Счетчик времени работы головных светильников

Министерство образования и науки Российской Федерации
ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ БЮДЖЕТНОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ ВЫСШЕГО ОБРАЗОВАНИЯ 
«ОМСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ» 
   Кафедра «Радиотехнические устройства и системы диагностики»
   
                                                                                              Допустить к защите
     Зам.зав. кафедры  РТУиСД
      ___________Долганев Ю.Г  
                                                          (подпись)
       								     «___» _________ 2018 г.  
     
     
ВЫПУСКНАЯ КВАЛИФИКАЦИОННАЯ РАБОТА
(бакалавра)

на тему: Счетчик времени работы головных светильников

Студента: Плюшкина Евгения Викторовича группы ПР-142


Пояснительная записка 

Шифр ВКР: БР-02068999-32- 25 -00.00.000.ПЗ

Направление: 12.03.01 «Приборостроение»
     

Руководитель
Губарев  А.А.
_____________________
(подпись, дата)

Разработал
Плюшкин Е.В.
_____________________
(подпись, дата)


Омск 2018г
      Министерство образования и науки Российской Федерации
      Федеральное государственное образовательное учреждение
      высшего образования
      «ОМСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ»
      Кафедра «Радиотехнические устройства и системы диагностики»
      
      
                     УТВЕРЖДАЮ
               Зам.Зав. кафедрой РТУиСД
__________Долганев Ю.Г.
                        «____»______20___г.
      
      ЗАДАНИЕ
      на выполнение выпускной квалификационной работы бакалавра
      
Студенту: Плюшкину Евгению Викторовичу
Группа: ПР-142;    Факультет: Радиотехнический факультет 
Направление: 12.03.01 «Приборостроение»
Квалификация: бакалавр
Тема ВКР: Счетчик времени работы головных светильников
Руководитель: Губарев Алексей Александрович
Место работы, должность руководителя: ОмГТУ, кандидат технических наук, доцент кафедры РТУиСД 
Срок сдачи полностью оформленного задания на кафедру: ________________
      Задание на ВКР (перечень подлежащих разработке разделов): 1  Обзор Литературы.  2  Разработка структурной схемы.  3  Расчет принципиальной схемы. 4 Алгоритм работы программы. 5 Инструкция по эксплуатации.
Перечень графического материала с указанием основных чертежей и иллюстративного материала: 1. Схема электрическая структурная 2. Схема электрическая функциональная 3. Схема электрическая принципиальная 4. Схема программы расчета яркости допустимого свечения светильника.


Задание принял к исполнению студент__________________________
   подпись
/________________________________/ «__»___________201_ г.
      ФИО
Приложение к заданию
на выполнение выпускной квалификационной работы бакалавра
"Счетчик времени работы головных светильников"

      1. Область применения 
      Счетчик времени работы головных светильников (далее счетчик) относится к области измерительной техники, в частности к технике счета времени работы головных светильников в основном режиме.
      2. Назначение
      Счетчик предназначен для счета времени работы светильников СМС и СГГ в основном режиме при тестировании.
      3. Технические требования
      3.1 Показатели назначения изделия
- Ток потребления не более 8 мА
- Символ индикации разряда батареи LB
- Время работы от одного заряда не менее 160ч.
- Средний полный срок службы прибора 5 лет.
- Четырёхразрядное индикаторное табло 
- Погрешность измерения не более 2 минут   
      3.2 Условия эксплуатации
      3.2.1 Рабочие условия применения:
- температура окружающего воздуха, ?С от 10 до 35;
- относительная влажность окружающего воздуха, % от 30 до 80;
- атмосферное давление, кПа от 84 до 106,7.
      3.3 Состав изделия и требования к конструкции
- Габаритные размеры корпуса устройства не более 111 ? 93 ? 45 мм.
- Масса устройства не более 0,25 кг

Руководитель _______________________А.А. Губарев  
Студент группы ПР-142_______________Е.В. Плюшкин
РЕФЕРАТ

     Выпускная квалификационная работа содержит 57 страниц машинописного текста,  17 рисунков,  12 использованных источников и 4 чертежа графического материала.
     Ключевые слова: счетчик времени, головные светильники, фоторезистор, микроконтроллер, электронный ключ, преобразователь напряжение-частота.
      В данной работе был разработан счетчик времени работы головных светильников. Работа состоит из введения, пяти глав, заключения, списка литературы и приложений. Был проведен обзор литературы по полупроводниковым фотоприемникам и восьмиразрядным микроконтроллерам. На основании обзора была разработана структурная и функциональная схемы счетчика. Далее был произведен расчет принципиальной схемы и выбор элементов, а также представлена схема работы программы расчета яркости свечения светильника. В заключении приводятся итоги проделанной работе.
         
