Valodiodi on puolijohteinen aurinkosähkölaite, joka käyttää sisäistä valosähköistä vaikutusta. Valodiodin rakenne on samanlainen kuin tavanomaisen liitosdiodin. Erona on, että sen p – n-liitos toisella puolella on kohti lasi-ikkunaa, jonka läpi valo pääsee sisään, ja on suojattu toiselta puolelta tulevalta valolta. Valodiodit voivat toimia yhdessä kahdesta tilasta:
- ilman ulkoista sähköenergian lähdettä (venttiili tai valogeneraattori, aurinkosähkötila);
- ulkoisella sähköenergialähteellä (valodiodi tai valomuunnostila).
Tarkastellaan valodiodin toimintaa hilatilassa, kytkentäpiiri on esitetty kuvassa 8.7.
Kuva 8.7. Valodiodin kytkentäpiiri käytettäväksi venttiilitilassa
Valovirran puuttuessa p – n -liitoksen rajalle syntyy kosketuspotentiaaliero. Siirtymän läpi kulkee kaksi virtaa toisiaan kohti - I dr ja I dif, jotka tasapainottavat toisiaan. Kun p – n liitos valaistuu, puolijohteen läpi kulkevat fotonit välittävät joillekin valenssielektroneille energiaa, joka riittää niiden siirtymiseen johtavuuskaistalle, ts. ylimääräisiä elektroni-reikäpareja syntyy sisäisen valosähköisen vaikutuksen vuoksi. P – n -liitoksen kontaktipotentiaalieron vaikutuksesta n-alueen vähemmistövarauksen kantajat - reiät siirtyvät p-alueelle ja p-alueen vähemmistövarauksen kantajat - elektronit - n-alueelle. Poikkeamavirta saa lisälisäyksen, jota kutsutaan valovirraksi. Vähemmistökantoaaltojen ryömiminen johtaa ylimääräisten reikien kerääntymiseen p-alueelle ja elektronien kerääntymiseen n-alueelle, mikä johtaa potentiaalieron syntymiseen liittimiin valodiodin avoimella ulkoisella piirillä, jota kutsutaan foto-EMF:ksi. Potentiaalisiirtymäeste, kuten myötäjännitteen tapauksessa, pienenee foto-emf:n määrällä, jota kutsutaan avoimen piirin jännitteeksi U xx, kun ulkoinen piiri on avata. Potentiaaliesteen pieneneminen lisää enemmistökantoaaltojen diffuusiovirtaa DI liitoksen läpi. Se on suunnattu valovirtaan. Koska kytkin on auki, rakenteeseen muodostuu termodynaaminen virtojen tasapaino:
Valo-EMF-arvo ei voi ylittää p – n -liitoksen kosketuspotentiaalieroa. Muussa tapauksessa optisesti muodostettujen kantoaaltojen erottelu pysähtyy liitoskohdan kentän täyden kompensoinnin vuoksi. Joten esimerkiksi seleeni- ja piivalodiodeissa foto-EMF saavuttaa 0,5 ... 0,6 V, galliumarsenidivalodiodeissa - 0,87 V.
Kun kuorma on kytketty valaistuun valodiodiin (kytkin on kiinni), sähköpiiriin ilmestyy virta vähemmistökantoaaltojen ajautuman vuoksi. Virran arvo riippuu foto-EMF:stä ja kuormitusresistanssista, suurin virta samassa valodiodin valaistuksessa on vastuksen resistanssilla nolla, ts. valodiodin oikosulkulla. Kun vastuksen resistanssi ei ole nolla, valodiodin ulkoisen piirin virta pienenee.
Valodiodin läpi kulkeva virta voidaan kirjoittaa seuraavasti:
missä I f - valovirta;
I 0 - p – n -liitoksen lämpövirta;
U on jännite diodin yli.
Avoimella ulkoisella piirillä (R n = ¥, I f yhteensä = 0) on helppo ilmaista jännite risteyksessä tyhjäkäynnillä, joka on yhtä suuri kuin foto-EMF:
Valogeneraattoritilassa toimivia fotodiodeja käytetään usein virtalähteinä, jotka muuntavat aurinkoenergian sähköenergiaksi.
Valodiodi- tai valomuunnostoiminnossa ulkoinen energialähde on kytketty sarjaan valodiodin kanssa, jolloin diodi esijännitetään vastakkaiseen suuntaan (kuva 5.12).
Kuva 8.8. Valodiodikytkentäpiiri käytettäväksi valodioditilassa
Valovirran puuttuessa ja valodiodin läpi syötetyn käänteisen jännitteen vaikutuksesta tavallinen alkukäänteinen virta I o, jota kutsutaan pimeäksi, kulkee. Pimeä virta rajoittaa valovirran minimiarvoa. Kun valodiodi valaistaan, valokvantit repivät lisäksi elektroneja puolijohteen valenssisidoksista, mikä lisää vähemmistövarauksen kantajien virtaa p – n -liitoksen läpi. Mitä suurempi valodiodille osuva valovirta, sitä suurempi on vähemmistövarauksen kantajien pitoisuus sulkukerroksen lähellä, ja sitä suurempi on ulkoisen lähteen jännitteen ja valovirran määräämä valovirta diodin läpi.
Oikein valitulla kuormitusresistanssilla R n ja virtalähteen jännitteellä tämä virta riippuu vain laitteen valaistuksesta, ja resistanssin ylittävää jännitehäviötä voidaan pitää hyödyllisenä signaalina.
Valodiodimoodille on ominaista korkea herkkyys, laaja optisen säteilyn muunnos dynaaminen alue ja suuri nopeus (p – n -liitoksen estekapasitanssi pienenee). Valodiodin toimintatilan haittana on suuri tumma virta, joka riippuu lämpötilasta.
5.9. Valodiodin ominaisuudet ja parametrit
Valodiodia kuvaavat kuvassa 1 esitetyt virta-jännite, energia (valo), spektri- ja taajuusominaisuudet. 8.9, 8.10.
Jos valaisemattomaan valodiodiin liitetään jännitelähde, jonka arvoa ja napaisuutta voidaan muuttaa, niin samalla otetuilla virta-jännite-ominaisuuksilla on sama muoto kuin tavanomaisella puolijohdediodilla (kuva 8.9, a). ). Kun valodiodi valaistaan, vain virta-jännite-ominaiskäyrän vastasuuntainen haara muuttuu merkittävästi, kun taas eteenpäin suuntautuvat haarat suhteellisen pienillä jännitteillä ovat käytännössä samat.
Kuva 8.9. Valodiodin kytkentäpiiri käytettäväksi venttiilitilassa
Kvadrantissa III valodiodi toimii valodioditilassa ja neljänneksessä IV valoventtiilitilassa, ja valokennosta tulee sähköenergian lähde. Kvadrantti I on valodiodin ei-työalue, tässä kvadrantissa p – n -liitos on eteenpäin biasoitu.
Valodiodin energiaominaisuus yhdistää valovirran valodiodille tulevaan valovirtaan kuvassa 1. 8.9, b. Kun valodiodi toimii hilatilassa, spektriominaisuudet riippuvat merkittävästi ulkoiseen piiriin kytketyn vastuksen resistanssista. Kasvun kanssa kuormituskestävyys ominaisuudet ovat yhä taipuisempia ja suurilla vastuksilla niillä on selvä kyllästysosa. Kun valodiodi toimii valodioditilassa, energiaominaisuudet ovat lineaarisia, ts. käytännöllisesti katsoen kaikki valokantajat saavuttavat p – n -liitoksen ja osallistuvat valovirran muodostukseen.
Valodiodin spektriominaisuus on samanlainen kuin valovastuksen vastaavat ominaisuudet ja riippuu valodiodin materiaalista ja epäpuhtauksien määrästä (kuva 8.10, a).
Kuva 8.10. Valodiodin spektri (a) ja taajuusvaste
Seleenivalodiodien spektriominaisuus on muodoltaan samanlainen kuin ihmissilmän herkkyyden spektririippuvuus. Germanium- ja piivalodiodit ovat herkkiä säteilyspektrin näkyvällä ja infrapuna-alueella.
Taajuusvaste näyttää integraalisen herkkyyden muutoksen, kun valovirran kirkkaus muuttuu eri modulaatiotaajuuksilla (Kuva 8.1, b). Valodiodin nopeudelle on ominaista rajataajuus, jolla integraaliherkkyys pienenee yhden kertoimen verrattuna sen matalataajuiseen arvoon.
