılma və ya şüalandırma nəticəsində cərəyan hasil edilməsinə əsaslanır. Onlar termoelektrik cərəyan generatorlarıdır. Çıxış siqnalı temperaturu dəyişmə sürətindən asılı olduğundan bu cihazlar sabit xarakterli istilik sahələrinə həssaslıq göstərmir və yüksək iş sürətinə malik olur. Onlar qızdırılmış cisimlərin qeyri-koherent şüalanmasının orta gücünü ölçmək üçün, infraqırmızı şüalanmanın orta sahəsində kosmik tədqiqatlar üçün, lazer şüalanmasının orta, pik gücünü, enerjisini və başqa parametrlərini ölçmək üçün istifadə edilir.

Radiasiyalı termoelementlər istilikdən və ya şüalanmadan termo e.h.q. yaradan iki qeyri-həmcins keçiricinin birləşməsindən ibarətdir. Onlar istilik gərginlik generatorla- rıdırlar. Bunlara avtomatikada temperatur, infraqırmızı və başqa şüalanma gücünün vericisi kimi istifadə olunan termocütlər aiddir.

Bolometrlər istiliyə həssas rezistorlardır. Onların işi işıq selinin udulması nəticəsində müqavimətin dəyişməsinə əsaslanır. Onları elektrik dövrəsinə qoşmaqla udulan şüanın parametrlərini dəyişib gərginliyi (cərəyanı) modulyasiya edirlər.

Foton şüaqəbuledicisində işıq selinin fotonları bilavasitə qəbuledicinin həssas elementinin elektronlarına təsir edərək onları həyəcanlandırır. İşıq selinin gücü vəziyyətlərini dəyişən elektronların sayma görə müəyyən edilir.

Yarımkeçirici foton qəbuledicilərinin işi daxili fotoef- fekt hadisəsinə əsaslanır. Daxili fotoeffekt nəticəsində ko- valent əlaqələrdən azad olan elektronlar maddənin içərisində də qalıb onun elektrik keçiriciliyini artırırlar və nəticədə ya- rımkeçiricidə daxili e.h.q. yaranır.

İşi daxili fotoeffekt hadisəsinə əsaslanan yarımkeçirici elementlərdən fotorezistorları, fotodiodları, fototranzistor- ları, fototutumları, fotovaristorları göstərmək olar. Bu cihazların hamısının əsas xarakteristikaları aşağıdakılardır:

1)işıq xarakteristikası - elektrodlar arasında gərginliyin və şüanın spektral tərkibinin sabit qiymətlərində fotocərə- yanm şüa selinin intensivliyindən asılılığı;

2)volt-amper xarakteristikası - şüa selinin sabit qiymətində fotocərəyanm elektrodlardakı gərginlikdən asılılığı;

3)spektral xarakteristikası - elektrodlar arasındakı gərginliyin və işıq selinin sabit qiymətlərində nisbi həssaslığın (faizlə) işıq şüasının dalğa uzunluğundan asılılığı;

4)tezlik xarakteriktikası - gərginliyin və işıq selinin sabit qiymətlərində nisbi həssaslığın (faizlə) işıq selinin intensivliyinin dəyişmə tezliyindən asılılığı;

5)temperatur xarakteristikası - fotoqəbuledici xarakteristikalarının və parametrlərinin temperaturdan asılılığı;

6)yorulma xarakteristikası - fotoqəbuledicinin həssaslığının iş müddətindən asılı dəyişməsi;

7)keçid xarakteristikası - işıq selinin vahid sıçrayışla dəyişməsinə fotoqəbuledicinin göstərdiyi reaksiya (cihazın iş sürətini xarakterizə edir).

Fotoqəbulediciləri xarakterizə edən əsas parametrlər aşağıdakılardır:

1)inteqral həssaslıq - işıq selinin vahid dəyişməsindən fotocərəyanm necə dəyişməsini göstərir;

2)spektral həssaslıq - hər hansı dalğa uzunluğuna malik işıq selinin dəyişməsindən fotocərəyanm dəyişməsini göstərir;

3) dəyişən cərəyana görə daxili müqavimət: Ri=dU/dJf,

4)sabit cərəyana görə müqavimət: Ro = U/Jfi

5)qaranlıq cərəyanı Jq- tam qaranlıq olan halda cihazdan axan cərəyan;

6)buraxıla bilən səpələnmə gücü Pmax;

7)qaranlıqda olan fotoqəbuledicidə maksimal buraxıla bilən gərginlik Umax.

Fotorezistor şüa enerjisinin təsirindən öz müqavimətini dəyişən cihaza deyilir. O, şüşə lövhənin üzərinə çəkilmiş iki cərəyan keçirən təmasa malik olan yarımkeçirici qatdan ibarətdir (şəkil 9.4a). Rütubətdən qorumaq üçün yarımkeçiricinin səthinə şəffaf lak çəkilir. Lövhəni işığın düşməsi üçün pəncərəsi olan plastik maddədən və ya metaldan düzəldilmiş gövdəyə salırlar. Fotorezistorlarda vismutun, kadmiumun, qurğuşunun kükürdlü və selenli birləşmələri istifadə olunur.