			
     








ABSTRACT

      The graduating qualification work contains 57 pages of typewritten text, 17 figures, 12 sources used and 4 drawings of graphic material.
      Key words: time counter, headlights, photo resistor, microcontroller, electronic key, voltage-frequency converter. 
      In this paper, a time counter for head lights was developed. The work consists of an introduction, five chapters, a conclusion, a list of literature and applications. The literature on semiconductor photo detectors and 8-bit microcontrollers was reviewed. Based on the review, a structural and functional counter scheme was developed. Next, the circuit was calculated and the choice of elements, as well as the scheme of the program for calculating the brightness of the luminary. In conclusion, the results of the work done.













СПИСОК СОКРАЩЕНИЙ

СМС – светильник с сигнализатором метана
СГГ – светильник головной герметичный
АКБ – аккумуляторная батарея
АЛУ – арифметико-логическое устройство
ОЗУ – оперативное запоминающее устройство
АЦП – аналого-цифровой преобразователь















СОДЕРЖАНИЕ

ВВЕДЕНИЕ………………………………………………………………………………. 8
1 ОБЗОР ЛИТЕРАТУРЫ……………………………………......................................... 10
2 РАЗРАБОТКА СТРУКТУРНОЙ СХЕМЫ……………….......................................... 38
3 РАСЧЕТ ПРИНЦИПИАЛЬНОЙ СХЕМЫ………………………………………...... 41
4 СХЕМА ПРОГРАММЫ РАСЧЕТА ЯРКОСТИ ДОПУСТИМОГО СВЕЧЕНИЯ 
   СВЕТИЛЬНИКА……………………………………………………………................ 53
5 ИНСТРУКЦИЯ ПО ЭКСПЛУАТАЦИИ…………………………………................. 54
ЗАКЛЮЧЕНИЕ…………………………………………………………......................... 56 
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ……………………………………………………................ 57
ПРИЛОЖЕНИЕ А 
ПРИЛОЖЕНИЕ Б 
ПРИЛОЖЕНИЕ В 
ПРИЛОЖЕНИЕ Г
ПРИЛОЖЕНИЕ Д


ВВЕДЕНИЕ

      Глобальные изменения во многих областях науки и техники тесно связаны с развитием электроники. В данный момент очень трудно найти отрасль промышленности, в которой бы не использовались электронные приборы или электронные устройства измерительной техники, автоматики и вычислительной техники. Хотя количество электронно-информационных устройств и устройств автоматики непрерывно увеличивается. Это представляет результат развития интегральной технологии, с помощью которой можно нормализовать массовый выпуск дешевых, высококачественных и не требующих специальной настройки микроэлектронных функциональных узлов различного назначения.
      Оптоэлектроника – научно-техническое направление, в котором передача, обработка и хранение сигналов выполняется с помощью электрических и оптических средств и методов связи. В оптоэлектронике световой луч выполняет аналогичные функции управления и преобразования, что и электрический сигнал в электрических цепях. 
      Оптоэлектронные приборы – это устройства, излучающие и преобразующие излучение в инфракрасной, видимой или ультрафиолетовой областях спектра, а также использующие в своей работы электромагнитные излучения.
	Головные светильники СМС и СГГ предназначены для освещения индивидуального рабочего места рабочих в подземных выработках угольных шахт, в том числе, которые могут быть опасны по газу или пыли. Работу светильников составляют два режима – основной (рабочий) и вспомогательный (аварийный). В  основном источнике света применяется мощный светодиодный излучатель (LED).
      Задачей данной работы является разработка счетчика времени работы головных светильников, способного производить измерение продолжительности полезного рабочего периода (время непрерывной работы светильника без перезарядки аккумуляторов), который устанавливается в нормативно-технической документации в часах, в течение которого сила света от основного источника  не будет выходить из заданных настоящим стандартом пределов [1].



