Herkkyyden ja nopeuden lisäämiseksi on kehitetty seuraavat valodiodit: sisäänrakennetulla sähkökentällä; valodiodit, joiden rakenne on p – i – n; Schottky-esteellä; lumivyöry valodiodit.
Valodiodeissa, joissa on sisäänrakennettu sähkökenttä, on epätasaisesti seostettu pohja, jonka vuoksi syntyy sisäinen sähkökenttä, joka nopeuttaa vähemmistövarauksen kantajien liikettä.
P – i – n -rakenteella varustetuissa fotodiodeissa peruskantoaaltojen tyhjennetyn alueen paksuus on suuri, i – alueen resistiivisyys on 10 6…10 7 kertaa suurempi kuin n– ja p –tyypin seostettujen alueiden resistanssi. Risteykseen voidaan kohdistaa suuria käänteisiä jännitteitä ja tasainen sähkökenttä muodostuu koko i-alueelle. Tulevan valosäteilyn absorboi i-alue, jolla on voimakas sähkökenttä, mikä edistää kantajien nopeaa ajautumista vastaavilla alueilla.
Valodiodeissa, joissa on Schottky-sulku, saavutetaan korkea suorituskyky johtuen vähimmäiskantaresistanssista ja ylimääräisten varausten kertymisen ja resorption puuttumisesta. Lumivyöryvalodiodeissa p – n -liitoksessa tapahtuu kantoaaltojen lumivyörykertymä ja tästä johtuen herkkyys kasvaa jyrkästi, niiden vastenopeus on f gr = 10 11 ... 10 12 Hz. Näitä diodeja pidetään yhtenä optoelektroniikan lupaavimmista elementeistä.
Valodiodien parametrit ovat seuraavat:
1. Tumma virta I T - diodin läpi kulkeva alkuperäinen käänteisvirta ilman ulkoista esijännitettä ja valosäteilyä (10 ... 20 µA germaniumille ja 1 ... 2 µA piidiodeille).
2. Käyttöjännite U p - valodiodiin kytketty jännite valodioditilassa (U p = 10 ... 30 V).
3. Integraaliherkkyys S int näyttää kuinka valovirta muuttuu yhdellä valovirran muutoksella:
4. Rajataajuus f gr - taajuus, jolla integraaliherkkyys pienenee kertoimella (10 7 ... 10 12 Hz).
VALOELEKTRONISET LAITTEET- sähkötyhjiö- tai puolijohdelaitteet, jotka muuntavat sähkömagneetteja. optisia signaaleja vaihtelevat sähkövirroiksi, jännitteiksi tai muuttavat kuvat näkymättömissä (esim. infrapuna) säteissä näkyviksi kuviksi. F. p. On tarkoitettu tietojen muuntamiseen, keräämiseen, tallentamiseen, siirtoon ja toistoon (mukaan lukien tiedot esineen kuvan muodossa). Fotonisen elementin toiminta perustuu valoefektien käyttöön: ulkoinen (valoelektroniemissio), sisäinen (valojohtavuus) tai venttiili. To F. p. Sisällytä decomp. valokennot, valomonistinputket, valovastukset, valodiodit, elektroni-optiset muuntimet, kuvanvahvistimet ja lähettävät katodisädeputket.
Valoelektroniset laitteet ovat laitteita, jotka muuttavat optisen säteilyn energian sähköenergiaksi. Valoelektronisten laitteiden optisen säteilyn aallonpituuksien spektrissä ultraviolettisäteily (aallonpituusalue λ = 10-400 nm), näkyvä (λ = 0,38-0,76 μm) ja infrapuna (λ = 0,74-1 μm).
Valoelektronisten laitteiden toiminta perustuu sisäisten ja ulkoisten valoefektien ilmiöihin. Sisäinen valosähköinen vaikutus, jota käytetään pääasiassa puolijohteisissa fotoelektronisissa laitteissa, on se, että optisen säteilyn säteilyenergian vaikutuksesta elektronit saavat lisäenergiaa vapauttaakseen ne atomien välisistä sidoksista ja siirtyäkseen valenssikaistalta johtavuuskaistalle. jonka seurauksena puolijohteen sähkönjohtavuus kasvaa merkittävästi. Tässä tapauksessa Einsteinin teorian mukaan optisen säteilyn valokvanttien (fotonien) energian tulisi ylittää puolijohteiden kaistaväli. (36)
Näin ollen valosähköinen vaikutus on mahdollinen vain, kun puolijohde altistuu säteilylle, jonka aallonpituus λ f on pienempi kuin tietty raja-arvo, jota kutsutaan "punaiseksi rajaksi".
(37)
missä λ f on materiaalin spektriherkkyyden pitkän aallonpituuden raja, μm;
c on valon nopeus tyhjiössä;
- Planckin vakio;
- kielletyn alueen leveys (kuva 3), jota rajoittavat energiavyöhykkeiden ZP, VZ reunat, elektronivoltteina (eV).
On huomattava, että valoelektronisten laitteiden ominaisuudet voivat laajentua, kun ne altistuvat erilaisten säteilylähteiden energialle. Tällaisia lähteitä voivat olla sekä fotonien lähteet (aurinkoenergia, gammasäteily, röntgensäteet) että korkeaenergisten hiukkasten lähteitä (elektronitykki, beetasäteily, alfahiukkaset, protonit jne.).
Valodiodi on kaksielektrodinen puolijohdediodi, jossa p-n-liitoksessa olevan sisäisen valosähköisen vaikutuksen seurauksena syntyy yksipuolista valonjohtavuutta, kun se altistuu optiselle säteilylle. Rakenteellisesti se on kide, jossa on p-n-liitos, ja laitteen valaisemassa valovirta on suunnattu kohtisuoraan p-n-liitoksen tasoon nähden (kuva 36). Valodiodilla on kaksi toimintatapaa: valogeneraattori (tai eri lähteissä - esto, aurinkosähkö, aurinkosähkö, venttiili) - ilman ulkoista virtalähdettä ja valodiodi (joskus valomuunnos) - ulkoisella lähteellä.
Riisi. 36. Valodiodin rakenne
Valodiodin periaate
Valodiodin lohkokaavio. 1 - puolijohdekide; 2 - koskettimet; 3 - johtopäätökset; Ф - sähkömagneettisen säteilyn vuo; E - vakiovirtalähde; Rн - kuorma.
Altistuessaan pohjassa oleville säteilykvanteille syntyy vapaita kantajia, jotka ryntäävät p-n-liitoksen rajalle. Pohjan leveys (n-alue) on tehty sellaiseksi, että reiät eivät ehdi yhdistyä uudelleen ennen siirtymistä p-alueelle. Valodiodin virran määrää vähemmistökantoaaltojen virta - drift-virta. Valodiodin nopeus määräytyy p-n-liitoksen kentän kantoaallon erotusnopeuden ja p-n-liitoksen kapasiteetin C p-n mukaan.
Valodiodi voi toimia kahdessa tilassa:
§ aurinkosähkö - ei ulkoista jännitettä
§ valodiodi - ulkoisella käänteisellä jännitteellä
Ominaisuudet:
§ valmistustekniikan ja rakenteiden yksinkertaisuus
§ korkean valoherkkyyden ja nopeuden yhdistelmä
§ alhainen perusvastus
§ alhainen inertia
Valodiodien parametrit ja ominaisuudet
Parametrit:
herkkyys
heijastaa muutosta sähköisessä tilassa valodiodin lähdössä, kun yksittäinen optinen signaali syötetään sisääntuloon. Kvantitatiivisesti herkkyys mitataan valoilmaisimen lähdössä tallennettujen sähköisten ominaisuuksien muutoksen suhteella valovirta tai sen aiheuttanut säteilyvirta.
Si,Φ v=minäΦΦ v; Si,Ev=minäΦ Ev- valovirran herkkyys
Su,Φ e=UΦΦ e; Si,Ee=UΦ Ee- jännitteen virtauksen herkkyys
Hyödyllisen signaalin lisäksi fotodiodin lähtöön ilmestyy kaoottinen signaali, jolla on satunnainen amplitudi ja spektri - valodiodin kohina. Se ei salli hyödyllisten signaalien rekisteröintiä niin pieninä kuin halutaan. Valodiodikohina koostuu puolijohdemateriaalikohinasta ja fotonikohinasta.
