Teema 4, Optoelektroonika elemendid ja infoesitusseadmed | Elektroonika - Elektroonika alused - Tallinna Tehnikaülikool
Teema 4, Optoelektroonika elemendid ja infoesitusseadmed (2)
Tallinna Tehnikaülikool - Elektroonika - Elektroonika alused
Teema 4. Optoelektroonika elemendid ja infoesitusseadmed
Käesolev tekst on osa abistavast j a täiendavast loengumaterj alist dots . Mihhail Pikkovi loengukonspekti j uurde õppeaines " Elektroonika alused".
M.Pikkovi ainekava ja konspekti järgsed allteemad ( http://www.ttykk.edu.ee/aprogrammid/elektroonika_alused_MP.pdf ; lk. 8...10 ja 42...51): - Valgusdiood - Fotodiood - Fototakisti - Fototransistor - Fototüristor - Optronid - Infoesitusseadmed: elektronkiiretoru , vedelkristallpaneel, plasmapaneel, elektroluminestsentspaneel
Käesoleva teksti sisujaotus: 4.1 Optoelektroonika mõiste ja sinna kuuluvate seadiste liigitus 4.2 Valgustundlikud seadised 4.2.1 Fotoefekti liigid 4.2.2 Sisefotoefektil põhinevad seadised 4.2.2.1 Fototakisti 4.2.2.2 Fotodiood 4.2.2.3 Fototransistor 4.2.2.4 Fototüristor 4.2.3 Välisfotoefektil põhinevad seadised 4.2.3.1 Vaakuumfotoelement e. fotorakk 4.2.3.2 Fotokordisti 4.3 Valgust emiteerivad seadised 4.3.1 Hõõglamp ja sellel põhinevad indikaatorseadised 4.3.2 Huumlamp ja sellel põhinevad indikaatorseadised 4.3.3 Vaakuumluminestsentsindikaator 4.3.4 Valgusdiood ja sellel põhinevad indikaatorseadised 4.3.5 Laserdiood 4.3.6 Plasmapaneel 4.3.7 Elektroluminestsentspaneel 4.3.8 Elektronkiiretoru 4.4 Optronid 4.5 Valguskiirgust mõjutavad seadised 4.5.1 Vedelkristallid ja LCD- paneel
Kasulik meelde jätta: - Valgusdioodid - Optronid, kõige kiiretoimelisem optron - Elektronkiiretoru - Vedelkristallpaneel. Eelised, puudused.
Elektroonika alused. Teema 4 ­ Optoelektroonika elemendid ja infoesitusseadmed
1 (43) 4.1 Optoelektroonika mõiste ja optoelektroonsete seadiste liigitus Optoelektroonika on elektroonika haru, mis tegeleb valgussignaalide elektrilisteks (ja vastupidi) muundamise teooriaga ning selle rakendamisega infotöötlus-, infosäilitus- ja infoedastussüsteemides.
Valgus on laiemas tähenduses sama mis optiline kiirgus. Kitsamas tähenduses mõeldakse valguse all nähtavat valgust.
Optiline kiirgus on elektromagnetkiirgus lainepikkuste vahemikus 10 nm...1 mm, hõlmates infrapunase, nähtava ja ultraviolettkiirguse.
Infrapunane kiirgus on silmale nähtamatu elektromagnetkiirgus lainepikkuste vahemikus 0,77 mm...1 mm. Sellest pikema lainepikkusega elektromagnetlained kuuluvad raadiolainete hulka.
Nähtav valgus on optiline kiirgus (elektromagnetkiirgus) lainepikkuste vahemikus 380...770 nm, mis vahetult tekitab inimsilmas nägemisaistingu. Inimese silma valgustundlikkus on maksimaalne lainepikkusel umbes 550 nm (roheline valgus); tundlikkus langeb nullini lainepikkustel 770 nm (infrapunane piir) ja 380 nm (ultraviolettpiir).
Ultraviolettkiirgus on silmale nähtamatu elektromagnetkiirgus lainepikkuste vahemikus u. 10...380 nm. Sellest lühema lainepikkusega on röntgenkiirgus ja gammakiirgus .
Optoelektroonsed seadised võib liigitada järgmiselt:
- valgustundlikud seadised; - valgust emiteerivad seadised; - optronid, milles on ühendatud valgust emiteeriv seadis ja valgustundlik seadis; - valguskiirgust mõjutavad seadised (LCD- paneelid ).