Fotorezistorun dövrəyə qoşulma sxemi şəkil 9.4b-də göstərilmişdir.

İşıqlanma olmayanda fotorezistorun müqaviməti maksimal olur (RC|) və ona qaranlıq müqaviməti deyilir (10 üstü- 10 üstü 7 Om). Bu halda cihazdan çox kiçik qaranlıq cərəyanı axır:

Jq=Ea/(Rq+Ry).

Fotorezistoru işıqlandırarkən onun elektrik müqaviməti işıqlanma müqavimətinə Riş qədər azalır və dövrədən axan cərəyan artır: 

İşıqlanma cərəyanı ilə qaranlıq cərəyanının fərqinə birinci keçiricilik fotocərəyanı deyilir:  

teristikaları infraqırmızı sahədə maksimum həssaslığa malikdirlər. Belə fotorezistorlar əsasən pirometriyada zəif qızdırılmış cisimlərin temperaturunu ölçmək, infraqırmızı texnikada - gecə görən cihazlarda, istilik pelenqatorlarmda (obyekti tapan) və s. işlədilir. Digər fotorezistorlar spektrin görünən hissəsində maksimal həssaslığa malik olur. Bunlar görünən işığa reaksiya verən qurğularda (siqnalizasiya qurğuları, fotorele və s.) işlədilir.

Fotorezistorlar kiçik ölçülərə, böyük həssaslığa və demək olar ki, hüdudsuz iş müddətinə malikdirlər.

Onların mənfi cəhətləri qaranlıq cərəyanının nisbətən böyük, işıq xarakteristikalarının qeyri-xətti olması, cihazın işinin temperaturdan asılılığı, ətalətliyi (maddənin daxilində hərəkət edərkən yükdaşıyıcılarm diffuziya sürətinin kiçik olması) və s. Ətalətlik onları tez dəyişən işıq sellərində işləyən qurğularda istifadə etməyə imkan vermir.

Temperatur 10° C dəyişəndə fotorezistorun müqaviməti 1-3% dəyişir. 98% rütubətlikdə cihaz sıradan çıxır. Yüksək rütubət şəraitində və maye mühitdə hermetik hazırlanmış fotorezistorlar istifadə olunur.

Fotodiod əks cərəyanın qiyməti işıqlanmadan asılı olan yarımkeçirici dioda deyilir. Fotodiodda gedən fiziki proseslər işıq diodlarmda baş verən proseslərə görə əks xarakter daşıyır. Burada kifayət qədər yüksək enerjili fotonların təsirindən maddənin elektronları valent zonasından çıxarılıb keçiricilik zonasına aparılır. Nəticədə sərbəst yükdaşıyıcı cütləri əmələ gəlir və onlar fotoqəbuledicinin qütblərinə tərəf qarşılıqlı hərəkət edərək cərəyan yaradırlar.

Cihazın işinin kvant effektivliyi (q) bir fotonun təsirindən əmələ gələn elektron deşik cütlərinin sayı ilə xarakterizə olunur. Fotocərəyan

ifadəsi ilə təyin olunur. Burada Фо -vahid zamanda səthə düşən fotonların sayı, q - elektronun yüküdür.

Kvant effektivliyi kristalın səthindən əksolma nəticəsindəki itkilərdən, daşıyıcılar cütünün yaranma yerindən, dalğa uzunluğundan və fotodiodun materialından asılıdır. Kvant effektivliyi yüksək olduqca cihazın həssaslığı da böyüyür. Fotodiodun quruluşu adi müstəvi yarımkeçiricinin

quruluşuna bənzəyir. Fərq ondadır ki, fotodiodun p-n keçidinin bir tərəfi işıq düşən pəncərəyə yönəlir, digər tərəfi isə işıqdan qorunur. Fotodiodlarm iki iş rejimi mövcuddur: fotodiod (fotoçevirici) rejimi, ventil (fotogenerator) rejimi. Fotodiod rejimində cihaza əks istiqamətdə kənar gərginlik

mənbəyi qoşulur (şəkil 9.6). Diodun üzərinə işıq seli düşmədikdə onun dövrəsindən kiçik (germanium üçün 1020 mkA, silisium üçün 1-2 mkA) qaranlıq cərəyanı axır. 