ОБЗОР ЛИТЕРАТУРЫ

      1.1 Общие сведения о компонентах оптоэлектроники

      В общем случае термин «оптоэлектронный прибор» характеризует устройство, в котором элементы обеспечивают генерирование оптического излучения, передачу и прием. К оптоэлектронным устройствам можно отнести: полупроводниковые приборы и микросхемы, которые выполняют функции устройств оптической переработки информации; устройства отображения информации; сканисторы — устройства развертки изображений; единичные преобразователи оптических сигналов в электрические и наоборот — фотоизлучатели и фотоприемники.
      Для реализации элементарного преобразования в оптоэлектронике необходимы: управляемый источник света, яркость свечения которого однозначно определяется электрическим сигналом, а также фотоприемник, сопротивление или ЭДС которого зависит от его освещенности.
      Главным компонентом оптоэлектроники является «пара с фотонной связью», которая называется оптроном, изображенная на рисунке 1.1(а). Элеметарный оптрон представляет собой четырехполюсник, состоящий из трех элементов: источника света 1, световода 2 и приемника света 3. В таких оптронах развязка между входом и выходом характеризуется только сопротивлением утечки цепи и составляет ?10?^13 ?-10?^16  Ом. Входной электрический сигнал, который может быть в виде импульса или перепада входного тока, возбуждает фотоизлучатель и вызывает световое излучение. Световой сигнал через световод попадает в фотоприемник и на выходе образуется электрический импульс или перепад выходного тока. Внутренняя связь в данном оптроне — фотонная, а внешняя — электрическая. 
      Возможен также тип оптрона с электрической внутренней связью и фотонными внешними связями, изображенный на рисунке 1.1(б). Он предназначен для усиления световых сигналов или преобразования сигнала одной частоты в сигнал другой, например сигналов невидимого инфракрасного излучения в сигнал видимого спектра. 
      

Рисунок 1.1 – а) структурная схема оптронов с внутренней фотонной связью;
б) структурная схема оптронов с внутренней электрической связью

      Фотоприемник 1 преобразует входной световой сигнал в электрический, который усиливается электронным усилителем 2 и возбуждает источник света 3. частота излучения источника может  отличаться от частоты входного сигнала. 
      При помощи более сложных оптических и электрических связей, можно получить оптроны с самыми различными свойствами. 
	Фотоприемники предназначены для преобразования светового излучения в электрические сигналы, так как функциональные возможности электролюминесцентных источников света ограничены, то многообразие возможных характеристик оптронов реализуется за счет фотоприемников. 
      При подборе фотоизлучателей и фотоприемников необходимо согласование их спектральных характеристик. Иначе, вследствие несовершенства существующих источников света, достаточно сложно получить нужные результаты. 
      Фотоэлектрические явления, в основе которых строится фотоприемник, можно разделить на три основных вида: 
      1)  Первый вид представлен изменением электропроводности вещества при его освещении, который называется внутренний фотоэффект;
      2)  Возникновение ЭДС на границе двух материалов под действием света — фотоэффект в запирающем слое, обычно используют в полупроводниковых фотоэлементах;
      3) Испускание веществом электронов под действием света — внешний фотоэффект, в основном используют в вакуумных и газонаполненных фотоэлементах. 
      
      1.2 Фоторезисторы

	В основе работы фоторезисторов применяется  изменение сопротивления фотоприемника  под действием инфракрасного, видимого или ультрафиолетового излучения. Главным элементом фоторезистора является полупроводниковая пластина, сопротивление у которой меняется от освещенности.
      Принцип появления фотопроводимости можно описать следующим образом. В затемненном полупроводнике в результате воздействия тепловой энергии находится небольшое количество подвижных носителей заряда , которые называются электронами и дырками, и полупроводник имеет начальную проводимостью ?_0, темновую: 
      
      				?_0=q?(n_0??_n+p_0??_n), 		                    	         (1)                                                        