Optoelektroonika teemal sõna võttes kasutatakse sageli mõistet `fotoelement', mille tähendus on ebamäärane. Üldmõistena võib `fotoelement' tähendada fotoelektrilist seadist, mille töö põhineb fotokatoodi või pooljuhi valgustamisel tekkival fotoefektil. Esimesel juhul on tegemist välisfotoefektiga, teisel juhul sisefotoefektiga.
2 (43) Joonis 4.1. Elektromagnetiline spekter [ http://en.wikipedia.org/wiki/Electromagnetic_spectru m]
4.2 Valgustundlikud seadised Valgustundlike seadiste töö põhineb sise- või välisfotoefektil.
4.2.1 Fotoefekti liigid Sisefotoefekt (sisemine fotoefekt ) on elektromagnetkiirguse mõjul toimuv elektronide energiatasemete ümberjaotumine pooljuhtides ja dielektrikutes, mis avaldub fotojuhtivuse või fotoelektromotoorjõu kaudu.
Fotojuhtivus on aine elektrijuhtivuse muutumine optilise kiirguse (elektromagnetkiirguse) toimel. Fotojuhtivust põhjustab elektromagnetkiirguse
3 (43) neeldumisega kaasnev elektronide jaotuse muutumine pooljuhis või dielektrikus; p-n siirde olemasolu ei ole siin vajalik. Fotojuhtivusel põhineb näiteks fototakistite töö.
Ventiilfotoefekt on sisefotoefekt pn-siirde tõkkekihis, mis avaldub foto- elektromotoorjõu tekkimisena kahe pooljuhi kokkupuutepinna või pooljuhi ja metalli kokkupuutepinna valgustamisel. Ventiilfotoefektil põhineb fotodioodide ja päikesepatareide töö.
Välisfotoefekt e. fotoelektroniemissioon on elektronide väljumine ainest elektromagnetkiirguse toimel. Välisfotoefekt on kvantnähtus: selleks et fotoelektron ainest väljuks, peab temas neelduma footon e. valguskvant e. elektromagnetvälja kvant . Välisfotoefekti rakendatakse vaakuumfotoelementides ja ioonfotoelementides ning fotokordistites.
4.2.2 Sisefotoefektil põhinevad seadised
4.2.2.1 Fototakisti Fototakistid põhinevad sisefotoefektil, mis avaldub pooljuhi elektrijuhtivuse muutumisel valguse toimel ergastuvate elektronide ja aukude tõttu.
Fototakisti on kahe elektroodiga pooljuhtfotoelement, mille elektrijuhtivus sõltub seadisele langeva kiirguse intensiivsusest ja spektrist. Fototakistite omadused sõltuvad temperatuurist, neil on suur eritundlikkus (mitusada mA/(V*lm)) ja suur ajakonstant (0,01...10 ms), mittelineaarne valguskarakteristik ja suur müratase. Neid kasutatakse kiirgusdetektoritena (sensoritena) automaatreguleerimissüsteemides jm.
Fototakisti koosneb klaasplaadist, millele on kantud õhuke pooljuhi kiht. Pooljuhi kahele vastasküljele on kinnitatud metallelektroodid. Pliisulfiidist fototakisti reageerib kõige tundlikumalt infrapunasele kiirgusele. Vismutsulfiidist fototakisti reageerib kõige tundlikumalt kiirgusele, mille lainepikkus asub infrapunase ja nähtava valguse spektriala piiril. Kaadmiumsulfiidist fototakisti on kõige tundlikum nähtavale valgusele .
Joonis 4.2. Fototakisti ehitus, tingmärk ja väliskuju [5]
4 (43) Valgustamata fototakisti takistus on eri tüüpidel kümnetest kW kuni sadade MW, sõltudes oluliselt temperatuurist. Valgustamisel võib takistus väheneda mitme suurusjärgu võrra. Fototakisti iseloomulik parameeter eritundlikkus on fotovoolu tugevus valgusvoo ühiku kohta pingel 1 V.
Pikkov lk 45
Pikkov lk 46
5 (43) 4.2.2.2 Fotodiood Fotodiood on pooljuhtdiood , mille parameetrid sõltuvad pn-siirde valgustatusest. Fotodioodi tundlikkus oleneb valguse lainepikkusest. Tundlikkus on suurim tavaliselt infrapunases spektrialas.
Fotodiood on pooljuhtdiood, mille pn-siirde piirkonda langev valgusvoog tekitab seal laengukandjaid ( elektron -auk- paare ). Siirde elektriväli eraldab tekkinud elektronid ja augud nii, et viimased kogunevad p-kihti, elektronid aga jäävad n-piirkonda. Seetõttu tekib dioodi viikude vahel potentsiaalide vahe mida nimetatakse fotoelektro- motoorjõuks. Seda saab kasutada fotovoolu tekitamiseks dioodiga ühendatud koormustakistis R (joonis 4.3 a). Antud juhul töötab diood fotogeneraatorina.
