„I” PRACOWNIA FIZYCZNA U.S.
Nr cwiczenia: 57	Temat: Wyznaczanie charakterystyk statycznych tranzystora
Imie i Nazwisko: Łukasz Kuźnicki i Krzysztof Skrzypiec
Rok studiów: I	Kierunek: Fizyka - Informatyka Licencjat
Grupa: 15:00	Data wykonania cwiczenia: 26.03.2001
Ocena: .......................................

TEORIA PASMOWA PRZEWODNICTWA ELEKTRYCZNEGO, PASMO PRZEWODNICTWA, PASMO PODSTAWOWE

Elektrony w atomie zajmują pewne dozwolone orbity, którym zgodnie z teorią mechaniki kwantowej odpowia­dają określone poziomy energetyczne. W obrębie układu nie może być dwóch elektronów o dokładnie takich samych poziomach energetycznych. Zajmując określoną orbitę, elektron ma pewien określony stan energetyczny. Przejście elektronu z jednej dozwolonej orbity na drugą wiąże się ze skokową zmianą jego energii (poziomy energetyczne są nieciągłe, tzw. dyskretne). Możliwość zmiany energii elektronu w wyniku przejścia z jednej orbity na drugą nie oznacza, że elektron wchodzący w skład struktury atomowej pierwia­stka, może zająć dowolny poziom ener­getyczny. Skokowa zmiana energii elektronu wskazuje na to, że poziomy dozwolone są przedzielone poziomami zabronionymi. W atomie najwyższym z ob­sadzonych poziomów energetycznych jest pasmo elektronów walencyjnych, zwane również pasmem podstawowym.

Gdy przechodzimy od atomu pojedyn­czego do kryształu, utworzonego z du­żej liczby jednakowych atomów, na elektrony znajdujące się na orbitach zewnętrznych zaczynają działać siły nie tylko jądra macierzystego, ale również siły jąder atomów sąsiednich. Zajmie­my się obecnie tylko elektronami wa­lencyjnymi. Elektrony walencyjne ato­mów położonych blisko siebie mogą zajmować określone stany położone nie na jednym poziomie energetycznym, ale stany z całego tzw. Pasma energetycznego z zachowaniem zasady Pauliego. W próbce kryształu pasmo za­wiera wiele blisko siebie położonych po­ziomów energetycznych.

Na powyższym rysunku oznaczono elektrony walencyjne biorą­ce udział w wiązaniu, znajdujące się pasmie walencyjnym. Do tego, aby elektron z pasma walencyjnego „prze­skoczył" do przestrzeni międzywęzło­wej, jest niezbędne dostarczenie mu pewnej energii. W przestrzeni międzywęzło­wej elektron może zajmować stany w tzw. pasmie przewodnictwa. Na rysunku poniżej przedstawiono uproszczo­ny model pasmowy półprzewodnika.

W procesie przewodzenia prądu w pół­przewodnikach istotną rolę odgrywają zatem trzy wymienione pasma energe­tyczne:

1) przewodnictwa,

2) zabronione,

3) walencyjne.

W temperaturze zera bezwzględnego w półprzewodnikach wszystkie pozio­my energetyczne w pasmie walencyj­nym są obsadzone elektronami walen­cyjnymi, uczestniczącymi w procesie wiązań chemicznych. Natomiast w pas­mie przewodnictwa brak jest elektro­nów. Konduktywność półprzewodnika jest więc w tej temperaturze równa ze­ru, gdyż jak już wspomnieliśmy, w pas­mie przewodnictwa brak jest elektro­nów, a w pasmie walencyjnym wpraw­dzie są elektrony, ale obsadzają wszystkie wolne miejsca. Ruch elektro­nów jest niemożliwy, podobnie jak nie­możliwy jest ruch samochodów na par­kingu szczelnie zapełnionym samocho­dami.

Szerokość pasma zabronionego określa się ilością energii (w elektronowoltach), jaką elektron musi uzyskać do „prze­skoczenia" tego pasma i przejścia z pas­ma walencyjnego do pasma przewod­nictwa. Dla półprzewodników energia ta w temperaturze normalnej (pokojo­wej) wynosi ok 0,5=3eV. W temperaturze normalnej (pokojowej) pasmo przewodnictwa jest wypełnione przez elektrony swobodne, których ukierunkowany ruch jest możliwy pod wpływem działania pola elektrycznego. Czysty german Ge ma w tej te temperaturze pasmo zabronione o szerokości 0,67 eV, a czysty krzem Si - 1,12 eV.

S. Bolkowski „Elektrotechnika”,31-33

Pasmowa teoria, kwantowa teoria budowy ciał stałych (kryształów). Rozpatruje się w niej oddziaływanie periodycznie zmiennego potencjału pola elektromagnetycznego sieci krystalicznej na pole elektronów walencyjnych w krysztale.

Rozwiązania odpowiednich równań teorii pasmowej prowadzą do wniosku, że dopuszczalne poziomy energetyczne elektronów zlewają się w tzw. pasma energetyczne (stąd nazwa teorii).

Pasma te noszą nazwę pasm dozwolonych (mogą być zapełnione elektronami lub puste), rozdzielonych przerwami energetycznymi o nazwie pasm wzbronionych (przebywanie w nich elektronów w idealnym krysztale jest niemożliwe, w rzeczywistych kryształach, na skutek defektów sieci krystalicznej, a w szczególności domieszek obcych atomów, istnieją elektrony w paśmie wzbronionym, które określa się wówczas pasmem domieszkowym).

Pasma energetyczne

Szczególnymi pasmami dozwolonymi s±: pasmo walencyjne (najwyżej położone z całkowicie zapełnionych pasm dozwolonych) i pasmo przewodnictwa (nie zapełnione, tj. puste, lub tylko częściowo zapełnione pasmo dozwolone znajdujące się ponad pasmem walencyjnym).

Szerokość pasma wzbronionego rozdzielającego te dwa pasma odpowiada za własności elektryczne materiału. Teoria pasmowa wyjaśnia w szczególności wiele własności półprzewodników.