                        					
      где q — заряд электрода;  n_0,p_0  - концентрация подвижных носителей заряда в полупроводнике в равновесном состоянии. 
      При попадании света концентрация подвижных носителей заряда увеличивается, причем механизмы их генерации могут быть различны. 
      Увеличение концентрации дырок и электронов может происходить за счет того, что кванты электромагнитного излучения возбуждают электроны и переносят их из валентной зоны в зону проводимости. 
      Кроме всего они могут вызывать переход электронов из зоны валентной на примесные уровни, увеличение только дырочной электропроводности или переход электронов с примесных, в зону проводимости, и возрастание электронной электропроводности. 
      Таким образом, при воздействии света, в полупроводниковом приборе, концентрация перемещающихся носителей заряда увеличивается на ?n и ?p, и проводимость его резко возрастает: 
      
			?=q?[(n_0+?n)??_n )+(p_0+?p)??_p )]  	                             (2)					


      Изменение электропроводности у полупроводника при воздейтсвии света и называется фотопроводимость: 
      
                                    ?_ф=?-?_0=q?(?n??_n+?p??_p)    		 	         (3)
      						

      При перемене яркости освещения, меняется фотопроводимость полупроводника. При включении облучающего света скорость процесса генерации  в носителях заряда не сразу достигает постоянства, соответствующего интенсивности падающего излучения, а возрастает со временем по экспоненциальному закону: 
      
				      ?n(t)=???N(1-e^(-t/?)), 	   	                   (4)

где N — это число фотонов, падающих в секунду на единицу площади; ? — коэффициент поглощения, характеризующий количество энергии, которую поглощает полупроводник; ? — квантовый выход, который считает число носителей в заряде, появляющихся при поглощении одного фотона; ? — время жизни неравновесных носителей. 
      Если время облучения: t?(3?5)?? - то количество неравновесных носителей заряда достигает своего постоянного значения, причем, когда электроны и дырки появляются парами при передвижении электронов из валентной зоны в проводимости зону, тогда число неравновесных дырок и электронов одинаково, формула (5): 
      
                                                            ?n_ст= ?p_ст= ???N  				         (5)

								     
      При поглощении в примеси, с образованием в большинстве носителей зарядов одинакового знака, может быть электронная или дырочная фотопроводимости, причем в переходных режимах фотопроводимость аналогично изменяется по экспоненциальному закону. 
      Если отключить поток света облучающий, то изменение количества неравновесных носителей заряда при ?n?(n_0+p_0 )  можно описать следующим выражением:
      
      			 	  ?n(t)=? ?n_ст?e?^(-t/?)   				                   (6)
								

      Время постепенного изменения ?_ф, когда поток включается и выключается называется релаксацией фотопроводимости. 
      Вообще,  фоторезистор представляет пластину полупроводника, на поверхности которой наносятся электропроводные электроды. В принципе возможны две конструкции фоторезисторов: поперечная  и продольная.
      В поперечной электрическое поле, которое прикладывается к фоторезистору и возбуждающий свет, взаимодействуют в перпендикулярных плоскостях, а в продольной — в одной плоскости.  
      Поперечный фоторезистор имеет омическое сопротивление до частот порядка десятков и сотен МГц. Продольный фоторезистор из-за особенностей конструкции имеет довольно большую электроемкость, которая не дает считать фоторезистор только омическим сопротивлением на частотах уже в сотни и тысячи Герц. 
      В качестве первичного материала фоторезистора чаще всего используется сернистый таллий, селенистый теллур, сернистый висмут, сернистый свинец, теллуристый свинец, сернистый кадмий и другие. 
      Вольтамперная характеристика — это зависимость тока I, протекающего через фоторезистор, от напряжения U, приложенного к его выводам, при различных значениях светового потока Ф, ток при Ф=0 называется темновым током I_т, при Ф>0 — общим током I_общ. Разность этих токов равна фототоку: 
      
      					?I_ф=I?_общ-I_т  					         (7)
      									        
