2.6 Fotodioodid, tranistorid, türistorid

iDevice ikoon
Fotodiood on pooljuhtdiood, mille omadused sõltuvad tema valgustatusest. Fotodiood töötab pooljuhtdioodi režiimis, kusjuures tema vastuvoolu tüürib valgus. Valgusenergia arvel saavad laengukandjad lisaenergiat, mille toimel nad läbivad dioodi pn-siirde.

Fotodiood võib töötada koos välise elektrienergia allikaga muundurina või ilma allikata generaatorina.

Joonis 96. Fotodioodi tingmärk ja ehitus.


Allikas: R.Pütsep. Elektroonika, 2000, lk.85

Fotodiood on ehituselt sarnane valgusdioodiga. Läbi õhukese p-kihi langenud valguskvandid genereerivad pn-siirde alas laengukandjaid - elektronaukpaare. pn-siirdes oleva elektrivälja mõjul kogunevad tekkinud elektronid siirde n-piirkonda ja augud p-piirkonda. Laengud põhjustavad dioodi viikude vahel potentsiaalide vahe, mida nimetatakse fotoelektromotoorjõuks.

Kui nüüd ühendada dioodi kontaktide vahele mõni tarbija, näiteks takisti, siis läbib takistit vool - fotovool. Antud juhul toimib fotodiood fotoelemendina. Kui koostada suurel pinnal paljudest
fotodioodidest patarei, siis saadakse autonoomne toiteallikas - päikesepatarei.

Eesti laiuskraadidel angeb Päikeselt maapinna ühele ruutmeetrile keskmiselt 1000 W energiat, ekvaatoril aga ligi 1500 W/m2. Päikesepatareisid valmistatakse nii räni kui galliumarseniidi baasil, nende kasutegur on 15...30%. Seega peaks meie kliimas saama 1 m2 keskmiselt 200 W elektrienergiat.

Fotodioodi kasutatakse ka välise toiteallikaga lülituses, mille pinge rakendatakse dioodile tõkkesuunas. Valguse puudumisel läbib siiret nõrk vastuvool ehk pimevool. Valguse intensiivistamisel see vool suureneb laengukandjate arvu suurenemise tõttu.

Joonis 97. Fotodioode.


Allikas: A.Kasemaa. Elektroonika komponendid, 2003, lk.56

Lisaks tavalistele pn-siirdega fotodioodidele toodetakse pin-struktuuriga dioode, kus p- ja n-kihi
vahel on õhuke väikese omajuhtivusega i-kiht. Sellised fotodioodid on märksa kõrgsageduslikumad,
tajudes valguse muutust mõne nanosekundi jooksul.

Kiiretoimelised on ka Schottky barjääriga fotodioodid. Väga nõrga valgussignaali korral kasutatakse laviinfotodioode. Nende npip-struktuuris on i-kiht täielikult vaesunud (vastupinge piisavalt tugev) ning seal toimib tugev elektriväli, mis suurendab toimekiirust ja võib põhjustada laengukandjate laviinpaljunemist.

Väga nõrkade valgussignaalide tajumisel kasutatakse fototransistore, mis on vooluvõimendusteguri (β) võrra fotodioodist tundlikumad (50...200 korda). Et sama arv korda väheneb fototransistori toimekiirus, siis jääb bipolaartransitori struktuuriga fototransistoride piirsagedus sadadesse kilohertsidesse. Kiirematoimelisemad on pn-väljatransistori struktuuriga fototransistorid.
Fotodioode on joonisel 52. Mõnel fotoelemendil on valgusdioodidega sarnane korpus (Kasemaa, 2003).

Euroopa süsteemis markeeritakse üldotstarbelisi dioode kahe laia triibuga (asetsevad katoodipoolses otsas) ja kahe või kolme kitsa triibuga.

1. Lai triip vastab tüübitähise kahele esimesele tähele: must - AA, punane - BA.
2. Lai triip määrab kolmanda tähe: valge - Z, hall - Y, must - X, kollane - T, oranž - S, sinine -
W, roheline - V.

Kitsaste triipude värv vastab samadele numbritele nagu kirjeldatud takistite värvimarkeeringu
juures.

Fototransistor on transistor, mille valgustamisel tekib elektrivool, mida sama seadis ka võimendab. Fototransistori puhul on valgustatavaks osaks baas.

Kuni 0,01 mm² suuruse valgustatava pinnaga fototransistoridel on suur tundlikkus (0,1-0,5 A/lm) ja kiire reageerimine valguse intensiivsuse või spektri muutusele, selleks kulub mõnisada mikrosekundit.

Fototransistore kasutatakse optronites, kiirgusloendurites ja -detektorites, salvestatud kujul olevate heliandmete muundamiseks elektriliseks signaaliks, kujutiste lugemisel skanneerimise käigus ja mujal.

Joonis 98. Fototransistorid.

Allikas: http://en.wikipedia.org/wiki/Pilt:Fototransistor.JPG

Fototüristor on mitmekihiline fotoelektronseadis, mis lülitub valguse abil. Fototüristoris on ava valguse läbilaskmiseks. Valguse puudumisel töötab kui tavaline türistor, mida tüüritakse tüürvooluga. Valgustamisel pn-siirete juhtivus oluliselt suureneb ja ta võib lülituda elektriahelasse.

Joonis 99. Fototüristor.

Allikas: R.Pütsep. Elektroonika, 2000, lk.85

Kasutatakse fotoreleedes, arvutusseadistes mäluelementidena, impulsstehnikas jm.

Pooljuhtfotoelement on fotoelektronseadis, mille pn-siirdel tekib valguse mõjul elektromotoorjõud. Kasutatakse fotoeksponomeetrias valgustiheduse määramiseks, päikese- ja tuumapatareides.