Tekniset tiedot:
virta-jännite-ominaisuus (VAC)
lähtöjännitteen riippuvuus tulovirrasta. UΦ= f(minäΦ)
spektriominaisuudet
valovirran riippuvuus valodiodille tulevan valon aallonpituudesta. Sen määrittää pitkien aallonpituuksien puolelta kaistaväli, pienillä aallonpituuksilla suuri absorptiokerroin ja varauksenkuljettajien pintarekombinaation vaikutuksen lisääntyminen valokvanttien aallonpituuden pienentyessä. Eli lyhyen aallonpituuden herkkyysraja riippuu pohjan paksuudesta ja pinnan rekombinaationopeudesta. Maksimin sijainti valodiodin spektriominaisuuksissa riippuu voimakkaasti absorptiokertoimen kasvuasteesta.
kevyt suorituskyky
valovirran riippuvuus valaistuksesta vastaa valovirran suoraa suhteellisuutta valaistukseen. Tämä johtuu siitä, että valodiodin kannan paksuus on paljon pienempi kuin vähemmistövarauksen kantajien diffuusiopituus. Eli lähes kaikki kantaan syntyneet vähemmistövarauksen kantajat osallistuvat valovirran muodostukseen.
aikavakio
tämä on aika, jonka aikana valodiodin valovirta muuttuu valaistuksen jälkeen tai valodiodin tummumisen jälkeen kertoimella e (63 %) suhteessa vakaan tilan arvoon.
pimeä vastus
valodiodin vastus ilman valaistusta.
Inertia
Laite ja fyysiset perusprosessit. Valodiodin yksinkertaistettu rakenne on esitetty kuvassa. 6.7, a ja sen ehdollinen graafinen kuva on esitetty kuvassa. 6.7, b.
Riisi. 6.7. Valodiodin rakenne (a) ja nimitys (b).
Valodiodeissa tapahtuvat fysikaaliset prosessit ovat käänteisiä LEDissä tapahtuville prosesseille. Valodiodin pääasiallinen fysikaalinen ilmiö on elektroni-reikäparien muodostuminen pn-liitosalueella ja viereisillä alueilla säteilyn vaikutuksesta.
Elektroni-reikäparien muodostuminen johtaa diodin käänteisvirran kasvuun käänteisen jännitteen läsnä ollessa ja jännitteen uac ilmaantumiseen anodin ja katodin välille, kun piiri on auki. Lisäksi uac> 0 (reiät menevät anodille ja elektronit katodille pn-liitoksen sähkökentän vaikutuksesta).
Ominaisuudet ja parametrit. Valodiodit on kätevää karakterisoida joukolla volttiampeeriominaisuuksia, jotka vastaavat erilaisia valovirtoja (valovirta mitataan lumeneina, lm) tai erilaista valaistusta (valaistus mitataan lukseina, lx).
Valodiodin virta-jännite-ominaisuudet (CVC) on esitetty kuvassa. 6.8
Olkoon valovirta aluksi nolla, sitten valodiodin CVC itse asiassa toistaa tavanomaisen diodin CVC:tä. Jos valovirta ei ole nolla, fotonit, jotka tunkeutuvat p-n-liitoksen alueelle, aiheuttavat elektroni-reikäparien muodostumisen. P-n-liitoksen sähkökentän vaikutuksesta virran kantajat siirtyvät elektrodeihin (reiät - p-kerroksen elektrodille, elektronit - n-kerroksen elektrodille). Tämän seurauksena elektrodien väliin syntyy jännite, joka kasvaa valovirran kasvaessa. Positiivisella anodi-katodijännitteellä diodivirta voi olla negatiivinen (ominaiskäyrän neljäs kvadrantti). Tässä tapauksessa laite ei kuluta, vaan tuottaa energiaa.
Riisi. 6.8 Valodiodin virta-jännite-ominaisuudet
Käytännössä valodiodeja käytetään sekä ns. fotogeneraattorimoodissa (valosähkötila, venttiilimoodi) että ns. valomuunnintilassa (fotodiodimoodi).
Valogeneraattoritilassa aurinkokennot toimivat ja muuttavat valon sähköksi. Tällä hetkellä aurinkokennojen hyötysuhde on 20 %. Toistaiseksi aurinkokennoista saatu energia on noin 50 kertaa kalliimpaa kuin kivihiilestä, öljystä tai uraanista saatu energia.
Valomuuntimen tila vastaa I - V -ominaiskäyrää kolmannessa neljänneksessä. Tässä tilassa fotodiodi kuluttaa energiaa (u · i> 0) jostakin ulkoisesta jännitelähteestä, joka on välttämättä piirissä (kuva 6.9). Tämän tilan graafinen analyysi suoritetaan käyttämällä kuormitusviivaa kuten tavanomaisen diodin tapauksessa. Tässä tapauksessa ominaisuudet on tavallisesti kuvattu ensimmäisessä kvadrantissa (kuva 6.10).
Riisi. 6.9 Kuva. 6.10
Valodiodit ovat nopeampia kuin valovastukset. Ne toimivat taajuuksilla 107-1010 Hz. Valodiodia käytetään usein LED-valodiodi optoerottimissa. Tässä tapauksessa valodiodin erilaiset ominaisuudet vastaavat LEDin eri virtoja (joka luo erilaisia valovirtoja).
Kun valokvantit absorboituvat pn-liitoksessa tai sen vieressä oleville alueille, syntyy uusia varauksenkuljettajia (elektroneja ja reikiä), jotka kulkeutuessaan sen läpi aiheuttavat jännitteen ilmaantumisen fotodiodin napoihin tai virtauksen. virta suljetussa piirissä. Määrää, jolla liitoksen läpi kulkeva käänteisvirta kasvaa, kutsutaan valovirraksi.
Valodiodia käytetään materiaalista, josta se on valmistettu, rekisteröimään valovirta optisella infrapuna- ja ultraviolettialueella. Nämä radiokomponentit on yleensä valmistettu germaniumista, piistä, galliumarsenidista, indiumista jne.
Valodiodimoodissa käytetään ulkoista virtalähdettä, joka esijännittää puolijohdelaitteen vastakkaiseen suuntaan. Tässä tapauksessa käänteinen virta kulkee läpi, joka on verrannollinen siihen tulevaan valovirtaan. Käyttöjännitealueella (eli ennen hajoamisen alkamista) tämä virta on käytännössä riippumaton käytetystä käänteisjännitteestä.
Aurinkosähkötilassa valodiodi toimii anturina tai pienvirtaparistona, koska valovirran vaikutuksesta valokennon napoihin syntyy jännite, joka riippuu säteilyvuosta ja kuormituksesta.
Ymmärtääksesi paremmin tämän komponentin toimintatapoja, ota huomioon sen virta-jännite-ominaisuus.
Valoemission puuttuessa käyrä on tyypillisen diodin ominaiskäyrän I - V käänteinen haara. Pieni paluuvirta on läsnä, jota kutsutaan käänteiseksi biasoiduksi tummaksi virraksi.
Säteilyn läsnä ollessa valodiodin vastus pienenee ja käänteisvirta kasvaa. Mitä enemmän valovirtaa osuu valokennoon, sitä enemmän käänteistä virtaa kulkee valodiodin läpi. Riippuvuus tässä tilassa on lineaarinen. Kuten I - V -ominaiskäyrästä näkyy, valodiodin käänteisvirta on käytännössä riippumaton käänteisjännitteestä.
Aurinkosähkötila vastaa kaavion neljännen neljänneksen toimintaa. Ja tässä voidaan erottaa kaksi rajoittavaa vaihtoehtoa: joutokäyntitila ja oikosulku.
Tyhjäkäyntiä lähellä olevaa tilaa käytetään energian saamiseksi valodiodista, vaikka sen hyötysuhde on alhainen. Mutta jos kytket monet näistä komponenteista sarjaan ja rinnan, tällainen tuloksena oleva akku voi antaa virtaa pienitehoiselle piirille.
Oikosulkutilassa valokennon yli oleva jännite pyrkii nollaan, ja käänteisvirta on suoraan verrannollinen valovirtaan. Tätä tilaa käytetään valoanturien rakentamiseen.
Valodiodin ominaisuudet |
Edellä käsitellyn I - V -ominaisuuden lisäksi valokennon perusparametreja on useita.
Valodiodille ominaista valoa, valovirran riippuvuus valaistuksesta, joka on suoraan verrannollinen valaistukseen syntyvään valovirtaan. Tämä johtuu siitä, että valodiodin kannan paksuus on paljon pienempi kuin vähemmistövarauksen kantajien diffuusiopituus. Eli lähes kaikki pohjassa esiintyvät vähemmistövarauksen kantajat ovat mukana valovirran muodostumisessa.