      Энергетическая характеристика — это характеристика фоторезистора, которая представляет собой, взаимосвязь фототока и светового потока при U=const. В области малых значениях потока света она линейная, а при увеличении Ф возрастание фототока замедляется из-за возрастания возможности рекомбинаций носителей заряда через ловушки и уменьшения их времени жизни. Энергетическая характеристика может также называться люкс-амперной. Тогда по оси абсцисс наносится Е, освещенность в люксах. 
      Чувствительность — это связь входной величины к выходной. Для фоторезисторов обычно используют токовую чувствительность S_I, под которой понимают отношение фототока к величине, характеризующей излучение. При отношении приращений значений чувствительность называется дифференциальной. 
      В зависимости от того, какой величиной характеризуется излучение, различают токовую чувствительность к потоку света:
      
       S_ф=I_ф/Ф 						         (8)
      
      токовую чувствительность к освещенности:
      	
       ? S?_Е=I_ф/Е. 					         (9)
      
      На рисунке 1.2 показаны конструкции выполнения фоторезисторов, обозначение фоторезистора, вольтамперные характеристики фоторезистора, энергетическая характеристика фоторезистора, относительные спектральные характеристики фоторезистора выполненных на основе материалов: 1– СdS, 2– СdSе, 3– СdTe.
      При этом в зависимости от спектрального состава излученного света чувствительности могут быть либо интегральной S_инт (при немонохроматическом излучении), либо монохроматической S_?.
      
      
      
      





      В качестве одного из основных параметров фоторезистора применяют значение удельной интегральной чувствительности, которая характеризует чувствительность, при прикладывании к фоторезистору напряжение 1 В: 
      
                                                   S_(ф инт уд)=I_ф/(ФU)  					       (10)
      								
      У промышленных фоторезисторов удельная интегральная чувствительность имеет пределы десятые доли и сотни мА/(В?лм) при освещенности в 200 лк. 
      Абсолютная S_абс (?) и относительная S(?)  спектральные характеристики — это значения чувствительности в заданной полосе частот. 
      На рисунке 1.3 представлены входной сигнал, переходные характеристики фоторезисторов с высокой  и низкой  темновой проводимостями, изображенных на кривых 1 и 2 соответственно, и температурная характеристика.
      

      Абсолютная спектральная характеристика представляет собой зависимость монохроматической чувствительности, которая выражается в абсолютных единицах, от длины волны записанного потока излучения. 
      Относительная спектральная характеристика – зависимость монохроматической чувствительности от длины волны, отнесенная к значению с максимальной значением чувствительности: 
   
 
      							  
      Спектральная характеристика определяется по материалу, из которого изготовлен фоторезистор, и его примесям. Изображение спектральной характеристики свидетельствует о том, что для фоторезисторов некоторых типов нужно тщательно выбирать пару излучатель и фотоприемник. 
      Граничная частота f_гр- это частота синусоидального сигнала, модулирующего световой поток, при котором чувствительность фоторезистора уменьшается в ?2 раз, по сравнению с чувствительностью при немодулированном потоке.
      В ряде случаев частотные свойства фоторезистора характеризуются переходной характеристикой. Хотя истинная переходная характеристика обычно не является строго экспоненциальной, в большинстве случаев инерционность характеризуют постоянной времени. 
      Температурный коэффициент фототока — это коэффициент, показывающий изменение параметров фоторезистора с изменением температуры: 
      У промышленных фоторезисторов ?_т?-?10?^(-3)?-?10?^(-4)  ?град?^(-1). Иногда используют температурную характеристику фоторезистора, показывающую относительное изменение сопротивления при изменении температуры окружающей среды.
      Пороговый поток — это минимальное значение потока Ф_п, которое может обнаружить фоторезистор на фоне собственных шумов. Определяется Ф_пкак среднеквадратичное значение синусоидально модулированного светового потока, при воздействии которого среднеквадратичное значение выходного электрического сигнала равно среднеквадратичному значению шумов фоторезистора. 