Joonis 100. Fotoelemendi tähis.


Allikas: R.Pütsep. Elektroonika, 2000, lk.85

Joonis 101. Fotoelemendi ehitus.


Allikas: http://en.wikipedia.org/wiki/Pilt:Fotoelement.JPG

Päikesepatarei on elektrotehniline seade, mis muundab Päikese valgusenergiat elektrienergiaks.

Tvaliselt kasutatakse päikesepatareis fotoelemente, milles elektromotoorjõud tekib juhi ja pooljuhi või kahe pooljuhi vahelisel siirdel.

Joonis 102. Päikesepaneelidest koostatud päikesepatarei.


Allikas: http://en.wikipedia.org/wiki/Pilt:Mafate_Maria_solar_panel_dsc00648.jpg

Enamasti kasutatakse selleks pooljuhtide fotoelektrilisi omadusi. Kui valguseosake footon "põrkab" vastu pn-siiret, siis vahetavad elektron ja auk vastavalt N- ja P-pooljuhis kohad. Kui ühendada pooljuhid voolutarvitiga, siis suunduvad elektron ja auk oma pooljuhtide poole tagasi, tekitades elektrivoolu.

Pooljuhtide võimsus 1 m² suuruse pinna kohta on kuni 300 W ja nende kasutegur on 10~20%. Üks selline element tekitab pinge ligikaudu 0,5 V. Kõrgema pinge saamiseks ühendatakse elemendid jadamisi, aga voolutugevuse suurendamiseks rööbiti. Tavaliselt valmistatakse päikeseelemendid mõõtmetega 10×10 cm, mis suudab tagada keskmiselt 1-2 A suuruse voolu. Suurema võimsuse saamiseks ühendatakse elemendid patareidesse. 30-32 elemendiga päikesepatarei võimsus on ligikaudu 40-45 W.

Päikesepatareisid tuleb kaitsta mehaaniliste kahjustuste ja niiskuse eest.

Enamik päikesepatareisid on jäigad, aga leidub ka pooleldi painduvaid, mis põhinevad õhukestel kiledel. Viimaseid tehakse peamiselt kaadmiumtelluriidist CdTe või ränist Si.

Päikesepatareisid kasutatakse näiteks kosmoselennuaparaatides ja automaatsetes meteoroloogiajaamades.

Laserdiood ehk pooljuhtlaser on optoelektrooniline kiirgusallikas, milles tekib optiline kiirgus nagu valgusdioodiski elektronide ja aukude rekombineerumisel, s.t vastasmärgiliste laengukandjate ühinemisel. Ent laserdioodis ei toimu see spontaanselt, vaid stimuleeritult; seega toimub valguse võimendus kiirguse stimuleeritud ehk indutseeritud emissiooni tulemusena. Sel juhul tekkiv kiirgus on monokroomne (ühevärviline) ja koherentne, mispuhul elektromagnetlainete faaside vahe püsib muutumatuna.

Valguskiirguse tekkimiseks laserdioodis on vaja, et rekombinatsioone koos kvantide ehk footonite eraldumisega toimuks rohkem kui kvantide neeldumisi. Selleks tuleb siirde piirkonnas luua pöördhõive. Seda võib saavutada laengukandjate intensiivse sisestamisega heterosiirdesse (nagu see toimus esimestes pooljuhtlaserites 1960. aastatel). Kirjeldatud tingimustel tekibki valguskvante rohkem kui neid neeldub, mille tulemusena siirde tasapinnas leviv valguslaine võimeneb, s.t tema amplituud kasvab.

Rekombinatsioonide arvu saab suurendada, kui panna valguskvandid siirde tasapinnas edasi-tagasi liikuma. Selleks lihvitakse pooljuhi monokristalli kaks otstahku paralleelseteks peegliteks, nii et moodustub optiline resonaator. Peegeldunud kvandid läbivad siis korduvalt pöördhõivestatud aktiivpiirkonna, kutsudes esile uute rekombinatsioonide ning seega kvantide tekke. Pärast mitmekordset peegeldumist väljub valguskiir läbi ühe, poolläbipaistva peegli.

Laserdioodi toitevoolu energiast muutub valgusenergiaks vähemalt 50 %.

Joonis 103. CD-draivis kasutatav valgusdiood.


Allikas: http://en.wikipedia.org/wiki/Pilt:Laserdiood.JPG

Laserdioodi optiline kiirgus tekib elektronide ja aukude rekombineerumisel. Valguskiirguse tekkimiseks on vaja, et rekombinatsioone koos kvantide eraldumisega toimuks rohkem kui kvantide neeldumisi. Selleks tuleb pn-siirde piirkonnas luua olukord, mispuhul aatomite kõrgem energeetiline tase - juhtivustsoon - elektronide poolt hõivatum kui madalam, valentstsoon.

Niisugune pöördhõive saavutatakse laengukandjate intensiinse liikumisega siirdesse pärivooluga tihedusega 5 A siirde ristlõike 1 mm2 kohta. Et laseri joonmõõtmed siirde tasapinnas on 0,1 mm, kujuneb pöördhõive juba 50 mA vooluga. Kuna valguskvante tekib rohkem kui neid neeldub, siis siirde tasapinnas leviv valguslaine võimendub.

Rekombinatsioonide arvu saab suurendada, kui valguskvandid panna liikuma. Selleks moodustatakse optiline resonaator, lihvides pooljuhi kaks otsatahku paralleelseteks peegliteks. Peegeldunud kvandid võivad mitu korda läbida pöördhõivestatud aktiivpiirkonna, kutsudes esile uute rekombinatsioonide ning seega kvantide tekke. Pärast mitmekordset peegeldumist väljub valguskiir läbi ühe poolläbipaistva peegli.