Przeskocz do treści

Delta mi!

Loading

Nowe pomysły

Fotodioda

Jan Gaj

o artykule ...

  • Publikacja w Delcie: wrzesień 1976
  • Publikacja elektroniczna: 4 lutego 2016
  • Autor: Jan Gaj
    Notka biograficzna: Jan Gaj (1943 - 2011) - fizyk, Przewodniczący Komitetu Redakcyjnego i wieloletni współpracownik Delty.
  • Wersja do druku [application/pdf]: (420 KB)

Dzisiejsze nasze eksperymenty będą niestety dostępne tylko dla stosunkowo niewielkiej części zbioru Czytelników "Delty": będzie to przekrój zbioru osób, które zdecydują się na wydatek ponad 80 zł i zbioru (znacznie, jak przypuszczam, mniej licznego) szczęśliwców, którzy natrafią na fotodiodę w sprzedaży. Produkowane w Polsce fotodiody germanowe FG-2, podobnie jak i dowolne inne (także fototranzystory) świetnie nadają się do naszych doświadczeń, cała sztuka w tym, żeby je kupić.

Jedno przemawia niewątpliwie za omówieniem tego tematu w bieżącym numerze: zjawisko fotoelektryczne wewnętrzne, umożliwiające działanie fotodiody jest efektem czysto kwantowym - fizyka klasyczna nie wyjaśniła go zadowalająco.

A więc, skoro wytłumaczyłem się jakoś z wyboru niedemokratycznego tematu, zadajmy sobie pytanie

obrazek

Jak działa fotodioda?

Trzeba zacząć od zwykłej diody (mówiliśmy już o niej w "Laboratorium w domu" z numeru 8/75), znanej też pod nazwą złącza p-n. Jeżeli przyłożymy do diody napięcie w kierunku zaporowym, na pograniczu obszarów o przewodnictwie akceptorowym (p) i donorowym (n) powstaje warstwa opróżniona z nośników ładunku stanowiąca izolator i powodująca, że prąd praktycznie nie płynie. Jeżeli w warstwie tej pojawią się z jakiejkolwiek przyczyny nośniki - popłynie prąd.

W zwykłej diodzie zawsze powstaje pewna bardzo mała ilość nośników, gdyż elektrony są przenoszone z pasma walencyjnego do pasma przewodnictwa kosztem energii drgań cieplnych - stąd niezerowa wartość natężenia prądu zaporowego (patrz wykres 1). Ten sam proces można wywołać oświetlając złącze p-n, potrzebne jest jednak światło - i tu bez mechaniki kwantowej obejść się nie sposób - o dostatecznie małej długości fali. Fakt ten jest jednym z dowodów eksperymentalnych istnienia w półprzewodnikach przerwy energetycznej - obszaru energii między wierzchołkiem pasma walencyjnego a dnem pasma przewodnictwa, który jest dla elektronów zabroniony. Elektron w paśmie walencyjnym może wchłonąć energię kwantu świetlnego (równą |hν, gdzie  −27 h = 6,63 ⋅10 erg ⋅sek jest stałą Plancka, a ν - częstością fali świetlnej) wtedy, kiedy jest ona wystarczająco duża, by przenieść go do pasma przewodnictwa, a więc większa od szerokości przerwy energetycznej.

obrazek

Bardzo to piękne - powiedzą zwolennicy konkretów, ale

Jak się to objawia praktycznie:

Przez wzrost natężenia prądu zaporowego przy oświetleniu (patrz wykresy 1 i 2). Fotodioda różni się od zwykłej diody tylko tym, że jej konstrukcja umożliwia doprowadzenie światła do obszaru złącza. Aby skończyć z gołosłownością zabierzmy się do doświadczeń. Najłatwiej będzie to sprawdzić dysponując mikroamperomierzem. Łączymy prosty obwód (Rys. 3) - uwaga na bieguny! i oświetlamy fotodiodę np. żarówką - natężenie prądu w kierunku zaporowym rośnie. W tym miejscu większość Czytelników nie posiadających mikroamperomierza zaprotestuje: Z takim wydatkiem się nie liczyliśmy! Nic strasznego. Wiele ciekawych eksperymentów przed nami, jeżeli tylko dysponujemy radiem z wejściem adapterowym. Domyślacie się już. że ich tematem będzie

obrazek

Zamiana światła na dźwięk

Aby uzyskać silne wahania napięcia na fotodiodzie pod wpływem światła zestawiamy obwód składający się z bateryjki 4,5 V, fotodiody i opornika rzędu |300 k Ω (Rys. 4). Natężenie prądu w obwodzie (jest to prąd zaporowy fotodiody) wahając się przy zmianach oświetlenia spowoduje zmiany napięcia na oporniku R zgodnie z prawem Ohma: U = IR. Wartość R musi być więc możliwie duża (napięcie jest do niej proporcjonalne), nie na tyle jednak, aby decydować o natężeniu prądu w obwodzie. W praktyce dobieramy ją doświadczalnie tak, aby otrzymać najsilniejszy efekt (na przykład próbując |100 kΩ , 300 kΩ i 500 kΩ ). Jeszcze jedna ważna uwaga: obwód powinien być ekranowany (przynajmniej fotodioda, opornik i przewód łączący je z radiem) co można zapewnić umieszczając go w metalowym pudełku połączonym z masą układu. Najprostszym doświadczeniem będzie teraz wystawienie fotodiody na światło żarówki zasilanej z sieci - w głośniku usłyszymy buczenie o częstotliwości 100 Hz, co odpowiada częstości zmian temperatury włókna żarówki. Oczywiście jeśli użyjemy latarki kieszonkowej, buczenia nie usłyszymy - jeśli jednak postukać w latarkę nawet palcem, słyszy się zaskakująco melodyjny dźwięk pochodzący od drgań włókna żaróweczki.

obrazek

Zabawny eksperyment można też wykonać z adapterem i płytą.

Po wprawieniu adaptera w ruch ogniskujemy światło żaróweczki w mały punkt na płycie i "patrzymy" na niego fotodiodą (Rys. 5). W głośniku słychać dźwięki, w których w zależności od precyzji wykonania doświadczenia oraz zasobu dobrej woli można łatwiej lub trudniej rozpoznać muzykę nagraną na płycie.

Na zakończenie dla nieco bardziej zaawansowanych majsterkowiczów urządzenie specjalne, w którym

Fotodioda łapie złodzieja

No, może nie dosłownie, ale w każdym razie pomaga. W przejściu, którego nasza dioda ma pilnować, ustawiamy ją naprzeciwko latarki skierowanej na nią (rys. 6). Zestawiamy obwód z fotodiody, dwóch tranzystorów i czułego przekaźnika P (rys. 7), który w chwili zasłonięcia wiązki światła włącza dzwonek alarmowy. Jeżeli nasza instalacja alarmowa ma działać nieco dłużej, lepiej zasilać żaróweczkę latarki z transformatorka dzwonkowego zamiast z bateryjki. Ten sam obwód z fotodiodą - już bez udziału latarki może też służyć na przykład do automatycznego zapalania światła w pokoju z nastaniem zmierzchu.

Liczę na Waszą inwencję w znajdowaniu innych zastosowań fotodiody. Powodzenia w pracy!