      1.3 Фотодиоды
      
      Фотодиоды имеют структуру обычного p-n-перехода. Пусть p-n-переход находится в равновесии, т. е. в исходном состоянии к нему не приложена внешняя разность потенциалов. Вследствие оптического возбуждения в p и n-областях возникает неравновесная концентрация носителей заряда. Так как в области объемного заряда концентрация носителей меньше, чем в p и n–областях, то под влиянием градиента концентрации электронно-дырочные пары диффундируют к p-n-переходу. На границе перехода они разделяются, и неосновные носители заряда под влиянием электрического поля, значение которого однозначно связано с контактной разностью потенциалов, перебрасываются через переход в область, где являются основными носителями заряда. Электрический ток, созданный ими, есть полный фототок. Дырки тормозятся электрическим полем и остаются в p-области. 
      На рисунке 1.4 изображена структура фотодиода, включение фотодиода совместно с внешним источником, вольтамперные характеристики фотодиода, условное обозначение фотодиода.
      

      Таким образом, в результате освещения полупроводника по обе стороны от p-n-переходе увеличиваются концентрации основных носителей заряда. При этом электронно-дырочные пары, генерируемые на расстоянии от перехода, большем диффузионной длины, успевают рекомбинировать,  не достигнув перехода. Поэтому они не вносят вклада в фототок. 
      Если p-n-переход разомкнут, то перенос носителей заряда, генерируемых светом, приводит к накоплению отрицательного в n-области и положительного в p-области зарядов. 
      Объемный заряд этих основных носителей заряда частично компенсирует заряды ионов запирающего слоя, сужая ширину и снижая потенциальный барьер, что приводит к нарушению условия равновесия и возникновению диффузионного движения через переход основных носителей заряда. Новое равновесное состояние соответствует меньшей высоте потенциального барьера, равной U_k-E_ф при которой, поток неосновных носителей заряда через переход, вызванный световым облучением, полностью уравновешен встречным диффузионным потоком основных носителей заряда. 
      ЭДС, возникающую при этих процессах, на значение которой снижается потенциальный барьер в p-n-переходе, называют фотоэлектродвижущей силой или фото-ЭДС. Она зависит от светового потока, облучающего p-n-переход, и ряда других факторов, но ее максимальное значение не может превысить контактную разность потенциалов. 
      Фото-ЭДС может быть использована для создания тока в нагрузочном сопротивлении, включенном во внешнюю цепь прибора. При этом фотодиод работает в режиме фото-генератора без постороннего источника напряжения, непосредственно преобразуя световую энергию в электрическую. 
      Фотодиод может работать и совместно с внешним источником электрической энергии Uвш, положительный полюс которого подключается к n-слою, а отрицательный — к p-слою. Под действием напряжения источника в цепи фотодиода, включенного в непроводящем направлении, при отсутствии освещения протекает небольшой темновой ток. В этом случае фотодиод ничем не отличается от обычного диода. При освещении фотодиода поток неосновных носителей заряда через p-n-переход возрастает. Увеличивается ток во внешней цепи, определяемый в этом случае напряжением внешнего источника и световым потоком. 
      Значение фототока в первом приближении вычисляется по формуле:
      	
      				   ?    I?_ф=S_инт?Ф, 				  	  	       (12)
      					
где S_инт – интегральная чувствительность. 
      Как следует из принципа его работы, фототок суммируется с обратным током теплового происхождения. В соответствии с этим уравнение тока - p-n-перехода фотодиода, известное из теории работы полупроводниковых приборов, имеет вид:
      																
      ?                                               I?_общ=? I?_ф-I_0(e^(U/Ф_т )-1),  			   	       (13)
      							       
где I_0 - тепловой ток p-n-перехода. 
      Если фотодиод замкнут на резистор R (? U?_ш  = 0), то напряжение на p-n-переходе U_вых=I?R. Тогда ток в цепи p-n-перехода равен:
      
      ?                                               I?_общ=? I?_ф-I_0(e^(IR/Ф_т )-1)                    		       (14)
      							
Решив относительно U_вых , получим:

                                                     U_вых=?_Т  ln??(1+(I_ф-I_общ)/I_0 )? 		 		       (15)

      Уравнение (15) аналитически описывает вольтамперную характеристику фотодиода. 
      При коротком замыкании фотодиода, ток в цепи диода  равен фототоку: 
      
						? I?_общ=? I?_ф 						       (16)

      В режиме холостого хода ток в цепи отсутствует и напряжение на зажимах фотодиода U_x, согласно формуле (15), растет по логарифмическому закону при увеличении светового потока: 
      
