i3>

Возбужденное энергетическое состояние

Исходное состояние (неооздуокденное)

Рис. 15.1. Когда возбужденный электрон переходит на более высокий энергетический уровень, его состояние неустойчиво. Когда он возвращается в исходное состояние, излучается фотон.

какой-то момент он должен возвратиться в основное состояние, или состояние покоя. Опять же по принципу сохранения энергии при этом требуется, чтобы электрон освободил количество энергии, равное разности между энергетическими уровнями двух различных состояний. Энергия может выделяться в виде тепла, рентгеновского излучения или излучения видимого света.

В р-п-переходе, смещенном в прямом направлении, электроны, инжектированные в п-область под воздействием источника питания, получают избыточный уровень энергии, позволяющий им пересекать р-п-барьер. Эта энергия может быть отдана, когда электрон рекомбинирует с дыркой и становится электрически нейтральным. Отданная энергия может выделяться в виде инфракрасного или видимого излучения.

В кремниевых и германиевых диодах фотоны, выделяемые при этом процессе, соответствуют обычно инфракрасному диапазону, но в диодах на арсениде галлия GaAs энергетические уровни расположены выше, в результате чего излучение попадает в красный, видимый диапазон. Светоизлучающие диоды •создают излучение красного, желтого и зеленого цветов. В некоторых светодиодах красно-зеленого излучения диоды с крас-

~Ю00 Ом калибровпа

Ртутная батарея, 1,36 В

О-1 мА пост:

Рис. 15,2. Измеритель интенсивности света, использующий фотосопротивление. 256

ным и зеленым излучением заключены в одном корпусе и соединены друг с другом встречно. Цвет будет зависеть от полярности приложенного напряжения. При выборе светодиодов имейте в виду, что светодиоды с излучением красного цвета более эффективны и в большинстве случаев дают больше света при меньшем токе.

Фотоустройства и схемы

Фотовольтаический элемент, или солнечный элемент, - это устройство, использующее свойство света создавать электрический потенциал, величина которого, как правило, имеет порядок долей вольта. Эти устройства выпускаются уже много лет, однако только в последние годы они были во многом усовершенствованы в результате развития космической техники, поскольку их использовали в качестве источников питания для космических кораблей и для преобразования энергии.

В соответствии с нашей целью (проектирование электронной аппаратуры) более важным является применение фоторезистора, который называется также фотоэлементом с внутренним фотоэффектом или просто фотоэлементом. С термином «фотоэлемент» будьте осторожны, потому что многие используют его для обозначения почти любого фоточувствительного электронного компонента. Тем не менее в нашей книге он будет обозначать фоторезистор, называемый также фотоэлементом с внутренним фотоэффектом или просто фотоэлементом.

Для фоторезисторов используются такие материалы, как сульфид кадмия, сульфид свинца или селенид кадмия. Эти материалы обладают свойством изменения электрического сопротивления под воздействием света. При выборе устройств для конкретного проекта нужно принять во внимание то, что различ- ные фоторезисторы имеют раз- иев~т личные свойства. Одни из них, например, имеют очень высокое темповое сопротивление и просто громадное изменение сопротивления под воздействием света. Например, один из типов имеет темповое сопротивление около 500 кОм, а сопротивление при комнатном освещении примерно 20 кОм.

Рис. 15.3. Измеритель интенсивности света с мостом Уитстона.

На рис. 15.2 показана основная схема измерителя интенсивности света, использующая фоторезисторное устройство. Сопротивление фотоэлемента ФЭ1 зависит от интенсивности света, падающего на его поверхность. Батарея Bi является источником тока для последовательной цепи, состоящей из ФЭ1, Ri и Mil. Величина тока, регистрируемая прибором Mi. зависит от сопротивлений ФЭ1 и Ri. Когда фоторезистор затемнен, сопротивление ФЭ1 будет высоким, а следовательно, ток будет мал. При возрастании интенсивности света сопротивление ФЭ1 уменьшается и показания М\ возрастают. Резистор Ri можно использовать для калибровки прибора Mi при некоторой определенной интенсивности света, так чтобы в каждом конкретном применении показания не были бы бессмысленными.

На рис. 15.3 показана более чувствительная и потенциально более полезная схема измерителя интенсивности света. Здесь мы видим еще одно применение классической мостовой схемы Уитстона. Сопротивления резисторов Ri и R2 обычно выбираются равными друг другу, хотя это просто дело удобства и не очень существенно. Эти резисторы обычно имеют сопротивление в диапазоне от 500 Ом до 20 кОм. Конкретное выбираемое значение зависит в некоторой степени от величины фотосопротивления при такой интенсивности света, при которой должен работать измеритель. Старайтесь выполнить равенство Ri = R}. и придерживаться пределов от Rz/2 до 2Rb.

Опять мы имеем в схеме калибровочный резистор, в данном случае это R4, одно из плеч моста. Резистор R4 можно отрегулировать так, чтобы ток через прибор был равен нулю, максимальному значению или некоторому заданному значению при нормальной интенсивности света в окружающей среде.

Этот тип схемы используется в обширном семействе электронных приборов и управляющих устройств, так как многие физические величины могут быть измерены по крайней мере косвенно, по коэффициенту пропускания или коэффициенту поглощения света (или белого, или определенной частоты в диапазоне от инфракрасного до ультрафиолетового). Эту область техники называют иногда фотометрией (буквально измерение с помощью света), а относящиеся к ней приборы называются фотометрами или денситометрами.

Рассмотрим пример прибора такого типа. Предположим, что некоторый параметр может быть измерен по степени поглощения красного света, проходящего через образец материала. Испытательная установка показана на рис. 15.4. На пути луча света помещен красный фильтр для устранения помех, создаваемых другими цветами. Конечно, цвет и свойства фильтра в каждом данном случае будут зависеть от свойств исследуемого материала, однако мы выбираем красный фильтр. Использование фильтра в любом случае желательно, даже если испытуемый материал не чувствителен к частоте света, так как чувствительным к частоте света является фотоэлемент. Большин-