„Encyklopedia Fogra”, Internet

Teoria pasmowa ciała stałego jest naturalną konsekwencją kwantowego modelu budowy atomu. Jak wiadomo w modelu tym stany elektronów w atomie nie s± dowolne, lecz określone s± przez tzw kwantowe reguły wyboru. Jedną z konsekwencji tej teorii jest to, że jeden poziom energetyczny mogą zajmować nie więcej niż dwa elektrony i to różniące się własnym momentem pędu (spinem). Innymi słowy, nie może zdarzyć się sytuacja, aby więcej niż dwa elektrony miały taką samą energię, a te elektrony, które maj± równe energie wirują w przeciwne strony. Mówimy, że dozwolone poziomy energetyczne elektronów są dyskretne, to znaczy, że energię elektronów nie mogą różnić się dowolnie mało, gdyż tylko pewne wartości energii są dla elektronów "udostępnione" przez prawa fizyki. W przypadku ciała stałego struktura energetyczna jest bardziej skomplikowana. Po pierwsze, elektrony oddziaływują nie tylko z jądrem i elektronami własnego atomu lecz znajdują się w polu krystalicznym będącym wypadkową wszystkich oddziaływań jąder i elektronów. W rezultacie dyskretne poziomy energetyczne dozwolone "rozmywają się" tworząc tzw pasma energetyczne. W ramach takiego pasma elektrony mogą przyjmować praktycznie dowolne wartości energii (oczywiście pod warunkiem, że równocześnie tej samej energii nie przyjmuj± więcej niż dwa elektrony). Takich pasm energetycznych może być wiele, ale przedzielone s± one tzw pasmami wzbronionymi. Pasma wzbronione, nazywane też przerwami energetycznymi, są to zakresy energii, których elektronom nie wolno zajmować. Na wykresie energetycznym można to przedstawić tak jak poniżej.

Niższe pasma energetyczne są zazwyczaj zapełnione, to znaczy wszystkie możliwe energie tych pasm są wykorzystane przez elektrony. Zatem elektrony z tych pasm nie mogą zmieniać swych energii. Byłoby to możliwe, gdyby w pasmie były jakieś wolne poziomy energetyczne, nie zajęte przez inne elektrony. Taka sytuacja jest możliwa w najwyższych, częściowo zapełnionych pasmach. Należy jednak zwrócić uwagę, że sytuacja jest różna w zależności od tego, czy omawiane ciało jest przewodnikiem, półprzewodnikiem czy dielektrykiem.

-Dielektryki charakteryzują się tym, że szerokość przerwy energetycznej jest duża, a przy tym wszystkie pasma są w całkowicie zapełnione.

-Przewodniki z kolei mają bardzo wąskie pasma wzbronione tak, że czasami pasma przewodnictwa praktycznie zachodzą na siebie i elektrony z górnych pasm swobodnie mogą zmieniać swoją energię.

-Półprzewodniki charakteryzują się pośrednią wartością przerwy energetycznej. Prowadzi to do tego, że część elektronów z najwyższego pasma może przeskoczyć przez pasmo wzbronione do następnego pasma dozwolonego, w którym jest wiele wolnych poziomów i w ramach którego elektron może przemieszczać się już swobodnie. W temperaturze bliskiej zera absolutnego półprzewodnik zachowuje się tak jak izolator, to znaczy ma bardzo dużą oporność. Po prostu wszystkie pasma są zapełnione. Aby elektron mógł przeskoczyć do pasma przewodnictwa musi uzyskać energię wyższą niż szerokość przerwy energetycznej. Najprościej dostarczyć mu tę energię podgrzewając półprzewodnik lub np oświetlając go światłem o odpowiednio dużej energii kwantów.

Warto jeszcze omówić mechanizm przewodzenia prądu na gruncie teorii pasmowej. Gdy przykładamy do przewodnika bądź półprzewodnika napięcie, elektrony są przyspieszane polem elektrycznym, pobierając od tego pola energię, co na wykresie energetycznym przedstawić można jako przemieszczanie się elektronu ku górze w obrębie pasma. Taką możliwość mają oczywiście tylko elektrony z pasma przewodnictwa, bo pasma walencyjne są zapełnione. W którymś momencie elektron ulega oczywiście rozproszeniu, zderząjąc się z jonem sieci krystalicznej. Traci przy tym energię, czyli "spada" na dół pasma, skąd znowu może być przyspieszany itd. Energię od pola elektrycznego elektron pobiera w sposób ciągły, dlatego może się dzięki niej przemieszczać w ramach pasma, a nie może przeskoczyć do następnego pasma, gdyż to wymaga dużej porcji energii (większej niż szerokość pasma).

„arcadia.tuniv.szczecin.pl”, Internet

PRZERWA ENERGETYCZNA

Ze względu na własności elektryczne półprzewodnikami nazywamy materiały, których oporność właściwa mieści się w zakresie od około 10^-5 do około 10⁸ [Om^.m], to znaczy znacznie mniej niż dielektryków (10⁸ do 10¹³), ale dużo więcej niż przewodników (10^-6 do 10^-8). Te i inne właściwości półprzewodników najłatwiej opisać w oparciu o model pasmowy ciała stałego. Z modelu tego wynika, że przewodnictwo właściwe półprzewodników zależy od szerokości przerwy energetycznej (szerokości pasma wzbronionego) oraz od temperatury. Jest to zrozumiałe, gdyż po pierwsze, im mniejsza przerwa energetyczna (energia aktywacji) tym łatwiej elektronom przeskoczyć z pasma walencyjnego do pasma przewodnictwa, aby móc brać udział w przewodzeniu prądu, a po drugie, wyższa temperatura (a więc i energia kinetyczna elektronów) również ułatwia elektronom przeskoczenie przez przerwę energetyczną do pasma przewodnictwa. Typowa wielkość przerwy energetycznej dla półprzewodników mieści się w zakresie od 0.23eV dla InSb do 5.33eV dla diamentu. (Dla energii pojedynczych cząsteczek wygodniej jest używać elektronowoltów zamiast dżuli).

„arcadia.tuniv.szczecin.pl”, Internet

POZIOM FERMIEGO

Poziom Fermiego F jest ważnym pojęciem w teorii przewodnictwa. W przybliżeniu możemy go określić jako maksymalną energię oddzielającą poziomy energii zapełnione od pustych w temperaturze 0 K. Dla półprzewodników właściwych jest to energia równa średniej arytmetycznej dolnej krawędzi pasma pustego oraz górnej krawędzi pasma całkowicie zapełnionego. Dla półprzewodników domieszkowych poziom Fermiego leży poniżej poziomów akceptorowych lub powyżej poziomów donorowych.

H. Szydłowski „Pracownia fizyczna”, 450-451

Poziom Fermiego, najwyższy poziom energetyczny atomu, znajdującego się w temperaturze zera bezwzględnego, obsadzony przez elektron.

„Encyklopedia Fogra”, Internet

PÓŁPRZEWODNIKI SAMOISTNE I DOMIESZKOWE, NOŚNIKI PRĄDU

Półprzewodniki samoistne

Czyste półprzewodniki o budowie ide­alnej nazywamy półprzewodnikami samoistnymi. Każdy atom przez swoje elektrony walencyjne wiąże cztery sąsiednie atomy, tworząc strukturę bardzo trwałą i elektrycznie obojętną. Uwolnienie elektronów z wiązań wymaga, dostarczenia energii równej co najmniej szerokości pasma zabronio­nego. Jednym z rodzajów energii jest energia cieplna. W miarę wzrostu tem­peratury kryształu, zwiększa się energia elektronów i coraz więcej elektronów uzyskuje energię odpowiadającą energii pasma przewodnictwa. Po przejściu elektronów do pasma prze­wodnictwa, w pasmie walencyjnym po­wstają wolne stany energetyczne, gdyż uwolniony z wiązań elektron pozostawia puste miejsce w wiązaniu.

Puste miejsca powstające w poszczególnych stanach energetycznych mogą być zajmowane przez sąsiednie elektrony z pasma walencyjnego. Pew­na liczba elektronów znajdujących się w pasmie walencyjnym może się więc przemieszczać poprzez puste miejsca w tym pasmie, tworząc prąd elekt­ryczny. Przemieszczające się, jak gdyby, puste miejsca przyjęto nazywać dziurami. W półprzewodnikach prąd elektryczny jest wywołany ruchem elektronów swo­bodnych i dziur, przy czym zdolność wytwarzania prądu elektrycz­nego jest zależna od koncentracji elek­tronów swobodnych i dziur oraz ich ukierunkowanego przemieszczania się pod wpływem pola elektrycznego.

Koncentracja elektronów swobodnych, rozumiana jako liczba elektronów przypadająca na jednostkę objętości, jest w półprzewodniku tysiące, a nawet miliony razy mniejsza niż w metalu. Tym można m. in. tłumaczyć różnice w wartości konduktywności półprze­wodnika i metalu. Jednakże porównanie półprzewodnika i metalu wskazuje też na występowanie znacznej różnicy. jeżeli chodzi o wpływ temperatury na konduktywność. W miarę wzrostu temperatury zwiększa się rezystancja przewod­ników, a więc zmniejsza się ich kon­duktywność. Jest to wywołane zmniej­szaniem się łatwości poruszania się elektronów w sieci krystalicznej w mia­rę wzrostu jej temperatury. W półprze­wodnikach w miarę wzrostu temperatury (w pewnych przedziałach) ich konduk­tywność zwiększa się, gdyż zwiększa się koncentracja elektronów swobodnych. W przewodnikach ilość nośników nie zależy w zasadzie od temperatury. Po doprowadzeniu pola elektrycznego do półprzewodnika samoistnego elektrony swobodne znajdujące się w pasmie przewodnictwa tworzą prąd elektro­nowy. Ruch elektronów walencyjnych w pasmie walencyjnym, polegający na wypeł­nianiu dziur, możemy traktować jako ruch ładunków dodatnich; zwiemy go prądem dziurowym. Przewodnictwo elektryczne półprze­wodników samoistnych charakteryzuje się tym, że:

- w temperaturze normalnej (pokojo­wej) zachodzi ono w wyniku ruchu dziur i elektronów;

- istnieje taka sama liczba dziur jak elektronów, gdyż uwolnieniu z wią­zań jednego elektronu towarzyszy powstanie jednej dziury;

- prąd całkowity przewodzenia jest su­mą prądu dziur i prądu elektronów.

Półprzewodniki niesamoistne

W praktyce oprócz pół­przewodników samoistnych są stoso­wane tzw. półprzewodniki niesamoist­ne. Półprzewodniki niesamoistne, pro­dukowane najczęściej na bazie germanu i krzemu, powstają w wyniku wprowa­dzenia do ich sieci krystalicznej, ato­mów pierwiastków 3- lub 5-wartościowych. Wprowadzenie tych domieszek zwiększa przewodnictwo albo elektronowe, albo dziurowe. Jest to wywołane tym, że wiązanie w sieci krystalicznej atomów krzemu lub germanu, wymaga 4 elektronów walencyjnych, a atom pierwiastka z V grupy ma 5 elektronów walencyjnych. Elektron nie biorący udziału w wiązaniu, po otrzymaniu sto­sunkowo niewielkiej energii przechodzi do pasma przewodnictwa.

S. Bolkowski „Elektrotechnika”, 33-35

Półprzewodniki samoistne

W temperaturze 0 K przewodnik nie przewodzi. Pasmo walencyjne jest całkowicie wypełnione i elektrony nie mogą się w nim poruszać. Przewodnictwo mogłoby się odbywać w pasmie przewodnictwa, lecz nie ma w nim elektronów. W temperaturze wyższej ( T > 0 K) prędkości elektronów są różne i energia najszybszych wystarcza do pokonania przerwy energetycznej. Jeżeli tylko nieznaczna ich liczba znajduje się w pasmie przewodnictwa, to przewodzą one prąd, ale nie tylko one. W pasmie walencyjnym pozostają wtedy niewypełnione miejsca po elektronach, zwane „dziurami", które mogą się przesuwać i zachowują się tak jak elektrony o dodatnim ładunku, również przenoszą prąd, nazwany prądem dziurowym. Mówimy więc o prądzie elektronowym i prądzie dziurowym. Przewodnictwo samoist­ne rośnie wraz z temperaturą, lecz ma istotne znaczenie tylko w półprzewodnikach o małej przerwie energetycznej. Oczywiście w półprzewodnikach istnieje również zjawisko rekombinacji, w którym elektrony z pasma przewodnictwa oddają nadmiar energii i zapełniają dziury w pasmie podstawowym.

H. Szydłowski „Pracownia fizyczna”, 450

DONORY I AKCEPTORY

Donory

W wyniku wprowadzenia do czystego chemicznie germanu lub krzemu do­mieszki pierwiastków 5-wartościowych, np. arsenu lub antymonu, uzyskuje się więcej elektronów w pasmie przewodni­ctwa niż dziur w pasmie walencyjnym. Otrzymany w ten sposób półprzewodnik nosi nazwę półprze­wodnika typu N (ang. Negative).W półprzewodniku takim elektrony są głównym nośnikiem ładunku elektrycz­nego, decydującym o elektronowym charakterze przewodnictwa elektrycz­nego. Domieszka stosowana w półprze­wodnikach typu N jest nazywana do­mieszką donorową.

Akceptory

W wyniku wprowadzenia do czystego chemicznie germanu lub krzemu domieszki pierwiastków 3-wartościowych, np. boru, indu lub glinu, uzyskuje się w pasmie walencyjnym nadmiar dziur. Otrzymany w ten sposób półprzewodnik nosi nazwę półprze­wodnika typu P (ang. Positive). W pół­przewodniku takim dziury są głównym nośnikiem ładunku elektrycznego, de­cydującym o dziurowym charakterze przewodnictwa elektrycznego. Domie­szka stosowana w półprzewodniku ty­pu P jest nazywana domieszką akcep­torową.

S. Bolkowski „Elektrotechnika”, 35

RUCHLIWOŚĆ

Ruchliwość jonu, ruchliwość elektrolityczna jonu, U, współczynnik proporcjonalności pomiędzy szybkością przemieszczania się jonu w roztworze (v) a natężeniem pola elektrycznego (E) powodującego ruch tego jonu: v=UE. Jednostką ruchliwości jonu jest [m2V-1s-1]. Dużą ruchliwością odznaczają się jony w roztworach nieskończenie rozcieńczonych, stopionych solach i tlenkach.

„Encyklopedia Fogra”, Internet

EFEKT FOTOELEKTRYCZNY WEWNĘTRZNY

Fotoelektryczne zjawiska (efekty), ogół zjawisk spowodowanych oddziaływaniem substancji z promieniowaniem świetlnym. Związane jest z przekazywaniem energii fotonów pojedynczym elektronom.

Rozróżnia się fotoelektryczne zjawisko zewnętrzne (emisja elektronów z danej substancji pod wpływem światła; opuszczające substancję na skutek zjawiska fotoelektrycznego elektrony nazywa się fotoelektronami, a powstały przy ich uporządkowanym ruchu w zewnętrznym polu elektrycznym prąd - prądem fotoelektrycznym), fotoelektryczne zjawisko wewnętrzne (zmiana energetycznego rozkładu elektronów w stałych i ciekłych półprzewodnikach i dielektrykach spowodowana oddziaływaniem światła z substancją; przejawia się ono w zmianie koncentracji nośników prądu w ośrodku i w efekcie doprowadza do fotoprzewodnictwa lub zjawiska fotoelektrycznego w warstwie zaporowej), fotoelektryczne zjawisko zaworowe (powstawanie SEM na styku dwóch materiałów pod wpływem światła, np. w złączu p-n), zjawisko fotoelektryczne w gazach (fotojonizacja).

„Encyklopedia Fogra”, Internet

*FOTOPRZEWODNICTWO

Fotoprzewodnictwo, zmiana przewodnictwa elektrycznego danego materiału na skutek oddziaływania promieniowania elektromagnetycznego, zwykle zachodzi na skutek zjawiska fotoelektrycznego (wewnętrznego) i związane jest ze zwiększeniem koncentracji elektronów w pasmie przewodnictwa i dziur w pasmie walencyjnym.

„Encyklopedia Fogra”, Internet

BUDOWA I ZASADA DZIAŁANIA FOTOOPORNIKA, ZALEŻNOŚĆ FOTOPRĄDU OD OŚWIETLENIA

Rezystancja fotorezystora zmienia się pod wpływem padającego promieniowania i nie zależy od kierunku przyłożonego napięcia, podobnie jak rezystancja zwykłego rezystora. Zmiany rezystancji mogą być bardzo duże - stosunek rezystancji jasnej R_E, tzn. rezystancji fotorezystora oświetlonego, do rezystancji ciemnej R_O, tzn. rezystancji fotorezystora nie oświetlonego, może być nawet rzędu kilku tysięcy. Fotorezystory wykonuje się najczęściej w postaci cienkich półprzewod­owych warstw monokrystalicznych lub polikrystalicznych naniesionych na lacyjne, np. szklane podłoże (rysunek a). Materiał światłoczuły rozdzielają ie metalowe elektrody mające wyprowadzenia. Elektrody te często mają tałt grzebieniowy (rysunek b). Nad powierzchnią światłoczułą umieszcza okienko i zamyka w obudowie, chroniącej przed uszkodzeniami, a niekiedy ­umożliwiającej pracę w obniżonej temperaturze (tzw. naczynie Dewara).

Fotorezystor: a)budowa; b)grzebieniowy kształt elektrod

Fotorezystory wykonuje się z półprzewodników samoistnych, zwłaszcza krzemu Si, siarczku ołowiu PbS, selenku ołowiu PbSe, antymonku indu InSb, siarczku kadmu CdS, jak również z półprzewodników domieszkowanych, np. tellurku kadmu domieszkowanego rtęcią CdHgTe. Od materiału pół­przewodnikowego zależy zakres widmowy _S1, _S2 wykrywanego promienio­wania, czyli zakres długości fal, dla którego czułość fotorezystora wynosi nie mniej niż 10% czułości maksymalnej.

Fotorezystory z CdS są elementami czułymi na promieniowanie widzialne, natomiast rezystory z PbS i PbSe są czułe na promieniowanie podczerwone, emitowane m.in. przez silniki samolotów i ra­kiet.

Charakterystyki fotorezystora z CdS: a)widmowa; b)prądowo-napięciowa

Na rysunku a przedstawiono przykładową zależność względnej czuło­ści widmowej S_()rel od długości fali  fotorezystora z CdS, natomiast na rysunku b - charakterystykę prądowo-napięciową przy różnych natężeniach oświetlenia. Charakterystyka ta jest ograniczona całkowitymi stratami mo­cy P_tot, które wynoszą od kilkudziesięciu do kilkuset miliwatów, natomiast maksymalne napięcie U_{p max} jest rzędu od kilkudziesięciu do kilkuset woltów.

Zależność rezystancji fotorezystorów od natężenia oświetlenia

Rezystancja fotorezystora R_E jest nieliniową funkcją natężenia oświetle­nia Ev (rysunek powyżej). Przy średnich natężeniach oświetlenia funkcja ta może być aproksymowana zależnością R_E = CE_^γ przy czym C i γ są stałymi zależnymi od materiału i wykonania. Wykładnik γ wynosi 0,5  0,9. Fotorezystory nie są elementami szybkimi. Stałe czasowe narastania prądu fotoelektrycznego  wynoszą od kilku mikrosekund do nawet kilkudziesięciu milisekund. Wartość na jakiej ustali się rezystancja zależy także od „przeszłości" fotorezystora. Po długotrwałym oświetlaniu otrzymuje się większe wartości rezystancji niż wtedy, gdy fotorezystor był przechowywany w ciemności. Do wad fotorezystorów należy również znaczna wrażliwość temperaturowa.

Ze względu na dużą czułość i prosty układ pomiarowy, fotorezystory wykorzystuje się np. do pomiaru temperatury przeciwpożarowych, do wykrywania zanieczyszczeń rzek i zbiorników wodnych, do detekcji strat ciepła przez izolację termiczną budynków, do badania zasobów ziemi z samolotów i satelitów, a także do celów wojskowych.

A. Chwaleba, B.Moeschke, G.Płoszajski „Elektronika”, 438-441

BUDOWA I ZASADA DZIAŁANIA FOTODIODY, ZALEŻNOŚĆ FOTOPRĄDU OD OŚWIETLENIA

Fotodioda jest to złącze p-n w przezroczystej obudowie, Fotodioda służy do detekcji światła widzialnego i podczerwonego.”biblioteka.zse.bydgoszcz.pl”, Internet

W fotodiodach pod wpływem padającego światła zmienia się położenie charakterystyki statycznej złącza PN. Fotodiodę polaryzuje się zaporowo zewnętrznym źródłem napięcia i od wpływem oświetlenia przez fotodiodę płynie prąd wsteczny, który zwiększa się wraz ze wzrostem oświetlenia. Przy braku oświetlenia przez fotodiodę płynie prąd ciemny wywołany generacją termiczną nośników. Prąd ten wzrasta liniowo wraz ze wzrostem napięcia wstecznego. Przy fotodiodzie oświetlonej płynie przez nią prąd fotoelektryczny, proporcjonalny do mocy promieniowania padającego na jej powierzchnię niezależnie od przyłożonego napięcia i wielkości obciążenia. Przy polaryzacji fotodiody w kierunku przewodzenia stanowi ona źródło fotoelektryczne. Pod wpływem oświetlenia zwiększa się jej siła elektromotoryczna. Fotodiody stosujemy jako detektory promieniowania widzialnego lub podczerwieni.

„srv1.satkabel.com.pl”, Internet

Fotodioda jest zbudowana podobnie jak zwykła dioda krzemowa (rysunek poniżej), z tym że w obudowie znajduje się soczewka płaska lub wypukła, umożliwiająca oświetlenie jednego z obszarów złącza.

Fotodioda: a)zasada działania; b)struktura

Fotodioda pracuje przy polaryzacji w kierunku zaporowym. Przy braku oświetlenia przez fotodiodę płynie niewielki ciemny prąd wsteczny I_RO, który tworzą głównie nośniki mniejszościowe. Przy oświetleniu fotodiody, w pobliżu jej powierzchni są generowane pary nośników dziura-elektron. Obszar ładunku przestrzennego i związana z nim bariera potencjału uniemożliwiają przepływ nośników większościowych, nato­miast nośniki mniejszościowe (tj. dziury w obszarze N i elektrony w obszarze P) dyfundują do obszaru ładunku przestrzennego, są przyspieszane i pokonują złącze (rysunek a). Przez złącze płynie dodatkowy prąd fotoelekt­ryczny I_p. Prąd oświetlonego złącza, tzw. prąd jasny I_R(e) składa się więc z prądu fotoelektrycznego Ip i prądu ciemnego I_RO, I_R(e) = I_p - I_R0.

Rozdzielenie (redystrybucja) nośników ładunku powoduje jednocześnie powstanie dodatkowej różnicy potencjałów, obniżającej istniejącą w barierę potencjału. Niektóre nośniki większościowe pokonują tę obniżoną barierę potencjału. Przechodzą (są wstrzykiwane) do sąsiednich obszarów, gdzie stają się nośnikami mniejszościowymi i rekombinują. Napięcie po na zaciskach złącza nazywa się napięciem fotoelektrycznym lub fotowoltaicznym U_p.

Wskutek generacji prądu fotoelektrycznego lub powstania napięcia elektrycznego, charakterystyki prądowo-napięciowe ulegają zmianie (rysunek poniżej).

Charakterystyki prądowo-napięciowe fotodiody

Prąd fotodiody wzrasta proporcjonalnie do mocy promieniowania P_e. Czułość na moc promieniowania S_pe, będąca stosunkiem zmiany prądu do mocy padającego promieniowania jest więc stała i to w szerokim zakresie. Zakres ten obejmuje 8 dekad zmian mocy promieniowania. Jest to jedną z zalet fotodiod.

Istotną zaletą fotodiod jest również duża częstotliwość pracy. Mogą przetwarzać sygnały świetlne o częstotliwości do kilkudziesięciu MHz.

Fotodiody wykonuje się z krzemu lub z arsenku galu. Czułość widmowa fotodiod krzemowych ma maksimum przy długości fali 700=900 nm, co pokrywa się z maksimum promieniowania fotoemiterów wykonywanych z arsenku galu. Typowe parametry fotodiod są następujące: maksymalne napięcie wsteczne U_{R max} = 10  500 V, maksymalny prąd ciemny I_{RO max} = 1100 nA, czułość na moc promieniowania S_pe = 0,3  1 A/W, czułość na natężenie oświetlenia S_E = 10100 nA/lx.

Fotodiody są stosowane w urządzeniach komutacji optycznej, w układach zdalnego sterowania oraz w szybkich przetwornikach analogowo-cyfrowych. Jednak najbardziej typowymi przykładami ich zastosowań są układy pomia­rowe wielkości elektrycznych i nieelektrycznych, np. do pomiaru wymiarów, odległości, stężeń i zanieczyszczeń roztworów, częstotliwości i amplitudy drgań, naprężeń itd. Znacznie większą czułością i szybkością działania niż fotodiody konwencjo­nalne charakteryzują się fotodiody PIN. W fotodiodach tych dwa silnie domie­szkowane obszary P i N są rozdzielone szeroką warstwą wysokorezystywnego półprzewodnika samoistnego I (rysunek a poniżej). Padające promieniowanie generuje dodatkowe nośniki przede wszystkim w obszarze I. W obszarze tym, przy polaryzacji zaporowej istnieje silne pole elektryczne, a więc nośniki poruszają się z dużą prędkością, co zmniejsza czas ich przelotu. W rezultacie fotodiody PIN mają bardzo duże częstotliwości graniczne, dochodzące do 10 GHz.

Fotodiody PIN i lawinowa: a)struktura fotodiody PIN; b)struktura fotodiody lawinowej; c)charakterystyka prądowo-napięciowa fotodiody lawinowej

Fotodiody PIN stosuje się m.in. w systemach telekomunikacji światło­wodowej i w układach detekcji promieniowania laserowego.

Również dużą czułością i szybkością działania charakteryzują się fotodiody lawinowe (rysunek b, c powyżej). Wykorzystuje się w nich wewnętrzne zjawisko foto­elektryczne oraz zjawisko lawinowego powielania nośników. Dzięki lawinowemu powielaniu nośników prąd fotoelektryczny ulega wzmoc­nieniu. Miarą tego wzmocnienia jest współczynnik powielenia lawinowego M, nazywany też wzmocnieniem sygnału G_P. Maksymalne wzmocnienie jest rzędu 10 000. Praktycznie wykorzystuje się wzmocnienie 100  500.

Fotodiody lawinowe stosuje się do detekcji szybkozmiennych impulsów świetlnych o bardzo małej mocy, np. w łączach światłowodowych, w układach automatyki oraz w sprzęcie wojskowym. Wadą fotodiod lawinowych jest skomplikowany układ ich zasilania oraz złożona technologia wytwarzania.

A. Chwaleba, B.Moeschke, G.Płoszajski „Elektronika”, 441-444

BUDOWA I ZASADA DZIAŁANIA FOTOTRANZYSTORA, ZALEŻNOŚĆ FOTOPRĄDU OD OŚWIETLENIA

Fototranzystor, półprzewodnikowy fotoelement czynny, którego wartość wyjściowego prądu elektrycznego zależy od natężenia promieniowania elektromagnetycznego (zwykle optycznego); różni się fotodiody istnieniem wzmocnienia prądu fotoelektrycznego.

Fototranzystory stosowane są jako fotodetektory w transoptorach, czujniki fotoelektryczne w automatyce i innych układach pomiarowych.

„Encyklopedia Fogra”, Internet

Fototranzystor jest to element półprzewodnikowy z dwoma złączami PN, który działa

tak samo jak konwencjonalny tranzystor przy czym jego prąd kolektora nie zależy od

prądu bazy. Obudowa fototranzystora umożliwia oświetlenie odpowiedniego obszaru

półprzewodnika. W zależności od konstrukcji i technologii fototranzystora, oświetlona może być jego cała powierzchnia boczna, powierzchnia kolektora, emitera bądź bazy tranzystora.

Jeżeli strumień świetlny jest większy od zera to w bazie generowane są pary elektron-dziura. Para ma ujemny ładunek przestrzenny i bariera potencjału emiter-baza maleje. Część dziur w bazie rekombinuje a część ich dociera do złącza kolektorowego i zwiększa się prąd fotoelektryczny tranzystora. Zwiększając prąd fotoelektryczny sterowanie tranzystora odbywa się za pomocą strumienia świetlnego. Fototranzystor może mieć wyprowadzoną końcówkę bazy lub nie na zewnątrz obudowy. Dlatego fototranzystor może pracować jako fotodioda (wykorzystujemy złącze kolektor-baza), przy polaryzacji w kierunku zaporowym, fotoogniwo, wykorzystujemy złącze kolektor-baza w kierunku przewodzenia, tranzystor, bez wyprowadzonej końcówki bazy, fototranzystor, z wyprowadzoną końcówką bazy, możemy

nim sterować optycznie i elektrycznie.

„srv1.satkabel.com.pl”, Internet

Fototranzystor jest detektorem o czułości wielokrotnie większej niż czułość fotodiody, gdyż prąd wytworzony pod wpływem promieniowania ulega doda­tkowemu wzmocnieniu.

Fototranzystory, podobnie jak tranzystory konwencjonalne, mają ter, obszary o różnym typie przewodnictwa, z tym że obecnie są produkowane przede wszystkim fototranzystory typu NPN (rysunek poniżej). Promieniowane świetlne może padać na obszar bazy, emitera lub kolektora. Najbardziej rozpowszechnionym układem fototranzystora jest układ ze wspólnym emite­rem WE i z oświetlanym obszarem bazy. Większość fototranzystorów nie ma wyprowadzenia tego obszaru na zewnątrz, co upraszcza zasilanie. Wielkością sterującą jest wtedy tylko promieniowanie.

Zasada działania fototranzystora

Przez fototranzystor nie oświetlony płynie niewielki prąd ciemny I_CE0. Jeżeli będzie oświetlone złącze baza-emiter, to generowane w obszarze bazy elektrony przechodzą do obszaru kolektora dzięki polaryzacji zaporowej złącza kolektorowego (rysunek powyżej). Podobnie dziury przechodzą do obszaru emitera. Część dziur z wytworzonych w obszarze bazy par elektron-dziura pozostaje w tym obszarze, uzupełniając straty wywołane rekombinacją. Dziu­ry powstałe w obszarze kolektora są przyciągane do obszaru bazy, dyfundują ku złączu emiterowemu i przechodzą do obszaru emitera. W wyniku redys­trybucji nośników ładunku zostaje obniżona bariera emiterowa i podwyższo­na bariera kolektorowa. Wskutek tego z obszaru emitera do obszaru bazy będą wstrzykiwane dodatkowe elektrony, które dyfundują do złącza kolektorowego. Pole elektryczne występujące w tym złączu powoduje unoszenie elektronów z obszaru bazy do obszaru kolektora. Elektrony te wspólnie z elektronami pochodzącymi z par elektron-dziura tworzą prąd jasny kolektor-emiter I_CE(e). Ze względu na dużą skuteczność emitera we wstrzykiwaniu elektronów do bazy (tzn. dziura przechodząca z bazy do emitera powoduje wstrzykiwanie wielu elektronów z emitera do bazy) na­stępuje wzmocnienie prądu fotoelektrycznego Ip. Prąd jasny kolektor-emiter fototranzystora w układzie WE z rozwartą bazą ujmuje zależność I_CE(e) = I_CE0 + I_p.

Podstawowymi charakterystykami fototranzystora są charakterystyki wyj­ściowe, przedstawiające zależność prądu I_CE(e) od napięcia kolektor-emi­ter U_CE (rysunek poniżej). Parametrem krzywych jest natężenie oświetlenia E_ lub moc promieniowania P_e, podobnie jak prąd bazy I_B tranzystorów konwen­cjonalnych. Czułość na natężenie oświetlenia S_E wynosi od kilku do kilkuset mikroamperów na luks, prąd I_CE(e) jest rzędu kilku do kilkudziesięciu mili­amperów, napięcie U_CE nie przekracza zwykle kilkudziesięciu woltów. Czu­łość ma maksimum przy długości fali _S = 750  900 nm.

Charakterystyki wyjściowe fototranzystora

Wadą fototranzystorów jest ich mała prędkość działania. Częstotliwość graniczna f_T jest rzędu kilkudziesięciu kiloherców.

Głównymi obszarami zastosowań fototranzystorów są układy automatyki i zdalnego sterowania, układy pomiarowe wielkości elektrycznych i nieelek­trycznych, przetworniki analogowa-cyfrowe, układy łączy optoelektronicz­nych, czytniki taśm i kart kodowych itp.

A. Chwaleba, B.Moeschke, G.Płoszajski „Elektronika”, 446-447

BUDOWA I ZASADA DZIAŁANIA FOTOOGNIWA, ZALEŻNOŚĆ FOTOPRĄDU OD OŚWIETLENIA

Ogniwo fotoelektryczne, fotoogniwo, element półprzewodnikowy, w którym następuje konwersja energii światła na energię elektryczną.

„Encyklopedia Fogra”, Internet

Ogniwo fotoelektryczne (fotoogniwo) jest elementem ze złączem PN, w któ­rym pod wpływem promieniowania powstaje napięcie fotoelektryczne Up

Fotoogniwo jest przetwornikiem generacyjnym. Nie wymaga więc żadnej polaryzacji napięciem zewnętrznym.

Rzeczywistemu fotoogniwu można przyporządkować schemat zastępczy przedstawiony na poniższym rysunku.

Schemat zastępczy fotoogniwa

Rj - rezystancja złącza, RS - rezystancja półprzewodnika i doprowadzeń, Ro - rezystancja obciążenia, Cj - pojemność złącza

Napięcie na rezystacji obciążenia U_wy = U_p - I_R(e)R_S jest mniejsze od napięcia fotowoltaicznego o spadek napięcia na rezystan­cji R_S. Jeżeli rezystancja obciążenia będzie równa nieskończoności, to napięcie na zaciskach obwodu rozwartego U_wy = U_o będzie równe U_p. Natomiast przez zwarte końcówki fotoogniwa popłynie prąd zwarciowy I_K = I_p. Chara­kterystyki zewnętrzne fotoogniwa zależą zatem również od rezystancji ob­ciążenia. Zależność tę zobrazowano na poniższym rysunku, który przedstawia charak­terystyki prądowo-napięciowe fotoogniwa krzemowego przy różnych wartościach mocy promieniowania.

Charakterystyki prądowo-napięciowe fotoogniwa

Na wykres naniesiono także proste ob­ciążenia, odpowiadające rezystancji R_o. Przecięcie prostej obciążenia z od­powiednią charakterystyką daje punkt pracy fotoogniwa.

Zależność prądu zwarciowego od mocy promieniowania jest liniowa, natomiast jak wynika ze wzoru napięcie Up jest logarytmiczną funkcją mocy promieniowania. Dlatego na przykład w układach pomiarowych foto­ogniwo pracuje zwykle przy zwarciu. Przy wykorzystaniu fotoogniwa jako źródła energii dąży się do optymalizacji rezystancji obciążenia w zależności od mocy promieniowania. Fotoogniwa są wytwarzane głównie z krzemu, rzadziej z arsenku galu. Przy stosowaniu fotoogniw krzemowych uzyskuje się większy prąd fotoelekt­ryczny, ale przy mniejszym napięciu fotowoltaicznym (dla fotoogniw z Si wartość U_p = 0,6 V, dla fotoogniw z GaAs wartość U_p = 0,9 V). Ich czułość widmowa osiąga maksimum przy długości fali ok. 900 nm. Fotoogniwa dzieli się na dwie podgrupy: fotoogniwa pomiarowe i foto­ogniwa zasilające. Fotoogniwa pomiarowe pracują jako źródła sygnałów stero­wane promieniowaniem i są stosowane np. do pomiarów mocy promieniowa­nia emitowanego przez źródła żarowe, lasery, diody elektroluminescencyjne itp. Fotoogniwa zasilające są stosowane głównie jako baterie słoneczne. Parametry ich optymalizuje się w celu otrzymania dużej wyjściowej mocy elektrycznej. Sprawność przemiany energii fotoogniw krzemowych za­wiera się w zakresie 615% (teoretycznie do ok. 20%). Oznacza to, że z baterii słonecznej o powierzchni 1 m² można otrzymać 100 W mocy elekt­rycznej.

A. Chwaleba, B.Moeschke, G.Płoszajski „Elektronika”, 444-445

ZASADA DZIAŁANIA ZASILACZA PRĄDU STAŁEGO

Zasilacze prądu stałego są przetwornikami zamieniającymi prąd przemienny na stały o określonym napięciu. Podstawowymi częściami zasilacza są transformator, układ prostowniczy oraz stabilizator prądu. Transformator służy do zmian napięcia sieci 220 V na napięcie użytkowe. Układ prostowniczy składa się zazwyczaj z kilku elementów prostowniczych, pracujących najczęściej w układzie Graetza.

W najprostszych zasilaczach tętnienia wyrównuje się za pomocą kondensatorów i dławików, a ostateczną ich eliminację oraz kompensację powolnych zmian czasowych uzyskuje się przez zastosowanie stabilizacji parametrycznej, polegającej na zastosowaniu lampy jarzeniowej lub diody Zenera.

Nowoczesne zasilacze elektroniczne pracują na zasadzie sprzężenia zwrotnego i pozwalają osiągnąć znacznie lepszą stabilizację, rzędu 0,1-0,001% nawet przy wahaniach napięcia zasilającego rzędu 10%. Zasadę działania tego typu zasilacza pokazuje rysunek

Jest on wyposażony w wewnętrzne źródło napięcia wzorcowego. Wzmacniacz różnicowy W porównuje napięcie wejściowe z dzielnika R₁, R₂ z napięciem wzorcowym i w ten sposób sygnał błędu, który działa na element sterujący, kompensujący zmiany napięcia. Elementem sterującym może być tranzystor, w którym sygnał błędu przykłada się do bazy. Stosowane obecnie zasilacze mają jeszcze bardziej złożoną budowę, bowiem wyposażone są w układy do stabilizacji prądu lub napięcia oraz układy zabezpieczające przed przeciążeniami.

H. Szydłowski „Pracownia fizyczna”,107-109

ZASADA DZIAŁANIA MIERNIKÓW PRĄDU STAŁEGO

Mierniki magnetoelektryczne

Zasada działania miernika magnetoelektrycznego

a) ustrój, b) kierunek sił działających na cewkę w polu magnetycznym

1 - magnes trwały, 2 - nabiegunniki, 3 - rdzeń, 4 - szczelina powietrzna, 5 - cewka, 6 - wskazówka, 7 - masy równoważące, 8 - sprężyny, 9 - bocznik, B - indukcja magnetyczna, F - siła oddziaływania pola, a - szerokość cewki

Miernikami magnetoelektrycznymi nazywamy mierniki, w których odchylenie organu ruchomego następuje w wyniku współdziałania pola magnetycznego magnesu trwałego i ruchomej cewki, przez którą płynie prąd.

Magnes trwały z nabiegunnikami, wykonanymi ze stali magnetycznie miękkiej, stanowi element nieruchomy miernika. Organem ruchomym jest cewka nawinięta cienkim przewodem miedzianym, izolowanym. Cewka jest ułożyskowana w taki sposób, aby jej oś obrotu pokrywała się z osią geometryczną szczeliny obwodu magnetycznego. Do cewki jest przymocowana wskazówka. Jeżeli przez uzwojenie cewki płynie prąd stały I, doprowadzony przez sprężyny spiralne lub taśmy zawieszeniowe, to na każdy bok cewki znajdujący się w szczelinie, w której pole magnetyczne ma stałą indukcję B, działa siła F zgodna ze wzorem F=Bin, gdzie n - głębokość zanurzenia boku cewki w polu magnetycznym. Jeżeli przez N oznaczymy liczbę zwojów cewki, to siła F=BinN. Siła ta działa na obydwa boki cewki, powstaje więc moment napędowy ustroju pomiarowego M=Fa, przy czym a oznacza szerokość cewki. Kąt odchylenia cewki jest proporcjo­nalny do prądu płynącego przez tę cew­kę. Kąt ten określa się za pomocą wskazówki przesuwającej się wzdłuż podziałki. Miernik magnetoelektryczny jest typo­wym miernikiem prądu stałego reagują­cym na zwrot przepływającego prądu. Dlatego też w miernikach magnetoelek­trycznych zaznacza się biegunowość jednego z zacisków, np. zacisku plus ( + ). Mierniki tego typu mogą być używane jako amperomierze lub jako woltomierze. Zaletami mierników mag­netoelektrycznych są: duża czułość, mały pobór mocy oraz duża dokład­ność.

Mierniki elektrodynamiczne

Zasada działania miernika elektrodynamicznego

1 - cewka nieruchoma, 2 - cewka ruchoma, I₁, I₂ - prądy zasilające, F - siła oddziaływania, H - natężenie pola magnetycznego, R - korektor zera

Miernikami elektrodynamicznymi na­zywamy mierniki, w których odchyle­nie organu ruchomego następuje w wy­niku oddziaływania elektrodynamicz­nego dwóch cewek, przez które płyną prądy. Cewka ruchoma osa­dzona na osi, do której jest przymoco­wana wskazówka, znajduje się we­wnątrz cewki nieruchomej. W wyniku oddziaływania elektrodynamicznego cewek powstają siły wytwarzające mo­ment napędowy. Moment ten jest rów­noważony przez moment zwracający dwóch sprężynek spiralnych, doprowa­dzających jednocześnie prąd do cewki ruchomej. Mierniki elektrodynamiczne są używane jako amperomierze, woltomierze i wato­mierze do pomiarów przy prądzie stałym oraz przemiennym. Podczas pomiarów przy prądzie przemiennym mierzą one wartość skuteczną napięcia lub prądu. Mierniki elektrodynamiczne odznacza­ją się dużą dokładnością, ale mają deli­katną budowę. Dlatego też są przeważ­nie używane jako przyrządy laborato­ryjne wysokiej klasy (kl. 0,1; 0,2; 0,5).

S. Bolkowski „Elektrotechnika”, 150-153

1

---