Spektriominaisuus valodiodi on valovirran riippuvuus valokennoon vaikuttavan valovirran aallonpituudesta.
aikavakio- tänä aikana valokennon valovirta muuttuu valaistuksen jälkeen tai valodiodin tummumisen jälkeen suhteessa vakaan tilan arvoon.
pimeä vastus- radiokomponentin vastus valon puuttuessa.
2. Yhdistetyt IP-signaalit
3. Käänteisen PI:n nimittäminen
1. Valodiodien ominaisuudet, kytkentäpiirit, sovellus.
Valodiodi (FD) - optisen säteilyn vastaanotin, joka muuttaa sen valoherkälle alueelle tulevan vuon p-n-liitoksessa tapahtuvien prosessien vuoksi sähkövaraukseksi.
Kuvassa Kuva 9 esittää lohkokaavion valodiodista ulkoisilla kohdeelementeillä.
1-kiteinen puolijohde;
2-koskettimet;
3-päätelmät;
F-virta sähkömagneettista säteilyä;
Vakiovirtalähteen E-jännite;
Rн-kuormitusvastus.
Riisi. 9. Valodiodin lohkokaavio
Toimintaperiaate
Kun p-n-liitos valaistaan monokromaattisella säteilyllä fotonienergialla> (on kaistaväli), tapahtuu säteilykvantien luontainen absorptio ja syntyy epätasapainoisia fotoelektroneja ja valoreikiä. Siirtymän sähkökentän vaikutuksesta nämä valokantajat liikkuvat: elektronit - n-alueelle ja reiät - p-alueelle, ts. epätasapainoisten kantajien ryömintävirta kulkee liitoksen läpi. Valodiodin virran määrää vähemmistökantoaaltovirta.
Aurinkosähkökennojen valo- ja virta-jännite-ominaisuudet määrittävä yhtälö voidaan esittää seuraavasti:
,
(5)
,
(6)
missä on tumma "vuoto" virta p-nsiirtyminen;
- kyllästysvirta, eli sen arvon itseisarvo, johon pimeä virta pyrkii;
A- kerroin riippuen valokennon materiaalista ja jonka arvo on 1 - 4 (germaniumvalodiodeille se on 1);
- lämpötilaK;
,
k(alkuvaraus);
(Boltzmannin vakio);
Valaistun fotodiodin virta-jännite-ominaisuuksien perhe on esitetty kuvassa 10.
Riisi. 10. Valodiodin virta-jännite-ominaisuus
Valodiodin CVC-perhe sijaitsee kvadranteissa I, III, IV. I-kvadrantti on valodiodin ei-työalue, tässä tilassa diodin läpi kulkevan virran valoohjaus ei ole mahdollista.
Valodiodin CVC-perheen kvadrantti IV vastaa PD-toiminnan aurinkosähkötilaa. Jos kohde on avoin, niin elektronien pitoisuus n-alueella ja reikien p-alueella kasvaa, siirtymävaiheessa olevien epäpuhtausatomien tilavarauksen kenttä osittain kompensoituu ja potentiaalieste pienenee. Tämä lasku tapahtuu foto-emf:n arvon, jota kutsutaan valodiodin Uxx avoimen piirin jännitteeksi, arvolla. Uxx:n arvo PD:lle on 0,5-0,55 V GaAs - galliumarsenidille Uxx = 0,8 ÷ 0,9 V, eikä se voi ylittää liitoksen kosketuspotentiaalieroa, koska sähkökenttä on täysin kompensoitunut ja valokantoaaltojen erottuminen liitoksessa pysähtyy. .
Jos p- ja n-alueet yhdistetään ulkoisella johtimella (oikosulkutila), niin Uxx = 0 ja epätasapainoisten valokantoaaltojen muodostama oikosulkuvirta kulkee johtimessa.
Väliarvot määritetään kuormituslinjoilla, jotka eri arvoilla tulevat ulos origosta eri kulmissa. klo aseta arvo PD:n I - V -ominaisvirran mukaan on mahdollista valita valodiodin optimaalinen toimintatapa, jossa suurin sähköteho siirretään kuormaan.
Valodiodin tärkeimmät valoominaisuudet aurinkosähkötilassa ovat oikosulkuvirran riippuvuus valovirrasta. 
ja tyhjäkäyntijännite valovirrasta Uхх =, niiden tyypilliset riippuvuudet on esitetty kuvassa 11.
Kuten kuviosta 11 voidaan nähdä, riippuvuus lineaarinen laajalla alueella Ф ja vain merkittävillä valovirroilla (Ф> 2000 ... 3000 lm) alkaa ilmetä epälineaarisuutta.
Riippuvuus Uxx = on myös lineaarinen, mutta kun valovirrat eivät ylitä 200 ÷ 300 lm, sillä on merkittävä epälineaarisuus yli 4000 lm:ssä Ф. Epälineaarisuus Ф:n kasvu selittyy jännitehäviön kasvulla fotodiodin kannan bulkkivastuksen yli ja epälineaarisuus Uхх = - potentiaaliesteen pienenemisellä Ф:n kasvaessa.
PD-ominaisuudet riippuvat suuresti lämpötilasta. Piin PD:llä Uxx laskee 2,5 mV lämpötilan noustessa 1˚С, kun taas Isc kasvaa suhteellisissa yksiköissä 3 ∙ 10 -3 1 / ˚С.
Riisi. 11. Valodiodin valoominaisuudet
Kvadrantti III on PD-toiminnan fotodiodialue, jossa p-n-liittimeen syötetään käänteinen jännite (kuva 9).
Kuormitusvastuksen I - V -ominaisuus on suora, jonka yhtälö on:
,
missä on käänteinen jännite PD:n yli,
- valokuvavirta.
Valodiodi ja kuormitusvastus on kytketty sarjaan, ts. sama virta kulkee niiden läpi 
... Tämä virta voidaan määrittää valodiodin virta-jännite-ominaisuuden ja kuormitusvastuksen leikkauspisteestä.
Siten valodioditilassa tietyllä säteilyvuolla Ф fotodiodi on virtalähde suhteessa ulkoiseen piiriin. Lisäksi nykyinen arvo ei käytännössä riipu ulkoisen piirin parametreista (,).
Valodiodia käytetään aktiivisesti nykyaikaisissa elektroniikkalaitteissa, nimestä käy selväksi, että laite on puolijohderakenne, joten pohditaan, mikä valodiodi on. Valodiodi on puolijohdediodi, jolla on yksipuolisen johtavuuden ominaisuus valotettuna optiselle säteilylle. Valodiodi on puolijohdekide, jossa on yleensä elektronireikäliitos (PN). Siinä on kaksi metallijohtoa ja se on asennettu muovi- tai metallikoteloon.
Valodiodin toimintatilaa on kaksi.
1) valodiodi - kun valodiodin ulkoisessa piirissä on vakiovirtalähde, joka muodostaa käänteisen biasin liitoksessa ja venttiilin, kun tällaista lähdettä ei ole. Valodioditilassa valodiodia, kuten valovastusta, käytetään ohjaamaan virtaa. Valodiodin valovirta riippuu voimakkaasti tulevan säteilyn voimakkuudesta, eikä se riipu esijännitteestä.
2) Venttiilitila - kun valodiodia, kuten valokennoa, käytetään EMF-generaattorina.
Valodiodin pääparametrit ovat herkkyyskynnys, kohinataso, spektrin herkkyysalue on välillä 0,3 - 15 mikronia (mikrometriä), inertia on valovirran palautumisaika. On myös valodiodeja, joissa on suora rakenne Valodiodi on monien optoelektronisten laitteiden osa. valodiodeja ja valoilmaisimia käytetään laajalti opronpareissa, video-audiosignaalien säteilyn vastaanottimissa. Sitä käytetään laajasti signaalin vastaanottamiseen CD- ja DVD-asemien laserdiodeista.
Laserdiodin signaali, joka sisältää koodattua tietoa, tulee ensin fotodiodiin, joka näissä laitteissa on rakenteeltaan monimutkainen, sitten dekoodauksen jälkeen tiedot siirtyvät keskusprosessoriin, jossa käsittelyn jälkeen se muunnetaan audioksi. tai videosignaalia. Kaikki nykyaikaiset levykeasemat toimivat tällä periaatteella. Valodiodeja käytetään myös erilaisissa turvalaitteissa, infrapunaliike- ja läsnäoloantureissa. Toinen aloittelevan radioamatöörin arvostelu on päättynyt, onnea radioelektroniikan maailmaan - AKA.
