16 – Součástky řízené světlem

Polovodičové součástky řízené zářením (světlem), které pracují na principu vnitřního fotoelektrického jevu, jehož podstatou je přeměna zářivé energie v elektrickou, což se projeví změnou jejich elektrických vlastností, se nazývají fotoelektrické součástky.

Záření dopadající na polovodičovou strukturu dodává valenčním elektronům atomů polovodiče energii, kterou potřebují, aby překonaly zakázaný pás a přešly do pásu vodivostního. Při dopadu záření vhodné vlnové délky na polovodič, 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 (např. fotorezistor), ale dopadá-li záření do oblasti přechodu PN, objevuje se mezi částí P a N tzv. hradlové napětí (fotoelektromotorické napětí) o velikosti několik desetin voltu (např. fotodioda, fototranzistor). Fotoelektrické součástky jsou technologicky uzpůsobeny tak, aby využívali jednu ze dvou uvedených forem vnitřního fotoelektrického jevu.

Tyto součástky reagují velmi rozdílně na záření různých vlnových délek, což je nejdůležitější charakteristická vlastnost fotoelektrických součástek, která se udává tzv. spektrální charakteristikou (viz obr.).

Z
mění-li se intenzita ozáření skokem, projevuje každá fotoelektrická součástka určitou setrvačnost a její elektrické vlastnosti se z původní na novou hodnotu mění přibližně exponenciálně - tzv. přechodová charakteristika, která je charakterizována buď svojí časovou konstantou, nebo dobou náběhu a doběhu.

Fotoelektrická citlivost dále závisí na úhlu dopadu záření na aktivní plochu (tzv. směrová charakteristika) a na teplotě (tzv. teplotní charakteristika).

Součástky řízené světlem (zářením): fotorezistor, fotodioda, fototranzistor, fototyristor, optron, fotonka, fotonásobič, fotoelektrický článek (sluneční článek).

Fotorezistor

F
otorezistor
je nelineární symetrický dvojbran, jehož odpor je výrazně závislý na ozáření. Materiál pro výrobu je např. sirník kademnatý (CdS).

Nemění-li se ozáření fotorezistoru, zůstává i jeho odpor stálý a VA charakteristikou je přímka s parametrem osvětlení E. Se zvětšujícím se osvětlením klesá odpor, tato závislost je přibližně logaritmická. Za temna je odpor součástky velmi vysoký (řádově M až G), osvětlíme-li citlivou vrstvu odpor se velmi sníží (řádově sta ), z toho plyne, že fotorezistor je velmi citlivá součástka. Nevýhodou fotorezistoru je jeho velká setrvačnost (podle materiálu a technologie řádově 100 ms až 100 s).

Užití: měření intenzity osvětlení, požární hlásiče, v expozimetrech

Fotodioda

F
otodioda
je polovodičová dioda, jejíž PN přechod je přístupný záření. VA charakteristiku fotodiody tvoří soustava křivek s parametrem osvětlení E. Při nulovém osvětlení se fotodioda chová jako běžná polovodičová dioda (včetně VA charakteristik). Charakteristiky fotodiody prochází I., III., IV. kvadrantem:

V I. kvadrantu jsou křivky stlačeny, neboť v propustném směru polarizovaná fotodioda reaguje na záření minimálně. V tomto režimu se fotodioda nevyužívá.

V III. kvadrantu - tzv. odporový režim - jsou charakteristiky lineární a rovnoměrně vzdálené. Dioda se v tomto režimu chová jako pasivní součástka, jejíž odpor je závislý na osvětlení.

V IV. kvadrantu - tzv. hradlový režim - se dioda chová jako stejnosměrný zdroj, který dodává naprázdno napětí řádově stovky mV (více viz princip slunečního článku - níže).

Fotodioda stačí sledovat mnohem rychleji změny v osvětlení než fotorezistor - řádově s až ns. Mohou se konstruovat speciální fotodiody (např. PIN, Schottkyho aj.), které jsou ještě rychlejší.

Užití: snímání děrné pásky, v automatizaci, v optickém záznamu zvuku; optrony, optických spojích; sluneční články (viz dále)

Sluneční článek (fotoelektrický článek) je druh křemíkové fotodiody s velkou účinnou plochou, který pracuje výhradně v hradlovém režimu, jako měnič zářivé energie slunečních paprsku v elektrickou. Ve slunečním článku (fotodiodách) nastává přeměna světelné energie v energii elektrickou zjednodušeně následujícím způsobem:

Pokud je dioda ve tmě, a je i není připojena na napájení, chová se jako běžná polovodičová dioda. Pokud není připojena, tak nosiče difundují přes přechod a v oblasti typu N vytvoří prostorový kladný náboj a v oblasti typu P prostorový záporný náboj, jako u běžné diody. Jestliže přechod osvětlíme, světelným zářením se generují páry elektron-díra. Nosiče proudu obou typů se volně pohybují v obou vodivostních oblastech diody, ale v oblasti PN však na ně působí elektrické pole valu, které je "roztřídí" - díry záporným prostorovým nábojem do oblasti P a elektrony do oblasti N, tím se potenciální val snižuje v závislosti na velikosti osvětlení PN přechodu. V ustáleném stavu tak vzniká mezi přívody diody elektrické napětí (řádově 0,1V (Ge) až 0,4V (Si) při osvětlení 1000Lx), které polarizuje diodu ve vodivém směru (na P kladné, na N záporné). Spojí-li se oba vývody přes spotřebič, stává se z osvětlené diody zdroj elektrické energie.

Fototranzistor

F
ototranzistor
je tranzistor, který má přechod báze-emitor přístupný světlu. Zapojuje se vždy se společným emitorem ,a vnější zdroj je připojen mezi emitor a kolektor tak, aby přechod báze-kolektor byl polarizován závěrně. Báze zpravidla nebývá vyvedena.

Princip spočívá v tom, že přechod báze-emitor je otvírán osvětlením, počet nosičů se zvětšuje úměrně s osvětlením a je zesilován jako proud báze v bipolárním tranzistoru. Vlivem tohoto zesilovacího účinku mají fototranzistory vyšší citlivost než fotodiody.

Užití: v signalizačních zařízeních (požární hlásič, stroboskopy,...), řídící a měřicí aplikace (řízení osvětlení,...)

F
ototyristor

Fototyristor je tyristor, který má svou strukturu přístupnou světlu, zvláště pak přechod J2 (viz obr.). Součástka má vyvedenou řídící elektrodu G a za temna má stejné parametry jako běžný tyristor.

Soustava VA charakteristik fototyristoru má obdobný tvar jako běžný tyristor, s tím rozdílem, že jako parametr je zde osvětlení E při Ig = konst., a to i v závěrném směru. Důležitou velikostí intenzity osvětlení E je spínací osvětlení Et , při němž mizí oblast záporného odporu.

Je zřejmé, že velikost spínacího osvětlení je tím menší, čím větší je kladný řídící proud. Proto lze řídícím proudem zvětšit citlivost fototyristoru na osvětlení a naopak.

Užití: spínací a řídící obvodu ovládané světlem, ochranná zařízení u strojů, optoelektronické obvody; optrony

Optron

Optron je součástka složená z řízeného zdroje světla (zpravidla LED dioda) a fotoelektrického přijímače (zpravidla fototyristor, fototranzistor, nebo fotodioda). Důležité je, aby použitý zdroj světla a fotoelektrický přijímač měly stejné spektrální charakteristiky. Obě části optronu jsou uzavřeny do neprůhledného pouzdra.

Užití: galvanické oddělení dvou obvodů


Fotonka

Činnost vakuových fotonek je založena na fotoemisi. Fotokatoda je na povrchu pokryta látkou s malou výstupní prací, která emituje elektrony při dopadu záření. Anoda je působením svého kladného napětí zachycuje, čímž v obvodu prochází fotoelektrický proud. VA charakteristika je lineární (od určité hodnoty anodového napětí) a velikost anodového proudu v lineární oblasti závisí na intenzitě osvětlení a na barvě světla.



dlabos.wz.cz