Fotodioode saab kasutada ka fotomuundurina koos välise toiteallikaga, mille pinge rakendatakse dioodile tõkkesuunas (joonis 4.3 b). Valgustuse puudumisel läbib dioodi nõrk vastuvool IR (pimevool). Siirdele langeva valguse mõjul tema juhtivus suureneb ning vastavalt tugevneb ka teda läbiv üldvool. Vool kasvab seda enam, mida tugevam on valgusvoog. Selles reziimis on inerts väga väike ja fotodioodi saab kasutada väga kiirete (isegi nanosekundiliste) valgusmuutuste registreerimiseks. Seejuures on voolu muutused praktiliselt lineaarses sõltuvuses valgustustugevusest.
Joonis 4.3. Fotodioodide lülitusviisid: (a) fotogeneraatorina; (b) fotomuundurina [2].
Kuna fotodioodi vastuvool kasvab valgustustiheduse kasvades küllalt lineaarselt, siis on võimalik kasutada teda näiteks valgustustiheduse mõõtmiseks (luksmeetrid). Fotodioodi pinge-voolu tunnusjoon on toodud joonisel 4.4.
Joonis 4.4. Fotodioodi pinge-voolu tunnusjooned [2].
6 (43) Fotovoolu võimendamiseks tuleb tema väljundisse ühendada võimendi, milleks reeglina kasutatakse operatsioonivõimendit. Sageli on vajalik võimendi selline lülitus, et ta toimiks voolu-pinge muundurina.
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
2011-12-28 Kuupäev, millal dokument üles laeti
Aadu Petrov Õppematerjali autor
optoelektroonika , infoesitussedmed , elektroonika alused , allan lipu
käesolev tekst, 1 vaakuumfotoelement, valgusdioodid, teema 4, optoelektroonika, infosäilitus, optiline kiirgus, infrapunane kiirgus, nähtav valgus, ultraviolettkiirgus, fotojuhtivus, ventiilfotoefekt, välisfotoefekt, välisfotoefekt, fototakisti, kahele vastasküljele, kaadmiumsulfiidist fototakisti, fotodiood, fotodiood, fotodioodi pinge, fotodioodi pinge, kiiretoimelised, metallalusel, fototransistori väljundtunnusjooned, darlington, fotokatood, fotorakk, elektronkordisti, elektronkordistit, ühes kestas, põhiandmed, lainepikkuse ala, läbilöögi vältimiseks, valmistatavaid juhtskeeme, laserdioodis, laserdioodi struktuur, valguskiirguse tekkimiseks, nivoojuhtivustsoon, huumlambid, ioonseadised, gaaslahendus, gaaslahenduse eriliigid, neoonlambid ne, huumlambi pinge, huumlambi pinge, vaakumluminestsents, elektronlamp, vaakumluminestsents, töötemperatuur, seadise tööks, luminestsents, elektroluminestsents, fotoluminestsents, paneeli tööpingeks, elektronkiiretoru, leiutatud elektronkiiretoru, füüsika kursusest, valgusandlikkus, elektronide kiirus, ülemine sageduspiir, kineskoopideks, ülekandmiseks, tugevuse tagamiseks, igale värvusele, kiirgustasemed, optron, kiirguriks, optronites, kiirgusallikaks, dioodoptroni vooluülekandetegur, fototransistorid, ümberlülitamiskiirus, kiudoptika, analoog, kiu läbimõõt, valguslainejuhi ehitus, klaaskiud, jämedamad, mittelineaarsuse tõttu, vastuvõtjate põhielemendiks, lähi, paljukanalilise valguslainejuht, mõnel indikaatoritüübil, vedelkristallid, lcd, sellistel indikaatoritel
Mihkel Kanne: Tänud, aitas mul füsa ettekannet teha :D (10kl)
18:16 28-01-2013
Kaspars69: 50/50
19:38 15-01-2018
Teema 3. Pooljuhtseadised M.Pikkovi ainekava ja konspekti järgsed allteemad (http://www.ttykk.edu.ee/aprogrammid/elektroonika_alused_MP.pdf, lk. 23...41): - Pooljuhtdiood, tema ehitus. Alaldava siirde tekkimise tingi...
Kordamisküsimused 1. Mis on Ohmi seadus? U=R*I 2. Mis on pingejagur? Etteantud parameetritega pingejaguri arvutamine. Pingejagur – alalis- või vahelduvpinget osadeks jagav elektriseade. 3. E...