Teoria aloittelijoille
Keskustele artikkelista PHOTODIODES
radioskot.ru
|
Valodiodit ovat puolijohdeelementtejä, joilla on valoherkkyys. Niiden päätehtävä on muuttaa valovirta sähköiseksi signaaliksi. Tällaisia puolijohteita käytetään erilaisissa laitteissa, joiden toiminta perustuu valovirtojen käyttöön.
Kuinka valodiodit toimivatValodiodielementtien toiminnan perusta on sisäinen valosähköinen vaikutus. Se koostuu ei-tasapainoisten elektronien ja reikien (eli atomien, joissa on tilaa elektroneille), jotka muodostavat valosähkömotorisen voiman, ilmaantumisesta puolijohteeseen valovirran vaikutuksesta.
Jos puolijohde on pimeässä, sen ominaisuudet ovat samanlaiset kuin tavanomaisella diodilla. Jos soitat testeriin valon puuttuessa, tulokset ovat samanlaiset kuin tavanomaisen diodin testauksessa. Eteenpäin vastusta on vähän, vastakkaisessa suunnassa nuoli pysyy nollaan. Valodiodi piiri
ToimintatavatValodiodit on jaettu toimintatavan mukaan. ValokuvageneraattoritilaSe suoritetaan ilman virtalähdettä. Valogeneraattoreita, jotka ovat aurinkopaneelien komponentteja, kutsutaan myös "aurinkokennoiksi". Niiden tehtävänä on muuntaa aurinkoenergiaa sähköenergiaksi. Yleisimmät valogeneraattorit perustuvat piihin - halpa, laajalle levinnyt, hyvin tutkittu. Niiden kustannukset ovat alhaiset, mutta niiden tehokkuus on vain 20%. Elokuvaelementit ovat progressiivisempia. Valokuvien muunnostilaVirtalähde piiriin on kytketty käänteisellä polariteetilla, valodiodi toimii tässä tapauksessa valoanturina. PääasetuksetValodiodien ominaisuudet määräävät seuraavat ominaisuudet:
Mistä valodiodi koostuu?
Erilaisia valodiodejaP-i-nNäille puolijohteille on tunnusomaista se, että p-n-liitosvyöhykkeellä on osa, jolla on oma johtavuus ja merkittävä resistanssiarvo. Kun valovirta osuu tähän osaan, ilmaantuu pareja reikiä ja elektroneja. Sähkökenttä tällä alueella on vakio, avaruusvarausta ei ole. Tällainen apukerros laajentaa puolijohteen toimintataajuusaluetta. Toiminnallisen tarkoituksensa mukaan p-i-n-fotodiodit jaetaan ilmaisin-, sekoitus-, parametri-, rajoittava-, kerto-, viritys- ja muihin. LumivyöryTämä laji on erittäin herkkä. Sen tehtävänä on muuntaa valovirta sähköiseksi signaaliksi, joka vahvistetaan lumivyörykerto-efektillä. Sitä voidaan käyttää matalan valovirran olosuhteissa. Avalanche-valodiodit käyttävät superhiloja vähentämään signaalin lähetyskohinaa. Schottky esteSe koostuu metallista ja puolijohteesta, joiden liitoskohdan ympärille syntyy sähkökenttä. Suurin ero tavanomaisiin p-i-n-tyypin valodiodeihin on perusvarausten, ei lisävarauksen kantajien, käyttö. HeterorakenneMuodostettu kahdesta puolijohteesta, joissa on erilaiset kaistavälit. Niiden välistä kerrosta kutsutaan heterogeeniseksi. Valitsemalla tällaisia puolijohteita on mahdollista luoda laite, joka toimii koko aallonpituusalueella. Sen haittana on valmistuksen monimutkaisuus. Valodiodien sovellukset
Muut käyttöalueet: valokuitulinjat, laseretäisyysmittarit,istot. |
www.radioelementy.ru
Valodiodiksi on tapana kutsua pn-liitoksella varustettua puolijohdelaitetta, jonka virta-jännite-ominaisuus riippuu siihen vaikuttavasta valosta.
Valodiodin tavanomainen graafinen nimitys, rakenne ja ulkonäkö on esitetty kuvassa. 17.6.
Riisi. 17.6. Valodiodi:
a - tavanomainen graafinen merkintä; b - rakenne; c - ulkonäkö
Yksinkertaisin valodiodi on tavanomainen puolijohdediodi, jossa on mahdollista vaikuttaa optiseen säteilyyn pn-risteys... Tasapainotilassa, kun säteilyvuo puuttuu kokonaan, kantoaaltojen pitoisuus, potentiaalijakauma ja fotodiodin energiakaistakaavio ovat täysin yhdenmukaisia normaali p-n siirtymä (katso kuva 1.3).
Altistuessaan säteilylle suunnassa, joka on kohtisuorassa p-n-liitoksen tasoon nähden, kaistaväliä suuremman energian omaavien fotonien absorption seurauksena n-alueelle ilmestyy elektroni-reikäpareja. Näitä elektroneja ja reikiä kutsutaan valokantoaineiksi. Valokantajien diffuusion aikana syvälle n-alueelle suurin osa elektroneista ja reikistä ei ehdi yhdistyä uudelleen ja saavuttaa p-n rajat siirtyminen. Tässä valokantajat erotetaan p-n-liitoksen sähkökentällä, ja reiät kulkevat p-alueelle, ja elektronit eivät voi voittaa siirtymäkenttää ja kerääntyvät p-n-liitoksen ja n-alueen rajalle. Τᴀᴋᴎᴍ ᴏϬᴩᴀᴈᴏᴍ, p-n-liitoksen läpi kulkeva virta johtuu ei-peruskantoaaltojen - reikien - ajautumisesta. Valokantajan ryömintävirtaa kutsutaan yleensä valovirraksi.
Valokantajat - reiät varaavat p-alueen positiivisesti n-alueen suhteen ja valokantajat - elektronit - n-alueen negatiivisesti p-alueen suhteen. Tuloksena olevaa potentiaalieroa kutsutaan yleensä valokuvaksi EMF Ef. Valodiodissa syntyvä virta on käänteinen, se ohjataan katodilta anodille ja sen arvo on sitä suurempi, mitä suurempi on valaistus.
Valodiodit voivat toimia yhdessä kahdesta tilasta - ulkoisen sähköenergian lähteen kanssa (muunnintila) tai ilman ulkoista sähköenergian lähdettä (generaattoritila).
Kun valodiodi toimii muuntajatilassa, siihen syötetään käänteinen jännite (kuva 17.7, a). Valodiodin ominaiskäyrän I - V käänteisiä haaroja käytetään eri valaistustasoilla Ф, Ф1, Ф2 (kuva 17.7, b).
Ottaen huomioon riippuvuuden valaistustasosta valodiodin käänteisvirta muuttuu ja kuormitusvastuksen jännite muuttuu. Rautatieautomaatiojärjestelmissä tämän kaavion mukaisiin laitteisiin sisältyy germanium-valoanturi lämmitetyn akselilaatikon havaitsemiseksi (germanium on herkkä infrapunasäteille ja pii on herkkä näkyvälle valolle).
| a) | b) |
Riisi. 17.7. Valodiodin toiminta valomuunnintilassa:
a - kytkentäkaavio; b - volttiampeeriominaisuudet
Generaattoritilassa toimivia valodiodeja käytetään virtalähteinä, jotka muuttavat aurinkoenergian sähköenergiaksi. Οʜᴎ kutsutaan aurinkokennoiksi ja ne ovat osa aurinkokennoja. Aurinkokennon lähtöjännite riippuu suuresti valon tasosta. Kuorman vakaan jännitteen saamiseksi käytetään aurinkoparistoa yhdessä akun kanssa. Aurinkoenergiaakun kaavio on esitetty kuvassa. 17.8.
Riisi. 17.8. Aurinkoenergia-akun kaavio
Maksimivalaistuksessa aurinkoakku syöttää kuormaa ja lataa akkua. Sijoitettu ref.rf:iin Pimeällä kuorma saa virtaa vain akusta ja jotta akku ei purkaudu aurinkoakkuun, piiriin asennetaan VD1-diodi.
Pii aurinkokennojen hyötysuhde on noin 20 %. Tärkeitä aurinkokennojen teknisiä parametreja ovat niiden lähtötehon suhde massaan ja käytössä olevaan pinta-alaan aurinko akku... Nämä parametrit saavuttavat arvot 200 W / kg ja 1 kW / m2, vastaavasti.
Tarkempia tietoja valodiodeista on kirjallisuudessa.