      			     U_x=E_ф=?_Т  ln??(1+S_инт Ф/? I?_0)? 	 			       (17)
      
      При интенсивном облучении, фото-ЭДС определяют из следующего выражения: 
      
						E_ф??_Т  ln??? I?_ф/? I?_0 ?   					       (18)
							
      Материалами для изготовления фотодиодов служат германий, кремний, селен, сернистый таллий и сернистое серебро. 
      Энергетические характеристики фотодиода связывают фототок со световым потоком, падающим на фотодиод. Зависимость фототока от светового потока при работе фотодиода в генераторном режиме — является строго линейной только при короткозамкнутом фотодиоде R_н=0. С ростом нагрузочного сопротивления характеристики все больше искривляются и при больших имеют R_н ярко выраженную область насыщения. При работе фотодиода в схеме с внешним источником напряжения U_вш энергетические характеристики значительно ближе к линейным. При увеличении приложенного напряжения фототок несколько возрастает. Это объясняется расширением области p-n-перехода и уменьшением ширины базы, в результате чего меньшая часть носителей заряда рекомбинирует в базе при движении к p-n-переходу. 
      Абсолютные и относительные спектральные характеристики фотодиода аналогичны соответствующим характеристикам фоторезистора и зависят от материала фотодиода и введенных примесей. Спектральные характеристики практически захватывают всю видимую (300—750 нм) и инфракрасную области спектра. 
      Частотная характеристика показывает изменение интегральной чувствительности при изменении яркости светового потока с разной частотой излучения. Иногда инерционные свойства фотодиода характеризуют граничной частотой, на которой интегральная чувствительность уменьшается в ?(2 ) раз по сравнению со своим статическим значением. На рисунке 1.5 представлены энергетические характеристики фотодиода в генераторном режиме, при работе с внешним источником |U_вш1 |>|U_вш2 |>|U_вш3 |,относительные спектральные характеристики и частотные характеристики фотодиода.
      Граничная частота быстродействующих кремниевых фотодиодов — порядка ?10?^7Гц. Для повышения быстродействия и увеличения чувствительности в последние годы разработан ряд фотодиодов; со встроенным электрическим полем; на основе p-i-n структур с барьерами Шотки; лавинные фотодиоды и т. д. 
      
      

      В фотодиодах со встроенным электрическим полем базу получают с помощью процесса диффузии. Из-за неравномерного распределения концентрации примесей в ней возникает внутреннее электрическое поле, которое ускоряет движение неосновных носителей заряда к p-n-переходу. 
      Вследствие наложения диффузионного и дрейфового движений f_гр  фотодиода несколько возрастает. 
      Фотодиоды, выполненные на основе p-i-n структур, имеют значительно большую толщину области, объединенной основными носителями заряда, так как между р- и n-областями имеется i-область с собственной электропроводностью. К переходу, без риска пробить его, можно приложить значительные напряжения. В результате возникает ситуация, когда световое излучение поглощается непосредственно в области, обедненной основными носителями заряда, в которой создано электрическое поле высокой напряженности. Электроны и дырки, возникающие в области перехода при световом облучении, мгновенно перекидываются в соответствующие области. В результате быстродействие резко возрастает и? f?_гр  достигает значений ?10?^9–?10?^10 Гц. 
      Аналогичными по быстродействию являются фотодиоды на основе барьера Шотки. Они выполняются из кремния, на поверхность которого нанесено прозрачное металлическое покрытие из пленок золота 0,01 мкм и сернистого цинка 0,05 мкм, создающее барьер Шотки. Благодаря минимальному сопротивлению базы и отсутствию процессов накопления и рассасывания избыточных зарядов быстродействие получается достаточно высоким? f?_гр ??10?^10 Гц. 
      В лавинных фотодиодах используется лавинный пробой p-n-перехода или барьера Шотки. От обычных фотодиодов они отличаются тем, что возникшие в результате светового облучения носители заряда лавинно размножаются в области p-n-перехода вследствие ударной ионизации. 
      Выбором внешнего напряжения и параметров цепи обеспечивается возникновение лавинного пробоя только при световом облучении. Этот процесс приводит к тому, что, ток в цепи I_(общ л) увеличивается по сравнению с током? I?_(общ ), обусловленным световой генерацией и тепловым током перехода, в М =I_(общ л)/I_(общ )раз (М—коэффициент лавинного умножения носителей). 
      Коэффициент лавинного умножения М может достигать нескольких десятков до десятков тысяч единиц. 
      Вольтамперные характеристики лавинного фотодиода  представлены на рисунке 1.6. 


Рисунок 1.6 – Вольтамперные характеристики лавинного фотодиода

      Использование лавинного режима позволяет существенно увеличить чувствительность фотодиодов и повысить их быстродействие.

      1.4 Фототранзисторы

      Фототранзистор имеет структуру n-p-n или p-n-p транзистора и может усиливать ток. Дырки электронно-дырочных пар, рождённых излучением, находятся в базе, а электроны переходят в эмиттер или коллектор. При увеличении положительного потенциала базы происходит усиление фототока за счёт инжекции электронов из эмиттера в базу. 
      Фототранзистор можно включать по схемам со свободным коллектором, со свободной базой и со свободным эмиттером. На фототранзистор можно подавать оптические и электрические сигналы. Без входного электрического сигнала, который обычно необходим для смещения, компенсирующего наводки, фототранзистор работает как фотодиод с высокой интегральной чувствительностью, небольшой граничной частотой и большим темновым током. Фототранзисторы целесообразно использовать для регистрации больших световых сигналов; при регистрации малых световых сигналов следует подать положительное смещение на базу. Применяют два варианта включения фототранзисторов: диодное — с использованием только двух выводов (эмиттера и коллектора) и транзисторное — с использованием трех выводов, когда на вход подают не только световой, но и электрический сигналы. Фототранзисторы используются в качестве фотоприемников и транзисторных оптопарах. 
      Биполярный фототранзистор — полупроводниковый прибор с двумя p-n переходами — предназначен для преобразования светового потока в электрический ток. При освещении фототранзистора в его базе генерируется электронно-дырочные пары. Неосновные носители зарядов переходят в область коллектора и частично в область эмиттера. При этом потенциалы эмиттера и коллектора относительно базы изменяются. Эмиттерный переход смещается в прямом направлении, и даже небольшое изменение его потенциала вызывает большое изменение тока коллектора, то есть фототранзистор является усилителем. Ток коллектора освещенного фототранзистора оказывается достаточно большим — отношение светового потока к темновому велико (несколько сотен). Фототранзисторы обладают значительной большей, чем фотодиоды, чувствительностью — порядка сотни миллиампер на люмен. Биполярный фототранзистор подобен обычному биполярному транзистору, между выводами коллектора и базы которого включен фотодиод. Таким образом, ток фотодиода оказывается током фототранзистора и создает усиленный в n раз ток в цепи коллектора. Если на фототранзистор подается только электрический сигнал, его параметры почти не отличаются от параметров обычного транзистора.
      Фототранзистор можно включать по схемам со свободным коллектором, со свободной базой и со свободным эмиттером. На фототранзистор можно подавать оптические и электрические сигналы. Без входного электрического сигнала, который обычно необходим для смещения, компенсирующего наводки, фототранзистор работает как фотодиод с высокой интегральной чувствительностью, небольшой граничной частотой и большим темновым током. Фототранзисторы целесообразно использовать для регистрации больших световых сигналов; при регистрации малых световых сигналов следует подать положительное смещение на базу. 
      Применяют два варианта включения фототранзисторов: диодное — с использованием только двух выводов (эмиттера и коллектора) и транзисторное — с использованием трех выводов, когда на вход подают не только световой, но и электрический сигналы. Фототранзисторы используются в качестве фотоприемников и транзисторных оптопарах.
      Недостатком фототранзисторов является большая инерционность, что ограничивает их применение в качестве быстродействующих выключателей.
      Работа различных полупроводниковых приемников излучения основана на использовании внутреннего фотоэффекта, который состоит в том, что под действием излучения в полупроводниках происходит генерация пар носителей заряда — электронов и дырок. 
      Эти дополнительные носители увеличивают электрическую проводимость. Такая добавочная проводимость, обусловленная действием фотонов, получила название фотопроводимости. У м.......................