İşıqlanma olanda diodda əlavə elektron deşik cütləri yaranır və qeyri-əsas yükdaşıyıcılann keçiddən axını çoxalır:elektronlar p qatından n qatma, deşiklər isə əks tərəfə

keçir. Nəticədə dövrədən axan cərəyan çoxalır. Yük müqavimətinin və mənbə gərginliyinin düzgün seçilmiş qiymətlərində cərəyan işıqlanmadan asılı olacaqdır. Yük müqavimətindəki gərginlik düşküsü cihazın çıxış siqnalı olur.

tranzistorun birləşməsi kimi təsəvvür etmək olar. Ona görə bu cihazlar işıq enerjisini elektrik enerjisinə çevirməklə bərabər həm də fotocərəyanı gücləndirə bilir. Fototranzistorlar p-n-p və n-p-n tipli olurlar və bunların xarakteristikaları eyni olur. Fototranzistorun girişinə həm optik, həm də elektrik

siqnalı vermək olar. Əgər girişə elektrik siqnalı verilirsə, cihaz adi tranzistor kimi işləyir. Əgər girişdə elektrik siqnalı olmursa, cihaz böyük inteqral həssaslığa malik olan fotodiod

kimi işləyir. Qida mənbəyi bu cihaza adi tranzistora qoşulan kimi qoşulur, ancaq fototranzistor sərbəst (qoşulmamış) bazali, sərbəst kollektorlu və sərbəst emitterli sxemlərlə qoşula bilər. Birinci və ikinci sxemlər fototranzistorun fotodiod rejimində qoşulmasına uyğun gəlir. Fototranzistorun qoşulma sxemləri şəkil 9.8-də göstərilmişdir.

qaviməti az, keçidinin tutumu isə çox olur. Ona görə foto- tranzistorun hüdud tezliyi fotodiodun hüdud tezliyindən azdır. Bu səbəbdən fototranzistorlarm lifli optik sistemlərdə istifadəsi məhdudlaşır. Fototranzistorlarm küylərinin səviyyəsi yüksək, qaranlıq cərəyanının temperaturdan asılılığı isə qüvvətli olur.

Fototranzistorlarm tətbiq sahələri fotodiodlarla eynidir. Onlar əsasən işıq siqnallarını qeyd etmək üçün istifadə olunması məqsədəuyğundur. Bu halda sonrakı gücləndirici kaskadlarla uzlaşdırmaq üçün fototranzistor cərəyanın minimal qiymətində yüksək çıxış müqavimətinə malik olmalıdır. Bunun üçün bazaya müsbət sürüşmə vermək lazım gəlir (şəkil 9.8e). Şəkil 9.8e-də cihazın parametrlərinin baza cərəyanından asılılığı göstərilmişdir. Göründüyü kimi müəyyən bir optimal baza cərəyanında zəif siqnalları qeyd edən sxemlərin əsas parametrləri də optimal qiymətlər alır. Baza cərəyanının optimal qiymətində qaranlıq cərəyanı təxminən 10 dəfə azalır, çıxış müqaviməti isə 10 dəfə artır.

Son vaxtlar sahə fototranzistorları buraxılır və bunlarda fotodiod rolunu p-n idarəedici elektrodu oynayır. Bu cihazların məxsusi küylərinin səviyyəsi nisbətən az olur.

Konstruksiya cəhətdən fototranzistorları şüşə pəncərəsi olan gövdələrdə yerləşdirirlər.

Fototiristor işıq seli vasitəsi ilə açılan çoxqatlı ya- rımkeçirici struktura malik olan cihaza deyilir. Adi tiristor- dan bu cihazın fərqi ondadır ki, onun gövdəsində işıq vermək üçün pəncərə olur. Belə cihazı açmaq üçün həm işıq selindən, həm də idarəedici elektroda verilən elektrik siqnalından istifadə etmək mümkündür. Fototiristorlar triod tipli və tetrod tipli olur. Onların iş prinsipi adi tiristora uyğundur, lakin burada Kı və K2 keçidlərinin cərəyanı ötürmə əmsallarının artırılması onların işıqlandırılması hesabına baş verir.

Ventil fotoelementlərinin işi yarımkeçiricinin p-n keçidi işıqlanarkən bağlı qatda baş verən fotoeffekt hadisəsinə əsaslanır. Bu zaman əmələ gələn elektron-deşik cütləri p-n keçidi zonasında əks istiqamətdə diffuziya edirlər. Elektronlar n qatına, deşiklər isə 72-qatma keçirlər, nəticədə n qatı əlavə mənfi, 72-qatı isə əlavə müsbət yük əldə edir. Beləliklə, keçidin hər iki tərəfində müxtəlif işarəli fəza yükləri yaranır və bunun nəticəsində xarici dövrədən cərəyan axır.

Bu halda ventil fotoelementi dövrədə e.h.q. yaradır və işıq enerjisini elektrik enerjisinə çevirən fotogeneratora dönür. Foto e.h.q.-nin qiyməti işıqlanmaya mütənasib olur. Lakin alman e.h.q. keçidi düz istiqamətdə sürüşdürür ki, bu da ventil fotoelementinin daxili müqavimətini azaldır. Bu halda elementə yük qoşularkən fotocərəyan iki dövrə ilə (yük müqavimətindən və fotoelementin daxili müqavimətindən) axır (şəkil 9.11 a). Yük cərəyanı Jy=Jiş-Jdüz- Burada Jiş- işıq selinin təsirindən əmələ gələn yüklər hesabına axan cərəyan, Jdüz-işıqlanma nəticəsində potensial səddi azalan p-n 

Elektronika- Hümbətov Ramiz