Luento 14 Fotovastuksia kutsutaan puolijohdelaitteiksi, joiden toimintaperiaate perustuu puolijohteen resistanssin muutokseen valosäteilyn vaikutuksesta. Kuvassa 7.31 näkyy valovastuksen laite, joka koostuu dielektrisestä substraatista 1, ... [lue lisää].
Valodiodit ovat puolijohdediodeja, joissa käänteisen virran määrää ohjataan valolla. Valodiodi on suunniteltu siten, että se tarjoaa valon pääsyn -siirtymään. Jos valodiodissa ei ole valovirtaa käänteisellä jännitteellä ... [lue lisää].
Riisi. 9. Valodiodi valovastustilassa Valodiodi valovastustilassa ja sen I – V -ominaiskäyrä on esitetty kuvassa. 9. EMF-lähteestä tulevaan valodiodiin syötetään käänteinen jännite, joten sen liitos on suljettu. Jos vuo on nolla, käänteisvirta valodiodin läpi on noin ... [lue lisää].
Valodiodi on puolijohteinen aurinkosähkölaite, jossa on sisäinen valosähköinen vaikutus, joka näyttää prosessin, jossa valoenergia muunnetaan sähköenergiaksi. Sisäinen valosähköinen vaikutus on, että valosäteilyn energian vaikutuksesta p - n - risteysalueella ... [lue lisää].
Valodiodi on elektronireikäliitoksella varustettu aurinkosähköanturi, jonka säteilytys valolla lisää käänteisvirtaa. Valodiodin puolijohteen materiaali on yleensä pii, hopeasulfidi, talliumsulfidi tai galliumarsenidi .... [lue lisää].
Valoilmaisimet. Tasoskannereissa ja projektioskannereissa käytetään latauskytkettyjä laitteita (CCD) ja rumpuskannereissa valomonistinputkia ja valodiodeja. Joskus se on toisinpäin. CCD:n toiminta perustuu MOS-rakennekondensaattoreiden (metallioksidi -... [lue lisää]) ominaisuuksiin.
Valodiodilla on tavanomaisen pn-liitoksen rakenne. Valodiodin käänteisvirta riippuu valon tasosta. Valodiodit on sijoitettu metallikoteloon, jossa on läpinäkyvä ikkuna. Perinteinen graafinen kuva valodiodista ja sitä vastaavasta piiristä on esitetty kuvassa 3.11. Kuvassa 3.12 ... [lue lisää].
referatwork.ru
Valodiodin periaate
Puolijohdevalodiodi on puolijohdediodi, jonka käänteisvirta riippuu valaistuksesta.
Yleensä valodiodeina käytetään puolijohdediodeja, joissa on pn-liitos, joka on esijännitetty vastakkaiseen suuntaan ulkoisesta virtalähteestä. Kun valokvantit absorboituvat pn-liitoksessa tai sen vieressä olevilla alueilla, muodostuu uusia varauksenkantajia. Vähemmistökantajat, jotka ovat syntyneet pn-liitoksen viereisillä alueilla etäisyydellä, joka ei ylitä ', mutta diffuusiopituutta, diffundoituu pn-liitokseen ja kulkee * sen läpi sähkökentän vaikutuksesta. Eli käänteisvirta kasvaa valaistuna. Kvanttien absorptio suoraan pn-liitoksessa johtaa samanlaisiin tuloksiin. Määrää, jolla käänteisvirta kasvaa, kutsutaan valovirraksi.
Valodiodin ominaisuudet
Valodiodin ominaisuuksia voidaan luonnehtia seuraavilla ominaisuuksilla:
Valodiodin virta-jännite-ominaiskäyrä on valovirran jatkuvalla valovirralla ja tumman virran 1m riippuvuus jännitteestä.
Valodiodin valoominaisuudet määräytyvät valovirran riippuvuuden perusteella valaistuksesta. Valaistuksen lisääntyessä valovirta kasvaa.
Valodiodin spektriominaisuus on valovirran riippuvuus valodiodille tulevan valon aallonpituudesta. Se määräytyy pitkillä aallonpituuksilla kaistavälillä ja lyhyillä aallonpituuksilla suurella absorptiokertoimella ja varauksenkuljettajien pintarekombinaation vaikutuksen lisääntymisellä valokvanttien aallonpituuden pienentyessä. Eli lyhyen aallonpituuden herkkyysraja riippuu pohjan paksuudesta ja pinnan rekombinaationopeudesta. Maksimin sijainti valodiodin spektriominaisuuksissa riippuu voimakkaasti absorptiokertoimen kasvuasteesta.
Aikavakio on aika, jonka aikana valodiodin valovirta muuttuu valaistuksen jälkeen tai sen jälkeen, kun valodiodi on tummentunut kertoimella e (63 %) suhteessa vakaan tilan arvoon.
Pimeyden vastus on valodiodin vastus ilman valaistusta.
Integraalinen herkkyys määritetään kaavalla:
missä 1ph - valovirta, Ф - valaistus.
Inertia
Pysyvyyteen vaikuttaa kolme fyysistä tekijää:
1. Epätasapainoisten kantajien diffuusion tai ajautumisen aika emäksen t läpi;
2. Lentoaika pn-liitoksen t kautta;
3. Aika ladata estekapasiteetti pn-siirtymä, jolle on tunnusomaista aikavakio RC6ap.
Käänteisjännitteestä ja pohjan epäpuhtauksien pitoisuudesta riippuva pn-liitoksen paksuus on yleensä alle 5 μm, mikä tarkoittaa, että m on 0,1 ns. RC6ap määräytyy pn-liitoksen sulkukapasitanssin perusteella, joka riippuu valodiodin kannan jännitteestä ja resistanssista ulkoisen piirin alhaisella kuormitusresistanssilla. RC6ap on tyypillisesti muutama nanosekunti.
Valodiodin hyötysuhteen ja tehon laskenta
Tehokkuus lasketaan kaavalla:
missä Rosv on valaistusteho; I on nykyinen vahvuus;
U on jännite valodiodin yli.
Valodiodin tehon laskenta on esitetty kuvassa. 2.12 ja taulukko 2.1.
Riisi. 2.12. Valodiodin tehon riippuvuus jännitteestä ja virrasta
Valodiodin maksimiteho vastaa annetun suorakulmion suurinta pinta-alaa.
Taulukko 2.1. Teho vs. tehokkuus
| Valaistusteho, mW | Virran voimakkuus, mA | Jännite, V | |
Valodiodin käyttö oltoelektroniikassa
Valodiodi on olennainen elementti monissa monimutkaisissa optoelektronisissa laitteissa:
Optoelektroniset integroidut piirit.
Valodiodi voi olla nopea, mutta sen valovirran vahvistus ei ylitä yksikköä. Optisen viestinnän vuoksi optoelektronisilla integroiduilla mikropiireillä on useita merkittäviä etuja, nimittäin: lähes ihanteellinen ohjauspiirien galvaaninen eristys tehopiireistä säilyttäen samalla vahvan toiminnallisen yhteyden niiden välillä.
Monielementtiset valoilmaisimet.
Nämä laitteet (skanistori, valodiodiryhmä MOS-transistoriohjauksella, varauskytketyt valoherkät laitteet ja muut) ovat nopeimmin kehittyviä ja edistyneimpiä elektroniikkatekniikan tuotteita. Valodiodiin perustuva optosähköinen "silmä" pystyy reagoimaan paitsi kirkkauden-ajalliseen, myös kohteen spatiaalisiin ominaisuuksiin, eli havaitsemaan sen täydellisen visuaalisen kuvan.
Laitteessa olevien valoherkkien solujen määrä on melko suuri, joten kaikkien diskreetin valodetektorin ongelmien (herkkyys, nopeus, spektrialue) lisäksi on tarpeen ratkaista tiedon lukuongelma. Kaikki monielementtiset valodetektorit ovat skannausjärjestelmiä, eli laitteita, joilla voit analysoida tutkittavaa tilaa peräkkäisellä katselulla (elementaarinen hajottaminen).
Millainen on kuvien käsitys?
Tarkkailukohteen kirkkauden jakauma muunnetaan optiseksi kuvaksi ja keskittyy valoherkälle pinnalle. Tässä valoenergia muunnetaan sähköenergiaksi, ja kunkin elementin vaste (virta, varaus, jännite) on verrannollinen sen valaistukseen. Luminanssikuvio muunnetaan sähköiseksi kohokuvioksi. Skannauspiiri suorittaa jaksollisen peräkkäisen kyselyn jokaiselle elementille ja lukee sen sisältämät tiedot. Sitten laitteen ulostulossa saamme sarjan videopulsseja, joissa havaittu kuva on koodattu.
Monielementtivalotunnistimia luodessaan pyrittävä varmistamaan muunnos- ja skannaustoimintojensa paras suorituskyky. Optoerottimet.
Optoelektronista laitetta kutsutaan optoelektroniseksi laitteeksi, jossa on säteilyn lähde ja vastaanotin, joiden välillä on jonkinlainen optinen yhteys, rakenteellisesti yhdistetty ja sijoitettu samaan koteloon. Ei ole sähköistä (galvaanista) yhteyttä ohjauspiirin (jossa virta on pieni, luokkaa useita mA), johon emitteri on kytketty, ja ohjauspiirin, jossa valoanturi toimii, ja ohjausinformaation välillä ei ole sähköistä (galvaanista) yhteyttä. lähetetään valosäteilyn avulla.
Tämä optoelektronisen parin ominaisuus (ja joissakin optoerottimen tyypeissä on useita, joita ei ole kytketty toisiinsa edes optisesti optoerottimia) osoittautui välttämättömäksi niissä elektronisissa solmuissa, joissa on tarpeen eliminoida mahdollisimman paljon ulostulon sähkön vaikutusta. tulopiirit. Kaikki erilliset elementit (transistorit, tyristorit, mikropiirit, jotka ovat kytkinkokoonpanoja tai mikropiirit, joiden lähtö mahdollistaa suuren tehokuorman kytkemisen), ohjaus- ja toimeenpanopiirit on kytketty sähköisesti toisiinsa. Tätä ei usein voida hyväksyä, jos suurjännitekuorma vaihdetaan. Lisäksi tuloksena oleva palaute johtaa väistämättä lisähäiriöiden ilmenemiseen.
Rakenteellisesti valoilmaisin on yleensä asennettu kotelon pohjaan ja emitteri - yläosaan. Emitterin ja valodetektorin välinen rako on täytetty upotusmateriaalilla - useimmiten tämä rooli on polymeerioptisella liimalla. Tämä materiaali toimii linssinä, joka kohdistaa säteilyn valoilmaisimen herkälle kerrokselle. Upotusmateriaali on päällystetty ulkopuolelta erityisellä kalvolla, joka heijastaa valonsäteet sisäänpäin estämään säteilyn hajoamista valodetektorin työalueen ulkopuolelle.
Säteilijöiden rooli optoerottimissa yleensä suorittaa galliumarsenidi-LED:illä. Optoerottimien valoherkkiä elementtejä voivat olla valodiodit (AOD-sarjan optoerottimet ...), valotransistorit, fototrinistorit (AOU-sarjan optoerottimet.,...) ja erittäin integroidut valokuvarelepiirit. Esimerkiksi diodioptoerottimessa valoilmaisinelementtinä käytetään piipohjaista valodiodia ja emitterina infrapunaa emittoivaa diodia. Diodisäteilyn maksimispektriominaisuus osuu noin 1 μm:n aallonpituudelle. Diodioptoerottimia käytetään valodiodi- ja valogeneraattoritiloissa.
Transistorioptoerottimilla (AOT-sarja ...) on joitain etuja diodeihin verrattuna. Bipolaarisen transistorin kollektorivirtaa ohjataan sekä optisesti (vaikuttamalla LEDiin) että sähköisesti kantapiiriä pitkin (tässä tapauksessa fototransistorin toiminta optoerottimen ohjaus-LED:n säteilyn puuttuessa ei käytännössä eroa tavallisen piitransistorin toiminnasta). Kenttätransistoria ohjataan hilapiirin kautta.
Lisäksi fototransistori voi toimia näppäin- ja vahvistustiloissa ja fotodiodi - vain avaimessa. Komposiittitransistoreilla varustetut optokytkimet (esimerkiksi AOT1YUB) omaavat suurimman vahvistuksen (kuten komposiittitransistorin perinteisellä solmulla), ne voivat vaihtaa riittävän suuria jännitettä ja virtaa ja ovat näiden parametrien mukaan vain huonompia kuin KR293KP2 - KR293KP4 tyyppiset tyristorioptoerottimet ja optoelektroniset releet, jotka on sovitettu suurjännite- ja suurvirtapiirien kytkemiseen. Tänään vähittäismyyntiin on ilmestynyt uusia K449- ja K294-sarjojen optoelektronisia releitä. K449-sarja mahdollistaa jopa 400 V:n kytkentäjännitteen 150 mA:n virroilla. Tällaiset mikropiirit nelinapaisessa kompaktissa DIP-4-paketissa korvaavat pienitehoiset sähkömagneettiset releet ja niillä on paljon etuja releisiin verrattuna (hiljainen toiminta, luotettavuus, kestävyys, mekaanisten koskettimien puute, laaja valikoima vastejännite). Lisäksi niiden edullinen hinta selittyy sillä, että jalometalleja ei tarvitse käyttää (releessä ne peittävät kytkentäkoskettimet).
Vastus optoerottimissa (esim. OEP-1) i-emitterit ovat sähköisiä minihehkulamppuja, jotka on myös sijoitettu yhteen koteloon.
GOST:n mukaan optoerottimien graafisille merkinnöille on määritetty ehdollinen koodi - latinalainen kirjain U, jota seuraa laitteen sarjanumero kaaviossa.
Kirjan luvussa 3 kuvataan laitteita ja laitteita, jotka kuvaavat optoerottimien käyttöä.
Valodetektorien käyttö
Mikä tahansa optoelektroninen laite sisältää valoilmaisinyksikön. Ja useimmissa nykyaikaisissa optoelektronisissa laitteissa valodiodi muodostaa valotunnistimen perustan.
Verrattuna muihin, monimutkaisempiin fotodetektoreihin, niillä on suurin lämpötilaominaisuuksien stabiilisuus ja parhaat toimintaominaisuudet.
Suurin haittapuoli, joka yleensä huomautetaan, on vahvistuksen puute. Mutta se on melko mielivaltaista. Lähes jokaisessa optoelektronisessa laitteessa valoilmaisin toimii yhdessä tai toisessa vastaavassa elektronisessa piirissä. Ja vahvistusasteen tuominen siihen on paljon helpompaa ja tarkoituksenmukaisempaa kuin antaa valotunnistimelle sille epätavallisia vahvistustoimintoja.
Optisen kanavan korkea informaatiokapasiteetti johtuu siitä, että valon värähtelytaajuus (noin 1015 Hz) on 103 ... 104 kertaa suurempi kuin masteroidulla radioteknisellä alueella. Valon värähtelyjen aallonpituuden pieni arvo tarjoaa korkean saavutettavissa olevan tiedon tallennustiheyden optisiin tallennuslaitteisiin (jopa 108 bit / cm2).
Valosäteilyn terävä suuntaavuus (tarkkuus), joka johtuu siitä, että säteen kulmadivergentti on verrannollinen aallonpituuteen ja voi olla alle minuutin. Tämä mahdollistaa sähköenergian keskitetyn ja vähähäviöisen siirron mihin tahansa tilaan.
Mahdollisuus kaksinkertaiseen - ajalliseen ja spatiaaliseen - valonsäteen modulaatioon. Koska optoelektroniikan lähde ja vastaanotin eivät ole sähköisesti kytkettyjä toisiinsa ja niiden välinen yhteys tapahtuu vain valonsäteen avulla (sähköisesti neutraalit fotonit), ne eivät vaikuta toisiinsa. Ja siksi optoelektronisessa laitteessa tiedonkulku välitetään vain yhteen suuntaan - lähteestä vastaanottimeen. Kanavat, joiden kautta optinen säteily etenee, eivät vaikuta toisiinsa ja ovat käytännössä herkkiä sähkömagneettisille häiriöille, jotka määräävät niiden korkean häiriönkestävyyden.
Valodiodien tärkeä ominaisuus on niiden suuri nopeus. Ne voivat toimia jopa useiden MHz taajuuksilla. yleensä valmistettu germaniumista tai piistä.
Valodiodi on mahdollinen laajakaistavastaanotin. Tämä selittää sen laajan käytön ja suosion.
IR-spektri
Infrapunasäteilydiodi (IR-diodi) on puolijohdediodi, joka, kun tasavirta kulkee sen läpi, lähettää sähkömagneettista energiaa spektrin infrapuna-alueella.
Toisin kuin ihmissilmälle näkyvä säteilyspektri (joka tuottaa esimerkiksi tavanomaisen galliumfosfidiin perustuvan valodiodin), ihmissilmä ei pysty havaitsemaan infrapunasäteilyä, vaan se tallennetaan erityisillä laitteilla, jotka ovat herkkiä tälle. säteilyspektri. Suosituista IR-spektrin valontunnistusdiodeista voidaan mainita valoherkät laitteet MDK-1, FD263-01 ja vastaavat.
IR-säteilevien diodien spektriominaisuuksilla on selvä maksimi aallonpituusalueella 0,87 ... 0,96 µm. Näiden laitteiden säteilytehokkuus ja hyötysuhde ovat korkeampia kuin valodiodeilla.
Perustuu IR-diodeihin (joilla on tärkeä paikka elektronisissa rakenteissa IR-spektripulssien lähettäjinä), kuituoptisten linjojen (joita erottuu suotuisasti nopeuden ja melunsietokyvyn), monipuolisten elektronisten kodinkoneiden ja tietysti elektronisten turvalaitteiden perusteella. on suunniteltu. Tällä on omat etunsa, koska IR-säde on ihmissilmälle näkymätön ja joissakin tapauksissa (edellyttäen, että käytetään useita monisuuntaisia infrapunasäteitä) on mahdotonta määrittää visuaalisesti itse turvalaitteen läsnäoloa, ennen kuin se siirtyy "hälytys"-tilaan). Kokemukset IR-säteilijöihin perustuvien turvajärjestelmien tuotannosta ja ylläpidosta antavat edelleen joitakin suosituksia IR-lähettimien toimintatilan määrittämiseen.
Jos katsot tarkasti IR-diodin (esim. AL147A, AL156A) säteilevää pintaa, kun siihen kohdistetaan ohjaussignaali, huomaat heikosti punaisen hehkun. Tämän hehkun valospektri on lähellä albiinoeläinten (rottien, hamstereiden jne.) silmien väriä. Pimeässä IR-hehku on vielä selvempi. On huomattava, että lääketieteellisestä näkökulmasta ei ole toivottavaa kurkistaa laitteeseen, joka lähettää IR-valoenergiaa pitkään.
Turvajärjestelmien lisäksi IR-diodeja käytetään tällä hetkellä autojen hälyttimen avaimenperässä, erilaisissa langattomissa etäisyyssignaalilähettimissä. Esimerkiksi kytkemällä moduloitu matalataajuinen signaali vahvistimesta lähettimeen, käyttämällä infrapunavastaanotinta tietyllä etäisyydellä (säteilytehosta ja maastosta riippuen), voit kuunnella ääniinformaatiota, puhelinkeskusteluja voidaan lähettää myös yli etäisyys. Tämä menetelmä on nykyään vähemmän tehokas, mutta se on silti vaihtoehtoinen vaihtoehto kotiradiopuhelin. Suosituin (arjessa) infrapunadiodien käyttötapa on kaukosäätimet kaukosäädin erilaisia kodinkoneita.
Kuten jokainen radioamatööri voi helposti vakuuttaa avaamalla kaukosäätimen kannen, tämän laitteen elektroniikkapiiri ei ole monimutkainen ja voidaan toistaa ilman ongelmia. Radioamatöörimalleissa, joista osa on kuvattu tämän kirjan kolmannessa luvussa, elektroniset laitteet, joissa on infrapunasäteilyä lähettävät ja vastaanottavat laitteet, ovat paljon yksinkertaisempia kuin teollisuuslaitteet.
Parametrit, jotka määrittävät IR-diodien staattiset toimintatilat (etu- ja taaksepäin suurin sallittu jännite, myötävirta jne.) ovat samankaltaisia kuin valodiodien parametrit. Tärkeimmät erityisparametrit, joilla ne tunnistetaan IR-diodeille, ovat:
Säteilyteho - Rizl - diodin lähettämä tietyn spektrikoostumuksen säteilyvirta. Diodin ominaisuus IR-säteilyn lähteenä on wattiampeeriominaisuus - säteilytehon riippuvuus watteina (milliwatteina) diodin läpi kulkevasta eteenpäin suuntautuvasta virrasta. Diodin säteilykuvio osoittaa säteilytehon laskun riippuen säteilysuunnan ja laitteen optisen akselin välisestä kulmasta. Nykyaikaiset IR-diodit eroavat erittäin suunnatun ja hajasäteilyn välillä.
Elektronisia komponentteja suunniteltaessa on pidettävä mielessä, että IR-signaalin lähetysalue riippuu suoraan kaltevuuskulmasta (laitteen lähetys- ja vastaanottoosien kohdistus) ja IR-diodin tehosta. IR-diodeja vaihdettaessa tämä säteilytehon parametri on otettava huomioon. Taulukossa on joitain viitetietoja kotimaisista IR-diodeista. 2.2.
Tiedot ulkomaisten ja kotimaisten laitteiden vaihtokelpoisuudesta on esitetty liitteessä. Nykyään radioamatöörien suosituimpia IR-diodityyppejä ovat AL 156- ja AL147-mallien laitteet. Ne ovat optimaalisia monipuolisuuden ja kustannusten suhteen.
Pulssisäteilyteho - Rizl im - säteilyvuon amplitudi, mitattuna annetulla diodin läpi kulkevan eteenpäinvirtauspulssilla.
Säteilyspektrin leveys on aallonpituusväli, jossa säteilyn spektritehotiheys on puolet maksimista.
Suurin sallittu suora impulssivirta on 1pr im (IR-diodeja käytetään pääasiassa impulssikäytössä).
Taulukko 2.2. Infrapunadiodit
| Säteilyteho, mW | Aallonpituus, μm | Spektrin leveys, μm | Laitteen jännite, V | Säteilykulma, astetta |
|
| tietoja ei ole | tietoja ei ole |
||||
Säteilypulssin nousuaika tHaprad on aika, jonka aikana diodin säteilyteho nousee 10 %:sta 100 %:iin maksimiarvosta.
Pulssin vaimennusaikaparametri tcnM3J1 on samanlainen kuin edellinen.
Toimintajakso - Q - pulssivärähtelyjen jakson suhde pulssin kestoon.
Toistettavaksi ehdotetut elektroniset komponentit (tämän kirjan luku 3) perustuvat moduloidun IR-signaalin lähettämisen ja vastaanottamisen periaatteeseen. Mutta ei vain tässä muodossa, voit käyttää IR-diodin toimintaperiaatetta. Tällaiset optoreleet voivat toimia myös vasteena säteiden heijastukseen (valoilmaisin on sijoitettu emitterin viereen). Tämä periaate sisältyy elektronisiin yksiköihin, jotka reagoivat kohteen tai henkilön lähestymiseen yhdistettyyn lähetin-vastaanotinyksikköön, joka voi toimia myös anturina turvajärjestelmissä.
IR-diodien ja niihin perustuvien laitteiden käyttämiseen on äärettömän paljon vaihtoehtoja, ja niitä rajoittaa vain radioamatöörin luovan lähestymistavan tehokkuus.
nauchebe.net
Valodiodi on optisen säteilyn vastaanotin, joka muuntaa sen valoherkälle alueelle osuvan valon sähkövaraukseksi p-n-liitoksessa tapahtuvien prosessien vuoksi.
Valodiodia, jonka toiminta perustuu aurinkosähkövaikutukseen (elektronien ja reikien erottuminen p- ja n-alueilla, minkä ansiosta muodostuu varaus ja EMF), kutsutaan aurinkokennoksi. P-n-valodiodien lisäksi on p-i-n-valodiodeja, joissa p- ja n-kerroksen välissä on kerros seostamatonta puolijohdetta i. p-n ja p-i-n valodiodit vain muuttavat valon sähkövirraksi, mutta eivät vahvista sitä, toisin kuin lumivyöryvalodiodit ja fototransistorit.
Toimintaperiaate:
Altistuessaan pohjassa oleville säteilykvanteille syntyy vapaita kantajia, jotka ryntäävät p-n-liitoksen rajalle. Pohjan leveys (n-alue) on tehty sellaiseksi, että reiät eivät ehdi yhdistyä uudelleen ennen siirtymistä p-alueelle. Valodiodin virran määrää vähemmistökantoaaltojen virta - drift-virta. Valodiodin nopeus määräytyy p-n-liitoksen kentän kantoaallon erotusnopeuden ja p-n-liitoksen Cp-n kapasiteetin mukaan.
Valodiodi voi toimia kahdessa tilassa:
Ominaisuudet:
Parametrit:
Tekniset tiedot:
