PREDAVANJE 2

Unutrašnji fotoefekat

Unutrašnji fotoefekat

Ako osvjetlimo pločicu poluprovodnika i pri tome se energija svjetlosti prenese na elektrone i šupljine tada se njihova energija može povećati Ukoliko ovi nosioci elektriciteta sa povećanom energijom ne izlaze iz poluprovodnika već ostaju unutar njega tada govorimo o unutrašnjem fotoefektu

Svjetlost koja pada na poluprovodnik djelimično se reflektuje a dio te svjetlosti ulazi u poluprovodnik pri čemu neprestalno slabi zbog apsorpcije

dI = - αmiddotImiddotdxI - intenzitet svjetlosti u bilo kojoj tački (x)α - koeficijent apsorpcije [m-1 ]dI - slabljenje svjetlosti na putu (dx)

I = IOmiddote-αx

bull IO - intenzitet svjetlosti koja pada na poluprovodnik za x=0

Intenzitet svjetlosti opada eksponencijalno pri prolasku kroz poluprovodnik

IR = RmiddotIO

bull IR - intenzitet refklektovane svjetlosti

bull R = IR IO - koeficijent refleksije

IO ndash IR = IO - RmiddotIO = IO (1 ndash R)bull intenzitet svjetlosti koja ulazi u poluprovodnik

Koeficijent apsorpcije (α) i refleksije (R) zavise od energije fotona (hf) odnosno od talasne dužine svjetlosti (λ) Ove zavisnosti nazivamo spektrom apsorpcije α(λ) odnosno spektrom refleksije R(λ)

Osnovni mehanizmi apsorpcije

1 Sopstvena ili fundamentalna apsorpcija2 Primjesna apsorpcija3 Akceptorsko-donorska apsorpcija4 Apsorpcija slobodnih nosilaca elektriciteta5 Apsorpcija kristalne rešetke6 Eksitonska apsorpcija7 Plazmena apsorpcija

Sopstvena (fundamentalna) apsorpcija

Nastaje kada pod uticajem svjetlosti elektron prelazi iz valentne u slobodnu zonu slučaj (1) Ova apsorpcija nastaje jedino ako je energija svjetlosti koja pada na poluprovodnik veća od širine zabranjene zone odnosno

hmiddotf ge WIz ove relacije možemo izračunati

graničnu frekvenciju za nastajanje sopstvene apsorpcije koja iznosi

Fg=ΔWha pošto je f = c λ onda možemo

izračunati i graničnu talasnu dužinu

λg=hcΔWUkoliko je (λ) svjetlosti koja pada na

poluprovodnik veća od (λg) tada ne može doći do ove apsorpcije

Primjesna apsorpcija

nastaje kada upadna svjetlost jonizuje atom primjese odnosno kada na račun energije svjetlosti elektron pređe iz valentne zone na akceptorski nivo slučaj (2a) ili sa donorskog nivoa u slobodnu zonu (2b)

Akceptorsko-donorska apsorpcija

nastaje prelaskom elektrona sa akceptorskog na donorske nivoe slučaj (3) pod uticajem svjetlosti

Apsorpcija slobodnih nosilaca elektriciteta ndash nastaje kada se energija svjetlosti troši na ubrzavanje šupljina i elektrona unutar valentne odnosno slobodne zone

Apsorpcija kristalne rešetke ndash nastaje kada se energija upadne svjetlosti troši na povećanje oscilacija atoma u čvorovima rešetke

Eksitonska apsorpcija ndash nastaje kada poluprovodnik apsorbuje fotone tako da se energija svjetlosti troši na stvaranje vezanih parova elektron-šupljina koje nazivamo eksitonima Elektron u valentnoj zoni apsorbuje foton i pri tome ne napušta atom već prelazi u pobuđeno stanje obrazujući sa šupljinom vezano stanje na bazi Kulonove sile Energija eksitona je manja od širine zabranjene zone i iznosi reda 4 meV Eksiton se može kretati kroz kristal

Plazmena apsorpcija - nastaje apsorpcijom svjetlosti koju vrše svi slobodni elektroni i šipljine

Fotoprovodnost

Može nastati na dva načinaa) Osvjetljavanjem poluprovodnika Elektroni iz valnetne zone prelaze u provodnu zonu čime se povećava provodnost

poluprovodnika zbog povećanja broja nsoilaca naelektrisanja odnosno koncentracije elektrona u provodnoj zoni Ako se priraštaj koncentracije elekrona u provodnj zovni poveća za Δn tada će se provodnost poluprovodnika povećati za ΔG tako da se može napisati za n-tip poluprovodnika

ΔG = qmiddotμnmiddotΔn (1)

μnndash pokretljivost elektrona

q ndash naelektrisanje Δn ndash priraštaj koncentracije elektrona u provodnoj zoni

b) Energija svjetlosti može utjecati na povećanje pokretljivosti elektrona u kristalnoj rešetki pa se može napisati

ΔGμ = qmiddotnmiddotΔμn (2)

ΔGμ - priraštaj poluprovodnika na račun povećne pokretljivosti(μn)n - koncentracija elektrona

Na provodnost poluprovodnika uglavnom utiče promjena koncentracije nosilaca elektriciteta (jednačina (1)) tako da se uticaj promjene pokretljivosti nosilaca elektriciteta praktično zanemaruje

Foto ems

Kada se p-n poluprovodnik ne osvjetljava tada se može pisati da je IpD + InD = IpP + InP

IpD = IpP i InD = InP

IpD ndash difuzina struja šupljina

InD ndash difuziona struja elektrona

IpP ndash struja provodnosti šupljina i

InP ndash struja provodnosti elektrona

Algebarski zbir sve četiri komponente struje mora biti jednak nuli ako na p-n poluprovodnik ne djeluje spoljašnji izvor

Ukoliko se osvjetli poluprovodnik n-tipa tada će se u njemu generisati parovi elktron-šupljina Pri tome će najveći dio elektrona ostati u poluprovodniku n-tipa a samo neznatan dio će prodrijeti kroz potencijalnu barijeru (zaporni sloj) i dospjet će u poluprovodnik p-tipa Međutim šupljine nastale u poluprovodniku n-tipa ponašaju se sasvim drugačije Ako su šupljine nastale u zapornom sloju poluprovodnika n-tipa tada ih zahvata električno polje E i prebacuje u poluprovodnik p-tipa Isto važi i za šupljine koje su nastale pod utjecajem svjetlosti u blizini zapornog sloja u poluprovodniku n-tipa dok će šupljine nastale u dubini poluprovodnika n-tipa difundirati prema zapornom sloju dok ne dođe do rekombinacije Na potpuno isti naćin se ponašaju i elektroni koji su nastali osvjetljavanjem poluprovodnika p-tipa Pojava dopunske koncentracije šupljina u poluprovodniku p-tipa kao i dopunske koncentracije elektrona u poluprovodniku n-tipa prouzrokovat će smanjenje visine potencijalne barijere tako da će kroz zaporni sloj proticati neka struja IΦ čija jačina zavisi od intenziteta svjetlosti Ovu struju nazivamo foto-strujom Da bsimo izračunali jačinu fotostruej uzet ćemo u obzir da se smanjenjem potencijalne barijere difuziona komponenta struje povećava dok se komponenta struje provodnosti ostaje ista Označivši struje u novim uslovima sa rsquo lsquorsquo možemo napisati izraze za poluprovodnik n-tipa

IpP = IpP

IlsquonD = InDmiddote^(q UΦ kT)

gdje smo se kao i obično koristili Bolcmanovom raspodjelom Sa UΦ je označena foto-ems koja je nastala pod uticajem svjetlosti Analogno se može napisati za

poluprovodnik p-tipaInP = InP

IlsquopD = IpDmiddote^(q UΦ kT)

Struje IpP i InP predstavljaju inverzne struje zasićenja pa ih slično kao i pri opisivanju karakteristike diode možemo označiti kao IpP + InP = I0 Ako se poluprovodnik na slici 3 nalazi u praznom hodu tada ukupna struja kroz osvijetljenu diodu mora biti nula tako da se može napisati

IΦ + IpP ndash InD + InP ndash IpD = 0

IpΦ + InΦ = IΦ

gdje su IpΦ i InΦ komponente fotostruje šupljina i elektrona Na osnovu prethodnih jednačina dobija se

I0 + IΦ - InDmiddote^(q UΦ kT) - IpDmiddote^(q UΦ kT) = 0

I0 + IΦ -(InD + IpD)middote^(q UΦ kT) = 0

IΦ = I0 (e^(q UΦ kT )- 1)

Odavde se logaritmiranjem dobija

UΦ = (kTq )middotln (IΦ I0 -1)

To je napon praznog hoda fotoelementa Ako se između katoda i anode uključi otpor R tada će pod uticajem foto-ems u spoljašnjem kolu proteći struja IR i nastaće pad napona IRmiddotR

Pod uticajem svjetlosti između anode i katode pojavljuje se napon UΦ (UΦ ~ 03 V) što znači da ova dioda pretvara svjetlost u električnu energiju jer kroz spoljašnje kolo teče struja (Id) tako da ovu diodu možemo koristiti kao izvor napona (UΦ) Ovakvu diodu nazivamo fotonaponskim elementom ili solarnom ćelijom

Ako solarne ćelije vežemo u seriju dobićemo željeni napon a ako želimo veće struje onda ih vežemo paralelno S obzirom da su nam u praksi potrebne veće snage (IΦmiddotUΦ) ove se diode vežu u seriju a onda serijski lanci paralelno Koeficijent korisnog dejstva kod solarnih ćelija je mali reda nekoliko procenata pa je zbog toga ova električna energija skuplja od one koju daje gradska mreža

Fotootpori

Fotootpori se izrađuju u obliku folija i pločica od nekog fotoosjetljivog poluprovodnika Takva folija ili pločica ima dva omska kontakta kojima se uključuje u električno kolo Dakle fotootpori su elementi čija se otpornost mijenja pod uticajem svjetlosti tj R = f( Ф) Izrađuju se od različitih poluprovodnika a najčešće od raznih jedinjenja na bazi sumpora selena telura olova bizmuta GaAs itd Poluprovodnik se specijalnim tehnološkim postupkom nanosi na neki izolator a zatim se ugrađuju elektrode

U kolo jednosmjerne ili naizmjenične struje fotootpori se uključuju na isti način kao i obični otpori Kada se fotootpor osvjetljava smanjuje mu se otpor pa kroz kolo poteče jača struja ako su elektrode priključene na neki napon (bateriju) Jačina struje zavisi od jačine svjetlosti I = f( Ф)

Osnovni parametri fotootpora su - maksimalno dozvoljeni napon - maksimalna disipacija snage - tamni otpor i tamna struja - vremenska konstanta - spektralna i integralna osjetljivost - prag osjetljivosti

Spektralna osjetljivost ndashdefiniše se kao odnos između fotostruje kroz fotootpor i svjetlosnog fluksa pri određenom naponu na fotootporu dok se svjetlosni fluks uzima iz odgovarajućeg monohromatičnog izvora

Provodnost fotootpora ne zavisi samo od jačine svjetlosti već i od frekvencije svjetlosti kojom je osvjetljen

Upravo zato se određuje i spektralna osjetljivost Si (f) i Su (f) U ovom slučaju fotootpor osvjetljavamo iz izvora svjetlosti frekvencije (f) (talasne dužine l) i mjerimo spektralnu osjetljivost na isti način kao i integralnu i izražavamo istim jednačinama i jedinicama

Integralna osjetljivost izražena preko struje Si = I φ [A lm] ili Si = I P [A W]

F - svjetlosni fluks u lumenimaP - snaga svjetlosnog izvora u vatima Integralna osjetljivost izražena preko napona

Siu = U φ [V lm] ili Su = IU P [V W]

S obzirom da osjetljivost fotootpora zavisi od talasne dužine svjetlosti možemo za svaki fotootpor eksperimentalno odrediti njegovu spektralnu karakteristiku koja je predstavljena na slici pril = l0 Si (l) = Si (l0)

U praksi se ova karakteristika obično izražava u relativnim jedinicama Pri odgovarajućoj frekvenciji svjetlosti fotootpor provodi maksimalnu struju tj ima maksimalnu osjetljivost

Ako se ova struja označi sa 1 ili 100 tada se pri različitim frekvencijama svjetlosti dobijaju različite vrijednosti za fotostruju koje se mogu izraziti u procentima u odnosu na maksimalnu struju

Spektralna osjetljivost

Prag osjetljivosti

Definiše se snagom zračenja svetlosnog izvora koja stvara signal (naponski ili strujni) na fotootporu koji je jednak signalu šuma Odnosno prag osjetljivosti obično definišemo na osnovu odnosa signal + šum tako da pri SN = 1 dobijamo prag osjetljivosti

Upravo zbog praga osjetljivosti moramo voditi računa o šumu koji nastaje u fotootporu Pošto je fotoosjetljivi sloj poluprovodnik u ovom sloju i nastaju šumovi karakteristični i za druge poluprovodnike

Ako naponski prag označimo sa ( Fpr ) možemo napisati

φpr =sqrt(ltU2gt) Su

U literaturi na engleskom jeziku ova veličina se naziva ekvivalentnom snagom šuma i označava se

sa NEP( Noise Equivalent Power ) Često se prag osjetljivosti određuje u frekventnom intervalu od 1 Hz pa se može napisati

φpr 1 = φpr sqrt(Δf)

Δf ndash efektivna širina pojasa propuštanja pojačavača na koji je vezan fotootpor

Recipročna vrijednost praga osjetljivosti naziva se detektivnost D Naravno ovi parametri se odnose i na druge fotoelemente a ne samo na fotootpore

Vrste šumova u fotootporima

Toplotni šum (terimčki bijeli šum Nikvistov šum)

Radijacioni ili fotonski šumEfekt sačmeGeneraciono rekombinacioni šumŠum tipa 1f

Toplotni šum

Termički ili Johnsonov šum predstavlja pojavu koja je svojstvena svim sistemima čija je apsolutna temperatura T veća od 0 K Termički šum otpora pojavljuje se u otpornicima zbog nepravilnog toplotnog kretanja elektrona a ovisan je o temperaturi Elektroni u kretanju ubrzani kolizijom s termički uzbuđenim molekulima proizvode promjenu magnetnog polja koja uzrokuje kretanje elektronskog plina (nagomilanih slobodnih elektrona) što na krajevima vodiča rezultira u naponu šuma

Daklenastaje zbog haotičnog kretanja elektrona kroz poluprovodnik a ovo kretanje je uzrokovano spoljašnjom toplotom jer je uvijek TgtT0 (T0 = - 27315oC ndash apsolutna temp)

Prema Nyquistovoj teoremi svaki otpor koji se pojavljuje kao izvor šuma može se nadomjestiti naponskim generatorom elektromotorne sile jednake eš=(4kTΔfRizl)12 i jednim bešumnim unutrašnjim otporom Rš s time što je Rš=Riz

Prema Nyquistu će dakle aritmetička sredina kvadrata elektromotorne sile šuma odnosno srednjekvadratna vrijednost napona ovog šuma je

eš

2 =lt u2gt=4kTΔfR

k ndash Bolcmanova constanta (1380662 x 10-23 JK)T ndash apsolutna temperaturaR ndash otpor fotootporaΔf ndash frekventno područje u kojem se vrše mjerenja

Maksimalna snaga šuma iznosi

Pš max = kTΔf

Iz ovog izraza se vidi da maksimalna snaga šuma ovisi od apsolutne temperature

i širine frekvencijskog opsega a ne od učestanosti na kojoj je on lociran Možemo dalje izračunati da je temperatura šuma

Tš = PškΔf

Dakle temperatura šuma je ona (pretpostavljena) temperatura pri kojoj bi na

izlazu iz nekog uređaja snaga samo termičkog šuma bila jednaka snazi ukupnog stvarnog šuma na radnoj temperaturi

Termički šum se pojavljuje u električnim mrežama prijemnim antenama mikrofonima poluprovodničkim elementima i sl

Ovaj šum se često spominje u literaturi jer on ima široki spektar frekvencija pa ga zato često nazivamo Gaussov bijeli šum (AWGN-Aditive White Gaussian Noisse)

Ako slučajni šum ima uniformnu spektralnu gustinu snage na čitavom opsegu frekvencija onda se takav šum naziva ldquobijeli šumrdquo po analogiji sa bijelom svjetlošću koja u vidljivom spektru ima uniformnu i kontiunalnu spektralnu gustinu snage

Bijeli šum

Termički šum i šum efekta sačme generiraju bijeli šum Frekvencijski spektar snage bijelog šuma predstavljen je na slici Iz njega se vidi da on ima ravnu karakteristiku

Spektralna gustina snage bijelog šuma je Sn(ω)= No 2

No [WHz] ndash spektralna gustina snage šuma

Kojeficijent frac12 je uključen da bi pokazao da je

jedna polovina snage na pozitivnim a druga polovina snage na negativnim frekvencijama kao što je pokazano na slici pod a)

Autokorelaciona funkcija bijelog šuma je prikazana na slici pod b)

Trenutne vrijednosti bijelog šuma su potpuno nekorelisane pa se zato kaže da je bijeli šum apsolutno slučajan proces

Efekt sačme

Efekt sačme ndash Šum efekta sačme (zove se još i šot-efekt ili šrot-efekt od englshot i njem Schrott sačma) je šum koji ne nastaje kod fotootpora već kod fotoelemenata koji imaju p ndash n prelaze

Npr kod diode elektroni prelaze iz n ndash tipa u p ndash tip a šupljine obratno S obzirom da u svakoj jedinici vremena ne prolazi isti broj nosilaca elektrona i šupljina već se opažaju fluktuacije koje daju ovaj šum

Srednjekvadratna vrijednost struje šuma uslijed efekta sačme izražava se Šotkijevom jednačinom

lti2gt = 2RI0qΔf

I0 ndash srednja struja koja protiče kroz p ndash n prelaz

Δf ndash interval posmatrfrekvencijaq ndash naelektrisanje elektrona odnosno šupljina

Pojavljuje se u poluprovodnicima i elektronskim cijevima

Radijacioni ili fotonski šum ndash nastaje zbog fluktuacije svjetlosti ( broja fotona ) koja pada na fotootpor bilo iz okoline ili iz izvora svjetlosti

Generaciono rekombinacioni šum ndash nastaje zbog fluktuacije u brzinama generacije i rekombinacije nosilaca elektriciteta To znači da u istim vremenskim intervalima ne nastaje i ne rekombinuje se isti broj parova elektron ndash šupljina

Šum tipa 1f - nastaje na niskim frekvencijama zbog postojanja površinskih stanja zatim zbog nastajanja potencijalnih barijera na kontaktima kao i u unutrašnjosti poluprovodnika Sa porastom frekvencije intenzitet ovog šuma opada zato ga i nazivamo 1f tip šuma

Izvori navedenih šumova statistički su neovisni pa je srednjekvadratna vrijednost napona ili struje ukupnog šuma jednaka zbiru srednjekvadratnih vrijednosti napona ili struje pojedinih komponenti

Vrste fotootpora

1) Selenski fotootpori2) Fotootpori na bazi talijum sulfida ( Tl2S )

3) Fotootpori na bazi bizmut ndash sulfida ( Bi2S3 )

4) Fotootpori na bazi olovnog sulfida ( PbS )

Selenski fotootpori

To su najstariji fotootpori i izrađeni su od elemenata selena (Se) ndash poluprovodnika

Pri slaboj osvjetljenosti i naponu od 100 V imaju integralnu osvjetljivost od 01 ndash 3 mA lm Tamni otpor im iznosi od 104 do 108 W Spektralna karakteristika im je slična ljudskom oku koje je najosjetljivije na l = 055mm što predstavlja zelenu svjetlost

Prikazana kriva se odnosi na dnevnu svjetlost a u sumrak se pomjera ka nižim talasnim dužinama

Nedostatak ovih fotootpora je njihova inertnost to znači ako se selen osvjetljava sa isprekidanom svjetlošću frekvencije iznad 100 Hz naglo gubi svoju osjetljivost (čak za 75)

Fotootpori na bazi talijum sulfida ( Tl2S )

Proizvedeni su 1917 god i imaju veliku osjetljivost koja ponekada iznosi i 2 Alm tamni otpor im iznosi 2x105 ndash 108 W Nedostatak im je što veoma brzo stare što dovodi do nestabilnosti njihovih karakteristika

Fotootpori na bazi bizmut ndash sulfida ( Bi2S3 )

Tamni otpor im je 2x105 ndash 107 W radni napon od 50 ndash 80 V integralna osjetljivost iznosi oko 50 mAlm manje su inertni od prethodna dva tipa Glavni nedostatak im je taj što im se mijenja režim rada pri promjeni temperature

Fotootpori na bazi olovnog sulfida ( PbS ) Integralna osjetljivost im je oko 10 mAlm tamni otpor od 105 ndash 107

W Glavna njihova prednost je mala inercija a nedostatak je osjetljivost na promjenu temperature

Pored nabrojanih fotootpora susrećemo jos i fotootpore na bazi kadmijuma (CdS CdSe itd)

Pri upoređivanju fotootpora pored nabrojanih karakteristika treba obratiti pažnju i na zavisnost pada napona na fotootporu od struje koja kroz njega protiče na frekventnu i spektralnu karakteristiku itd

Fotoelementi

Predstavljaju elektronske komponente koje pri osvjetljavanju daju elektromotornu silu Ako se uključi u zatvoreno kolo sa omskim otporima i osvjetli kroz kolo će proticati struja iako se u kolu ne nalazi nikakav drugi izvor ems U tome je bitna razlika između fotootpora i fotoelemenata iako obje vrste komponenti rade na principu unutrašnjeg fotoefekta

Kod fotoelemenata je potrebno poznavati zavisnost ems od svjetlosnog fluksa (gornja slika) konstrukciju fotoelemenata (donja slika) spektralnu karakteristiku integralnu osjetljivost koeficijent korisnog dejstva itd

SUMEJA DOLJANČIĆEMINA EGRLIĆ

Hvala na pažnji

• Unutrašnji fotoefekat
• Unutrašnji fotoefekat (2)
• Slide 3
• Slide 4
• Osnovni mehanizmi apsorpcije
• Sopstvena (fundamentalna) apsorpcija
• Primjesna apsorpcija
• Akceptorsko-donorska apsorpcija
• Slide 9
• Fotoprovodnost
• Foto ems
• Slide 12
• Slide 13
• Fotootpori
• Slide 15
• Slide 16
• Spektralna osjetljivost
• Prag osjetljivosti
• Vrste šumova u fotootporima
• Toplotni šum
• Slide 21
• Bijeli šum
• Efekt sačme
• Slide 24
• Vrste fotootpora
• Selenski fotootpori
• Slide 27
• Fotoelementi
• Slide 29
• Hvala na pažnji

Unutrašnji fotoefekat

Ako osvjetlimo pločicu poluprovodnika i pri tome se energija svjetlosti prenese na elektrone i šupljine tada se njihova energija može povećati Ukoliko ovi nosioci elektriciteta sa povećanom energijom ne izlaze iz poluprovodnika već ostaju unutar njega tada govorimo o unutrašnjem fotoefektu

Svjetlost koja pada na poluprovodnik djelimično se reflektuje a dio te svjetlosti ulazi u poluprovodnik pri čemu neprestalno slabi zbog apsorpcije

dI = - αmiddotImiddotdxI - intenzitet svjetlosti u bilo kojoj tački (x)α - koeficijent apsorpcije [m-1 ]dI - slabljenje svjetlosti na putu (dx)

I = IOmiddote-αx

bull IO - intenzitet svjetlosti koja pada na poluprovodnik za x=0

Intenzitet svjetlosti opada eksponencijalno pri prolasku kroz poluprovodnik

IR = RmiddotIO

bull IR - intenzitet refklektovane svjetlosti

bull R = IR IO - koeficijent refleksije

IO ndash IR = IO - RmiddotIO = IO (1 ndash R)bull intenzitet svjetlosti koja ulazi u poluprovodnik

Koeficijent apsorpcije (α) i refleksije (R) zavise od energije fotona (hf) odnosno od talasne dužine svjetlosti (λ) Ove zavisnosti nazivamo spektrom apsorpcije α(λ) odnosno spektrom refleksije R(λ)

Osnovni mehanizmi apsorpcije

1 Sopstvena ili fundamentalna apsorpcija2 Primjesna apsorpcija3 Akceptorsko-donorska apsorpcija4 Apsorpcija slobodnih nosilaca elektriciteta5 Apsorpcija kristalne rešetke6 Eksitonska apsorpcija7 Plazmena apsorpcija

Sopstvena (fundamentalna) apsorpcija

Nastaje kada pod uticajem svjetlosti elektron prelazi iz valentne u slobodnu zonu slučaj (1) Ova apsorpcija nastaje jedino ako je energija svjetlosti koja pada na poluprovodnik veća od širine zabranjene zone odnosno

hmiddotf ge WIz ove relacije možemo izračunati

graničnu frekvenciju za nastajanje sopstvene apsorpcije koja iznosi

Fg=ΔWha pošto je f = c λ onda možemo

izračunati i graničnu talasnu dužinu

λg=hcΔWUkoliko je (λ) svjetlosti koja pada na

poluprovodnik veća od (λg) tada ne može doći do ove apsorpcije

Primjesna apsorpcija

nastaje kada upadna svjetlost jonizuje atom primjese odnosno kada na račun energije svjetlosti elektron pređe iz valentne zone na akceptorski nivo slučaj (2a) ili sa donorskog nivoa u slobodnu zonu (2b)

Akceptorsko-donorska apsorpcija

nastaje prelaskom elektrona sa akceptorskog na donorske nivoe slučaj (3) pod uticajem svjetlosti

Apsorpcija slobodnih nosilaca elektriciteta ndash nastaje kada se energija svjetlosti troši na ubrzavanje šupljina i elektrona unutar valentne odnosno slobodne zone

Apsorpcija kristalne rešetke ndash nastaje kada se energija upadne svjetlosti troši na povećanje oscilacija atoma u čvorovima rešetke

Eksitonska apsorpcija ndash nastaje kada poluprovodnik apsorbuje fotone tako da se energija svjetlosti troši na stvaranje vezanih parova elektron-šupljina koje nazivamo eksitonima Elektron u valentnoj zoni apsorbuje foton i pri tome ne napušta atom već prelazi u pobuđeno stanje obrazujući sa šupljinom vezano stanje na bazi Kulonove sile Energija eksitona je manja od širine zabranjene zone i iznosi reda 4 meV Eksiton se može kretati kroz kristal

Plazmena apsorpcija - nastaje apsorpcijom svjetlosti koju vrše svi slobodni elektroni i šipljine

Fotoprovodnost

Može nastati na dva načinaa) Osvjetljavanjem poluprovodnika Elektroni iz valnetne zone prelaze u provodnu zonu čime se povećava provodnost

poluprovodnika zbog povećanja broja nsoilaca naelektrisanja odnosno koncentracije elektrona u provodnoj zoni Ako se priraštaj koncentracije elekrona u provodnj zovni poveća za Δn tada će se provodnost poluprovodnika povećati za ΔG tako da se može napisati za n-tip poluprovodnika

ΔG = qmiddotμnmiddotΔn (1)

μnndash pokretljivost elektrona

q ndash naelektrisanje Δn ndash priraštaj koncentracije elektrona u provodnoj zoni

b) Energija svjetlosti može utjecati na povećanje pokretljivosti elektrona u kristalnoj rešetki pa se može napisati

ΔGμ = qmiddotnmiddotΔμn (2)

ΔGμ - priraštaj poluprovodnika na račun povećne pokretljivosti(μn)n - koncentracija elektrona

Na provodnost poluprovodnika uglavnom utiče promjena koncentracije nosilaca elektriciteta (jednačina (1)) tako da se uticaj promjene pokretljivosti nosilaca elektriciteta praktično zanemaruje

Foto ems

Kada se p-n poluprovodnik ne osvjetljava tada se može pisati da je IpD + InD = IpP + InP

IpD = IpP i InD = InP

IpD ndash difuzina struja šupljina

InD ndash difuziona struja elektrona

IpP ndash struja provodnosti šupljina i

InP ndash struja provodnosti elektrona

Algebarski zbir sve četiri komponente struje mora biti jednak nuli ako na p-n poluprovodnik ne djeluje spoljašnji izvor

Ukoliko se osvjetli poluprovodnik n-tipa tada će se u njemu generisati parovi elktron-šupljina Pri tome će najveći dio elektrona ostati u poluprovodniku n-tipa a samo neznatan dio će prodrijeti kroz potencijalnu barijeru (zaporni sloj) i dospjet će u poluprovodnik p-tipa Međutim šupljine nastale u poluprovodniku n-tipa ponašaju se sasvim drugačije Ako su šupljine nastale u zapornom sloju poluprovodnika n-tipa tada ih zahvata električno polje E i prebacuje u poluprovodnik p-tipa Isto važi i za šupljine koje su nastale pod utjecajem svjetlosti u blizini zapornog sloja u poluprovodniku n-tipa dok će šupljine nastale u dubini poluprovodnika n-tipa difundirati prema zapornom sloju dok ne dođe do rekombinacije Na potpuno isti naćin se ponašaju i elektroni koji su nastali osvjetljavanjem poluprovodnika p-tipa Pojava dopunske koncentracije šupljina u poluprovodniku p-tipa kao i dopunske koncentracije elektrona u poluprovodniku n-tipa prouzrokovat će smanjenje visine potencijalne barijere tako da će kroz zaporni sloj proticati neka struja IΦ čija jačina zavisi od intenziteta svjetlosti Ovu struju nazivamo foto-strujom Da bsimo izračunali jačinu fotostruej uzet ćemo u obzir da se smanjenjem potencijalne barijere difuziona komponenta struje povećava dok se komponenta struje provodnosti ostaje ista Označivši struje u novim uslovima sa rsquo lsquorsquo možemo napisati izraze za poluprovodnik n-tipa

IpP = IpP

IlsquonD = InDmiddote^(q UΦ kT)

gdje smo se kao i obično koristili Bolcmanovom raspodjelom Sa UΦ je označena foto-ems koja je nastala pod uticajem svjetlosti Analogno se može napisati za

poluprovodnik p-tipaInP = InP

IlsquopD = IpDmiddote^(q UΦ kT)

Struje IpP i InP predstavljaju inverzne struje zasićenja pa ih slično kao i pri opisivanju karakteristike diode možemo označiti kao IpP + InP = I0 Ako se poluprovodnik na slici 3 nalazi u praznom hodu tada ukupna struja kroz osvijetljenu diodu mora biti nula tako da se može napisati

IΦ + IpP ndash InD + InP ndash IpD = 0

IpΦ + InΦ = IΦ

gdje su IpΦ i InΦ komponente fotostruje šupljina i elektrona Na osnovu prethodnih jednačina dobija se

I0 + IΦ - InDmiddote^(q UΦ kT) - IpDmiddote^(q UΦ kT) = 0

I0 + IΦ -(InD + IpD)middote^(q UΦ kT) = 0

IΦ = I0 (e^(q UΦ kT )- 1)

Odavde se logaritmiranjem dobija

UΦ = (kTq )middotln (IΦ I0 -1)

To je napon praznog hoda fotoelementa Ako se između katoda i anode uključi otpor R tada će pod uticajem foto-ems u spoljašnjem kolu proteći struja IR i nastaće pad napona IRmiddotR

Pod uticajem svjetlosti između anode i katode pojavljuje se napon UΦ (UΦ ~ 03 V) što znači da ova dioda pretvara svjetlost u električnu energiju jer kroz spoljašnje kolo teče struja (Id) tako da ovu diodu možemo koristiti kao izvor napona (UΦ) Ovakvu diodu nazivamo fotonaponskim elementom ili solarnom ćelijom

Ako solarne ćelije vežemo u seriju dobićemo željeni napon a ako želimo veće struje onda ih vežemo paralelno S obzirom da su nam u praksi potrebne veće snage (IΦmiddotUΦ) ove se diode vežu u seriju a onda serijski lanci paralelno Koeficijent korisnog dejstva kod solarnih ćelija je mali reda nekoliko procenata pa je zbog toga ova električna energija skuplja od one koju daje gradska mreža

Fotootpori

Fotootpori se izrađuju u obliku folija i pločica od nekog fotoosjetljivog poluprovodnika Takva folija ili pločica ima dva omska kontakta kojima se uključuje u električno kolo Dakle fotootpori su elementi čija se otpornost mijenja pod uticajem svjetlosti tj R = f( Ф) Izrađuju se od različitih poluprovodnika a najčešće od raznih jedinjenja na bazi sumpora selena telura olova bizmuta GaAs itd Poluprovodnik se specijalnim tehnološkim postupkom nanosi na neki izolator a zatim se ugrađuju elektrode

U kolo jednosmjerne ili naizmjenične struje fotootpori se uključuju na isti način kao i obični otpori Kada se fotootpor osvjetljava smanjuje mu se otpor pa kroz kolo poteče jača struja ako su elektrode priključene na neki napon (bateriju) Jačina struje zavisi od jačine svjetlosti I = f( Ф)

Osnovni parametri fotootpora su - maksimalno dozvoljeni napon - maksimalna disipacija snage - tamni otpor i tamna struja - vremenska konstanta - spektralna i integralna osjetljivost - prag osjetljivosti

Spektralna osjetljivost ndashdefiniše se kao odnos između fotostruje kroz fotootpor i svjetlosnog fluksa pri određenom naponu na fotootporu dok se svjetlosni fluks uzima iz odgovarajućeg monohromatičnog izvora

Provodnost fotootpora ne zavisi samo od jačine svjetlosti već i od frekvencije svjetlosti kojom je osvjetljen

Upravo zato se određuje i spektralna osjetljivost Si (f) i Su (f) U ovom slučaju fotootpor osvjetljavamo iz izvora svjetlosti frekvencije (f) (talasne dužine l) i mjerimo spektralnu osjetljivost na isti način kao i integralnu i izražavamo istim jednačinama i jedinicama

Integralna osjetljivost izražena preko struje Si = I φ [A lm] ili Si = I P [A W]

F - svjetlosni fluks u lumenimaP - snaga svjetlosnog izvora u vatima Integralna osjetljivost izražena preko napona

Siu = U φ [V lm] ili Su = IU P [V W]

S obzirom da osjetljivost fotootpora zavisi od talasne dužine svjetlosti možemo za svaki fotootpor eksperimentalno odrediti njegovu spektralnu karakteristiku koja je predstavljena na slici pril = l0 Si (l) = Si (l0)

U praksi se ova karakteristika obično izražava u relativnim jedinicama Pri odgovarajućoj frekvenciji svjetlosti fotootpor provodi maksimalnu struju tj ima maksimalnu osjetljivost

Ako se ova struja označi sa 1 ili 100 tada se pri različitim frekvencijama svjetlosti dobijaju različite vrijednosti za fotostruju koje se mogu izraziti u procentima u odnosu na maksimalnu struju

Spektralna osjetljivost

Prag osjetljivosti

Definiše se snagom zračenja svetlosnog izvora koja stvara signal (naponski ili strujni) na fotootporu koji je jednak signalu šuma Odnosno prag osjetljivosti obično definišemo na osnovu odnosa signal + šum tako da pri SN = 1 dobijamo prag osjetljivosti

Upravo zbog praga osjetljivosti moramo voditi računa o šumu koji nastaje u fotootporu Pošto je fotoosjetljivi sloj poluprovodnik u ovom sloju i nastaju šumovi karakteristični i za druge poluprovodnike

Ako naponski prag označimo sa ( Fpr ) možemo napisati

φpr =sqrt(ltU2gt) Su

U literaturi na engleskom jeziku ova veličina se naziva ekvivalentnom snagom šuma i označava se

sa NEP( Noise Equivalent Power ) Često se prag osjetljivosti određuje u frekventnom intervalu od 1 Hz pa se može napisati

φpr 1 = φpr sqrt(Δf)

Δf ndash efektivna širina pojasa propuštanja pojačavača na koji je vezan fotootpor

Recipročna vrijednost praga osjetljivosti naziva se detektivnost D Naravno ovi parametri se odnose i na druge fotoelemente a ne samo na fotootpore

Vrste šumova u fotootporima

Toplotni šum (terimčki bijeli šum Nikvistov šum)

Radijacioni ili fotonski šumEfekt sačmeGeneraciono rekombinacioni šumŠum tipa 1f

Toplotni šum

Termički ili Johnsonov šum predstavlja pojavu koja je svojstvena svim sistemima čija je apsolutna temperatura T veća od 0 K Termički šum otpora pojavljuje se u otpornicima zbog nepravilnog toplotnog kretanja elektrona a ovisan je o temperaturi Elektroni u kretanju ubrzani kolizijom s termički uzbuđenim molekulima proizvode promjenu magnetnog polja koja uzrokuje kretanje elektronskog plina (nagomilanih slobodnih elektrona) što na krajevima vodiča rezultira u naponu šuma

Daklenastaje zbog haotičnog kretanja elektrona kroz poluprovodnik a ovo kretanje je uzrokovano spoljašnjom toplotom jer je uvijek TgtT0 (T0 = - 27315oC ndash apsolutna temp)

Prema Nyquistovoj teoremi svaki otpor koji se pojavljuje kao izvor šuma može se nadomjestiti naponskim generatorom elektromotorne sile jednake eš=(4kTΔfRizl)12 i jednim bešumnim unutrašnjim otporom Rš s time što je Rš=Riz

Prema Nyquistu će dakle aritmetička sredina kvadrata elektromotorne sile šuma odnosno srednjekvadratna vrijednost napona ovog šuma je

eš

2 =lt u2gt=4kTΔfR

k ndash Bolcmanova constanta (1380662 x 10-23 JK)T ndash apsolutna temperaturaR ndash otpor fotootporaΔf ndash frekventno područje u kojem se vrše mjerenja

Maksimalna snaga šuma iznosi

Pš max = kTΔf

Iz ovog izraza se vidi da maksimalna snaga šuma ovisi od apsolutne temperature

i širine frekvencijskog opsega a ne od učestanosti na kojoj je on lociran Možemo dalje izračunati da je temperatura šuma

Tš = PškΔf

Dakle temperatura šuma je ona (pretpostavljena) temperatura pri kojoj bi na

izlazu iz nekog uređaja snaga samo termičkog šuma bila jednaka snazi ukupnog stvarnog šuma na radnoj temperaturi

Termički šum se pojavljuje u električnim mrežama prijemnim antenama mikrofonima poluprovodničkim elementima i sl

Ovaj šum se često spominje u literaturi jer on ima široki spektar frekvencija pa ga zato često nazivamo Gaussov bijeli šum (AWGN-Aditive White Gaussian Noisse)

Ako slučajni šum ima uniformnu spektralnu gustinu snage na čitavom opsegu frekvencija onda se takav šum naziva ldquobijeli šumrdquo po analogiji sa bijelom svjetlošću koja u vidljivom spektru ima uniformnu i kontiunalnu spektralnu gustinu snage

Bijeli šum

Termički šum i šum efekta sačme generiraju bijeli šum Frekvencijski spektar snage bijelog šuma predstavljen je na slici Iz njega se vidi da on ima ravnu karakteristiku

Spektralna gustina snage bijelog šuma je Sn(ω)= No 2

No [WHz] ndash spektralna gustina snage šuma

Kojeficijent frac12 je uključen da bi pokazao da je

jedna polovina snage na pozitivnim a druga polovina snage na negativnim frekvencijama kao što je pokazano na slici pod a)

Autokorelaciona funkcija bijelog šuma je prikazana na slici pod b)

Trenutne vrijednosti bijelog šuma su potpuno nekorelisane pa se zato kaže da je bijeli šum apsolutno slučajan proces

Efekt sačme

Efekt sačme ndash Šum efekta sačme (zove se još i šot-efekt ili šrot-efekt od englshot i njem Schrott sačma) je šum koji ne nastaje kod fotootpora već kod fotoelemenata koji imaju p ndash n prelaze

Npr kod diode elektroni prelaze iz n ndash tipa u p ndash tip a šupljine obratno S obzirom da u svakoj jedinici vremena ne prolazi isti broj nosilaca elektrona i šupljina već se opažaju fluktuacije koje daju ovaj šum

Srednjekvadratna vrijednost struje šuma uslijed efekta sačme izražava se Šotkijevom jednačinom

lti2gt = 2RI0qΔf

I0 ndash srednja struja koja protiče kroz p ndash n prelaz

Δf ndash interval posmatrfrekvencijaq ndash naelektrisanje elektrona odnosno šupljina

Pojavljuje se u poluprovodnicima i elektronskim cijevima

Radijacioni ili fotonski šum ndash nastaje zbog fluktuacije svjetlosti ( broja fotona ) koja pada na fotootpor bilo iz okoline ili iz izvora svjetlosti

Generaciono rekombinacioni šum ndash nastaje zbog fluktuacije u brzinama generacije i rekombinacije nosilaca elektriciteta To znači da u istim vremenskim intervalima ne nastaje i ne rekombinuje se isti broj parova elektron ndash šupljina

Šum tipa 1f - nastaje na niskim frekvencijama zbog postojanja površinskih stanja zatim zbog nastajanja potencijalnih barijera na kontaktima kao i u unutrašnjosti poluprovodnika Sa porastom frekvencije intenzitet ovog šuma opada zato ga i nazivamo 1f tip šuma

Izvori navedenih šumova statistički su neovisni pa je srednjekvadratna vrijednost napona ili struje ukupnog šuma jednaka zbiru srednjekvadratnih vrijednosti napona ili struje pojedinih komponenti

Vrste fotootpora

1) Selenski fotootpori2) Fotootpori na bazi talijum sulfida ( Tl2S )

3) Fotootpori na bazi bizmut ndash sulfida ( Bi2S3 )

4) Fotootpori na bazi olovnog sulfida ( PbS )

Selenski fotootpori

To su najstariji fotootpori i izrađeni su od elemenata selena (Se) ndash poluprovodnika

Pri slaboj osvjetljenosti i naponu od 100 V imaju integralnu osvjetljivost od 01 ndash 3 mA lm Tamni otpor im iznosi od 104 do 108 W Spektralna karakteristika im je slična ljudskom oku koje je najosjetljivije na l = 055mm što predstavlja zelenu svjetlost

Prikazana kriva se odnosi na dnevnu svjetlost a u sumrak se pomjera ka nižim talasnim dužinama

Nedostatak ovih fotootpora je njihova inertnost to znači ako se selen osvjetljava sa isprekidanom svjetlošću frekvencije iznad 100 Hz naglo gubi svoju osjetljivost (čak za 75)

Fotootpori na bazi talijum sulfida ( Tl2S )

Proizvedeni su 1917 god i imaju veliku osjetljivost koja ponekada iznosi i 2 Alm tamni otpor im iznosi 2x105 ndash 108 W Nedostatak im je što veoma brzo stare što dovodi do nestabilnosti njihovih karakteristika

Fotootpori na bazi bizmut ndash sulfida ( Bi2S3 )

Tamni otpor im je 2x105 ndash 107 W radni napon od 50 ndash 80 V integralna osjetljivost iznosi oko 50 mAlm manje su inertni od prethodna dva tipa Glavni nedostatak im je taj što im se mijenja režim rada pri promjeni temperature

Fotootpori na bazi olovnog sulfida ( PbS ) Integralna osjetljivost im je oko 10 mAlm tamni otpor od 105 ndash 107

W Glavna njihova prednost je mala inercija a nedostatak je osjetljivost na promjenu temperature

Pored nabrojanih fotootpora susrećemo jos i fotootpore na bazi kadmijuma (CdS CdSe itd)

Pri upoređivanju fotootpora pored nabrojanih karakteristika treba obratiti pažnju i na zavisnost pada napona na fotootporu od struje koja kroz njega protiče na frekventnu i spektralnu karakteristiku itd

Fotoelementi

Predstavljaju elektronske komponente koje pri osvjetljavanju daju elektromotornu silu Ako se uključi u zatvoreno kolo sa omskim otporima i osvjetli kroz kolo će proticati struja iako se u kolu ne nalazi nikakav drugi izvor ems U tome je bitna razlika između fotootpora i fotoelemenata iako obje vrste komponenti rade na principu unutrašnjeg fotoefekta

Kod fotoelemenata je potrebno poznavati zavisnost ems od svjetlosnog fluksa (gornja slika) konstrukciju fotoelemenata (donja slika) spektralnu karakteristiku integralnu osjetljivost koeficijent korisnog dejstva itd

SUMEJA DOLJANČIĆEMINA EGRLIĆ

Hvala na pažnji

• Unutrašnji fotoefekat
• Unutrašnji fotoefekat (2)
• Slide 3
• Slide 4
• Osnovni mehanizmi apsorpcije
• Sopstvena (fundamentalna) apsorpcija
• Primjesna apsorpcija
• Akceptorsko-donorska apsorpcija
• Slide 9
• Fotoprovodnost
• Foto ems
• Slide 12
• Slide 13
• Fotootpori
• Slide 15
• Slide 16
• Spektralna osjetljivost
• Prag osjetljivosti
• Vrste šumova u fotootporima
• Toplotni šum
• Slide 21
• Bijeli šum
• Efekt sačme
• Slide 24
• Vrste fotootpora
• Selenski fotootpori
• Slide 27
• Fotoelementi
• Slide 29
• Hvala na pažnji

Svjetlost koja pada na poluprovodnik djelimično se reflektuje a dio te svjetlosti ulazi u poluprovodnik pri čemu neprestalno slabi zbog apsorpcije

dI = - αmiddotImiddotdxI - intenzitet svjetlosti u bilo kojoj tački (x)α - koeficijent apsorpcije [m-1 ]dI - slabljenje svjetlosti na putu (dx)

I = IOmiddote-αx

bull IO - intenzitet svjetlosti koja pada na poluprovodnik za x=0

Intenzitet svjetlosti opada eksponencijalno pri prolasku kroz poluprovodnik

IR = RmiddotIO

bull IR - intenzitet refklektovane svjetlosti

bull R = IR IO - koeficijent refleksije

IO ndash IR = IO - RmiddotIO = IO (1 ndash R)bull intenzitet svjetlosti koja ulazi u poluprovodnik

Koeficijent apsorpcije (α) i refleksije (R) zavise od energije fotona (hf) odnosno od talasne dužine svjetlosti (λ) Ove zavisnosti nazivamo spektrom apsorpcije α(λ) odnosno spektrom refleksije R(λ)

Osnovni mehanizmi apsorpcije

1 Sopstvena ili fundamentalna apsorpcija2 Primjesna apsorpcija3 Akceptorsko-donorska apsorpcija4 Apsorpcija slobodnih nosilaca elektriciteta5 Apsorpcija kristalne rešetke6 Eksitonska apsorpcija7 Plazmena apsorpcija

Sopstvena (fundamentalna) apsorpcija

Nastaje kada pod uticajem svjetlosti elektron prelazi iz valentne u slobodnu zonu slučaj (1) Ova apsorpcija nastaje jedino ako je energija svjetlosti koja pada na poluprovodnik veća od širine zabranjene zone odnosno

hmiddotf ge WIz ove relacije možemo izračunati

graničnu frekvenciju za nastajanje sopstvene apsorpcije koja iznosi

Fg=ΔWha pošto je f = c λ onda možemo

izračunati i graničnu talasnu dužinu

λg=hcΔWUkoliko je (λ) svjetlosti koja pada na

poluprovodnik veća od (λg) tada ne može doći do ove apsorpcije

Primjesna apsorpcija

nastaje kada upadna svjetlost jonizuje atom primjese odnosno kada na račun energije svjetlosti elektron pređe iz valentne zone na akceptorski nivo slučaj (2a) ili sa donorskog nivoa u slobodnu zonu (2b)

Akceptorsko-donorska apsorpcija

nastaje prelaskom elektrona sa akceptorskog na donorske nivoe slučaj (3) pod uticajem svjetlosti

Apsorpcija slobodnih nosilaca elektriciteta ndash nastaje kada se energija svjetlosti troši na ubrzavanje šupljina i elektrona unutar valentne odnosno slobodne zone

Apsorpcija kristalne rešetke ndash nastaje kada se energija upadne svjetlosti troši na povećanje oscilacija atoma u čvorovima rešetke

Eksitonska apsorpcija ndash nastaje kada poluprovodnik apsorbuje fotone tako da se energija svjetlosti troši na stvaranje vezanih parova elektron-šupljina koje nazivamo eksitonima Elektron u valentnoj zoni apsorbuje foton i pri tome ne napušta atom već prelazi u pobuđeno stanje obrazujući sa šupljinom vezano stanje na bazi Kulonove sile Energija eksitona je manja od širine zabranjene zone i iznosi reda 4 meV Eksiton se može kretati kroz kristal

Plazmena apsorpcija - nastaje apsorpcijom svjetlosti koju vrše svi slobodni elektroni i šipljine

Fotoprovodnost

Može nastati na dva načinaa) Osvjetljavanjem poluprovodnika Elektroni iz valnetne zone prelaze u provodnu zonu čime se povećava provodnost

poluprovodnika zbog povećanja broja nsoilaca naelektrisanja odnosno koncentracije elektrona u provodnoj zoni Ako se priraštaj koncentracije elekrona u provodnj zovni poveća za Δn tada će se provodnost poluprovodnika povećati za ΔG tako da se može napisati za n-tip poluprovodnika

ΔG = qmiddotμnmiddotΔn (1)

μnndash pokretljivost elektrona

q ndash naelektrisanje Δn ndash priraštaj koncentracije elektrona u provodnoj zoni

b) Energija svjetlosti može utjecati na povećanje pokretljivosti elektrona u kristalnoj rešetki pa se može napisati

ΔGμ = qmiddotnmiddotΔμn (2)

ΔGμ - priraštaj poluprovodnika na račun povećne pokretljivosti(μn)n - koncentracija elektrona

Na provodnost poluprovodnika uglavnom utiče promjena koncentracije nosilaca elektriciteta (jednačina (1)) tako da se uticaj promjene pokretljivosti nosilaca elektriciteta praktično zanemaruje

Foto ems

Kada se p-n poluprovodnik ne osvjetljava tada se može pisati da je IpD + InD = IpP + InP

IpD = IpP i InD = InP

IpD ndash difuzina struja šupljina

InD ndash difuziona struja elektrona

IpP ndash struja provodnosti šupljina i

InP ndash struja provodnosti elektrona

Algebarski zbir sve četiri komponente struje mora biti jednak nuli ako na p-n poluprovodnik ne djeluje spoljašnji izvor

Ukoliko se osvjetli poluprovodnik n-tipa tada će se u njemu generisati parovi elktron-šupljina Pri tome će najveći dio elektrona ostati u poluprovodniku n-tipa a samo neznatan dio će prodrijeti kroz potencijalnu barijeru (zaporni sloj) i dospjet će u poluprovodnik p-tipa Međutim šupljine nastale u poluprovodniku n-tipa ponašaju se sasvim drugačije Ako su šupljine nastale u zapornom sloju poluprovodnika n-tipa tada ih zahvata električno polje E i prebacuje u poluprovodnik p-tipa Isto važi i za šupljine koje su nastale pod utjecajem svjetlosti u blizini zapornog sloja u poluprovodniku n-tipa dok će šupljine nastale u dubini poluprovodnika n-tipa difundirati prema zapornom sloju dok ne dođe do rekombinacije Na potpuno isti naćin se ponašaju i elektroni koji su nastali osvjetljavanjem poluprovodnika p-tipa Pojava dopunske koncentracije šupljina u poluprovodniku p-tipa kao i dopunske koncentracije elektrona u poluprovodniku n-tipa prouzrokovat će smanjenje visine potencijalne barijere tako da će kroz zaporni sloj proticati neka struja IΦ čija jačina zavisi od intenziteta svjetlosti Ovu struju nazivamo foto-strujom Da bsimo izračunali jačinu fotostruej uzet ćemo u obzir da se smanjenjem potencijalne barijere difuziona komponenta struje povećava dok se komponenta struje provodnosti ostaje ista Označivši struje u novim uslovima sa rsquo lsquorsquo možemo napisati izraze za poluprovodnik n-tipa

IpP = IpP

IlsquonD = InDmiddote^(q UΦ kT)

gdje smo se kao i obično koristili Bolcmanovom raspodjelom Sa UΦ je označena foto-ems koja je nastala pod uticajem svjetlosti Analogno se može napisati za

poluprovodnik p-tipaInP = InP

IlsquopD = IpDmiddote^(q UΦ kT)

Struje IpP i InP predstavljaju inverzne struje zasićenja pa ih slično kao i pri opisivanju karakteristike diode možemo označiti kao IpP + InP = I0 Ako se poluprovodnik na slici 3 nalazi u praznom hodu tada ukupna struja kroz osvijetljenu diodu mora biti nula tako da se može napisati

IΦ + IpP ndash InD + InP ndash IpD = 0

IpΦ + InΦ = IΦ

gdje su IpΦ i InΦ komponente fotostruje šupljina i elektrona Na osnovu prethodnih jednačina dobija se

I0 + IΦ - InDmiddote^(q UΦ kT) - IpDmiddote^(q UΦ kT) = 0

I0 + IΦ -(InD + IpD)middote^(q UΦ kT) = 0

IΦ = I0 (e^(q UΦ kT )- 1)

Odavde se logaritmiranjem dobija

UΦ = (kTq )middotln (IΦ I0 -1)

To je napon praznog hoda fotoelementa Ako se između katoda i anode uključi otpor R tada će pod uticajem foto-ems u spoljašnjem kolu proteći struja IR i nastaće pad napona IRmiddotR

Pod uticajem svjetlosti između anode i katode pojavljuje se napon UΦ (UΦ ~ 03 V) što znači da ova dioda pretvara svjetlost u električnu energiju jer kroz spoljašnje kolo teče struja (Id) tako da ovu diodu možemo koristiti kao izvor napona (UΦ) Ovakvu diodu nazivamo fotonaponskim elementom ili solarnom ćelijom

Ako solarne ćelije vežemo u seriju dobićemo željeni napon a ako želimo veće struje onda ih vežemo paralelno S obzirom da su nam u praksi potrebne veće snage (IΦmiddotUΦ) ove se diode vežu u seriju a onda serijski lanci paralelno Koeficijent korisnog dejstva kod solarnih ćelija je mali reda nekoliko procenata pa je zbog toga ova električna energija skuplja od one koju daje gradska mreža

Fotootpori

Fotootpori se izrađuju u obliku folija i pločica od nekog fotoosjetljivog poluprovodnika Takva folija ili pločica ima dva omska kontakta kojima se uključuje u električno kolo Dakle fotootpori su elementi čija se otpornost mijenja pod uticajem svjetlosti tj R = f( Ф) Izrađuju se od različitih poluprovodnika a najčešće od raznih jedinjenja na bazi sumpora selena telura olova bizmuta GaAs itd Poluprovodnik se specijalnim tehnološkim postupkom nanosi na neki izolator a zatim se ugrađuju elektrode

U kolo jednosmjerne ili naizmjenične struje fotootpori se uključuju na isti način kao i obični otpori Kada se fotootpor osvjetljava smanjuje mu se otpor pa kroz kolo poteče jača struja ako su elektrode priključene na neki napon (bateriju) Jačina struje zavisi od jačine svjetlosti I = f( Ф)

Osnovni parametri fotootpora su - maksimalno dozvoljeni napon - maksimalna disipacija snage - tamni otpor i tamna struja - vremenska konstanta - spektralna i integralna osjetljivost - prag osjetljivosti

Spektralna osjetljivost ndashdefiniše se kao odnos između fotostruje kroz fotootpor i svjetlosnog fluksa pri određenom naponu na fotootporu dok se svjetlosni fluks uzima iz odgovarajućeg monohromatičnog izvora

Provodnost fotootpora ne zavisi samo od jačine svjetlosti već i od frekvencije svjetlosti kojom je osvjetljen

Upravo zato se određuje i spektralna osjetljivost Si (f) i Su (f) U ovom slučaju fotootpor osvjetljavamo iz izvora svjetlosti frekvencije (f) (talasne dužine l) i mjerimo spektralnu osjetljivost na isti način kao i integralnu i izražavamo istim jednačinama i jedinicama

Integralna osjetljivost izražena preko struje Si = I φ [A lm] ili Si = I P [A W]

F - svjetlosni fluks u lumenimaP - snaga svjetlosnog izvora u vatima Integralna osjetljivost izražena preko napona

Siu = U φ [V lm] ili Su = IU P [V W]

S obzirom da osjetljivost fotootpora zavisi od talasne dužine svjetlosti možemo za svaki fotootpor eksperimentalno odrediti njegovu spektralnu karakteristiku koja je predstavljena na slici pril = l0 Si (l) = Si (l0)

U praksi se ova karakteristika obično izražava u relativnim jedinicama Pri odgovarajućoj frekvenciji svjetlosti fotootpor provodi maksimalnu struju tj ima maksimalnu osjetljivost

Ako se ova struja označi sa 1 ili 100 tada se pri različitim frekvencijama svjetlosti dobijaju različite vrijednosti za fotostruju koje se mogu izraziti u procentima u odnosu na maksimalnu struju

Spektralna osjetljivost

Prag osjetljivosti

Definiše se snagom zračenja svetlosnog izvora koja stvara signal (naponski ili strujni) na fotootporu koji je jednak signalu šuma Odnosno prag osjetljivosti obično definišemo na osnovu odnosa signal + šum tako da pri SN = 1 dobijamo prag osjetljivosti

Upravo zbog praga osjetljivosti moramo voditi računa o šumu koji nastaje u fotootporu Pošto je fotoosjetljivi sloj poluprovodnik u ovom sloju i nastaju šumovi karakteristični i za druge poluprovodnike

Ako naponski prag označimo sa ( Fpr ) možemo napisati

φpr =sqrt(ltU2gt) Su

U literaturi na engleskom jeziku ova veličina se naziva ekvivalentnom snagom šuma i označava se

sa NEP( Noise Equivalent Power ) Često se prag osjetljivosti određuje u frekventnom intervalu od 1 Hz pa se može napisati

φpr 1 = φpr sqrt(Δf)

Δf ndash efektivna širina pojasa propuštanja pojačavača na koji je vezan fotootpor

Recipročna vrijednost praga osjetljivosti naziva se detektivnost D Naravno ovi parametri se odnose i na druge fotoelemente a ne samo na fotootpore

Vrste šumova u fotootporima

Toplotni šum (terimčki bijeli šum Nikvistov šum)

Radijacioni ili fotonski šumEfekt sačmeGeneraciono rekombinacioni šumŠum tipa 1f

Toplotni šum

Termički ili Johnsonov šum predstavlja pojavu koja je svojstvena svim sistemima čija je apsolutna temperatura T veća od 0 K Termički šum otpora pojavljuje se u otpornicima zbog nepravilnog toplotnog kretanja elektrona a ovisan je o temperaturi Elektroni u kretanju ubrzani kolizijom s termički uzbuđenim molekulima proizvode promjenu magnetnog polja koja uzrokuje kretanje elektronskog plina (nagomilanih slobodnih elektrona) što na krajevima vodiča rezultira u naponu šuma

Daklenastaje zbog haotičnog kretanja elektrona kroz poluprovodnik a ovo kretanje je uzrokovano spoljašnjom toplotom jer je uvijek TgtT0 (T0 = - 27315oC ndash apsolutna temp)

Prema Nyquistovoj teoremi svaki otpor koji se pojavljuje kao izvor šuma može se nadomjestiti naponskim generatorom elektromotorne sile jednake eš=(4kTΔfRizl)12 i jednim bešumnim unutrašnjim otporom Rš s time što je Rš=Riz

Prema Nyquistu će dakle aritmetička sredina kvadrata elektromotorne sile šuma odnosno srednjekvadratna vrijednost napona ovog šuma je

eš

2 =lt u2gt=4kTΔfR

k ndash Bolcmanova constanta (1380662 x 10-23 JK)T ndash apsolutna temperaturaR ndash otpor fotootporaΔf ndash frekventno područje u kojem se vrše mjerenja

Maksimalna snaga šuma iznosi

Pš max = kTΔf

Iz ovog izraza se vidi da maksimalna snaga šuma ovisi od apsolutne temperature

i širine frekvencijskog opsega a ne od učestanosti na kojoj je on lociran Možemo dalje izračunati da je temperatura šuma

Tš = PškΔf

Dakle temperatura šuma je ona (pretpostavljena) temperatura pri kojoj bi na

izlazu iz nekog uređaja snaga samo termičkog šuma bila jednaka snazi ukupnog stvarnog šuma na radnoj temperaturi

Termički šum se pojavljuje u električnim mrežama prijemnim antenama mikrofonima poluprovodničkim elementima i sl

Ovaj šum se često spominje u literaturi jer on ima široki spektar frekvencija pa ga zato često nazivamo Gaussov bijeli šum (AWGN-Aditive White Gaussian Noisse)

Ako slučajni šum ima uniformnu spektralnu gustinu snage na čitavom opsegu frekvencija onda se takav šum naziva ldquobijeli šumrdquo po analogiji sa bijelom svjetlošću koja u vidljivom spektru ima uniformnu i kontiunalnu spektralnu gustinu snage

Bijeli šum

Termički šum i šum efekta sačme generiraju bijeli šum Frekvencijski spektar snage bijelog šuma predstavljen je na slici Iz njega se vidi da on ima ravnu karakteristiku

Spektralna gustina snage bijelog šuma je Sn(ω)= No 2

No [WHz] ndash spektralna gustina snage šuma

Kojeficijent frac12 je uključen da bi pokazao da je

jedna polovina snage na pozitivnim a druga polovina snage na negativnim frekvencijama kao što je pokazano na slici pod a)

Autokorelaciona funkcija bijelog šuma je prikazana na slici pod b)

Trenutne vrijednosti bijelog šuma su potpuno nekorelisane pa se zato kaže da je bijeli šum apsolutno slučajan proces

Efekt sačme

Efekt sačme ndash Šum efekta sačme (zove se još i šot-efekt ili šrot-efekt od englshot i njem Schrott sačma) je šum koji ne nastaje kod fotootpora već kod fotoelemenata koji imaju p ndash n prelaze

Npr kod diode elektroni prelaze iz n ndash tipa u p ndash tip a šupljine obratno S obzirom da u svakoj jedinici vremena ne prolazi isti broj nosilaca elektrona i šupljina već se opažaju fluktuacije koje daju ovaj šum

Srednjekvadratna vrijednost struje šuma uslijed efekta sačme izražava se Šotkijevom jednačinom

lti2gt = 2RI0qΔf

I0 ndash srednja struja koja protiče kroz p ndash n prelaz

Δf ndash interval posmatrfrekvencijaq ndash naelektrisanje elektrona odnosno šupljina

Pojavljuje se u poluprovodnicima i elektronskim cijevima

Radijacioni ili fotonski šum ndash nastaje zbog fluktuacije svjetlosti ( broja fotona ) koja pada na fotootpor bilo iz okoline ili iz izvora svjetlosti

Generaciono rekombinacioni šum ndash nastaje zbog fluktuacije u brzinama generacije i rekombinacije nosilaca elektriciteta To znači da u istim vremenskim intervalima ne nastaje i ne rekombinuje se isti broj parova elektron ndash šupljina

Šum tipa 1f - nastaje na niskim frekvencijama zbog postojanja površinskih stanja zatim zbog nastajanja potencijalnih barijera na kontaktima kao i u unutrašnjosti poluprovodnika Sa porastom frekvencije intenzitet ovog šuma opada zato ga i nazivamo 1f tip šuma

Izvori navedenih šumova statistički su neovisni pa je srednjekvadratna vrijednost napona ili struje ukupnog šuma jednaka zbiru srednjekvadratnih vrijednosti napona ili struje pojedinih komponenti

Vrste fotootpora

1) Selenski fotootpori2) Fotootpori na bazi talijum sulfida ( Tl2S )

3) Fotootpori na bazi bizmut ndash sulfida ( Bi2S3 )

4) Fotootpori na bazi olovnog sulfida ( PbS )

Selenski fotootpori

To su najstariji fotootpori i izrađeni su od elemenata selena (Se) ndash poluprovodnika

Pri slaboj osvjetljenosti i naponu od 100 V imaju integralnu osvjetljivost od 01 ndash 3 mA lm Tamni otpor im iznosi od 104 do 108 W Spektralna karakteristika im je slična ljudskom oku koje je najosjetljivije na l = 055mm što predstavlja zelenu svjetlost

Prikazana kriva se odnosi na dnevnu svjetlost a u sumrak se pomjera ka nižim talasnim dužinama

Nedostatak ovih fotootpora je njihova inertnost to znači ako se selen osvjetljava sa isprekidanom svjetlošću frekvencije iznad 100 Hz naglo gubi svoju osjetljivost (čak za 75)

Fotootpori na bazi talijum sulfida ( Tl2S )

Proizvedeni su 1917 god i imaju veliku osjetljivost koja ponekada iznosi i 2 Alm tamni otpor im iznosi 2x105 ndash 108 W Nedostatak im je što veoma brzo stare što dovodi do nestabilnosti njihovih karakteristika

Fotootpori na bazi bizmut ndash sulfida ( Bi2S3 )

Tamni otpor im je 2x105 ndash 107 W radni napon od 50 ndash 80 V integralna osjetljivost iznosi oko 50 mAlm manje su inertni od prethodna dva tipa Glavni nedostatak im je taj što im se mijenja režim rada pri promjeni temperature

Fotootpori na bazi olovnog sulfida ( PbS ) Integralna osjetljivost im je oko 10 mAlm tamni otpor od 105 ndash 107

W Glavna njihova prednost je mala inercija a nedostatak je osjetljivost na promjenu temperature

Pored nabrojanih fotootpora susrećemo jos i fotootpore na bazi kadmijuma (CdS CdSe itd)

Pri upoređivanju fotootpora pored nabrojanih karakteristika treba obratiti pažnju i na zavisnost pada napona na fotootporu od struje koja kroz njega protiče na frekventnu i spektralnu karakteristiku itd

Fotoelementi

Predstavljaju elektronske komponente koje pri osvjetljavanju daju elektromotornu silu Ako se uključi u zatvoreno kolo sa omskim otporima i osvjetli kroz kolo će proticati struja iako se u kolu ne nalazi nikakav drugi izvor ems U tome je bitna razlika između fotootpora i fotoelemenata iako obje vrste komponenti rade na principu unutrašnjeg fotoefekta

Kod fotoelemenata je potrebno poznavati zavisnost ems od svjetlosnog fluksa (gornja slika) konstrukciju fotoelemenata (donja slika) spektralnu karakteristiku integralnu osjetljivost koeficijent korisnog dejstva itd

SUMEJA DOLJANČIĆEMINA EGRLIĆ

Hvala na pažnji

• Unutrašnji fotoefekat
• Unutrašnji fotoefekat (2)
• Slide 3
• Slide 4
• Osnovni mehanizmi apsorpcije
• Sopstvena (fundamentalna) apsorpcija
• Primjesna apsorpcija
• Akceptorsko-donorska apsorpcija
• Slide 9
• Fotoprovodnost
• Foto ems
• Slide 12
• Slide 13
• Fotootpori
• Slide 15
• Slide 16
• Spektralna osjetljivost
• Prag osjetljivosti
• Vrste šumova u fotootporima
• Toplotni šum
• Slide 21
• Bijeli šum
• Efekt sačme
• Slide 24
• Vrste fotootpora
• Selenski fotootpori
• Slide 27
• Fotoelementi
• Slide 29
• Hvala na pažnji

IR = RmiddotIO

bull IR - intenzitet refklektovane svjetlosti

bull R = IR IO - koeficijent refleksije

IO ndash IR = IO - RmiddotIO = IO (1 ndash R)bull intenzitet svjetlosti koja ulazi u poluprovodnik

Koeficijent apsorpcije (α) i refleksije (R) zavise od energije fotona (hf) odnosno od talasne dužine svjetlosti (λ) Ove zavisnosti nazivamo spektrom apsorpcije α(λ) odnosno spektrom refleksije R(λ)

Osnovni mehanizmi apsorpcije

1 Sopstvena ili fundamentalna apsorpcija2 Primjesna apsorpcija3 Akceptorsko-donorska apsorpcija4 Apsorpcija slobodnih nosilaca elektriciteta5 Apsorpcija kristalne rešetke6 Eksitonska apsorpcija7 Plazmena apsorpcija

Sopstvena (fundamentalna) apsorpcija

Nastaje kada pod uticajem svjetlosti elektron prelazi iz valentne u slobodnu zonu slučaj (1) Ova apsorpcija nastaje jedino ako je energija svjetlosti koja pada na poluprovodnik veća od širine zabranjene zone odnosno

hmiddotf ge WIz ove relacije možemo izračunati

graničnu frekvenciju za nastajanje sopstvene apsorpcije koja iznosi

Fg=ΔWha pošto je f = c λ onda možemo

izračunati i graničnu talasnu dužinu

λg=hcΔWUkoliko je (λ) svjetlosti koja pada na

poluprovodnik veća od (λg) tada ne može doći do ove apsorpcije

Primjesna apsorpcija

nastaje kada upadna svjetlost jonizuje atom primjese odnosno kada na račun energije svjetlosti elektron pređe iz valentne zone na akceptorski nivo slučaj (2a) ili sa donorskog nivoa u slobodnu zonu (2b)

Akceptorsko-donorska apsorpcija

nastaje prelaskom elektrona sa akceptorskog na donorske nivoe slučaj (3) pod uticajem svjetlosti

Apsorpcija slobodnih nosilaca elektriciteta ndash nastaje kada se energija svjetlosti troši na ubrzavanje šupljina i elektrona unutar valentne odnosno slobodne zone

Apsorpcija kristalne rešetke ndash nastaje kada se energija upadne svjetlosti troši na povećanje oscilacija atoma u čvorovima rešetke

Eksitonska apsorpcija ndash nastaje kada poluprovodnik apsorbuje fotone tako da se energija svjetlosti troši na stvaranje vezanih parova elektron-šupljina koje nazivamo eksitonima Elektron u valentnoj zoni apsorbuje foton i pri tome ne napušta atom već prelazi u pobuđeno stanje obrazujući sa šupljinom vezano stanje na bazi Kulonove sile Energija eksitona je manja od širine zabranjene zone i iznosi reda 4 meV Eksiton se može kretati kroz kristal

Plazmena apsorpcija - nastaje apsorpcijom svjetlosti koju vrše svi slobodni elektroni i šipljine

Fotoprovodnost

Može nastati na dva načinaa) Osvjetljavanjem poluprovodnika Elektroni iz valnetne zone prelaze u provodnu zonu čime se povećava provodnost

poluprovodnika zbog povećanja broja nsoilaca naelektrisanja odnosno koncentracije elektrona u provodnoj zoni Ako se priraštaj koncentracije elekrona u provodnj zovni poveća za Δn tada će se provodnost poluprovodnika povećati za ΔG tako da se može napisati za n-tip poluprovodnika

ΔG = qmiddotμnmiddotΔn (1)

μnndash pokretljivost elektrona

q ndash naelektrisanje Δn ndash priraštaj koncentracije elektrona u provodnoj zoni

b) Energija svjetlosti može utjecati na povećanje pokretljivosti elektrona u kristalnoj rešetki pa se može napisati

ΔGμ = qmiddotnmiddotΔμn (2)

ΔGμ - priraštaj poluprovodnika na račun povećne pokretljivosti(μn)n - koncentracija elektrona

Na provodnost poluprovodnika uglavnom utiče promjena koncentracije nosilaca elektriciteta (jednačina (1)) tako da se uticaj promjene pokretljivosti nosilaca elektriciteta praktično zanemaruje

Foto ems

Kada se p-n poluprovodnik ne osvjetljava tada se može pisati da je IpD + InD = IpP + InP

IpD = IpP i InD = InP

IpD ndash difuzina struja šupljina

InD ndash difuziona struja elektrona

IpP ndash struja provodnosti šupljina i

InP ndash struja provodnosti elektrona

Algebarski zbir sve četiri komponente struje mora biti jednak nuli ako na p-n poluprovodnik ne djeluje spoljašnji izvor

Ukoliko se osvjetli poluprovodnik n-tipa tada će se u njemu generisati parovi elktron-šupljina Pri tome će najveći dio elektrona ostati u poluprovodniku n-tipa a samo neznatan dio će prodrijeti kroz potencijalnu barijeru (zaporni sloj) i dospjet će u poluprovodnik p-tipa Međutim šupljine nastale u poluprovodniku n-tipa ponašaju se sasvim drugačije Ako su šupljine nastale u zapornom sloju poluprovodnika n-tipa tada ih zahvata električno polje E i prebacuje u poluprovodnik p-tipa Isto važi i za šupljine koje su nastale pod utjecajem svjetlosti u blizini zapornog sloja u poluprovodniku n-tipa dok će šupljine nastale u dubini poluprovodnika n-tipa difundirati prema zapornom sloju dok ne dođe do rekombinacije Na potpuno isti naćin se ponašaju i elektroni koji su nastali osvjetljavanjem poluprovodnika p-tipa Pojava dopunske koncentracije šupljina u poluprovodniku p-tipa kao i dopunske koncentracije elektrona u poluprovodniku n-tipa prouzrokovat će smanjenje visine potencijalne barijere tako da će kroz zaporni sloj proticati neka struja IΦ čija jačina zavisi od intenziteta svjetlosti Ovu struju nazivamo foto-strujom Da bsimo izračunali jačinu fotostruej uzet ćemo u obzir da se smanjenjem potencijalne barijere difuziona komponenta struje povećava dok se komponenta struje provodnosti ostaje ista Označivši struje u novim uslovima sa rsquo lsquorsquo možemo napisati izraze za poluprovodnik n-tipa

IpP = IpP

IlsquonD = InDmiddote^(q UΦ kT)

gdje smo se kao i obično koristili Bolcmanovom raspodjelom Sa UΦ je označena foto-ems koja je nastala pod uticajem svjetlosti Analogno se može napisati za

poluprovodnik p-tipaInP = InP

IlsquopD = IpDmiddote^(q UΦ kT)

Struje IpP i InP predstavljaju inverzne struje zasićenja pa ih slično kao i pri opisivanju karakteristike diode možemo označiti kao IpP + InP = I0 Ako se poluprovodnik na slici 3 nalazi u praznom hodu tada ukupna struja kroz osvijetljenu diodu mora biti nula tako da se može napisati

IΦ + IpP ndash InD + InP ndash IpD = 0

IpΦ + InΦ = IΦ

gdje su IpΦ i InΦ komponente fotostruje šupljina i elektrona Na osnovu prethodnih jednačina dobija se

I0 + IΦ - InDmiddote^(q UΦ kT) - IpDmiddote^(q UΦ kT) = 0

I0 + IΦ -(InD + IpD)middote^(q UΦ kT) = 0

IΦ = I0 (e^(q UΦ kT )- 1)

Odavde se logaritmiranjem dobija

UΦ = (kTq )middotln (IΦ I0 -1)

To je napon praznog hoda fotoelementa Ako se između katoda i anode uključi otpor R tada će pod uticajem foto-ems u spoljašnjem kolu proteći struja IR i nastaće pad napona IRmiddotR

Pod uticajem svjetlosti između anode i katode pojavljuje se napon UΦ (UΦ ~ 03 V) što znači da ova dioda pretvara svjetlost u električnu energiju jer kroz spoljašnje kolo teče struja (Id) tako da ovu diodu možemo koristiti kao izvor napona (UΦ) Ovakvu diodu nazivamo fotonaponskim elementom ili solarnom ćelijom

Ako solarne ćelije vežemo u seriju dobićemo željeni napon a ako želimo veće struje onda ih vežemo paralelno S obzirom da su nam u praksi potrebne veće snage (IΦmiddotUΦ) ove se diode vežu u seriju a onda serijski lanci paralelno Koeficijent korisnog dejstva kod solarnih ćelija je mali reda nekoliko procenata pa je zbog toga ova električna energija skuplja od one koju daje gradska mreža

Fotootpori

Fotootpori se izrađuju u obliku folija i pločica od nekog fotoosjetljivog poluprovodnika Takva folija ili pločica ima dva omska kontakta kojima se uključuje u električno kolo Dakle fotootpori su elementi čija se otpornost mijenja pod uticajem svjetlosti tj R = f( Ф) Izrađuju se od različitih poluprovodnika a najčešće od raznih jedinjenja na bazi sumpora selena telura olova bizmuta GaAs itd Poluprovodnik se specijalnim tehnološkim postupkom nanosi na neki izolator a zatim se ugrađuju elektrode

U kolo jednosmjerne ili naizmjenične struje fotootpori se uključuju na isti način kao i obični otpori Kada se fotootpor osvjetljava smanjuje mu se otpor pa kroz kolo poteče jača struja ako su elektrode priključene na neki napon (bateriju) Jačina struje zavisi od jačine svjetlosti I = f( Ф)

Osnovni parametri fotootpora su - maksimalno dozvoljeni napon - maksimalna disipacija snage - tamni otpor i tamna struja - vremenska konstanta - spektralna i integralna osjetljivost - prag osjetljivosti

Spektralna osjetljivost ndashdefiniše se kao odnos između fotostruje kroz fotootpor i svjetlosnog fluksa pri određenom naponu na fotootporu dok se svjetlosni fluks uzima iz odgovarajućeg monohromatičnog izvora

Provodnost fotootpora ne zavisi samo od jačine svjetlosti već i od frekvencije svjetlosti kojom je osvjetljen

Upravo zato se određuje i spektralna osjetljivost Si (f) i Su (f) U ovom slučaju fotootpor osvjetljavamo iz izvora svjetlosti frekvencije (f) (talasne dužine l) i mjerimo spektralnu osjetljivost na isti način kao i integralnu i izražavamo istim jednačinama i jedinicama

Integralna osjetljivost izražena preko struje Si = I φ [A lm] ili Si = I P [A W]

F - svjetlosni fluks u lumenimaP - snaga svjetlosnog izvora u vatima Integralna osjetljivost izražena preko napona

Siu = U φ [V lm] ili Su = IU P [V W]

S obzirom da osjetljivost fotootpora zavisi od talasne dužine svjetlosti možemo za svaki fotootpor eksperimentalno odrediti njegovu spektralnu karakteristiku koja je predstavljena na slici pril = l0 Si (l) = Si (l0)

U praksi se ova karakteristika obično izražava u relativnim jedinicama Pri odgovarajućoj frekvenciji svjetlosti fotootpor provodi maksimalnu struju tj ima maksimalnu osjetljivost

Ako se ova struja označi sa 1 ili 100 tada se pri različitim frekvencijama svjetlosti dobijaju različite vrijednosti za fotostruju koje se mogu izraziti u procentima u odnosu na maksimalnu struju

Spektralna osjetljivost

Prag osjetljivosti

Definiše se snagom zračenja svetlosnog izvora koja stvara signal (naponski ili strujni) na fotootporu koji je jednak signalu šuma Odnosno prag osjetljivosti obično definišemo na osnovu odnosa signal + šum tako da pri SN = 1 dobijamo prag osjetljivosti

Upravo zbog praga osjetljivosti moramo voditi računa o šumu koji nastaje u fotootporu Pošto je fotoosjetljivi sloj poluprovodnik u ovom sloju i nastaju šumovi karakteristični i za druge poluprovodnike

Ako naponski prag označimo sa ( Fpr ) možemo napisati

φpr =sqrt(ltU2gt) Su

U literaturi na engleskom jeziku ova veličina se naziva ekvivalentnom snagom šuma i označava se

sa NEP( Noise Equivalent Power ) Često se prag osjetljivosti određuje u frekventnom intervalu od 1 Hz pa se može napisati

φpr 1 = φpr sqrt(Δf)

Δf ndash efektivna širina pojasa propuštanja pojačavača na koji je vezan fotootpor

Recipročna vrijednost praga osjetljivosti naziva se detektivnost D Naravno ovi parametri se odnose i na druge fotoelemente a ne samo na fotootpore

Vrste šumova u fotootporima

Toplotni šum (terimčki bijeli šum Nikvistov šum)

Radijacioni ili fotonski šumEfekt sačmeGeneraciono rekombinacioni šumŠum tipa 1f

Toplotni šum

Termički ili Johnsonov šum predstavlja pojavu koja je svojstvena svim sistemima čija je apsolutna temperatura T veća od 0 K Termički šum otpora pojavljuje se u otpornicima zbog nepravilnog toplotnog kretanja elektrona a ovisan je o temperaturi Elektroni u kretanju ubrzani kolizijom s termički uzbuđenim molekulima proizvode promjenu magnetnog polja koja uzrokuje kretanje elektronskog plina (nagomilanih slobodnih elektrona) što na krajevima vodiča rezultira u naponu šuma

Daklenastaje zbog haotičnog kretanja elektrona kroz poluprovodnik a ovo kretanje je uzrokovano spoljašnjom toplotom jer je uvijek TgtT0 (T0 = - 27315oC ndash apsolutna temp)

Prema Nyquistovoj teoremi svaki otpor koji se pojavljuje kao izvor šuma može se nadomjestiti naponskim generatorom elektromotorne sile jednake eš=(4kTΔfRizl)12 i jednim bešumnim unutrašnjim otporom Rš s time što je Rš=Riz

Prema Nyquistu će dakle aritmetička sredina kvadrata elektromotorne sile šuma odnosno srednjekvadratna vrijednost napona ovog šuma je

eš

2 =lt u2gt=4kTΔfR

k ndash Bolcmanova constanta (1380662 x 10-23 JK)T ndash apsolutna temperaturaR ndash otpor fotootporaΔf ndash frekventno područje u kojem se vrše mjerenja

Maksimalna snaga šuma iznosi

Pš max = kTΔf

Iz ovog izraza se vidi da maksimalna snaga šuma ovisi od apsolutne temperature

i širine frekvencijskog opsega a ne od učestanosti na kojoj je on lociran Možemo dalje izračunati da je temperatura šuma

Tš = PškΔf

Dakle temperatura šuma je ona (pretpostavljena) temperatura pri kojoj bi na

izlazu iz nekog uređaja snaga samo termičkog šuma bila jednaka snazi ukupnog stvarnog šuma na radnoj temperaturi

Termički šum se pojavljuje u električnim mrežama prijemnim antenama mikrofonima poluprovodničkim elementima i sl

Ovaj šum se često spominje u literaturi jer on ima široki spektar frekvencija pa ga zato često nazivamo Gaussov bijeli šum (AWGN-Aditive White Gaussian Noisse)

Ako slučajni šum ima uniformnu spektralnu gustinu snage na čitavom opsegu frekvencija onda se takav šum naziva ldquobijeli šumrdquo po analogiji sa bijelom svjetlošću koja u vidljivom spektru ima uniformnu i kontiunalnu spektralnu gustinu snage

Bijeli šum

Termički šum i šum efekta sačme generiraju bijeli šum Frekvencijski spektar snage bijelog šuma predstavljen je na slici Iz njega se vidi da on ima ravnu karakteristiku

Spektralna gustina snage bijelog šuma je Sn(ω)= No 2

No [WHz] ndash spektralna gustina snage šuma

Kojeficijent frac12 je uključen da bi pokazao da je

jedna polovina snage na pozitivnim a druga polovina snage na negativnim frekvencijama kao što je pokazano na slici pod a)

Autokorelaciona funkcija bijelog šuma je prikazana na slici pod b)

Trenutne vrijednosti bijelog šuma su potpuno nekorelisane pa se zato kaže da je bijeli šum apsolutno slučajan proces

Efekt sačme

Efekt sačme ndash Šum efekta sačme (zove se još i šot-efekt ili šrot-efekt od englshot i njem Schrott sačma) je šum koji ne nastaje kod fotootpora već kod fotoelemenata koji imaju p ndash n prelaze

Npr kod diode elektroni prelaze iz n ndash tipa u p ndash tip a šupljine obratno S obzirom da u svakoj jedinici vremena ne prolazi isti broj nosilaca elektrona i šupljina već se opažaju fluktuacije koje daju ovaj šum

Srednjekvadratna vrijednost struje šuma uslijed efekta sačme izražava se Šotkijevom jednačinom

lti2gt = 2RI0qΔf

I0 ndash srednja struja koja protiče kroz p ndash n prelaz

Δf ndash interval posmatrfrekvencijaq ndash naelektrisanje elektrona odnosno šupljina

Pojavljuje se u poluprovodnicima i elektronskim cijevima

Radijacioni ili fotonski šum ndash nastaje zbog fluktuacije svjetlosti ( broja fotona ) koja pada na fotootpor bilo iz okoline ili iz izvora svjetlosti

Generaciono rekombinacioni šum ndash nastaje zbog fluktuacije u brzinama generacije i rekombinacije nosilaca elektriciteta To znači da u istim vremenskim intervalima ne nastaje i ne rekombinuje se isti broj parova elektron ndash šupljina

Šum tipa 1f - nastaje na niskim frekvencijama zbog postojanja površinskih stanja zatim zbog nastajanja potencijalnih barijera na kontaktima kao i u unutrašnjosti poluprovodnika Sa porastom frekvencije intenzitet ovog šuma opada zato ga i nazivamo 1f tip šuma

Izvori navedenih šumova statistički su neovisni pa je srednjekvadratna vrijednost napona ili struje ukupnog šuma jednaka zbiru srednjekvadratnih vrijednosti napona ili struje pojedinih komponenti

Vrste fotootpora

1) Selenski fotootpori2) Fotootpori na bazi talijum sulfida ( Tl2S )

3) Fotootpori na bazi bizmut ndash sulfida ( Bi2S3 )

4) Fotootpori na bazi olovnog sulfida ( PbS )

Selenski fotootpori

To su najstariji fotootpori i izrađeni su od elemenata selena (Se) ndash poluprovodnika

Pri slaboj osvjetljenosti i naponu od 100 V imaju integralnu osvjetljivost od 01 ndash 3 mA lm Tamni otpor im iznosi od 104 do 108 W Spektralna karakteristika im je slična ljudskom oku koje je najosjetljivije na l = 055mm što predstavlja zelenu svjetlost

Prikazana kriva se odnosi na dnevnu svjetlost a u sumrak se pomjera ka nižim talasnim dužinama

Nedostatak ovih fotootpora je njihova inertnost to znači ako se selen osvjetljava sa isprekidanom svjetlošću frekvencije iznad 100 Hz naglo gubi svoju osjetljivost (čak za 75)

Fotootpori na bazi talijum sulfida ( Tl2S )

Proizvedeni su 1917 god i imaju veliku osjetljivost koja ponekada iznosi i 2 Alm tamni otpor im iznosi 2x105 ndash 108 W Nedostatak im je što veoma brzo stare što dovodi do nestabilnosti njihovih karakteristika

Fotootpori na bazi bizmut ndash sulfida ( Bi2S3 )

Tamni otpor im je 2x105 ndash 107 W radni napon od 50 ndash 80 V integralna osjetljivost iznosi oko 50 mAlm manje su inertni od prethodna dva tipa Glavni nedostatak im je taj što im se mijenja režim rada pri promjeni temperature

Fotootpori na bazi olovnog sulfida ( PbS ) Integralna osjetljivost im je oko 10 mAlm tamni otpor od 105 ndash 107

W Glavna njihova prednost je mala inercija a nedostatak je osjetljivost na promjenu temperature

Pored nabrojanih fotootpora susrećemo jos i fotootpore na bazi kadmijuma (CdS CdSe itd)

Pri upoređivanju fotootpora pored nabrojanih karakteristika treba obratiti pažnju i na zavisnost pada napona na fotootporu od struje koja kroz njega protiče na frekventnu i spektralnu karakteristiku itd

Fotoelementi

Predstavljaju elektronske komponente koje pri osvjetljavanju daju elektromotornu silu Ako se uključi u zatvoreno kolo sa omskim otporima i osvjetli kroz kolo će proticati struja iako se u kolu ne nalazi nikakav drugi izvor ems U tome je bitna razlika između fotootpora i fotoelemenata iako obje vrste komponenti rade na principu unutrašnjeg fotoefekta

Kod fotoelemenata je potrebno poznavati zavisnost ems od svjetlosnog fluksa (gornja slika) konstrukciju fotoelemenata (donja slika) spektralnu karakteristiku integralnu osjetljivost koeficijent korisnog dejstva itd

SUMEJA DOLJANČIĆEMINA EGRLIĆ

Hvala na pažnji

• Unutrašnji fotoefekat
• Unutrašnji fotoefekat (2)
• Slide 3
• Slide 4
• Osnovni mehanizmi apsorpcije
• Sopstvena (fundamentalna) apsorpcija
• Primjesna apsorpcija
• Akceptorsko-donorska apsorpcija
• Slide 9
• Fotoprovodnost
• Foto ems
• Slide 12
• Slide 13
• Fotootpori
• Slide 15
• Slide 16
• Spektralna osjetljivost
• Prag osjetljivosti
• Vrste šumova u fotootporima
• Toplotni šum
• Slide 21
• Bijeli šum
• Efekt sačme
• Slide 24
• Vrste fotootpora
• Selenski fotootpori
• Slide 27
• Fotoelementi
• Slide 29
• Hvala na pažnji

Osnovni mehanizmi apsorpcije

1 Sopstvena ili fundamentalna apsorpcija2 Primjesna apsorpcija3 Akceptorsko-donorska apsorpcija4 Apsorpcija slobodnih nosilaca elektriciteta5 Apsorpcija kristalne rešetke6 Eksitonska apsorpcija7 Plazmena apsorpcija

Sopstvena (fundamentalna) apsorpcija

Nastaje kada pod uticajem svjetlosti elektron prelazi iz valentne u slobodnu zonu slučaj (1) Ova apsorpcija nastaje jedino ako je energija svjetlosti koja pada na poluprovodnik veća od širine zabranjene zone odnosno

hmiddotf ge WIz ove relacije možemo izračunati

graničnu frekvenciju za nastajanje sopstvene apsorpcije koja iznosi

Fg=ΔWha pošto je f = c λ onda možemo

izračunati i graničnu talasnu dužinu

λg=hcΔWUkoliko je (λ) svjetlosti koja pada na

poluprovodnik veća od (λg) tada ne može doći do ove apsorpcije

Primjesna apsorpcija

nastaje kada upadna svjetlost jonizuje atom primjese odnosno kada na račun energije svjetlosti elektron pređe iz valentne zone na akceptorski nivo slučaj (2a) ili sa donorskog nivoa u slobodnu zonu (2b)

Akceptorsko-donorska apsorpcija

nastaje prelaskom elektrona sa akceptorskog na donorske nivoe slučaj (3) pod uticajem svjetlosti

Apsorpcija slobodnih nosilaca elektriciteta ndash nastaje kada se energija svjetlosti troši na ubrzavanje šupljina i elektrona unutar valentne odnosno slobodne zone

Apsorpcija kristalne rešetke ndash nastaje kada se energija upadne svjetlosti troši na povećanje oscilacija atoma u čvorovima rešetke

Eksitonska apsorpcija ndash nastaje kada poluprovodnik apsorbuje fotone tako da se energija svjetlosti troši na stvaranje vezanih parova elektron-šupljina koje nazivamo eksitonima Elektron u valentnoj zoni apsorbuje foton i pri tome ne napušta atom već prelazi u pobuđeno stanje obrazujući sa šupljinom vezano stanje na bazi Kulonove sile Energija eksitona je manja od širine zabranjene zone i iznosi reda 4 meV Eksiton se može kretati kroz kristal

Plazmena apsorpcija - nastaje apsorpcijom svjetlosti koju vrše svi slobodni elektroni i šipljine

Fotoprovodnost

Može nastati na dva načinaa) Osvjetljavanjem poluprovodnika Elektroni iz valnetne zone prelaze u provodnu zonu čime se povećava provodnost

poluprovodnika zbog povećanja broja nsoilaca naelektrisanja odnosno koncentracije elektrona u provodnoj zoni Ako se priraštaj koncentracije elekrona u provodnj zovni poveća za Δn tada će se provodnost poluprovodnika povećati za ΔG tako da se može napisati za n-tip poluprovodnika

ΔG = qmiddotμnmiddotΔn (1)

μnndash pokretljivost elektrona

q ndash naelektrisanje Δn ndash priraštaj koncentracije elektrona u provodnoj zoni

b) Energija svjetlosti može utjecati na povećanje pokretljivosti elektrona u kristalnoj rešetki pa se može napisati

ΔGμ = qmiddotnmiddotΔμn (2)

ΔGμ - priraštaj poluprovodnika na račun povećne pokretljivosti(μn)n - koncentracija elektrona

Na provodnost poluprovodnika uglavnom utiče promjena koncentracije nosilaca elektriciteta (jednačina (1)) tako da se uticaj promjene pokretljivosti nosilaca elektriciteta praktično zanemaruje

Foto ems

Kada se p-n poluprovodnik ne osvjetljava tada se može pisati da je IpD + InD = IpP + InP

IpD = IpP i InD = InP

IpD ndash difuzina struja šupljina

InD ndash difuziona struja elektrona

IpP ndash struja provodnosti šupljina i

InP ndash struja provodnosti elektrona

Algebarski zbir sve četiri komponente struje mora biti jednak nuli ako na p-n poluprovodnik ne djeluje spoljašnji izvor

Ukoliko se osvjetli poluprovodnik n-tipa tada će se u njemu generisati parovi elktron-šupljina Pri tome će najveći dio elektrona ostati u poluprovodniku n-tipa a samo neznatan dio će prodrijeti kroz potencijalnu barijeru (zaporni sloj) i dospjet će u poluprovodnik p-tipa Međutim šupljine nastale u poluprovodniku n-tipa ponašaju se sasvim drugačije Ako su šupljine nastale u zapornom sloju poluprovodnika n-tipa tada ih zahvata električno polje E i prebacuje u poluprovodnik p-tipa Isto važi i za šupljine koje su nastale pod utjecajem svjetlosti u blizini zapornog sloja u poluprovodniku n-tipa dok će šupljine nastale u dubini poluprovodnika n-tipa difundirati prema zapornom sloju dok ne dođe do rekombinacije Na potpuno isti naćin se ponašaju i elektroni koji su nastali osvjetljavanjem poluprovodnika p-tipa Pojava dopunske koncentracije šupljina u poluprovodniku p-tipa kao i dopunske koncentracije elektrona u poluprovodniku n-tipa prouzrokovat će smanjenje visine potencijalne barijere tako da će kroz zaporni sloj proticati neka struja IΦ čija jačina zavisi od intenziteta svjetlosti Ovu struju nazivamo foto-strujom Da bsimo izračunali jačinu fotostruej uzet ćemo u obzir da se smanjenjem potencijalne barijere difuziona komponenta struje povećava dok se komponenta struje provodnosti ostaje ista Označivši struje u novim uslovima sa rsquo lsquorsquo možemo napisati izraze za poluprovodnik n-tipa

IpP = IpP

IlsquonD = InDmiddote^(q UΦ kT)

gdje smo se kao i obično koristili Bolcmanovom raspodjelom Sa UΦ je označena foto-ems koja je nastala pod uticajem svjetlosti Analogno se može napisati za

poluprovodnik p-tipaInP = InP

IlsquopD = IpDmiddote^(q UΦ kT)

Struje IpP i InP predstavljaju inverzne struje zasićenja pa ih slično kao i pri opisivanju karakteristike diode možemo označiti kao IpP + InP = I0 Ako se poluprovodnik na slici 3 nalazi u praznom hodu tada ukupna struja kroz osvijetljenu diodu mora biti nula tako da se može napisati

IΦ + IpP ndash InD + InP ndash IpD = 0

IpΦ + InΦ = IΦ

gdje su IpΦ i InΦ komponente fotostruje šupljina i elektrona Na osnovu prethodnih jednačina dobija se

I0 + IΦ - InDmiddote^(q UΦ kT) - IpDmiddote^(q UΦ kT) = 0

I0 + IΦ -(InD + IpD)middote^(q UΦ kT) = 0

IΦ = I0 (e^(q UΦ kT )- 1)

Odavde se logaritmiranjem dobija

UΦ = (kTq )middotln (IΦ I0 -1)

To je napon praznog hoda fotoelementa Ako se između katoda i anode uključi otpor R tada će pod uticajem foto-ems u spoljašnjem kolu proteći struja IR i nastaće pad napona IRmiddotR

Pod uticajem svjetlosti između anode i katode pojavljuje se napon UΦ (UΦ ~ 03 V) što znači da ova dioda pretvara svjetlost u električnu energiju jer kroz spoljašnje kolo teče struja (Id) tako da ovu diodu možemo koristiti kao izvor napona (UΦ) Ovakvu diodu nazivamo fotonaponskim elementom ili solarnom ćelijom

Ako solarne ćelije vežemo u seriju dobićemo željeni napon a ako želimo veće struje onda ih vežemo paralelno S obzirom da su nam u praksi potrebne veće snage (IΦmiddotUΦ) ove se diode vežu u seriju a onda serijski lanci paralelno Koeficijent korisnog dejstva kod solarnih ćelija je mali reda nekoliko procenata pa je zbog toga ova električna energija skuplja od one koju daje gradska mreža

Fotootpori

Fotootpori se izrađuju u obliku folija i pločica od nekog fotoosjetljivog poluprovodnika Takva folija ili pločica ima dva omska kontakta kojima se uključuje u električno kolo Dakle fotootpori su elementi čija se otpornost mijenja pod uticajem svjetlosti tj R = f( Ф) Izrađuju se od različitih poluprovodnika a najčešće od raznih jedinjenja na bazi sumpora selena telura olova bizmuta GaAs itd Poluprovodnik se specijalnim tehnološkim postupkom nanosi na neki izolator a zatim se ugrađuju elektrode

U kolo jednosmjerne ili naizmjenične struje fotootpori se uključuju na isti način kao i obični otpori Kada se fotootpor osvjetljava smanjuje mu se otpor pa kroz kolo poteče jača struja ako su elektrode priključene na neki napon (bateriju) Jačina struje zavisi od jačine svjetlosti I = f( Ф)

Osnovni parametri fotootpora su - maksimalno dozvoljeni napon - maksimalna disipacija snage - tamni otpor i tamna struja - vremenska konstanta - spektralna i integralna osjetljivost - prag osjetljivosti

Spektralna osjetljivost ndashdefiniše se kao odnos između fotostruje kroz fotootpor i svjetlosnog fluksa pri određenom naponu na fotootporu dok se svjetlosni fluks uzima iz odgovarajućeg monohromatičnog izvora

Provodnost fotootpora ne zavisi samo od jačine svjetlosti već i od frekvencije svjetlosti kojom je osvjetljen

Upravo zato se određuje i spektralna osjetljivost Si (f) i Su (f) U ovom slučaju fotootpor osvjetljavamo iz izvora svjetlosti frekvencije (f) (talasne dužine l) i mjerimo spektralnu osjetljivost na isti način kao i integralnu i izražavamo istim jednačinama i jedinicama

Integralna osjetljivost izražena preko struje Si = I φ [A lm] ili Si = I P [A W]

F - svjetlosni fluks u lumenimaP - snaga svjetlosnog izvora u vatima Integralna osjetljivost izražena preko napona

Siu = U φ [V lm] ili Su = IU P [V W]

S obzirom da osjetljivost fotootpora zavisi od talasne dužine svjetlosti možemo za svaki fotootpor eksperimentalno odrediti njegovu spektralnu karakteristiku koja je predstavljena na slici pril = l0 Si (l) = Si (l0)

U praksi se ova karakteristika obično izražava u relativnim jedinicama Pri odgovarajućoj frekvenciji svjetlosti fotootpor provodi maksimalnu struju tj ima maksimalnu osjetljivost

Ako se ova struja označi sa 1 ili 100 tada se pri različitim frekvencijama svjetlosti dobijaju različite vrijednosti za fotostruju koje se mogu izraziti u procentima u odnosu na maksimalnu struju

Spektralna osjetljivost

Prag osjetljivosti

Definiše se snagom zračenja svetlosnog izvora koja stvara signal (naponski ili strujni) na fotootporu koji je jednak signalu šuma Odnosno prag osjetljivosti obično definišemo na osnovu odnosa signal + šum tako da pri SN = 1 dobijamo prag osjetljivosti

Upravo zbog praga osjetljivosti moramo voditi računa o šumu koji nastaje u fotootporu Pošto je fotoosjetljivi sloj poluprovodnik u ovom sloju i nastaju šumovi karakteristični i za druge poluprovodnike

Ako naponski prag označimo sa ( Fpr ) možemo napisati

φpr =sqrt(ltU2gt) Su

U literaturi na engleskom jeziku ova veličina se naziva ekvivalentnom snagom šuma i označava se

sa NEP( Noise Equivalent Power ) Često se prag osjetljivosti određuje u frekventnom intervalu od 1 Hz pa se može napisati

φpr 1 = φpr sqrt(Δf)

Δf ndash efektivna širina pojasa propuštanja pojačavača na koji je vezan fotootpor

Recipročna vrijednost praga osjetljivosti naziva se detektivnost D Naravno ovi parametri se odnose i na druge fotoelemente a ne samo na fotootpore

Vrste šumova u fotootporima

Toplotni šum (terimčki bijeli šum Nikvistov šum)

Radijacioni ili fotonski šumEfekt sačmeGeneraciono rekombinacioni šumŠum tipa 1f

Toplotni šum

Termički ili Johnsonov šum predstavlja pojavu koja je svojstvena svim sistemima čija je apsolutna temperatura T veća od 0 K Termički šum otpora pojavljuje se u otpornicima zbog nepravilnog toplotnog kretanja elektrona a ovisan je o temperaturi Elektroni u kretanju ubrzani kolizijom s termički uzbuđenim molekulima proizvode promjenu magnetnog polja koja uzrokuje kretanje elektronskog plina (nagomilanih slobodnih elektrona) što na krajevima vodiča rezultira u naponu šuma

Daklenastaje zbog haotičnog kretanja elektrona kroz poluprovodnik a ovo kretanje je uzrokovano spoljašnjom toplotom jer je uvijek TgtT0 (T0 = - 27315oC ndash apsolutna temp)

Prema Nyquistovoj teoremi svaki otpor koji se pojavljuje kao izvor šuma može se nadomjestiti naponskim generatorom elektromotorne sile jednake eš=(4kTΔfRizl)12 i jednim bešumnim unutrašnjim otporom Rš s time što je Rš=Riz

Prema Nyquistu će dakle aritmetička sredina kvadrata elektromotorne sile šuma odnosno srednjekvadratna vrijednost napona ovog šuma je

eš

2 =lt u2gt=4kTΔfR

k ndash Bolcmanova constanta (1380662 x 10-23 JK)T ndash apsolutna temperaturaR ndash otpor fotootporaΔf ndash frekventno područje u kojem se vrše mjerenja

Maksimalna snaga šuma iznosi

Pš max = kTΔf

Iz ovog izraza se vidi da maksimalna snaga šuma ovisi od apsolutne temperature

i širine frekvencijskog opsega a ne od učestanosti na kojoj je on lociran Možemo dalje izračunati da je temperatura šuma

Tš = PškΔf

Dakle temperatura šuma je ona (pretpostavljena) temperatura pri kojoj bi na

izlazu iz nekog uređaja snaga samo termičkog šuma bila jednaka snazi ukupnog stvarnog šuma na radnoj temperaturi

Termički šum se pojavljuje u električnim mrežama prijemnim antenama mikrofonima poluprovodničkim elementima i sl

Ovaj šum se često spominje u literaturi jer on ima široki spektar frekvencija pa ga zato često nazivamo Gaussov bijeli šum (AWGN-Aditive White Gaussian Noisse)

Ako slučajni šum ima uniformnu spektralnu gustinu snage na čitavom opsegu frekvencija onda se takav šum naziva ldquobijeli šumrdquo po analogiji sa bijelom svjetlošću koja u vidljivom spektru ima uniformnu i kontiunalnu spektralnu gustinu snage

Bijeli šum

Termički šum i šum efekta sačme generiraju bijeli šum Frekvencijski spektar snage bijelog šuma predstavljen je na slici Iz njega se vidi da on ima ravnu karakteristiku

Spektralna gustina snage bijelog šuma je Sn(ω)= No 2

No [WHz] ndash spektralna gustina snage šuma

Kojeficijent frac12 je uključen da bi pokazao da je

jedna polovina snage na pozitivnim a druga polovina snage na negativnim frekvencijama kao što je pokazano na slici pod a)

Autokorelaciona funkcija bijelog šuma je prikazana na slici pod b)

Trenutne vrijednosti bijelog šuma su potpuno nekorelisane pa se zato kaže da je bijeli šum apsolutno slučajan proces

Efekt sačme

Efekt sačme ndash Šum efekta sačme (zove se još i šot-efekt ili šrot-efekt od englshot i njem Schrott sačma) je šum koji ne nastaje kod fotootpora već kod fotoelemenata koji imaju p ndash n prelaze

Npr kod diode elektroni prelaze iz n ndash tipa u p ndash tip a šupljine obratno S obzirom da u svakoj jedinici vremena ne prolazi isti broj nosilaca elektrona i šupljina već se opažaju fluktuacije koje daju ovaj šum

Srednjekvadratna vrijednost struje šuma uslijed efekta sačme izražava se Šotkijevom jednačinom

lti2gt = 2RI0qΔf

I0 ndash srednja struja koja protiče kroz p ndash n prelaz

Δf ndash interval posmatrfrekvencijaq ndash naelektrisanje elektrona odnosno šupljina

Pojavljuje se u poluprovodnicima i elektronskim cijevima

Radijacioni ili fotonski šum ndash nastaje zbog fluktuacije svjetlosti ( broja fotona ) koja pada na fotootpor bilo iz okoline ili iz izvora svjetlosti

Generaciono rekombinacioni šum ndash nastaje zbog fluktuacije u brzinama generacije i rekombinacije nosilaca elektriciteta To znači da u istim vremenskim intervalima ne nastaje i ne rekombinuje se isti broj parova elektron ndash šupljina

Šum tipa 1f - nastaje na niskim frekvencijama zbog postojanja površinskih stanja zatim zbog nastajanja potencijalnih barijera na kontaktima kao i u unutrašnjosti poluprovodnika Sa porastom frekvencije intenzitet ovog šuma opada zato ga i nazivamo 1f tip šuma

Izvori navedenih šumova statistički su neovisni pa je srednjekvadratna vrijednost napona ili struje ukupnog šuma jednaka zbiru srednjekvadratnih vrijednosti napona ili struje pojedinih komponenti

Vrste fotootpora

1) Selenski fotootpori2) Fotootpori na bazi talijum sulfida ( Tl2S )

3) Fotootpori na bazi bizmut ndash sulfida ( Bi2S3 )

4) Fotootpori na bazi olovnog sulfida ( PbS )

Selenski fotootpori

To su najstariji fotootpori i izrađeni su od elemenata selena (Se) ndash poluprovodnika

Pri slaboj osvjetljenosti i naponu od 100 V imaju integralnu osvjetljivost od 01 ndash 3 mA lm Tamni otpor im iznosi od 104 do 108 W Spektralna karakteristika im je slična ljudskom oku koje je najosjetljivije na l = 055mm što predstavlja zelenu svjetlost

Prikazana kriva se odnosi na dnevnu svjetlost a u sumrak se pomjera ka nižim talasnim dužinama

Nedostatak ovih fotootpora je njihova inertnost to znači ako se selen osvjetljava sa isprekidanom svjetlošću frekvencije iznad 100 Hz naglo gubi svoju osjetljivost (čak za 75)

Fotootpori na bazi talijum sulfida ( Tl2S )

Proizvedeni su 1917 god i imaju veliku osjetljivost koja ponekada iznosi i 2 Alm tamni otpor im iznosi 2x105 ndash 108 W Nedostatak im je što veoma brzo stare što dovodi do nestabilnosti njihovih karakteristika

Fotootpori na bazi bizmut ndash sulfida ( Bi2S3 )

Tamni otpor im je 2x105 ndash 107 W radni napon od 50 ndash 80 V integralna osjetljivost iznosi oko 50 mAlm manje su inertni od prethodna dva tipa Glavni nedostatak im je taj što im se mijenja režim rada pri promjeni temperature

Fotootpori na bazi olovnog sulfida ( PbS ) Integralna osjetljivost im je oko 10 mAlm tamni otpor od 105 ndash 107

W Glavna njihova prednost je mala inercija a nedostatak je osjetljivost na promjenu temperature

Pored nabrojanih fotootpora susrećemo jos i fotootpore na bazi kadmijuma (CdS CdSe itd)

Pri upoređivanju fotootpora pored nabrojanih karakteristika treba obratiti pažnju i na zavisnost pada napona na fotootporu od struje koja kroz njega protiče na frekventnu i spektralnu karakteristiku itd

Fotoelementi

Predstavljaju elektronske komponente koje pri osvjetljavanju daju elektromotornu silu Ako se uključi u zatvoreno kolo sa omskim otporima i osvjetli kroz kolo će proticati struja iako se u kolu ne nalazi nikakav drugi izvor ems U tome je bitna razlika između fotootpora i fotoelemenata iako obje vrste komponenti rade na principu unutrašnjeg fotoefekta

Kod fotoelemenata je potrebno poznavati zavisnost ems od svjetlosnog fluksa (gornja slika) konstrukciju fotoelemenata (donja slika) spektralnu karakteristiku integralnu osjetljivost koeficijent korisnog dejstva itd

SUMEJA DOLJANČIĆEMINA EGRLIĆ

Hvala na pažnji

• Unutrašnji fotoefekat
• Unutrašnji fotoefekat (2)
• Slide 3
• Slide 4
• Osnovni mehanizmi apsorpcije
• Sopstvena (fundamentalna) apsorpcija
• Primjesna apsorpcija
• Akceptorsko-donorska apsorpcija
• Slide 9
• Fotoprovodnost
• Foto ems
• Slide 12
• Slide 13
• Fotootpori
• Slide 15
• Slide 16
• Spektralna osjetljivost
• Prag osjetljivosti
• Vrste šumova u fotootporima
• Toplotni šum
• Slide 21
• Bijeli šum
• Efekt sačme
• Slide 24
• Vrste fotootpora
• Selenski fotootpori
• Slide 27
• Fotoelementi
• Slide 29
• Hvala na pažnji

Sopstvena (fundamentalna) apsorpcija

Nastaje kada pod uticajem svjetlosti elektron prelazi iz valentne u slobodnu zonu slučaj (1) Ova apsorpcija nastaje jedino ako je energija svjetlosti koja pada na poluprovodnik veća od širine zabranjene zone odnosno

hmiddotf ge WIz ove relacije možemo izračunati

graničnu frekvenciju za nastajanje sopstvene apsorpcije koja iznosi

Fg=ΔWha pošto je f = c λ onda možemo

izračunati i graničnu talasnu dužinu

λg=hcΔWUkoliko je (λ) svjetlosti koja pada na

poluprovodnik veća od (λg) tada ne može doći do ove apsorpcije

Primjesna apsorpcija

nastaje kada upadna svjetlost jonizuje atom primjese odnosno kada na račun energije svjetlosti elektron pređe iz valentne zone na akceptorski nivo slučaj (2a) ili sa donorskog nivoa u slobodnu zonu (2b)

Akceptorsko-donorska apsorpcija

nastaje prelaskom elektrona sa akceptorskog na donorske nivoe slučaj (3) pod uticajem svjetlosti

Apsorpcija slobodnih nosilaca elektriciteta ndash nastaje kada se energija svjetlosti troši na ubrzavanje šupljina i elektrona unutar valentne odnosno slobodne zone

Apsorpcija kristalne rešetke ndash nastaje kada se energija upadne svjetlosti troši na povećanje oscilacija atoma u čvorovima rešetke

Eksitonska apsorpcija ndash nastaje kada poluprovodnik apsorbuje fotone tako da se energija svjetlosti troši na stvaranje vezanih parova elektron-šupljina koje nazivamo eksitonima Elektron u valentnoj zoni apsorbuje foton i pri tome ne napušta atom već prelazi u pobuđeno stanje obrazujući sa šupljinom vezano stanje na bazi Kulonove sile Energija eksitona je manja od širine zabranjene zone i iznosi reda 4 meV Eksiton se može kretati kroz kristal

Plazmena apsorpcija - nastaje apsorpcijom svjetlosti koju vrše svi slobodni elektroni i šipljine

Fotoprovodnost

Može nastati na dva načinaa) Osvjetljavanjem poluprovodnika Elektroni iz valnetne zone prelaze u provodnu zonu čime se povećava provodnost

poluprovodnika zbog povećanja broja nsoilaca naelektrisanja odnosno koncentracije elektrona u provodnoj zoni Ako se priraštaj koncentracije elekrona u provodnj zovni poveća za Δn tada će se provodnost poluprovodnika povećati za ΔG tako da se može napisati za n-tip poluprovodnika

ΔG = qmiddotμnmiddotΔn (1)

μnndash pokretljivost elektrona

q ndash naelektrisanje Δn ndash priraštaj koncentracije elektrona u provodnoj zoni

b) Energija svjetlosti može utjecati na povećanje pokretljivosti elektrona u kristalnoj rešetki pa se može napisati

ΔGμ = qmiddotnmiddotΔμn (2)

ΔGμ - priraštaj poluprovodnika na račun povećne pokretljivosti(μn)n - koncentracija elektrona

Na provodnost poluprovodnika uglavnom utiče promjena koncentracije nosilaca elektriciteta (jednačina (1)) tako da se uticaj promjene pokretljivosti nosilaca elektriciteta praktično zanemaruje

Foto ems

Kada se p-n poluprovodnik ne osvjetljava tada se može pisati da je IpD + InD = IpP + InP

IpD = IpP i InD = InP

IpD ndash difuzina struja šupljina

InD ndash difuziona struja elektrona

IpP ndash struja provodnosti šupljina i

InP ndash struja provodnosti elektrona

Algebarski zbir sve četiri komponente struje mora biti jednak nuli ako na p-n poluprovodnik ne djeluje spoljašnji izvor

Ukoliko se osvjetli poluprovodnik n-tipa tada će se u njemu generisati parovi elktron-šupljina Pri tome će najveći dio elektrona ostati u poluprovodniku n-tipa a samo neznatan dio će prodrijeti kroz potencijalnu barijeru (zaporni sloj) i dospjet će u poluprovodnik p-tipa Međutim šupljine nastale u poluprovodniku n-tipa ponašaju se sasvim drugačije Ako su šupljine nastale u zapornom sloju poluprovodnika n-tipa tada ih zahvata električno polje E i prebacuje u poluprovodnik p-tipa Isto važi i za šupljine koje su nastale pod utjecajem svjetlosti u blizini zapornog sloja u poluprovodniku n-tipa dok će šupljine nastale u dubini poluprovodnika n-tipa difundirati prema zapornom sloju dok ne dođe do rekombinacije Na potpuno isti naćin se ponašaju i elektroni koji su nastali osvjetljavanjem poluprovodnika p-tipa Pojava dopunske koncentracije šupljina u poluprovodniku p-tipa kao i dopunske koncentracije elektrona u poluprovodniku n-tipa prouzrokovat će smanjenje visine potencijalne barijere tako da će kroz zaporni sloj proticati neka struja IΦ čija jačina zavisi od intenziteta svjetlosti Ovu struju nazivamo foto-strujom Da bsimo izračunali jačinu fotostruej uzet ćemo u obzir da se smanjenjem potencijalne barijere difuziona komponenta struje povećava dok se komponenta struje provodnosti ostaje ista Označivši struje u novim uslovima sa rsquo lsquorsquo možemo napisati izraze za poluprovodnik n-tipa

IpP = IpP

IlsquonD = InDmiddote^(q UΦ kT)

gdje smo se kao i obično koristili Bolcmanovom raspodjelom Sa UΦ je označena foto-ems koja je nastala pod uticajem svjetlosti Analogno se može napisati za

poluprovodnik p-tipaInP = InP

IlsquopD = IpDmiddote^(q UΦ kT)

Struje IpP i InP predstavljaju inverzne struje zasićenja pa ih slično kao i pri opisivanju karakteristike diode možemo označiti kao IpP + InP = I0 Ako se poluprovodnik na slici 3 nalazi u praznom hodu tada ukupna struja kroz osvijetljenu diodu mora biti nula tako da se može napisati

IΦ + IpP ndash InD + InP ndash IpD = 0

IpΦ + InΦ = IΦ

gdje su IpΦ i InΦ komponente fotostruje šupljina i elektrona Na osnovu prethodnih jednačina dobija se

I0 + IΦ - InDmiddote^(q UΦ kT) - IpDmiddote^(q UΦ kT) = 0

I0 + IΦ -(InD + IpD)middote^(q UΦ kT) = 0

IΦ = I0 (e^(q UΦ kT )- 1)

Odavde se logaritmiranjem dobija

UΦ = (kTq )middotln (IΦ I0 -1)

To je napon praznog hoda fotoelementa Ako se između katoda i anode uključi otpor R tada će pod uticajem foto-ems u spoljašnjem kolu proteći struja IR i nastaće pad napona IRmiddotR

Pod uticajem svjetlosti između anode i katode pojavljuje se napon UΦ (UΦ ~ 03 V) što znači da ova dioda pretvara svjetlost u električnu energiju jer kroz spoljašnje kolo teče struja (Id) tako da ovu diodu možemo koristiti kao izvor napona (UΦ) Ovakvu diodu nazivamo fotonaponskim elementom ili solarnom ćelijom

Ako solarne ćelije vežemo u seriju dobićemo željeni napon a ako želimo veće struje onda ih vežemo paralelno S obzirom da su nam u praksi potrebne veće snage (IΦmiddotUΦ) ove se diode vežu u seriju a onda serijski lanci paralelno Koeficijent korisnog dejstva kod solarnih ćelija je mali reda nekoliko procenata pa je zbog toga ova električna energija skuplja od one koju daje gradska mreža

Fotootpori

Fotootpori se izrađuju u obliku folija i pločica od nekog fotoosjetljivog poluprovodnika Takva folija ili pločica ima dva omska kontakta kojima se uključuje u električno kolo Dakle fotootpori su elementi čija se otpornost mijenja pod uticajem svjetlosti tj R = f( Ф) Izrađuju se od različitih poluprovodnika a najčešće od raznih jedinjenja na bazi sumpora selena telura olova bizmuta GaAs itd Poluprovodnik se specijalnim tehnološkim postupkom nanosi na neki izolator a zatim se ugrađuju elektrode

U kolo jednosmjerne ili naizmjenične struje fotootpori se uključuju na isti način kao i obični otpori Kada se fotootpor osvjetljava smanjuje mu se otpor pa kroz kolo poteče jača struja ako su elektrode priključene na neki napon (bateriju) Jačina struje zavisi od jačine svjetlosti I = f( Ф)

Osnovni parametri fotootpora su - maksimalno dozvoljeni napon - maksimalna disipacija snage - tamni otpor i tamna struja - vremenska konstanta - spektralna i integralna osjetljivost - prag osjetljivosti

Spektralna osjetljivost ndashdefiniše se kao odnos između fotostruje kroz fotootpor i svjetlosnog fluksa pri određenom naponu na fotootporu dok se svjetlosni fluks uzima iz odgovarajućeg monohromatičnog izvora

Provodnost fotootpora ne zavisi samo od jačine svjetlosti već i od frekvencije svjetlosti kojom je osvjetljen

Upravo zato se određuje i spektralna osjetljivost Si (f) i Su (f) U ovom slučaju fotootpor osvjetljavamo iz izvora svjetlosti frekvencije (f) (talasne dužine l) i mjerimo spektralnu osjetljivost na isti način kao i integralnu i izražavamo istim jednačinama i jedinicama

Integralna osjetljivost izražena preko struje Si = I φ [A lm] ili Si = I P [A W]

F - svjetlosni fluks u lumenimaP - snaga svjetlosnog izvora u vatima Integralna osjetljivost izražena preko napona

Siu = U φ [V lm] ili Su = IU P [V W]

S obzirom da osjetljivost fotootpora zavisi od talasne dužine svjetlosti možemo za svaki fotootpor eksperimentalno odrediti njegovu spektralnu karakteristiku koja je predstavljena na slici pril = l0 Si (l) = Si (l0)

U praksi se ova karakteristika obično izražava u relativnim jedinicama Pri odgovarajućoj frekvenciji svjetlosti fotootpor provodi maksimalnu struju tj ima maksimalnu osjetljivost

Ako se ova struja označi sa 1 ili 100 tada se pri različitim frekvencijama svjetlosti dobijaju različite vrijednosti za fotostruju koje se mogu izraziti u procentima u odnosu na maksimalnu struju

Spektralna osjetljivost

Prag osjetljivosti

Definiše se snagom zračenja svetlosnog izvora koja stvara signal (naponski ili strujni) na fotootporu koji je jednak signalu šuma Odnosno prag osjetljivosti obično definišemo na osnovu odnosa signal + šum tako da pri SN = 1 dobijamo prag osjetljivosti

Upravo zbog praga osjetljivosti moramo voditi računa o šumu koji nastaje u fotootporu Pošto je fotoosjetljivi sloj poluprovodnik u ovom sloju i nastaju šumovi karakteristični i za druge poluprovodnike

Ako naponski prag označimo sa ( Fpr ) možemo napisati

φpr =sqrt(ltU2gt) Su

U literaturi na engleskom jeziku ova veličina se naziva ekvivalentnom snagom šuma i označava se

sa NEP( Noise Equivalent Power ) Često se prag osjetljivosti određuje u frekventnom intervalu od 1 Hz pa se može napisati

φpr 1 = φpr sqrt(Δf)

Δf ndash efektivna širina pojasa propuštanja pojačavača na koji je vezan fotootpor

Recipročna vrijednost praga osjetljivosti naziva se detektivnost D Naravno ovi parametri se odnose i na druge fotoelemente a ne samo na fotootpore

Vrste šumova u fotootporima

Toplotni šum (terimčki bijeli šum Nikvistov šum)

Radijacioni ili fotonski šumEfekt sačmeGeneraciono rekombinacioni šumŠum tipa 1f

Toplotni šum

Termički ili Johnsonov šum predstavlja pojavu koja je svojstvena svim sistemima čija je apsolutna temperatura T veća od 0 K Termički šum otpora pojavljuje se u otpornicima zbog nepravilnog toplotnog kretanja elektrona a ovisan je o temperaturi Elektroni u kretanju ubrzani kolizijom s termički uzbuđenim molekulima proizvode promjenu magnetnog polja koja uzrokuje kretanje elektronskog plina (nagomilanih slobodnih elektrona) što na krajevima vodiča rezultira u naponu šuma

Daklenastaje zbog haotičnog kretanja elektrona kroz poluprovodnik a ovo kretanje je uzrokovano spoljašnjom toplotom jer je uvijek TgtT0 (T0 = - 27315oC ndash apsolutna temp)

Prema Nyquistovoj teoremi svaki otpor koji se pojavljuje kao izvor šuma može se nadomjestiti naponskim generatorom elektromotorne sile jednake eš=(4kTΔfRizl)12 i jednim bešumnim unutrašnjim otporom Rš s time što je Rš=Riz

Prema Nyquistu će dakle aritmetička sredina kvadrata elektromotorne sile šuma odnosno srednjekvadratna vrijednost napona ovog šuma je

eš

2 =lt u2gt=4kTΔfR

k ndash Bolcmanova constanta (1380662 x 10-23 JK)T ndash apsolutna temperaturaR ndash otpor fotootporaΔf ndash frekventno područje u kojem se vrše mjerenja

Maksimalna snaga šuma iznosi

Pš max = kTΔf

Iz ovog izraza se vidi da maksimalna snaga šuma ovisi od apsolutne temperature

i širine frekvencijskog opsega a ne od učestanosti na kojoj je on lociran Možemo dalje izračunati da je temperatura šuma

Tš = PškΔf

Dakle temperatura šuma je ona (pretpostavljena) temperatura pri kojoj bi na

izlazu iz nekog uređaja snaga samo termičkog šuma bila jednaka snazi ukupnog stvarnog šuma na radnoj temperaturi

Termički šum se pojavljuje u električnim mrežama prijemnim antenama mikrofonima poluprovodničkim elementima i sl

Ovaj šum se često spominje u literaturi jer on ima široki spektar frekvencija pa ga zato često nazivamo Gaussov bijeli šum (AWGN-Aditive White Gaussian Noisse)

Ako slučajni šum ima uniformnu spektralnu gustinu snage na čitavom opsegu frekvencija onda se takav šum naziva ldquobijeli šumrdquo po analogiji sa bijelom svjetlošću koja u vidljivom spektru ima uniformnu i kontiunalnu spektralnu gustinu snage

Bijeli šum

Termički šum i šum efekta sačme generiraju bijeli šum Frekvencijski spektar snage bijelog šuma predstavljen je na slici Iz njega se vidi da on ima ravnu karakteristiku

Spektralna gustina snage bijelog šuma je Sn(ω)= No 2

No [WHz] ndash spektralna gustina snage šuma

Kojeficijent frac12 je uključen da bi pokazao da je

jedna polovina snage na pozitivnim a druga polovina snage na negativnim frekvencijama kao što je pokazano na slici pod a)

Autokorelaciona funkcija bijelog šuma je prikazana na slici pod b)

Trenutne vrijednosti bijelog šuma su potpuno nekorelisane pa se zato kaže da je bijeli šum apsolutno slučajan proces

Efekt sačme

Efekt sačme ndash Šum efekta sačme (zove se još i šot-efekt ili šrot-efekt od englshot i njem Schrott sačma) je šum koji ne nastaje kod fotootpora već kod fotoelemenata koji imaju p ndash n prelaze

Npr kod diode elektroni prelaze iz n ndash tipa u p ndash tip a šupljine obratno S obzirom da u svakoj jedinici vremena ne prolazi isti broj nosilaca elektrona i šupljina već se opažaju fluktuacije koje daju ovaj šum

Srednjekvadratna vrijednost struje šuma uslijed efekta sačme izražava se Šotkijevom jednačinom

lti2gt = 2RI0qΔf

I0 ndash srednja struja koja protiče kroz p ndash n prelaz

Δf ndash interval posmatrfrekvencijaq ndash naelektrisanje elektrona odnosno šupljina

Pojavljuje se u poluprovodnicima i elektronskim cijevima

Radijacioni ili fotonski šum ndash nastaje zbog fluktuacije svjetlosti ( broja fotona ) koja pada na fotootpor bilo iz okoline ili iz izvora svjetlosti

Generaciono rekombinacioni šum ndash nastaje zbog fluktuacije u brzinama generacije i rekombinacije nosilaca elektriciteta To znači da u istim vremenskim intervalima ne nastaje i ne rekombinuje se isti broj parova elektron ndash šupljina

Šum tipa 1f - nastaje na niskim frekvencijama zbog postojanja površinskih stanja zatim zbog nastajanja potencijalnih barijera na kontaktima kao i u unutrašnjosti poluprovodnika Sa porastom frekvencije intenzitet ovog šuma opada zato ga i nazivamo 1f tip šuma

Izvori navedenih šumova statistički su neovisni pa je srednjekvadratna vrijednost napona ili struje ukupnog šuma jednaka zbiru srednjekvadratnih vrijednosti napona ili struje pojedinih komponenti

Vrste fotootpora

1) Selenski fotootpori2) Fotootpori na bazi talijum sulfida ( Tl2S )

3) Fotootpori na bazi bizmut ndash sulfida ( Bi2S3 )

4) Fotootpori na bazi olovnog sulfida ( PbS )

Selenski fotootpori

To su najstariji fotootpori i izrađeni su od elemenata selena (Se) ndash poluprovodnika

Pri slaboj osvjetljenosti i naponu od 100 V imaju integralnu osvjetljivost od 01 ndash 3 mA lm Tamni otpor im iznosi od 104 do 108 W Spektralna karakteristika im je slična ljudskom oku koje je najosjetljivije na l = 055mm što predstavlja zelenu svjetlost

Prikazana kriva se odnosi na dnevnu svjetlost a u sumrak se pomjera ka nižim talasnim dužinama

Nedostatak ovih fotootpora je njihova inertnost to znači ako se selen osvjetljava sa isprekidanom svjetlošću frekvencije iznad 100 Hz naglo gubi svoju osjetljivost (čak za 75)

Fotootpori na bazi talijum sulfida ( Tl2S )

Proizvedeni su 1917 god i imaju veliku osjetljivost koja ponekada iznosi i 2 Alm tamni otpor im iznosi 2x105 ndash 108 W Nedostatak im je što veoma brzo stare što dovodi do nestabilnosti njihovih karakteristika

Fotootpori na bazi bizmut ndash sulfida ( Bi2S3 )

Tamni otpor im je 2x105 ndash 107 W radni napon od 50 ndash 80 V integralna osjetljivost iznosi oko 50 mAlm manje su inertni od prethodna dva tipa Glavni nedostatak im je taj što im se mijenja režim rada pri promjeni temperature

Fotootpori na bazi olovnog sulfida ( PbS ) Integralna osjetljivost im je oko 10 mAlm tamni otpor od 105 ndash 107

W Glavna njihova prednost je mala inercija a nedostatak je osjetljivost na promjenu temperature

Pored nabrojanih fotootpora susrećemo jos i fotootpore na bazi kadmijuma (CdS CdSe itd)

Pri upoređivanju fotootpora pored nabrojanih karakteristika treba obratiti pažnju i na zavisnost pada napona na fotootporu od struje koja kroz njega protiče na frekventnu i spektralnu karakteristiku itd

Fotoelementi

Predstavljaju elektronske komponente koje pri osvjetljavanju daju elektromotornu silu Ako se uključi u zatvoreno kolo sa omskim otporima i osvjetli kroz kolo će proticati struja iako se u kolu ne nalazi nikakav drugi izvor ems U tome je bitna razlika između fotootpora i fotoelemenata iako obje vrste komponenti rade na principu unutrašnjeg fotoefekta

Kod fotoelemenata je potrebno poznavati zavisnost ems od svjetlosnog fluksa (gornja slika) konstrukciju fotoelemenata (donja slika) spektralnu karakteristiku integralnu osjetljivost koeficijent korisnog dejstva itd

SUMEJA DOLJANČIĆEMINA EGRLIĆ

Hvala na pažnji

• Unutrašnji fotoefekat
• Unutrašnji fotoefekat (2)
• Slide 3
• Slide 4
• Osnovni mehanizmi apsorpcije
• Sopstvena (fundamentalna) apsorpcija
• Primjesna apsorpcija
• Akceptorsko-donorska apsorpcija
• Slide 9
• Fotoprovodnost
• Foto ems
• Slide 12
• Slide 13
• Fotootpori
• Slide 15
• Slide 16
• Spektralna osjetljivost
• Prag osjetljivosti
• Vrste šumova u fotootporima
• Toplotni šum
• Slide 21
• Bijeli šum
• Efekt sačme
• Slide 24
• Vrste fotootpora
• Selenski fotootpori
• Slide 27
• Fotoelementi
• Slide 29
• Hvala na pažnji

Primjesna apsorpcija

nastaje kada upadna svjetlost jonizuje atom primjese odnosno kada na račun energije svjetlosti elektron pređe iz valentne zone na akceptorski nivo slučaj (2a) ili sa donorskog nivoa u slobodnu zonu (2b)

Akceptorsko-donorska apsorpcija

nastaje prelaskom elektrona sa akceptorskog na donorske nivoe slučaj (3) pod uticajem svjetlosti

Apsorpcija slobodnih nosilaca elektriciteta ndash nastaje kada se energija svjetlosti troši na ubrzavanje šupljina i elektrona unutar valentne odnosno slobodne zone

Apsorpcija kristalne rešetke ndash nastaje kada se energija upadne svjetlosti troši na povećanje oscilacija atoma u čvorovima rešetke

Eksitonska apsorpcija ndash nastaje kada poluprovodnik apsorbuje fotone tako da se energija svjetlosti troši na stvaranje vezanih parova elektron-šupljina koje nazivamo eksitonima Elektron u valentnoj zoni apsorbuje foton i pri tome ne napušta atom već prelazi u pobuđeno stanje obrazujući sa šupljinom vezano stanje na bazi Kulonove sile Energija eksitona je manja od širine zabranjene zone i iznosi reda 4 meV Eksiton se može kretati kroz kristal

Plazmena apsorpcija - nastaje apsorpcijom svjetlosti koju vrše svi slobodni elektroni i šipljine

Fotoprovodnost

Može nastati na dva načinaa) Osvjetljavanjem poluprovodnika Elektroni iz valnetne zone prelaze u provodnu zonu čime se povećava provodnost

poluprovodnika zbog povećanja broja nsoilaca naelektrisanja odnosno koncentracije elektrona u provodnoj zoni Ako se priraštaj koncentracije elekrona u provodnj zovni poveća za Δn tada će se provodnost poluprovodnika povećati za ΔG tako da se može napisati za n-tip poluprovodnika

ΔG = qmiddotμnmiddotΔn (1)

μnndash pokretljivost elektrona

q ndash naelektrisanje Δn ndash priraštaj koncentracije elektrona u provodnoj zoni

b) Energija svjetlosti može utjecati na povećanje pokretljivosti elektrona u kristalnoj rešetki pa se može napisati

ΔGμ = qmiddotnmiddotΔμn (2)

ΔGμ - priraštaj poluprovodnika na račun povećne pokretljivosti(μn)n - koncentracija elektrona

Na provodnost poluprovodnika uglavnom utiče promjena koncentracije nosilaca elektriciteta (jednačina (1)) tako da se uticaj promjene pokretljivosti nosilaca elektriciteta praktično zanemaruje

Foto ems

Kada se p-n poluprovodnik ne osvjetljava tada se može pisati da je IpD + InD = IpP + InP

IpD = IpP i InD = InP

IpD ndash difuzina struja šupljina

InD ndash difuziona struja elektrona

IpP ndash struja provodnosti šupljina i

InP ndash struja provodnosti elektrona

Algebarski zbir sve četiri komponente struje mora biti jednak nuli ako na p-n poluprovodnik ne djeluje spoljašnji izvor

Ukoliko se osvjetli poluprovodnik n-tipa tada će se u njemu generisati parovi elktron-šupljina Pri tome će najveći dio elektrona ostati u poluprovodniku n-tipa a samo neznatan dio će prodrijeti kroz potencijalnu barijeru (zaporni sloj) i dospjet će u poluprovodnik p-tipa Međutim šupljine nastale u poluprovodniku n-tipa ponašaju se sasvim drugačije Ako su šupljine nastale u zapornom sloju poluprovodnika n-tipa tada ih zahvata električno polje E i prebacuje u poluprovodnik p-tipa Isto važi i za šupljine koje su nastale pod utjecajem svjetlosti u blizini zapornog sloja u poluprovodniku n-tipa dok će šupljine nastale u dubini poluprovodnika n-tipa difundirati prema zapornom sloju dok ne dođe do rekombinacije Na potpuno isti naćin se ponašaju i elektroni koji su nastali osvjetljavanjem poluprovodnika p-tipa Pojava dopunske koncentracije šupljina u poluprovodniku p-tipa kao i dopunske koncentracije elektrona u poluprovodniku n-tipa prouzrokovat će smanjenje visine potencijalne barijere tako da će kroz zaporni sloj proticati neka struja IΦ čija jačina zavisi od intenziteta svjetlosti Ovu struju nazivamo foto-strujom Da bsimo izračunali jačinu fotostruej uzet ćemo u obzir da se smanjenjem potencijalne barijere difuziona komponenta struje povećava dok se komponenta struje provodnosti ostaje ista Označivši struje u novim uslovima sa rsquo lsquorsquo možemo napisati izraze za poluprovodnik n-tipa

IpP = IpP

IlsquonD = InDmiddote^(q UΦ kT)

gdje smo se kao i obično koristili Bolcmanovom raspodjelom Sa UΦ je označena foto-ems koja je nastala pod uticajem svjetlosti Analogno se može napisati za

poluprovodnik p-tipaInP = InP

IlsquopD = IpDmiddote^(q UΦ kT)

Struje IpP i InP predstavljaju inverzne struje zasićenja pa ih slično kao i pri opisivanju karakteristike diode možemo označiti kao IpP + InP = I0 Ako se poluprovodnik na slici 3 nalazi u praznom hodu tada ukupna struja kroz osvijetljenu diodu mora biti nula tako da se može napisati

IΦ + IpP ndash InD + InP ndash IpD = 0

IpΦ + InΦ = IΦ

gdje su IpΦ i InΦ komponente fotostruje šupljina i elektrona Na osnovu prethodnih jednačina dobija se

I0 + IΦ - InDmiddote^(q UΦ kT) - IpDmiddote^(q UΦ kT) = 0

I0 + IΦ -(InD + IpD)middote^(q UΦ kT) = 0

IΦ = I0 (e^(q UΦ kT )- 1)

Odavde se logaritmiranjem dobija

UΦ = (kTq )middotln (IΦ I0 -1)

To je napon praznog hoda fotoelementa Ako se između katoda i anode uključi otpor R tada će pod uticajem foto-ems u spoljašnjem kolu proteći struja IR i nastaće pad napona IRmiddotR

Pod uticajem svjetlosti između anode i katode pojavljuje se napon UΦ (UΦ ~ 03 V) što znači da ova dioda pretvara svjetlost u električnu energiju jer kroz spoljašnje kolo teče struja (Id) tako da ovu diodu možemo koristiti kao izvor napona (UΦ) Ovakvu diodu nazivamo fotonaponskim elementom ili solarnom ćelijom

Ako solarne ćelije vežemo u seriju dobićemo željeni napon a ako želimo veće struje onda ih vežemo paralelno S obzirom da su nam u praksi potrebne veće snage (IΦmiddotUΦ) ove se diode vežu u seriju a onda serijski lanci paralelno Koeficijent korisnog dejstva kod solarnih ćelija je mali reda nekoliko procenata pa je zbog toga ova električna energija skuplja od one koju daje gradska mreža

Fotootpori

Fotootpori se izrađuju u obliku folija i pločica od nekog fotoosjetljivog poluprovodnika Takva folija ili pločica ima dva omska kontakta kojima se uključuje u električno kolo Dakle fotootpori su elementi čija se otpornost mijenja pod uticajem svjetlosti tj R = f( Ф) Izrađuju se od različitih poluprovodnika a najčešće od raznih jedinjenja na bazi sumpora selena telura olova bizmuta GaAs itd Poluprovodnik se specijalnim tehnološkim postupkom nanosi na neki izolator a zatim se ugrađuju elektrode

U kolo jednosmjerne ili naizmjenične struje fotootpori se uključuju na isti način kao i obični otpori Kada se fotootpor osvjetljava smanjuje mu se otpor pa kroz kolo poteče jača struja ako su elektrode priključene na neki napon (bateriju) Jačina struje zavisi od jačine svjetlosti I = f( Ф)

Osnovni parametri fotootpora su - maksimalno dozvoljeni napon - maksimalna disipacija snage - tamni otpor i tamna struja - vremenska konstanta - spektralna i integralna osjetljivost - prag osjetljivosti

Spektralna osjetljivost ndashdefiniše se kao odnos između fotostruje kroz fotootpor i svjetlosnog fluksa pri određenom naponu na fotootporu dok se svjetlosni fluks uzima iz odgovarajućeg monohromatičnog izvora

Provodnost fotootpora ne zavisi samo od jačine svjetlosti već i od frekvencije svjetlosti kojom je osvjetljen

Upravo zato se određuje i spektralna osjetljivost Si (f) i Su (f) U ovom slučaju fotootpor osvjetljavamo iz izvora svjetlosti frekvencije (f) (talasne dužine l) i mjerimo spektralnu osjetljivost na isti način kao i integralnu i izražavamo istim jednačinama i jedinicama

Integralna osjetljivost izražena preko struje Si = I φ [A lm] ili Si = I P [A W]

F - svjetlosni fluks u lumenimaP - snaga svjetlosnog izvora u vatima Integralna osjetljivost izražena preko napona

Siu = U φ [V lm] ili Su = IU P [V W]

S obzirom da osjetljivost fotootpora zavisi od talasne dužine svjetlosti možemo za svaki fotootpor eksperimentalno odrediti njegovu spektralnu karakteristiku koja je predstavljena na slici pril = l0 Si (l) = Si (l0)

U praksi se ova karakteristika obično izražava u relativnim jedinicama Pri odgovarajućoj frekvenciji svjetlosti fotootpor provodi maksimalnu struju tj ima maksimalnu osjetljivost

Ako se ova struja označi sa 1 ili 100 tada se pri različitim frekvencijama svjetlosti dobijaju različite vrijednosti za fotostruju koje se mogu izraziti u procentima u odnosu na maksimalnu struju

Spektralna osjetljivost

Prag osjetljivosti

Definiše se snagom zračenja svetlosnog izvora koja stvara signal (naponski ili strujni) na fotootporu koji je jednak signalu šuma Odnosno prag osjetljivosti obično definišemo na osnovu odnosa signal + šum tako da pri SN = 1 dobijamo prag osjetljivosti

Upravo zbog praga osjetljivosti moramo voditi računa o šumu koji nastaje u fotootporu Pošto je fotoosjetljivi sloj poluprovodnik u ovom sloju i nastaju šumovi karakteristični i za druge poluprovodnike

Ako naponski prag označimo sa ( Fpr ) možemo napisati

φpr =sqrt(ltU2gt) Su

U literaturi na engleskom jeziku ova veličina se naziva ekvivalentnom snagom šuma i označava se

sa NEP( Noise Equivalent Power ) Često se prag osjetljivosti određuje u frekventnom intervalu od 1 Hz pa se može napisati

φpr 1 = φpr sqrt(Δf)

Δf ndash efektivna širina pojasa propuštanja pojačavača na koji je vezan fotootpor

Recipročna vrijednost praga osjetljivosti naziva se detektivnost D Naravno ovi parametri se odnose i na druge fotoelemente a ne samo na fotootpore

Vrste šumova u fotootporima

Toplotni šum (terimčki bijeli šum Nikvistov šum)

Radijacioni ili fotonski šumEfekt sačmeGeneraciono rekombinacioni šumŠum tipa 1f

Toplotni šum

Termički ili Johnsonov šum predstavlja pojavu koja je svojstvena svim sistemima čija je apsolutna temperatura T veća od 0 K Termički šum otpora pojavljuje se u otpornicima zbog nepravilnog toplotnog kretanja elektrona a ovisan je o temperaturi Elektroni u kretanju ubrzani kolizijom s termički uzbuđenim molekulima proizvode promjenu magnetnog polja koja uzrokuje kretanje elektronskog plina (nagomilanih slobodnih elektrona) što na krajevima vodiča rezultira u naponu šuma

Daklenastaje zbog haotičnog kretanja elektrona kroz poluprovodnik a ovo kretanje je uzrokovano spoljašnjom toplotom jer je uvijek TgtT0 (T0 = - 27315oC ndash apsolutna temp)

Prema Nyquistovoj teoremi svaki otpor koji se pojavljuje kao izvor šuma može se nadomjestiti naponskim generatorom elektromotorne sile jednake eš=(4kTΔfRizl)12 i jednim bešumnim unutrašnjim otporom Rš s time što je Rš=Riz

Prema Nyquistu će dakle aritmetička sredina kvadrata elektromotorne sile šuma odnosno srednjekvadratna vrijednost napona ovog šuma je

eš

2 =lt u2gt=4kTΔfR

k ndash Bolcmanova constanta (1380662 x 10-23 JK)T ndash apsolutna temperaturaR ndash otpor fotootporaΔf ndash frekventno područje u kojem se vrše mjerenja

Maksimalna snaga šuma iznosi

Pš max = kTΔf

Iz ovog izraza se vidi da maksimalna snaga šuma ovisi od apsolutne temperature

i širine frekvencijskog opsega a ne od učestanosti na kojoj je on lociran Možemo dalje izračunati da je temperatura šuma

Tš = PškΔf

Dakle temperatura šuma je ona (pretpostavljena) temperatura pri kojoj bi na

izlazu iz nekog uređaja snaga samo termičkog šuma bila jednaka snazi ukupnog stvarnog šuma na radnoj temperaturi

Termički šum se pojavljuje u električnim mrežama prijemnim antenama mikrofonima poluprovodničkim elementima i sl

Ovaj šum se često spominje u literaturi jer on ima široki spektar frekvencija pa ga zato često nazivamo Gaussov bijeli šum (AWGN-Aditive White Gaussian Noisse)

Ako slučajni šum ima uniformnu spektralnu gustinu snage na čitavom opsegu frekvencija onda se takav šum naziva ldquobijeli šumrdquo po analogiji sa bijelom svjetlošću koja u vidljivom spektru ima uniformnu i kontiunalnu spektralnu gustinu snage

Bijeli šum

Termički šum i šum efekta sačme generiraju bijeli šum Frekvencijski spektar snage bijelog šuma predstavljen je na slici Iz njega se vidi da on ima ravnu karakteristiku

Spektralna gustina snage bijelog šuma je Sn(ω)= No 2

No [WHz] ndash spektralna gustina snage šuma

Kojeficijent frac12 je uključen da bi pokazao da je

jedna polovina snage na pozitivnim a druga polovina snage na negativnim frekvencijama kao što je pokazano na slici pod a)

Autokorelaciona funkcija bijelog šuma je prikazana na slici pod b)

Trenutne vrijednosti bijelog šuma su potpuno nekorelisane pa se zato kaže da je bijeli šum apsolutno slučajan proces

Efekt sačme

Efekt sačme ndash Šum efekta sačme (zove se još i šot-efekt ili šrot-efekt od englshot i njem Schrott sačma) je šum koji ne nastaje kod fotootpora već kod fotoelemenata koji imaju p ndash n prelaze

Npr kod diode elektroni prelaze iz n ndash tipa u p ndash tip a šupljine obratno S obzirom da u svakoj jedinici vremena ne prolazi isti broj nosilaca elektrona i šupljina već se opažaju fluktuacije koje daju ovaj šum

Srednjekvadratna vrijednost struje šuma uslijed efekta sačme izražava se Šotkijevom jednačinom

lti2gt = 2RI0qΔf

I0 ndash srednja struja koja protiče kroz p ndash n prelaz

Δf ndash interval posmatrfrekvencijaq ndash naelektrisanje elektrona odnosno šupljina

Pojavljuje se u poluprovodnicima i elektronskim cijevima

Radijacioni ili fotonski šum ndash nastaje zbog fluktuacije svjetlosti ( broja fotona ) koja pada na fotootpor bilo iz okoline ili iz izvora svjetlosti

Generaciono rekombinacioni šum ndash nastaje zbog fluktuacije u brzinama generacije i rekombinacije nosilaca elektriciteta To znači da u istim vremenskim intervalima ne nastaje i ne rekombinuje se isti broj parova elektron ndash šupljina

Šum tipa 1f - nastaje na niskim frekvencijama zbog postojanja površinskih stanja zatim zbog nastajanja potencijalnih barijera na kontaktima kao i u unutrašnjosti poluprovodnika Sa porastom frekvencije intenzitet ovog šuma opada zato ga i nazivamo 1f tip šuma

Izvori navedenih šumova statistički su neovisni pa je srednjekvadratna vrijednost napona ili struje ukupnog šuma jednaka zbiru srednjekvadratnih vrijednosti napona ili struje pojedinih komponenti

Vrste fotootpora

1) Selenski fotootpori2) Fotootpori na bazi talijum sulfida ( Tl2S )

3) Fotootpori na bazi bizmut ndash sulfida ( Bi2S3 )

4) Fotootpori na bazi olovnog sulfida ( PbS )

Selenski fotootpori

To su najstariji fotootpori i izrađeni su od elemenata selena (Se) ndash poluprovodnika

Pri slaboj osvjetljenosti i naponu od 100 V imaju integralnu osvjetljivost od 01 ndash 3 mA lm Tamni otpor im iznosi od 104 do 108 W Spektralna karakteristika im je slična ljudskom oku koje je najosjetljivije na l = 055mm što predstavlja zelenu svjetlost

Prikazana kriva se odnosi na dnevnu svjetlost a u sumrak se pomjera ka nižim talasnim dužinama

Nedostatak ovih fotootpora je njihova inertnost to znači ako se selen osvjetljava sa isprekidanom svjetlošću frekvencije iznad 100 Hz naglo gubi svoju osjetljivost (čak za 75)

Fotootpori na bazi talijum sulfida ( Tl2S )

Proizvedeni su 1917 god i imaju veliku osjetljivost koja ponekada iznosi i 2 Alm tamni otpor im iznosi 2x105 ndash 108 W Nedostatak im je što veoma brzo stare što dovodi do nestabilnosti njihovih karakteristika

Fotootpori na bazi bizmut ndash sulfida ( Bi2S3 )

Tamni otpor im je 2x105 ndash 107 W radni napon od 50 ndash 80 V integralna osjetljivost iznosi oko 50 mAlm manje su inertni od prethodna dva tipa Glavni nedostatak im je taj što im se mijenja režim rada pri promjeni temperature

Fotootpori na bazi olovnog sulfida ( PbS ) Integralna osjetljivost im je oko 10 mAlm tamni otpor od 105 ndash 107

W Glavna njihova prednost je mala inercija a nedostatak je osjetljivost na promjenu temperature

Pored nabrojanih fotootpora susrećemo jos i fotootpore na bazi kadmijuma (CdS CdSe itd)

Pri upoređivanju fotootpora pored nabrojanih karakteristika treba obratiti pažnju i na zavisnost pada napona na fotootporu od struje koja kroz njega protiče na frekventnu i spektralnu karakteristiku itd

Fotoelementi

Predstavljaju elektronske komponente koje pri osvjetljavanju daju elektromotornu silu Ako se uključi u zatvoreno kolo sa omskim otporima i osvjetli kroz kolo će proticati struja iako se u kolu ne nalazi nikakav drugi izvor ems U tome je bitna razlika između fotootpora i fotoelemenata iako obje vrste komponenti rade na principu unutrašnjeg fotoefekta

Kod fotoelemenata je potrebno poznavati zavisnost ems od svjetlosnog fluksa (gornja slika) konstrukciju fotoelemenata (donja slika) spektralnu karakteristiku integralnu osjetljivost koeficijent korisnog dejstva itd

SUMEJA DOLJANČIĆEMINA EGRLIĆ

Hvala na pažnji

• Unutrašnji fotoefekat
• Unutrašnji fotoefekat (2)
• Slide 3
• Slide 4
• Osnovni mehanizmi apsorpcije
• Sopstvena (fundamentalna) apsorpcija
• Primjesna apsorpcija
• Akceptorsko-donorska apsorpcija
• Slide 9
• Fotoprovodnost
• Foto ems
• Slide 12
• Slide 13
• Fotootpori
• Slide 15
• Slide 16
• Spektralna osjetljivost
• Prag osjetljivosti
• Vrste šumova u fotootporima
• Toplotni šum
• Slide 21
• Bijeli šum
• Efekt sačme
• Slide 24
• Vrste fotootpora
• Selenski fotootpori
• Slide 27
• Fotoelementi
• Slide 29
• Hvala na pažnji

Akceptorsko-donorska apsorpcija

nastaje prelaskom elektrona sa akceptorskog na donorske nivoe slučaj (3) pod uticajem svjetlosti

Apsorpcija slobodnih nosilaca elektriciteta ndash nastaje kada se energija svjetlosti troši na ubrzavanje šupljina i elektrona unutar valentne odnosno slobodne zone

Apsorpcija kristalne rešetke ndash nastaje kada se energija upadne svjetlosti troši na povećanje oscilacija atoma u čvorovima rešetke

Eksitonska apsorpcija ndash nastaje kada poluprovodnik apsorbuje fotone tako da se energija svjetlosti troši na stvaranje vezanih parova elektron-šupljina koje nazivamo eksitonima Elektron u valentnoj zoni apsorbuje foton i pri tome ne napušta atom već prelazi u pobuđeno stanje obrazujući sa šupljinom vezano stanje na bazi Kulonove sile Energija eksitona je manja od širine zabranjene zone i iznosi reda 4 meV Eksiton se može kretati kroz kristal

Plazmena apsorpcija - nastaje apsorpcijom svjetlosti koju vrše svi slobodni elektroni i šipljine

Fotoprovodnost

Može nastati na dva načinaa) Osvjetljavanjem poluprovodnika Elektroni iz valnetne zone prelaze u provodnu zonu čime se povećava provodnost

poluprovodnika zbog povećanja broja nsoilaca naelektrisanja odnosno koncentracije elektrona u provodnoj zoni Ako se priraštaj koncentracije elekrona u provodnj zovni poveća za Δn tada će se provodnost poluprovodnika povećati za ΔG tako da se može napisati za n-tip poluprovodnika

ΔG = qmiddotμnmiddotΔn (1)

μnndash pokretljivost elektrona

q ndash naelektrisanje Δn ndash priraštaj koncentracije elektrona u provodnoj zoni

b) Energija svjetlosti može utjecati na povećanje pokretljivosti elektrona u kristalnoj rešetki pa se može napisati

ΔGμ = qmiddotnmiddotΔμn (2)

ΔGμ - priraštaj poluprovodnika na račun povećne pokretljivosti(μn)n - koncentracija elektrona

Na provodnost poluprovodnika uglavnom utiče promjena koncentracije nosilaca elektriciteta (jednačina (1)) tako da se uticaj promjene pokretljivosti nosilaca elektriciteta praktično zanemaruje

Foto ems

Kada se p-n poluprovodnik ne osvjetljava tada se može pisati da je IpD + InD = IpP + InP

IpD = IpP i InD = InP

IpD ndash difuzina struja šupljina

InD ndash difuziona struja elektrona

IpP ndash struja provodnosti šupljina i

InP ndash struja provodnosti elektrona

Algebarski zbir sve četiri komponente struje mora biti jednak nuli ako na p-n poluprovodnik ne djeluje spoljašnji izvor

Ukoliko se osvjetli poluprovodnik n-tipa tada će se u njemu generisati parovi elktron-šupljina Pri tome će najveći dio elektrona ostati u poluprovodniku n-tipa a samo neznatan dio će prodrijeti kroz potencijalnu barijeru (zaporni sloj) i dospjet će u poluprovodnik p-tipa Međutim šupljine nastale u poluprovodniku n-tipa ponašaju se sasvim drugačije Ako su šupljine nastale u zapornom sloju poluprovodnika n-tipa tada ih zahvata električno polje E i prebacuje u poluprovodnik p-tipa Isto važi i za šupljine koje su nastale pod utjecajem svjetlosti u blizini zapornog sloja u poluprovodniku n-tipa dok će šupljine nastale u dubini poluprovodnika n-tipa difundirati prema zapornom sloju dok ne dođe do rekombinacije Na potpuno isti naćin se ponašaju i elektroni koji su nastali osvjetljavanjem poluprovodnika p-tipa Pojava dopunske koncentracije šupljina u poluprovodniku p-tipa kao i dopunske koncentracije elektrona u poluprovodniku n-tipa prouzrokovat će smanjenje visine potencijalne barijere tako da će kroz zaporni sloj proticati neka struja IΦ čija jačina zavisi od intenziteta svjetlosti Ovu struju nazivamo foto-strujom Da bsimo izračunali jačinu fotostruej uzet ćemo u obzir da se smanjenjem potencijalne barijere difuziona komponenta struje povećava dok se komponenta struje provodnosti ostaje ista Označivši struje u novim uslovima sa rsquo lsquorsquo možemo napisati izraze za poluprovodnik n-tipa

IpP = IpP

IlsquonD = InDmiddote^(q UΦ kT)

gdje smo se kao i obično koristili Bolcmanovom raspodjelom Sa UΦ je označena foto-ems koja je nastala pod uticajem svjetlosti Analogno se može napisati za

poluprovodnik p-tipaInP = InP

IlsquopD = IpDmiddote^(q UΦ kT)

Struje IpP i InP predstavljaju inverzne struje zasićenja pa ih slično kao i pri opisivanju karakteristike diode možemo označiti kao IpP + InP = I0 Ako se poluprovodnik na slici 3 nalazi u praznom hodu tada ukupna struja kroz osvijetljenu diodu mora biti nula tako da se može napisati

IΦ + IpP ndash InD + InP ndash IpD = 0

IpΦ + InΦ = IΦ

gdje su IpΦ i InΦ komponente fotostruje šupljina i elektrona Na osnovu prethodnih jednačina dobija se

I0 + IΦ - InDmiddote^(q UΦ kT) - IpDmiddote^(q UΦ kT) = 0

I0 + IΦ -(InD + IpD)middote^(q UΦ kT) = 0

IΦ = I0 (e^(q UΦ kT )- 1)

Odavde se logaritmiranjem dobija

UΦ = (kTq )middotln (IΦ I0 -1)

To je napon praznog hoda fotoelementa Ako se između katoda i anode uključi otpor R tada će pod uticajem foto-ems u spoljašnjem kolu proteći struja IR i nastaće pad napona IRmiddotR

Pod uticajem svjetlosti između anode i katode pojavljuje se napon UΦ (UΦ ~ 03 V) što znači da ova dioda pretvara svjetlost u električnu energiju jer kroz spoljašnje kolo teče struja (Id) tako da ovu diodu možemo koristiti kao izvor napona (UΦ) Ovakvu diodu nazivamo fotonaponskim elementom ili solarnom ćelijom

Ako solarne ćelije vežemo u seriju dobićemo željeni napon a ako želimo veće struje onda ih vežemo paralelno S obzirom da su nam u praksi potrebne veće snage (IΦmiddotUΦ) ove se diode vežu u seriju a onda serijski lanci paralelno Koeficijent korisnog dejstva kod solarnih ćelija je mali reda nekoliko procenata pa je zbog toga ova električna energija skuplja od one koju daje gradska mreža

Fotootpori

Fotootpori se izrađuju u obliku folija i pločica od nekog fotoosjetljivog poluprovodnika Takva folija ili pločica ima dva omska kontakta kojima se uključuje u električno kolo Dakle fotootpori su elementi čija se otpornost mijenja pod uticajem svjetlosti tj R = f( Ф) Izrađuju se od različitih poluprovodnika a najčešće od raznih jedinjenja na bazi sumpora selena telura olova bizmuta GaAs itd Poluprovodnik se specijalnim tehnološkim postupkom nanosi na neki izolator a zatim se ugrađuju elektrode

U kolo jednosmjerne ili naizmjenične struje fotootpori se uključuju na isti način kao i obični otpori Kada se fotootpor osvjetljava smanjuje mu se otpor pa kroz kolo poteče jača struja ako su elektrode priključene na neki napon (bateriju) Jačina struje zavisi od jačine svjetlosti I = f( Ф)

Osnovni parametri fotootpora su - maksimalno dozvoljeni napon - maksimalna disipacija snage - tamni otpor i tamna struja - vremenska konstanta - spektralna i integralna osjetljivost - prag osjetljivosti

Spektralna osjetljivost ndashdefiniše se kao odnos između fotostruje kroz fotootpor i svjetlosnog fluksa pri određenom naponu na fotootporu dok se svjetlosni fluks uzima iz odgovarajućeg monohromatičnog izvora

Provodnost fotootpora ne zavisi samo od jačine svjetlosti već i od frekvencije svjetlosti kojom je osvjetljen

Upravo zato se određuje i spektralna osjetljivost Si (f) i Su (f) U ovom slučaju fotootpor osvjetljavamo iz izvora svjetlosti frekvencije (f) (talasne dužine l) i mjerimo spektralnu osjetljivost na isti način kao i integralnu i izražavamo istim jednačinama i jedinicama

Integralna osjetljivost izražena preko struje Si = I φ [A lm] ili Si = I P [A W]

F - svjetlosni fluks u lumenimaP - snaga svjetlosnog izvora u vatima Integralna osjetljivost izražena preko napona

Siu = U φ [V lm] ili Su = IU P [V W]

S obzirom da osjetljivost fotootpora zavisi od talasne dužine svjetlosti možemo za svaki fotootpor eksperimentalno odrediti njegovu spektralnu karakteristiku koja je predstavljena na slici pril = l0 Si (l) = Si (l0)

U praksi se ova karakteristika obično izražava u relativnim jedinicama Pri odgovarajućoj frekvenciji svjetlosti fotootpor provodi maksimalnu struju tj ima maksimalnu osjetljivost

Ako se ova struja označi sa 1 ili 100 tada se pri različitim frekvencijama svjetlosti dobijaju različite vrijednosti za fotostruju koje se mogu izraziti u procentima u odnosu na maksimalnu struju

Spektralna osjetljivost

Prag osjetljivosti

Definiše se snagom zračenja svetlosnog izvora koja stvara signal (naponski ili strujni) na fotootporu koji je jednak signalu šuma Odnosno prag osjetljivosti obično definišemo na osnovu odnosa signal + šum tako da pri SN = 1 dobijamo prag osjetljivosti

Upravo zbog praga osjetljivosti moramo voditi računa o šumu koji nastaje u fotootporu Pošto je fotoosjetljivi sloj poluprovodnik u ovom sloju i nastaju šumovi karakteristični i za druge poluprovodnike

Ako naponski prag označimo sa ( Fpr ) možemo napisati

φpr =sqrt(ltU2gt) Su

U literaturi na engleskom jeziku ova veličina se naziva ekvivalentnom snagom šuma i označava se

sa NEP( Noise Equivalent Power ) Često se prag osjetljivosti određuje u frekventnom intervalu od 1 Hz pa se može napisati

φpr 1 = φpr sqrt(Δf)

Δf ndash efektivna širina pojasa propuštanja pojačavača na koji je vezan fotootpor

Recipročna vrijednost praga osjetljivosti naziva se detektivnost D Naravno ovi parametri se odnose i na druge fotoelemente a ne samo na fotootpore

Vrste šumova u fotootporima

Toplotni šum (terimčki bijeli šum Nikvistov šum)

Radijacioni ili fotonski šumEfekt sačmeGeneraciono rekombinacioni šumŠum tipa 1f

Toplotni šum

Termički ili Johnsonov šum predstavlja pojavu koja je svojstvena svim sistemima čija je apsolutna temperatura T veća od 0 K Termički šum otpora pojavljuje se u otpornicima zbog nepravilnog toplotnog kretanja elektrona a ovisan je o temperaturi Elektroni u kretanju ubrzani kolizijom s termički uzbuđenim molekulima proizvode promjenu magnetnog polja koja uzrokuje kretanje elektronskog plina (nagomilanih slobodnih elektrona) što na krajevima vodiča rezultira u naponu šuma

Daklenastaje zbog haotičnog kretanja elektrona kroz poluprovodnik a ovo kretanje je uzrokovano spoljašnjom toplotom jer je uvijek TgtT0 (T0 = - 27315oC ndash apsolutna temp)

Prema Nyquistovoj teoremi svaki otpor koji se pojavljuje kao izvor šuma može se nadomjestiti naponskim generatorom elektromotorne sile jednake eš=(4kTΔfRizl)12 i jednim bešumnim unutrašnjim otporom Rš s time što je Rš=Riz

Prema Nyquistu će dakle aritmetička sredina kvadrata elektromotorne sile šuma odnosno srednjekvadratna vrijednost napona ovog šuma je

eš

2 =lt u2gt=4kTΔfR

k ndash Bolcmanova constanta (1380662 x 10-23 JK)T ndash apsolutna temperaturaR ndash otpor fotootporaΔf ndash frekventno područje u kojem se vrše mjerenja

Maksimalna snaga šuma iznosi

Pš max = kTΔf

Iz ovog izraza se vidi da maksimalna snaga šuma ovisi od apsolutne temperature

i širine frekvencijskog opsega a ne od učestanosti na kojoj je on lociran Možemo dalje izračunati da je temperatura šuma

Tš = PškΔf

Dakle temperatura šuma je ona (pretpostavljena) temperatura pri kojoj bi na

izlazu iz nekog uređaja snaga samo termičkog šuma bila jednaka snazi ukupnog stvarnog šuma na radnoj temperaturi

Termički šum se pojavljuje u električnim mrežama prijemnim antenama mikrofonima poluprovodničkim elementima i sl

Ovaj šum se često spominje u literaturi jer on ima široki spektar frekvencija pa ga zato često nazivamo Gaussov bijeli šum (AWGN-Aditive White Gaussian Noisse)

Ako slučajni šum ima uniformnu spektralnu gustinu snage na čitavom opsegu frekvencija onda se takav šum naziva ldquobijeli šumrdquo po analogiji sa bijelom svjetlošću koja u vidljivom spektru ima uniformnu i kontiunalnu spektralnu gustinu snage

Bijeli šum

Termički šum i šum efekta sačme generiraju bijeli šum Frekvencijski spektar snage bijelog šuma predstavljen je na slici Iz njega se vidi da on ima ravnu karakteristiku

Spektralna gustina snage bijelog šuma je Sn(ω)= No 2

No [WHz] ndash spektralna gustina snage šuma

Kojeficijent frac12 je uključen da bi pokazao da je

jedna polovina snage na pozitivnim a druga polovina snage na negativnim frekvencijama kao što je pokazano na slici pod a)

Autokorelaciona funkcija bijelog šuma je prikazana na slici pod b)

Trenutne vrijednosti bijelog šuma su potpuno nekorelisane pa se zato kaže da je bijeli šum apsolutno slučajan proces

Efekt sačme

Efekt sačme ndash Šum efekta sačme (zove se još i šot-efekt ili šrot-efekt od englshot i njem Schrott sačma) je šum koji ne nastaje kod fotootpora već kod fotoelemenata koji imaju p ndash n prelaze

Npr kod diode elektroni prelaze iz n ndash tipa u p ndash tip a šupljine obratno S obzirom da u svakoj jedinici vremena ne prolazi isti broj nosilaca elektrona i šupljina već se opažaju fluktuacije koje daju ovaj šum

Srednjekvadratna vrijednost struje šuma uslijed efekta sačme izražava se Šotkijevom jednačinom

lti2gt = 2RI0qΔf

I0 ndash srednja struja koja protiče kroz p ndash n prelaz

Δf ndash interval posmatrfrekvencijaq ndash naelektrisanje elektrona odnosno šupljina

Pojavljuje se u poluprovodnicima i elektronskim cijevima

Radijacioni ili fotonski šum ndash nastaje zbog fluktuacije svjetlosti ( broja fotona ) koja pada na fotootpor bilo iz okoline ili iz izvora svjetlosti

Generaciono rekombinacioni šum ndash nastaje zbog fluktuacije u brzinama generacije i rekombinacije nosilaca elektriciteta To znači da u istim vremenskim intervalima ne nastaje i ne rekombinuje se isti broj parova elektron ndash šupljina

Šum tipa 1f - nastaje na niskim frekvencijama zbog postojanja površinskih stanja zatim zbog nastajanja potencijalnih barijera na kontaktima kao i u unutrašnjosti poluprovodnika Sa porastom frekvencije intenzitet ovog šuma opada zato ga i nazivamo 1f tip šuma

Izvori navedenih šumova statistički su neovisni pa je srednjekvadratna vrijednost napona ili struje ukupnog šuma jednaka zbiru srednjekvadratnih vrijednosti napona ili struje pojedinih komponenti

Vrste fotootpora

1) Selenski fotootpori2) Fotootpori na bazi talijum sulfida ( Tl2S )

3) Fotootpori na bazi bizmut ndash sulfida ( Bi2S3 )

4) Fotootpori na bazi olovnog sulfida ( PbS )

Selenski fotootpori

To su najstariji fotootpori i izrađeni su od elemenata selena (Se) ndash poluprovodnika

Pri slaboj osvjetljenosti i naponu od 100 V imaju integralnu osvjetljivost od 01 ndash 3 mA lm Tamni otpor im iznosi od 104 do 108 W Spektralna karakteristika im je slična ljudskom oku koje je najosjetljivije na l = 055mm što predstavlja zelenu svjetlost

Prikazana kriva se odnosi na dnevnu svjetlost a u sumrak se pomjera ka nižim talasnim dužinama

Nedostatak ovih fotootpora je njihova inertnost to znači ako se selen osvjetljava sa isprekidanom svjetlošću frekvencije iznad 100 Hz naglo gubi svoju osjetljivost (čak za 75)

Fotootpori na bazi talijum sulfida ( Tl2S )

Proizvedeni su 1917 god i imaju veliku osjetljivost koja ponekada iznosi i 2 Alm tamni otpor im iznosi 2x105 ndash 108 W Nedostatak im je što veoma brzo stare što dovodi do nestabilnosti njihovih karakteristika

Fotootpori na bazi bizmut ndash sulfida ( Bi2S3 )

Tamni otpor im je 2x105 ndash 107 W radni napon od 50 ndash 80 V integralna osjetljivost iznosi oko 50 mAlm manje su inertni od prethodna dva tipa Glavni nedostatak im je taj što im se mijenja režim rada pri promjeni temperature

Fotootpori na bazi olovnog sulfida ( PbS ) Integralna osjetljivost im je oko 10 mAlm tamni otpor od 105 ndash 107

W Glavna njihova prednost je mala inercija a nedostatak je osjetljivost na promjenu temperature

Pored nabrojanih fotootpora susrećemo jos i fotootpore na bazi kadmijuma (CdS CdSe itd)

Pri upoređivanju fotootpora pored nabrojanih karakteristika treba obratiti pažnju i na zavisnost pada napona na fotootporu od struje koja kroz njega protiče na frekventnu i spektralnu karakteristiku itd

Fotoelementi

Predstavljaju elektronske komponente koje pri osvjetljavanju daju elektromotornu silu Ako se uključi u zatvoreno kolo sa omskim otporima i osvjetli kroz kolo će proticati struja iako se u kolu ne nalazi nikakav drugi izvor ems U tome je bitna razlika između fotootpora i fotoelemenata iako obje vrste komponenti rade na principu unutrašnjeg fotoefekta

Kod fotoelemenata je potrebno poznavati zavisnost ems od svjetlosnog fluksa (gornja slika) konstrukciju fotoelemenata (donja slika) spektralnu karakteristiku integralnu osjetljivost koeficijent korisnog dejstva itd

SUMEJA DOLJANČIĆEMINA EGRLIĆ

Hvala na pažnji

• Unutrašnji fotoefekat
• Unutrašnji fotoefekat (2)
• Slide 3
• Slide 4
• Osnovni mehanizmi apsorpcije
• Sopstvena (fundamentalna) apsorpcija
• Primjesna apsorpcija
• Akceptorsko-donorska apsorpcija
• Slide 9
• Fotoprovodnost
• Foto ems
• Slide 12
• Slide 13
• Fotootpori
• Slide 15
• Slide 16
• Spektralna osjetljivost
• Prag osjetljivosti
• Vrste šumova u fotootporima
• Toplotni šum
• Slide 21
• Bijeli šum
• Efekt sačme
• Slide 24
• Vrste fotootpora
• Selenski fotootpori
• Slide 27
• Fotoelementi
• Slide 29
• Hvala na pažnji

Apsorpcija slobodnih nosilaca elektriciteta ndash nastaje kada se energija svjetlosti troši na ubrzavanje šupljina i elektrona unutar valentne odnosno slobodne zone

Apsorpcija kristalne rešetke ndash nastaje kada se energija upadne svjetlosti troši na povećanje oscilacija atoma u čvorovima rešetke

Eksitonska apsorpcija ndash nastaje kada poluprovodnik apsorbuje fotone tako da se energija svjetlosti troši na stvaranje vezanih parova elektron-šupljina koje nazivamo eksitonima Elektron u valentnoj zoni apsorbuje foton i pri tome ne napušta atom već prelazi u pobuđeno stanje obrazujući sa šupljinom vezano stanje na bazi Kulonove sile Energija eksitona je manja od širine zabranjene zone i iznosi reda 4 meV Eksiton se može kretati kroz kristal

Plazmena apsorpcija - nastaje apsorpcijom svjetlosti koju vrše svi slobodni elektroni i šipljine

Fotoprovodnost

Može nastati na dva načinaa) Osvjetljavanjem poluprovodnika Elektroni iz valnetne zone prelaze u provodnu zonu čime se povećava provodnost

poluprovodnika zbog povećanja broja nsoilaca naelektrisanja odnosno koncentracije elektrona u provodnoj zoni Ako se priraštaj koncentracije elekrona u provodnj zovni poveća za Δn tada će se provodnost poluprovodnika povećati za ΔG tako da se može napisati za n-tip poluprovodnika

ΔG = qmiddotμnmiddotΔn (1)

μnndash pokretljivost elektrona

q ndash naelektrisanje Δn ndash priraštaj koncentracije elektrona u provodnoj zoni

b) Energija svjetlosti može utjecati na povećanje pokretljivosti elektrona u kristalnoj rešetki pa se može napisati

ΔGμ = qmiddotnmiddotΔμn (2)

ΔGμ - priraštaj poluprovodnika na račun povećne pokretljivosti(μn)n - koncentracija elektrona

Na provodnost poluprovodnika uglavnom utiče promjena koncentracije nosilaca elektriciteta (jednačina (1)) tako da se uticaj promjene pokretljivosti nosilaca elektriciteta praktično zanemaruje

Foto ems

Kada se p-n poluprovodnik ne osvjetljava tada se može pisati da je IpD + InD = IpP + InP

IpD = IpP i InD = InP

IpD ndash difuzina struja šupljina

InD ndash difuziona struja elektrona

IpP ndash struja provodnosti šupljina i

InP ndash struja provodnosti elektrona

Algebarski zbir sve četiri komponente struje mora biti jednak nuli ako na p-n poluprovodnik ne djeluje spoljašnji izvor

Ukoliko se osvjetli poluprovodnik n-tipa tada će se u njemu generisati parovi elktron-šupljina Pri tome će najveći dio elektrona ostati u poluprovodniku n-tipa a samo neznatan dio će prodrijeti kroz potencijalnu barijeru (zaporni sloj) i dospjet će u poluprovodnik p-tipa Međutim šupljine nastale u poluprovodniku n-tipa ponašaju se sasvim drugačije Ako su šupljine nastale u zapornom sloju poluprovodnika n-tipa tada ih zahvata električno polje E i prebacuje u poluprovodnik p-tipa Isto važi i za šupljine koje su nastale pod utjecajem svjetlosti u blizini zapornog sloja u poluprovodniku n-tipa dok će šupljine nastale u dubini poluprovodnika n-tipa difundirati prema zapornom sloju dok ne dođe do rekombinacije Na potpuno isti naćin se ponašaju i elektroni koji su nastali osvjetljavanjem poluprovodnika p-tipa Pojava dopunske koncentracije šupljina u poluprovodniku p-tipa kao i dopunske koncentracije elektrona u poluprovodniku n-tipa prouzrokovat će smanjenje visine potencijalne barijere tako da će kroz zaporni sloj proticati neka struja IΦ čija jačina zavisi od intenziteta svjetlosti Ovu struju nazivamo foto-strujom Da bsimo izračunali jačinu fotostruej uzet ćemo u obzir da se smanjenjem potencijalne barijere difuziona komponenta struje povećava dok se komponenta struje provodnosti ostaje ista Označivši struje u novim uslovima sa rsquo lsquorsquo možemo napisati izraze za poluprovodnik n-tipa

IpP = IpP

IlsquonD = InDmiddote^(q UΦ kT)

gdje smo se kao i obično koristili Bolcmanovom raspodjelom Sa UΦ je označena foto-ems koja je nastala pod uticajem svjetlosti Analogno se može napisati za

poluprovodnik p-tipaInP = InP

IlsquopD = IpDmiddote^(q UΦ kT)

Struje IpP i InP predstavljaju inverzne struje zasićenja pa ih slično kao i pri opisivanju karakteristike diode možemo označiti kao IpP + InP = I0 Ako se poluprovodnik na slici 3 nalazi u praznom hodu tada ukupna struja kroz osvijetljenu diodu mora biti nula tako da se može napisati

IΦ + IpP ndash InD + InP ndash IpD = 0

IpΦ + InΦ = IΦ

gdje su IpΦ i InΦ komponente fotostruje šupljina i elektrona Na osnovu prethodnih jednačina dobija se

I0 + IΦ - InDmiddote^(q UΦ kT) - IpDmiddote^(q UΦ kT) = 0

I0 + IΦ -(InD + IpD)middote^(q UΦ kT) = 0

IΦ = I0 (e^(q UΦ kT )- 1)

Odavde se logaritmiranjem dobija

UΦ = (kTq )middotln (IΦ I0 -1)

To je napon praznog hoda fotoelementa Ako se između katoda i anode uključi otpor R tada će pod uticajem foto-ems u spoljašnjem kolu proteći struja IR i nastaće pad napona IRmiddotR

Pod uticajem svjetlosti između anode i katode pojavljuje se napon UΦ (UΦ ~ 03 V) što znači da ova dioda pretvara svjetlost u električnu energiju jer kroz spoljašnje kolo teče struja (Id) tako da ovu diodu možemo koristiti kao izvor napona (UΦ) Ovakvu diodu nazivamo fotonaponskim elementom ili solarnom ćelijom

Ako solarne ćelije vežemo u seriju dobićemo željeni napon a ako želimo veće struje onda ih vežemo paralelno S obzirom da su nam u praksi potrebne veće snage (IΦmiddotUΦ) ove se diode vežu u seriju a onda serijski lanci paralelno Koeficijent korisnog dejstva kod solarnih ćelija je mali reda nekoliko procenata pa je zbog toga ova električna energija skuplja od one koju daje gradska mreža

Fotootpori

Fotootpori se izrađuju u obliku folija i pločica od nekog fotoosjetljivog poluprovodnika Takva folija ili pločica ima dva omska kontakta kojima se uključuje u električno kolo Dakle fotootpori su elementi čija se otpornost mijenja pod uticajem svjetlosti tj R = f( Ф) Izrađuju se od različitih poluprovodnika a najčešće od raznih jedinjenja na bazi sumpora selena telura olova bizmuta GaAs itd Poluprovodnik se specijalnim tehnološkim postupkom nanosi na neki izolator a zatim se ugrađuju elektrode

U kolo jednosmjerne ili naizmjenične struje fotootpori se uključuju na isti način kao i obični otpori Kada se fotootpor osvjetljava smanjuje mu se otpor pa kroz kolo poteče jača struja ako su elektrode priključene na neki napon (bateriju) Jačina struje zavisi od jačine svjetlosti I = f( Ф)

Osnovni parametri fotootpora su - maksimalno dozvoljeni napon - maksimalna disipacija snage - tamni otpor i tamna struja - vremenska konstanta - spektralna i integralna osjetljivost - prag osjetljivosti

Spektralna osjetljivost ndashdefiniše se kao odnos između fotostruje kroz fotootpor i svjetlosnog fluksa pri određenom naponu na fotootporu dok se svjetlosni fluks uzima iz odgovarajućeg monohromatičnog izvora

Provodnost fotootpora ne zavisi samo od jačine svjetlosti već i od frekvencije svjetlosti kojom je osvjetljen

Upravo zato se određuje i spektralna osjetljivost Si (f) i Su (f) U ovom slučaju fotootpor osvjetljavamo iz izvora svjetlosti frekvencije (f) (talasne dužine l) i mjerimo spektralnu osjetljivost na isti način kao i integralnu i izražavamo istim jednačinama i jedinicama

Integralna osjetljivost izražena preko struje Si = I φ [A lm] ili Si = I P [A W]

F - svjetlosni fluks u lumenimaP - snaga svjetlosnog izvora u vatima Integralna osjetljivost izražena preko napona

Siu = U φ [V lm] ili Su = IU P [V W]

S obzirom da osjetljivost fotootpora zavisi od talasne dužine svjetlosti možemo za svaki fotootpor eksperimentalno odrediti njegovu spektralnu karakteristiku koja je predstavljena na slici pril = l0 Si (l) = Si (l0)

U praksi se ova karakteristika obično izražava u relativnim jedinicama Pri odgovarajućoj frekvenciji svjetlosti fotootpor provodi maksimalnu struju tj ima maksimalnu osjetljivost

Ako se ova struja označi sa 1 ili 100 tada se pri različitim frekvencijama svjetlosti dobijaju različite vrijednosti za fotostruju koje se mogu izraziti u procentima u odnosu na maksimalnu struju

Spektralna osjetljivost

Prag osjetljivosti

Definiše se snagom zračenja svetlosnog izvora koja stvara signal (naponski ili strujni) na fotootporu koji je jednak signalu šuma Odnosno prag osjetljivosti obično definišemo na osnovu odnosa signal + šum tako da pri SN = 1 dobijamo prag osjetljivosti

Upravo zbog praga osjetljivosti moramo voditi računa o šumu koji nastaje u fotootporu Pošto je fotoosjetljivi sloj poluprovodnik u ovom sloju i nastaju šumovi karakteristični i za druge poluprovodnike

Ako naponski prag označimo sa ( Fpr ) možemo napisati

φpr =sqrt(ltU2gt) Su

U literaturi na engleskom jeziku ova veličina se naziva ekvivalentnom snagom šuma i označava se

sa NEP( Noise Equivalent Power ) Često se prag osjetljivosti određuje u frekventnom intervalu od 1 Hz pa se može napisati

φpr 1 = φpr sqrt(Δf)

Δf ndash efektivna širina pojasa propuštanja pojačavača na koji je vezan fotootpor

Recipročna vrijednost praga osjetljivosti naziva se detektivnost D Naravno ovi parametri se odnose i na druge fotoelemente a ne samo na fotootpore

Vrste šumova u fotootporima

Toplotni šum (terimčki bijeli šum Nikvistov šum)

Radijacioni ili fotonski šumEfekt sačmeGeneraciono rekombinacioni šumŠum tipa 1f

Toplotni šum

Termički ili Johnsonov šum predstavlja pojavu koja je svojstvena svim sistemima čija je apsolutna temperatura T veća od 0 K Termički šum otpora pojavljuje se u otpornicima zbog nepravilnog toplotnog kretanja elektrona a ovisan je o temperaturi Elektroni u kretanju ubrzani kolizijom s termički uzbuđenim molekulima proizvode promjenu magnetnog polja koja uzrokuje kretanje elektronskog plina (nagomilanih slobodnih elektrona) što na krajevima vodiča rezultira u naponu šuma

Daklenastaje zbog haotičnog kretanja elektrona kroz poluprovodnik a ovo kretanje je uzrokovano spoljašnjom toplotom jer je uvijek TgtT0 (T0 = - 27315oC ndash apsolutna temp)

Prema Nyquistovoj teoremi svaki otpor koji se pojavljuje kao izvor šuma može se nadomjestiti naponskim generatorom elektromotorne sile jednake eš=(4kTΔfRizl)12 i jednim bešumnim unutrašnjim otporom Rš s time što je Rš=Riz

Prema Nyquistu će dakle aritmetička sredina kvadrata elektromotorne sile šuma odnosno srednjekvadratna vrijednost napona ovog šuma je

eš

2 =lt u2gt=4kTΔfR

k ndash Bolcmanova constanta (1380662 x 10-23 JK)T ndash apsolutna temperaturaR ndash otpor fotootporaΔf ndash frekventno područje u kojem se vrše mjerenja

Maksimalna snaga šuma iznosi

Pš max = kTΔf

Iz ovog izraza se vidi da maksimalna snaga šuma ovisi od apsolutne temperature

i širine frekvencijskog opsega a ne od učestanosti na kojoj je on lociran Možemo dalje izračunati da je temperatura šuma

Tš = PškΔf

Dakle temperatura šuma je ona (pretpostavljena) temperatura pri kojoj bi na

izlazu iz nekog uređaja snaga samo termičkog šuma bila jednaka snazi ukupnog stvarnog šuma na radnoj temperaturi

Termički šum se pojavljuje u električnim mrežama prijemnim antenama mikrofonima poluprovodničkim elementima i sl

Ovaj šum se često spominje u literaturi jer on ima široki spektar frekvencija pa ga zato često nazivamo Gaussov bijeli šum (AWGN-Aditive White Gaussian Noisse)

Ako slučajni šum ima uniformnu spektralnu gustinu snage na čitavom opsegu frekvencija onda se takav šum naziva ldquobijeli šumrdquo po analogiji sa bijelom svjetlošću koja u vidljivom spektru ima uniformnu i kontiunalnu spektralnu gustinu snage

Bijeli šum

Termički šum i šum efekta sačme generiraju bijeli šum Frekvencijski spektar snage bijelog šuma predstavljen je na slici Iz njega se vidi da on ima ravnu karakteristiku

Spektralna gustina snage bijelog šuma je Sn(ω)= No 2

No [WHz] ndash spektralna gustina snage šuma

Kojeficijent frac12 je uključen da bi pokazao da je

jedna polovina snage na pozitivnim a druga polovina snage na negativnim frekvencijama kao što je pokazano na slici pod a)

Autokorelaciona funkcija bijelog šuma je prikazana na slici pod b)

Trenutne vrijednosti bijelog šuma su potpuno nekorelisane pa se zato kaže da je bijeli šum apsolutno slučajan proces

Efekt sačme

Efekt sačme ndash Šum efekta sačme (zove se još i šot-efekt ili šrot-efekt od englshot i njem Schrott sačma) je šum koji ne nastaje kod fotootpora već kod fotoelemenata koji imaju p ndash n prelaze

Npr kod diode elektroni prelaze iz n ndash tipa u p ndash tip a šupljine obratno S obzirom da u svakoj jedinici vremena ne prolazi isti broj nosilaca elektrona i šupljina već se opažaju fluktuacije koje daju ovaj šum

Srednjekvadratna vrijednost struje šuma uslijed efekta sačme izražava se Šotkijevom jednačinom

lti2gt = 2RI0qΔf

I0 ndash srednja struja koja protiče kroz p ndash n prelaz

Δf ndash interval posmatrfrekvencijaq ndash naelektrisanje elektrona odnosno šupljina

Pojavljuje se u poluprovodnicima i elektronskim cijevima

Radijacioni ili fotonski šum ndash nastaje zbog fluktuacije svjetlosti ( broja fotona ) koja pada na fotootpor bilo iz okoline ili iz izvora svjetlosti

Generaciono rekombinacioni šum ndash nastaje zbog fluktuacije u brzinama generacije i rekombinacije nosilaca elektriciteta To znači da u istim vremenskim intervalima ne nastaje i ne rekombinuje se isti broj parova elektron ndash šupljina

Šum tipa 1f - nastaje na niskim frekvencijama zbog postojanja površinskih stanja zatim zbog nastajanja potencijalnih barijera na kontaktima kao i u unutrašnjosti poluprovodnika Sa porastom frekvencije intenzitet ovog šuma opada zato ga i nazivamo 1f tip šuma

Izvori navedenih šumova statistički su neovisni pa je srednjekvadratna vrijednost napona ili struje ukupnog šuma jednaka zbiru srednjekvadratnih vrijednosti napona ili struje pojedinih komponenti

Vrste fotootpora

1) Selenski fotootpori2) Fotootpori na bazi talijum sulfida ( Tl2S )

3) Fotootpori na bazi bizmut ndash sulfida ( Bi2S3 )

4) Fotootpori na bazi olovnog sulfida ( PbS )

Selenski fotootpori

To su najstariji fotootpori i izrađeni su od elemenata selena (Se) ndash poluprovodnika

Pri slaboj osvjetljenosti i naponu od 100 V imaju integralnu osvjetljivost od 01 ndash 3 mA lm Tamni otpor im iznosi od 104 do 108 W Spektralna karakteristika im je slična ljudskom oku koje je najosjetljivije na l = 055mm što predstavlja zelenu svjetlost

Prikazana kriva se odnosi na dnevnu svjetlost a u sumrak se pomjera ka nižim talasnim dužinama

Nedostatak ovih fotootpora je njihova inertnost to znači ako se selen osvjetljava sa isprekidanom svjetlošću frekvencije iznad 100 Hz naglo gubi svoju osjetljivost (čak za 75)

Fotootpori na bazi talijum sulfida ( Tl2S )

Proizvedeni su 1917 god i imaju veliku osjetljivost koja ponekada iznosi i 2 Alm tamni otpor im iznosi 2x105 ndash 108 W Nedostatak im je što veoma brzo stare što dovodi do nestabilnosti njihovih karakteristika

Fotootpori na bazi bizmut ndash sulfida ( Bi2S3 )

Tamni otpor im je 2x105 ndash 107 W radni napon od 50 ndash 80 V integralna osjetljivost iznosi oko 50 mAlm manje su inertni od prethodna dva tipa Glavni nedostatak im je taj što im se mijenja režim rada pri promjeni temperature

Fotootpori na bazi olovnog sulfida ( PbS ) Integralna osjetljivost im je oko 10 mAlm tamni otpor od 105 ndash 107

W Glavna njihova prednost je mala inercija a nedostatak je osjetljivost na promjenu temperature

Pored nabrojanih fotootpora susrećemo jos i fotootpore na bazi kadmijuma (CdS CdSe itd)

Pri upoređivanju fotootpora pored nabrojanih karakteristika treba obratiti pažnju i na zavisnost pada napona na fotootporu od struje koja kroz njega protiče na frekventnu i spektralnu karakteristiku itd

Fotoelementi

Predstavljaju elektronske komponente koje pri osvjetljavanju daju elektromotornu silu Ako se uključi u zatvoreno kolo sa omskim otporima i osvjetli kroz kolo će proticati struja iako se u kolu ne nalazi nikakav drugi izvor ems U tome je bitna razlika između fotootpora i fotoelemenata iako obje vrste komponenti rade na principu unutrašnjeg fotoefekta

Kod fotoelemenata je potrebno poznavati zavisnost ems od svjetlosnog fluksa (gornja slika) konstrukciju fotoelemenata (donja slika) spektralnu karakteristiku integralnu osjetljivost koeficijent korisnog dejstva itd

SUMEJA DOLJANČIĆEMINA EGRLIĆ

Hvala na pažnji

• Unutrašnji fotoefekat
• Unutrašnji fotoefekat (2)
• Slide 3
• Slide 4
• Osnovni mehanizmi apsorpcije
• Sopstvena (fundamentalna) apsorpcija
• Primjesna apsorpcija
• Akceptorsko-donorska apsorpcija
• Slide 9
• Fotoprovodnost
• Foto ems
• Slide 12
• Slide 13
• Fotootpori
• Slide 15
• Slide 16
• Spektralna osjetljivost
• Prag osjetljivosti
• Vrste šumova u fotootporima
• Toplotni šum
• Slide 21
• Bijeli šum
• Efekt sačme
• Slide 24
• Vrste fotootpora
• Selenski fotootpori
• Slide 27
• Fotoelementi
• Slide 29
• Hvala na pažnji

Fotoprovodnost

Može nastati na dva načinaa) Osvjetljavanjem poluprovodnika Elektroni iz valnetne zone prelaze u provodnu zonu čime se povećava provodnost

poluprovodnika zbog povećanja broja nsoilaca naelektrisanja odnosno koncentracije elektrona u provodnoj zoni Ako se priraštaj koncentracije elekrona u provodnj zovni poveća za Δn tada će se provodnost poluprovodnika povećati za ΔG tako da se može napisati za n-tip poluprovodnika

ΔG = qmiddotμnmiddotΔn (1)

μnndash pokretljivost elektrona

q ndash naelektrisanje Δn ndash priraštaj koncentracije elektrona u provodnoj zoni

b) Energija svjetlosti može utjecati na povećanje pokretljivosti elektrona u kristalnoj rešetki pa se može napisati

ΔGμ = qmiddotnmiddotΔμn (2)

ΔGμ - priraštaj poluprovodnika na račun povećne pokretljivosti(μn)n - koncentracija elektrona

Na provodnost poluprovodnika uglavnom utiče promjena koncentracije nosilaca elektriciteta (jednačina (1)) tako da se uticaj promjene pokretljivosti nosilaca elektriciteta praktično zanemaruje

Foto ems

Kada se p-n poluprovodnik ne osvjetljava tada se može pisati da je IpD + InD = IpP + InP

IpD = IpP i InD = InP

IpD ndash difuzina struja šupljina

InD ndash difuziona struja elektrona

IpP ndash struja provodnosti šupljina i

InP ndash struja provodnosti elektrona

Algebarski zbir sve četiri komponente struje mora biti jednak nuli ako na p-n poluprovodnik ne djeluje spoljašnji izvor

Ukoliko se osvjetli poluprovodnik n-tipa tada će se u njemu generisati parovi elktron-šupljina Pri tome će najveći dio elektrona ostati u poluprovodniku n-tipa a samo neznatan dio će prodrijeti kroz potencijalnu barijeru (zaporni sloj) i dospjet će u poluprovodnik p-tipa Međutim šupljine nastale u poluprovodniku n-tipa ponašaju se sasvim drugačije Ako su šupljine nastale u zapornom sloju poluprovodnika n-tipa tada ih zahvata električno polje E i prebacuje u poluprovodnik p-tipa Isto važi i za šupljine koje su nastale pod utjecajem svjetlosti u blizini zapornog sloja u poluprovodniku n-tipa dok će šupljine nastale u dubini poluprovodnika n-tipa difundirati prema zapornom sloju dok ne dođe do rekombinacije Na potpuno isti naćin se ponašaju i elektroni koji su nastali osvjetljavanjem poluprovodnika p-tipa Pojava dopunske koncentracije šupljina u poluprovodniku p-tipa kao i dopunske koncentracije elektrona u poluprovodniku n-tipa prouzrokovat će smanjenje visine potencijalne barijere tako da će kroz zaporni sloj proticati neka struja IΦ čija jačina zavisi od intenziteta svjetlosti Ovu struju nazivamo foto-strujom Da bsimo izračunali jačinu fotostruej uzet ćemo u obzir da se smanjenjem potencijalne barijere difuziona komponenta struje povećava dok se komponenta struje provodnosti ostaje ista Označivši struje u novim uslovima sa rsquo lsquorsquo možemo napisati izraze za poluprovodnik n-tipa

IpP = IpP

IlsquonD = InDmiddote^(q UΦ kT)

gdje smo se kao i obično koristili Bolcmanovom raspodjelom Sa UΦ je označena foto-ems koja je nastala pod uticajem svjetlosti Analogno se može napisati za

poluprovodnik p-tipaInP = InP

IlsquopD = IpDmiddote^(q UΦ kT)

Struje IpP i InP predstavljaju inverzne struje zasićenja pa ih slično kao i pri opisivanju karakteristike diode možemo označiti kao IpP + InP = I0 Ako se poluprovodnik na slici 3 nalazi u praznom hodu tada ukupna struja kroz osvijetljenu diodu mora biti nula tako da se može napisati

IΦ + IpP ndash InD + InP ndash IpD = 0

IpΦ + InΦ = IΦ

gdje su IpΦ i InΦ komponente fotostruje šupljina i elektrona Na osnovu prethodnih jednačina dobija se

I0 + IΦ - InDmiddote^(q UΦ kT) - IpDmiddote^(q UΦ kT) = 0

I0 + IΦ -(InD + IpD)middote^(q UΦ kT) = 0

IΦ = I0 (e^(q UΦ kT )- 1)

Odavde se logaritmiranjem dobija

UΦ = (kTq )middotln (IΦ I0 -1)

To je napon praznog hoda fotoelementa Ako se između katoda i anode uključi otpor R tada će pod uticajem foto-ems u spoljašnjem kolu proteći struja IR i nastaće pad napona IRmiddotR

Pod uticajem svjetlosti između anode i katode pojavljuje se napon UΦ (UΦ ~ 03 V) što znači da ova dioda pretvara svjetlost u električnu energiju jer kroz spoljašnje kolo teče struja (Id) tako da ovu diodu možemo koristiti kao izvor napona (UΦ) Ovakvu diodu nazivamo fotonaponskim elementom ili solarnom ćelijom

Ako solarne ćelije vežemo u seriju dobićemo željeni napon a ako želimo veće struje onda ih vežemo paralelno S obzirom da su nam u praksi potrebne veće snage (IΦmiddotUΦ) ove se diode vežu u seriju a onda serijski lanci paralelno Koeficijent korisnog dejstva kod solarnih ćelija je mali reda nekoliko procenata pa je zbog toga ova električna energija skuplja od one koju daje gradska mreža

Fotootpori

Fotootpori se izrađuju u obliku folija i pločica od nekog fotoosjetljivog poluprovodnika Takva folija ili pločica ima dva omska kontakta kojima se uključuje u električno kolo Dakle fotootpori su elementi čija se otpornost mijenja pod uticajem svjetlosti tj R = f( Ф) Izrađuju se od različitih poluprovodnika a najčešće od raznih jedinjenja na bazi sumpora selena telura olova bizmuta GaAs itd Poluprovodnik se specijalnim tehnološkim postupkom nanosi na neki izolator a zatim se ugrađuju elektrode

U kolo jednosmjerne ili naizmjenične struje fotootpori se uključuju na isti način kao i obični otpori Kada se fotootpor osvjetljava smanjuje mu se otpor pa kroz kolo poteče jača struja ako su elektrode priključene na neki napon (bateriju) Jačina struje zavisi od jačine svjetlosti I = f( Ф)

Osnovni parametri fotootpora su - maksimalno dozvoljeni napon - maksimalna disipacija snage - tamni otpor i tamna struja - vremenska konstanta - spektralna i integralna osjetljivost - prag osjetljivosti

Spektralna osjetljivost ndashdefiniše se kao odnos između fotostruje kroz fotootpor i svjetlosnog fluksa pri određenom naponu na fotootporu dok se svjetlosni fluks uzima iz odgovarajućeg monohromatičnog izvora

Provodnost fotootpora ne zavisi samo od jačine svjetlosti već i od frekvencije svjetlosti kojom je osvjetljen

Upravo zato se određuje i spektralna osjetljivost Si (f) i Su (f) U ovom slučaju fotootpor osvjetljavamo iz izvora svjetlosti frekvencije (f) (talasne dužine l) i mjerimo spektralnu osjetljivost na isti način kao i integralnu i izražavamo istim jednačinama i jedinicama

Integralna osjetljivost izražena preko struje Si = I φ [A lm] ili Si = I P [A W]

F - svjetlosni fluks u lumenimaP - snaga svjetlosnog izvora u vatima Integralna osjetljivost izražena preko napona

Siu = U φ [V lm] ili Su = IU P [V W]

S obzirom da osjetljivost fotootpora zavisi od talasne dužine svjetlosti možemo za svaki fotootpor eksperimentalno odrediti njegovu spektralnu karakteristiku koja je predstavljena na slici pril = l0 Si (l) = Si (l0)

U praksi se ova karakteristika obično izražava u relativnim jedinicama Pri odgovarajućoj frekvenciji svjetlosti fotootpor provodi maksimalnu struju tj ima maksimalnu osjetljivost

Ako se ova struja označi sa 1 ili 100 tada se pri različitim frekvencijama svjetlosti dobijaju različite vrijednosti za fotostruju koje se mogu izraziti u procentima u odnosu na maksimalnu struju

Spektralna osjetljivost

Prag osjetljivosti

Definiše se snagom zračenja svetlosnog izvora koja stvara signal (naponski ili strujni) na fotootporu koji je jednak signalu šuma Odnosno prag osjetljivosti obično definišemo na osnovu odnosa signal + šum tako da pri SN = 1 dobijamo prag osjetljivosti

Upravo zbog praga osjetljivosti moramo voditi računa o šumu koji nastaje u fotootporu Pošto je fotoosjetljivi sloj poluprovodnik u ovom sloju i nastaju šumovi karakteristični i za druge poluprovodnike

Ako naponski prag označimo sa ( Fpr ) možemo napisati

φpr =sqrt(ltU2gt) Su

U literaturi na engleskom jeziku ova veličina se naziva ekvivalentnom snagom šuma i označava se

sa NEP( Noise Equivalent Power ) Često se prag osjetljivosti određuje u frekventnom intervalu od 1 Hz pa se može napisati

φpr 1 = φpr sqrt(Δf)

Δf ndash efektivna širina pojasa propuštanja pojačavača na koji je vezan fotootpor

Recipročna vrijednost praga osjetljivosti naziva se detektivnost D Naravno ovi parametri se odnose i na druge fotoelemente a ne samo na fotootpore

Vrste šumova u fotootporima

Toplotni šum (terimčki bijeli šum Nikvistov šum)

Radijacioni ili fotonski šumEfekt sačmeGeneraciono rekombinacioni šumŠum tipa 1f

Toplotni šum

Termički ili Johnsonov šum predstavlja pojavu koja je svojstvena svim sistemima čija je apsolutna temperatura T veća od 0 K Termički šum otpora pojavljuje se u otpornicima zbog nepravilnog toplotnog kretanja elektrona a ovisan je o temperaturi Elektroni u kretanju ubrzani kolizijom s termički uzbuđenim molekulima proizvode promjenu magnetnog polja koja uzrokuje kretanje elektronskog plina (nagomilanih slobodnih elektrona) što na krajevima vodiča rezultira u naponu šuma

Daklenastaje zbog haotičnog kretanja elektrona kroz poluprovodnik a ovo kretanje je uzrokovano spoljašnjom toplotom jer je uvijek TgtT0 (T0 = - 27315oC ndash apsolutna temp)

Prema Nyquistovoj teoremi svaki otpor koji se pojavljuje kao izvor šuma može se nadomjestiti naponskim generatorom elektromotorne sile jednake eš=(4kTΔfRizl)12 i jednim bešumnim unutrašnjim otporom Rš s time što je Rš=Riz

Prema Nyquistu će dakle aritmetička sredina kvadrata elektromotorne sile šuma odnosno srednjekvadratna vrijednost napona ovog šuma je

eš

2 =lt u2gt=4kTΔfR

k ndash Bolcmanova constanta (1380662 x 10-23 JK)T ndash apsolutna temperaturaR ndash otpor fotootporaΔf ndash frekventno područje u kojem se vrše mjerenja

Maksimalna snaga šuma iznosi

Pš max = kTΔf

Iz ovog izraza se vidi da maksimalna snaga šuma ovisi od apsolutne temperature

i širine frekvencijskog opsega a ne od učestanosti na kojoj je on lociran Možemo dalje izračunati da je temperatura šuma

Tš = PškΔf

Dakle temperatura šuma je ona (pretpostavljena) temperatura pri kojoj bi na

izlazu iz nekog uređaja snaga samo termičkog šuma bila jednaka snazi ukupnog stvarnog šuma na radnoj temperaturi

Termički šum se pojavljuje u električnim mrežama prijemnim antenama mikrofonima poluprovodničkim elementima i sl

Ovaj šum se često spominje u literaturi jer on ima široki spektar frekvencija pa ga zato često nazivamo Gaussov bijeli šum (AWGN-Aditive White Gaussian Noisse)

Ako slučajni šum ima uniformnu spektralnu gustinu snage na čitavom opsegu frekvencija onda se takav šum naziva ldquobijeli šumrdquo po analogiji sa bijelom svjetlošću koja u vidljivom spektru ima uniformnu i kontiunalnu spektralnu gustinu snage

Bijeli šum

Termički šum i šum efekta sačme generiraju bijeli šum Frekvencijski spektar snage bijelog šuma predstavljen je na slici Iz njega se vidi da on ima ravnu karakteristiku

Spektralna gustina snage bijelog šuma je Sn(ω)= No 2

No [WHz] ndash spektralna gustina snage šuma

Kojeficijent frac12 je uključen da bi pokazao da je

jedna polovina snage na pozitivnim a druga polovina snage na negativnim frekvencijama kao što je pokazano na slici pod a)

Autokorelaciona funkcija bijelog šuma je prikazana na slici pod b)

Trenutne vrijednosti bijelog šuma su potpuno nekorelisane pa se zato kaže da je bijeli šum apsolutno slučajan proces

Efekt sačme

Efekt sačme ndash Šum efekta sačme (zove se još i šot-efekt ili šrot-efekt od englshot i njem Schrott sačma) je šum koji ne nastaje kod fotootpora već kod fotoelemenata koji imaju p ndash n prelaze

Npr kod diode elektroni prelaze iz n ndash tipa u p ndash tip a šupljine obratno S obzirom da u svakoj jedinici vremena ne prolazi isti broj nosilaca elektrona i šupljina već se opažaju fluktuacije koje daju ovaj šum

Srednjekvadratna vrijednost struje šuma uslijed efekta sačme izražava se Šotkijevom jednačinom

lti2gt = 2RI0qΔf

I0 ndash srednja struja koja protiče kroz p ndash n prelaz

Δf ndash interval posmatrfrekvencijaq ndash naelektrisanje elektrona odnosno šupljina

Pojavljuje se u poluprovodnicima i elektronskim cijevima

Radijacioni ili fotonski šum ndash nastaje zbog fluktuacije svjetlosti ( broja fotona ) koja pada na fotootpor bilo iz okoline ili iz izvora svjetlosti

Generaciono rekombinacioni šum ndash nastaje zbog fluktuacije u brzinama generacije i rekombinacije nosilaca elektriciteta To znači da u istim vremenskim intervalima ne nastaje i ne rekombinuje se isti broj parova elektron ndash šupljina

Šum tipa 1f - nastaje na niskim frekvencijama zbog postojanja površinskih stanja zatim zbog nastajanja potencijalnih barijera na kontaktima kao i u unutrašnjosti poluprovodnika Sa porastom frekvencije intenzitet ovog šuma opada zato ga i nazivamo 1f tip šuma

Izvori navedenih šumova statistički su neovisni pa je srednjekvadratna vrijednost napona ili struje ukupnog šuma jednaka zbiru srednjekvadratnih vrijednosti napona ili struje pojedinih komponenti

Vrste fotootpora

1) Selenski fotootpori2) Fotootpori na bazi talijum sulfida ( Tl2S )

3) Fotootpori na bazi bizmut ndash sulfida ( Bi2S3 )

4) Fotootpori na bazi olovnog sulfida ( PbS )

Selenski fotootpori

To su najstariji fotootpori i izrađeni su od elemenata selena (Se) ndash poluprovodnika

Pri slaboj osvjetljenosti i naponu od 100 V imaju integralnu osvjetljivost od 01 ndash 3 mA lm Tamni otpor im iznosi od 104 do 108 W Spektralna karakteristika im je slična ljudskom oku koje je najosjetljivije na l = 055mm što predstavlja zelenu svjetlost

Prikazana kriva se odnosi na dnevnu svjetlost a u sumrak se pomjera ka nižim talasnim dužinama

Nedostatak ovih fotootpora je njihova inertnost to znači ako se selen osvjetljava sa isprekidanom svjetlošću frekvencije iznad 100 Hz naglo gubi svoju osjetljivost (čak za 75)

Fotootpori na bazi talijum sulfida ( Tl2S )

Proizvedeni su 1917 god i imaju veliku osjetljivost koja ponekada iznosi i 2 Alm tamni otpor im iznosi 2x105 ndash 108 W Nedostatak im je što veoma brzo stare što dovodi do nestabilnosti njihovih karakteristika

Fotootpori na bazi bizmut ndash sulfida ( Bi2S3 )

Tamni otpor im je 2x105 ndash 107 W radni napon od 50 ndash 80 V integralna osjetljivost iznosi oko 50 mAlm manje su inertni od prethodna dva tipa Glavni nedostatak im je taj što im se mijenja režim rada pri promjeni temperature

Fotootpori na bazi olovnog sulfida ( PbS ) Integralna osjetljivost im je oko 10 mAlm tamni otpor od 105 ndash 107

W Glavna njihova prednost je mala inercija a nedostatak je osjetljivost na promjenu temperature

Pored nabrojanih fotootpora susrećemo jos i fotootpore na bazi kadmijuma (CdS CdSe itd)

Pri upoređivanju fotootpora pored nabrojanih karakteristika treba obratiti pažnju i na zavisnost pada napona na fotootporu od struje koja kroz njega protiče na frekventnu i spektralnu karakteristiku itd

Fotoelementi

Predstavljaju elektronske komponente koje pri osvjetljavanju daju elektromotornu silu Ako se uključi u zatvoreno kolo sa omskim otporima i osvjetli kroz kolo će proticati struja iako se u kolu ne nalazi nikakav drugi izvor ems U tome je bitna razlika između fotootpora i fotoelemenata iako obje vrste komponenti rade na principu unutrašnjeg fotoefekta

Kod fotoelemenata je potrebno poznavati zavisnost ems od svjetlosnog fluksa (gornja slika) konstrukciju fotoelemenata (donja slika) spektralnu karakteristiku integralnu osjetljivost koeficijent korisnog dejstva itd

SUMEJA DOLJANČIĆEMINA EGRLIĆ

Hvala na pažnji

• Unutrašnji fotoefekat
• Unutrašnji fotoefekat (2)
• Slide 3
• Slide 4
• Osnovni mehanizmi apsorpcije
• Sopstvena (fundamentalna) apsorpcija
• Primjesna apsorpcija
• Akceptorsko-donorska apsorpcija
• Slide 9
• Fotoprovodnost
• Foto ems
• Slide 12
• Slide 13
• Fotootpori
• Slide 15
• Slide 16
• Spektralna osjetljivost
• Prag osjetljivosti
• Vrste šumova u fotootporima
• Toplotni šum
• Slide 21
• Bijeli šum
• Efekt sačme
• Slide 24
• Vrste fotootpora
• Selenski fotootpori
• Slide 27
• Fotoelementi
• Slide 29
• Hvala na pažnji

Foto ems

Kada se p-n poluprovodnik ne osvjetljava tada se može pisati da je IpD + InD = IpP + InP

IpD = IpP i InD = InP

IpD ndash difuzina struja šupljina

InD ndash difuziona struja elektrona

IpP ndash struja provodnosti šupljina i

InP ndash struja provodnosti elektrona

Algebarski zbir sve četiri komponente struje mora biti jednak nuli ako na p-n poluprovodnik ne djeluje spoljašnji izvor

Ukoliko se osvjetli poluprovodnik n-tipa tada će se u njemu generisati parovi elktron-šupljina Pri tome će najveći dio elektrona ostati u poluprovodniku n-tipa a samo neznatan dio će prodrijeti kroz potencijalnu barijeru (zaporni sloj) i dospjet će u poluprovodnik p-tipa Međutim šupljine nastale u poluprovodniku n-tipa ponašaju se sasvim drugačije Ako su šupljine nastale u zapornom sloju poluprovodnika n-tipa tada ih zahvata električno polje E i prebacuje u poluprovodnik p-tipa Isto važi i za šupljine koje su nastale pod utjecajem svjetlosti u blizini zapornog sloja u poluprovodniku n-tipa dok će šupljine nastale u dubini poluprovodnika n-tipa difundirati prema zapornom sloju dok ne dođe do rekombinacije Na potpuno isti naćin se ponašaju i elektroni koji su nastali osvjetljavanjem poluprovodnika p-tipa Pojava dopunske koncentracije šupljina u poluprovodniku p-tipa kao i dopunske koncentracije elektrona u poluprovodniku n-tipa prouzrokovat će smanjenje visine potencijalne barijere tako da će kroz zaporni sloj proticati neka struja IΦ čija jačina zavisi od intenziteta svjetlosti Ovu struju nazivamo foto-strujom Da bsimo izračunali jačinu fotostruej uzet ćemo u obzir da se smanjenjem potencijalne barijere difuziona komponenta struje povećava dok se komponenta struje provodnosti ostaje ista Označivši struje u novim uslovima sa rsquo lsquorsquo možemo napisati izraze za poluprovodnik n-tipa

IpP = IpP

IlsquonD = InDmiddote^(q UΦ kT)

gdje smo se kao i obično koristili Bolcmanovom raspodjelom Sa UΦ je označena foto-ems koja je nastala pod uticajem svjetlosti Analogno se može napisati za

poluprovodnik p-tipaInP = InP

IlsquopD = IpDmiddote^(q UΦ kT)

Struje IpP i InP predstavljaju inverzne struje zasićenja pa ih slično kao i pri opisivanju karakteristike diode možemo označiti kao IpP + InP = I0 Ako se poluprovodnik na slici 3 nalazi u praznom hodu tada ukupna struja kroz osvijetljenu diodu mora biti nula tako da se može napisati

IΦ + IpP ndash InD + InP ndash IpD = 0

IpΦ + InΦ = IΦ

gdje su IpΦ i InΦ komponente fotostruje šupljina i elektrona Na osnovu prethodnih jednačina dobija se

I0 + IΦ - InDmiddote^(q UΦ kT) - IpDmiddote^(q UΦ kT) = 0

I0 + IΦ -(InD + IpD)middote^(q UΦ kT) = 0

IΦ = I0 (e^(q UΦ kT )- 1)

Odavde se logaritmiranjem dobija

UΦ = (kTq )middotln (IΦ I0 -1)

To je napon praznog hoda fotoelementa Ako se između katoda i anode uključi otpor R tada će pod uticajem foto-ems u spoljašnjem kolu proteći struja IR i nastaće pad napona IRmiddotR

Pod uticajem svjetlosti između anode i katode pojavljuje se napon UΦ (UΦ ~ 03 V) što znači da ova dioda pretvara svjetlost u električnu energiju jer kroz spoljašnje kolo teče struja (Id) tako da ovu diodu možemo koristiti kao izvor napona (UΦ) Ovakvu diodu nazivamo fotonaponskim elementom ili solarnom ćelijom

Ako solarne ćelije vežemo u seriju dobićemo željeni napon a ako želimo veće struje onda ih vežemo paralelno S obzirom da su nam u praksi potrebne veće snage (IΦmiddotUΦ) ove se diode vežu u seriju a onda serijski lanci paralelno Koeficijent korisnog dejstva kod solarnih ćelija je mali reda nekoliko procenata pa je zbog toga ova električna energija skuplja od one koju daje gradska mreža

Fotootpori

Fotootpori se izrađuju u obliku folija i pločica od nekog fotoosjetljivog poluprovodnika Takva folija ili pločica ima dva omska kontakta kojima se uključuje u električno kolo Dakle fotootpori su elementi čija se otpornost mijenja pod uticajem svjetlosti tj R = f( Ф) Izrađuju se od različitih poluprovodnika a najčešće od raznih jedinjenja na bazi sumpora selena telura olova bizmuta GaAs itd Poluprovodnik se specijalnim tehnološkim postupkom nanosi na neki izolator a zatim se ugrađuju elektrode

U kolo jednosmjerne ili naizmjenične struje fotootpori se uključuju na isti način kao i obični otpori Kada se fotootpor osvjetljava smanjuje mu se otpor pa kroz kolo poteče jača struja ako su elektrode priključene na neki napon (bateriju) Jačina struje zavisi od jačine svjetlosti I = f( Ф)

Osnovni parametri fotootpora su - maksimalno dozvoljeni napon - maksimalna disipacija snage - tamni otpor i tamna struja - vremenska konstanta - spektralna i integralna osjetljivost - prag osjetljivosti

Spektralna osjetljivost ndashdefiniše se kao odnos između fotostruje kroz fotootpor i svjetlosnog fluksa pri određenom naponu na fotootporu dok se svjetlosni fluks uzima iz odgovarajućeg monohromatičnog izvora

Provodnost fotootpora ne zavisi samo od jačine svjetlosti već i od frekvencije svjetlosti kojom je osvjetljen

Upravo zato se određuje i spektralna osjetljivost Si (f) i Su (f) U ovom slučaju fotootpor osvjetljavamo iz izvora svjetlosti frekvencije (f) (talasne dužine l) i mjerimo spektralnu osjetljivost na isti način kao i integralnu i izražavamo istim jednačinama i jedinicama

Integralna osjetljivost izražena preko struje Si = I φ [A lm] ili Si = I P [A W]

F - svjetlosni fluks u lumenimaP - snaga svjetlosnog izvora u vatima Integralna osjetljivost izražena preko napona

Siu = U φ [V lm] ili Su = IU P [V W]

S obzirom da osjetljivost fotootpora zavisi od talasne dužine svjetlosti možemo za svaki fotootpor eksperimentalno odrediti njegovu spektralnu karakteristiku koja je predstavljena na slici pril = l0 Si (l) = Si (l0)

U praksi se ova karakteristika obično izražava u relativnim jedinicama Pri odgovarajućoj frekvenciji svjetlosti fotootpor provodi maksimalnu struju tj ima maksimalnu osjetljivost

Ako se ova struja označi sa 1 ili 100 tada se pri različitim frekvencijama svjetlosti dobijaju različite vrijednosti za fotostruju koje se mogu izraziti u procentima u odnosu na maksimalnu struju

Spektralna osjetljivost

Prag osjetljivosti

Definiše se snagom zračenja svetlosnog izvora koja stvara signal (naponski ili strujni) na fotootporu koji je jednak signalu šuma Odnosno prag osjetljivosti obično definišemo na osnovu odnosa signal + šum tako da pri SN = 1 dobijamo prag osjetljivosti

Upravo zbog praga osjetljivosti moramo voditi računa o šumu koji nastaje u fotootporu Pošto je fotoosjetljivi sloj poluprovodnik u ovom sloju i nastaju šumovi karakteristični i za druge poluprovodnike

Ako naponski prag označimo sa ( Fpr ) možemo napisati

φpr =sqrt(ltU2gt) Su

U literaturi na engleskom jeziku ova veličina se naziva ekvivalentnom snagom šuma i označava se

sa NEP( Noise Equivalent Power ) Često se prag osjetljivosti određuje u frekventnom intervalu od 1 Hz pa se može napisati

φpr 1 = φpr sqrt(Δf)

Δf ndash efektivna širina pojasa propuštanja pojačavača na koji je vezan fotootpor

Recipročna vrijednost praga osjetljivosti naziva se detektivnost D Naravno ovi parametri se odnose i na druge fotoelemente a ne samo na fotootpore

Vrste šumova u fotootporima

Toplotni šum (terimčki bijeli šum Nikvistov šum)

Radijacioni ili fotonski šumEfekt sačmeGeneraciono rekombinacioni šumŠum tipa 1f

Toplotni šum

Termički ili Johnsonov šum predstavlja pojavu koja je svojstvena svim sistemima čija je apsolutna temperatura T veća od 0 K Termički šum otpora pojavljuje se u otpornicima zbog nepravilnog toplotnog kretanja elektrona a ovisan je o temperaturi Elektroni u kretanju ubrzani kolizijom s termički uzbuđenim molekulima proizvode promjenu magnetnog polja koja uzrokuje kretanje elektronskog plina (nagomilanih slobodnih elektrona) što na krajevima vodiča rezultira u naponu šuma

Daklenastaje zbog haotičnog kretanja elektrona kroz poluprovodnik a ovo kretanje je uzrokovano spoljašnjom toplotom jer je uvijek TgtT0 (T0 = - 27315oC ndash apsolutna temp)

Prema Nyquistovoj teoremi svaki otpor koji se pojavljuje kao izvor šuma može se nadomjestiti naponskim generatorom elektromotorne sile jednake eš=(4kTΔfRizl)12 i jednim bešumnim unutrašnjim otporom Rš s time što je Rš=Riz

Prema Nyquistu će dakle aritmetička sredina kvadrata elektromotorne sile šuma odnosno srednjekvadratna vrijednost napona ovog šuma je

eš

2 =lt u2gt=4kTΔfR

k ndash Bolcmanova constanta (1380662 x 10-23 JK)T ndash apsolutna temperaturaR ndash otpor fotootporaΔf ndash frekventno područje u kojem se vrše mjerenja

Maksimalna snaga šuma iznosi

Pš max = kTΔf

Iz ovog izraza se vidi da maksimalna snaga šuma ovisi od apsolutne temperature

i širine frekvencijskog opsega a ne od učestanosti na kojoj je on lociran Možemo dalje izračunati da je temperatura šuma

Tš = PškΔf

Dakle temperatura šuma je ona (pretpostavljena) temperatura pri kojoj bi na

izlazu iz nekog uređaja snaga samo termičkog šuma bila jednaka snazi ukupnog stvarnog šuma na radnoj temperaturi

Termički šum se pojavljuje u električnim mrežama prijemnim antenama mikrofonima poluprovodničkim elementima i sl

Ovaj šum se često spominje u literaturi jer on ima široki spektar frekvencija pa ga zato često nazivamo Gaussov bijeli šum (AWGN-Aditive White Gaussian Noisse)

Ako slučajni šum ima uniformnu spektralnu gustinu snage na čitavom opsegu frekvencija onda se takav šum naziva ldquobijeli šumrdquo po analogiji sa bijelom svjetlošću koja u vidljivom spektru ima uniformnu i kontiunalnu spektralnu gustinu snage

Bijeli šum

Termički šum i šum efekta sačme generiraju bijeli šum Frekvencijski spektar snage bijelog šuma predstavljen je na slici Iz njega se vidi da on ima ravnu karakteristiku

Spektralna gustina snage bijelog šuma je Sn(ω)= No 2

No [WHz] ndash spektralna gustina snage šuma

Kojeficijent frac12 je uključen da bi pokazao da je

jedna polovina snage na pozitivnim a druga polovina snage na negativnim frekvencijama kao što je pokazano na slici pod a)

Autokorelaciona funkcija bijelog šuma je prikazana na slici pod b)

Trenutne vrijednosti bijelog šuma su potpuno nekorelisane pa se zato kaže da je bijeli šum apsolutno slučajan proces

Efekt sačme

Efekt sačme ndash Šum efekta sačme (zove se još i šot-efekt ili šrot-efekt od englshot i njem Schrott sačma) je šum koji ne nastaje kod fotootpora već kod fotoelemenata koji imaju p ndash n prelaze

Npr kod diode elektroni prelaze iz n ndash tipa u p ndash tip a šupljine obratno S obzirom da u svakoj jedinici vremena ne prolazi isti broj nosilaca elektrona i šupljina već se opažaju fluktuacije koje daju ovaj šum

Srednjekvadratna vrijednost struje šuma uslijed efekta sačme izražava se Šotkijevom jednačinom

lti2gt = 2RI0qΔf

I0 ndash srednja struja koja protiče kroz p ndash n prelaz

Δf ndash interval posmatrfrekvencijaq ndash naelektrisanje elektrona odnosno šupljina

Pojavljuje se u poluprovodnicima i elektronskim cijevima

Radijacioni ili fotonski šum ndash nastaje zbog fluktuacije svjetlosti ( broja fotona ) koja pada na fotootpor bilo iz okoline ili iz izvora svjetlosti

Generaciono rekombinacioni šum ndash nastaje zbog fluktuacije u brzinama generacije i rekombinacije nosilaca elektriciteta To znači da u istim vremenskim intervalima ne nastaje i ne rekombinuje se isti broj parova elektron ndash šupljina

Šum tipa 1f - nastaje na niskim frekvencijama zbog postojanja površinskih stanja zatim zbog nastajanja potencijalnih barijera na kontaktima kao i u unutrašnjosti poluprovodnika Sa porastom frekvencije intenzitet ovog šuma opada zato ga i nazivamo 1f tip šuma

Izvori navedenih šumova statistički su neovisni pa je srednjekvadratna vrijednost napona ili struje ukupnog šuma jednaka zbiru srednjekvadratnih vrijednosti napona ili struje pojedinih komponenti

Vrste fotootpora

1) Selenski fotootpori2) Fotootpori na bazi talijum sulfida ( Tl2S )

3) Fotootpori na bazi bizmut ndash sulfida ( Bi2S3 )

4) Fotootpori na bazi olovnog sulfida ( PbS )

Selenski fotootpori

To su najstariji fotootpori i izrađeni su od elemenata selena (Se) ndash poluprovodnika

Pri slaboj osvjetljenosti i naponu od 100 V imaju integralnu osvjetljivost od 01 ndash 3 mA lm Tamni otpor im iznosi od 104 do 108 W Spektralna karakteristika im je slična ljudskom oku koje je najosjetljivije na l = 055mm što predstavlja zelenu svjetlost

Prikazana kriva se odnosi na dnevnu svjetlost a u sumrak se pomjera ka nižim talasnim dužinama

Nedostatak ovih fotootpora je njihova inertnost to znači ako se selen osvjetljava sa isprekidanom svjetlošću frekvencije iznad 100 Hz naglo gubi svoju osjetljivost (čak za 75)

Fotootpori na bazi talijum sulfida ( Tl2S )

Proizvedeni su 1917 god i imaju veliku osjetljivost koja ponekada iznosi i 2 Alm tamni otpor im iznosi 2x105 ndash 108 W Nedostatak im je što veoma brzo stare što dovodi do nestabilnosti njihovih karakteristika

Fotootpori na bazi bizmut ndash sulfida ( Bi2S3 )

Tamni otpor im je 2x105 ndash 107 W radni napon od 50 ndash 80 V integralna osjetljivost iznosi oko 50 mAlm manje su inertni od prethodna dva tipa Glavni nedostatak im je taj što im se mijenja režim rada pri promjeni temperature

Fotootpori na bazi olovnog sulfida ( PbS ) Integralna osjetljivost im je oko 10 mAlm tamni otpor od 105 ndash 107

W Glavna njihova prednost je mala inercija a nedostatak je osjetljivost na promjenu temperature

Pored nabrojanih fotootpora susrećemo jos i fotootpore na bazi kadmijuma (CdS CdSe itd)

Pri upoređivanju fotootpora pored nabrojanih karakteristika treba obratiti pažnju i na zavisnost pada napona na fotootporu od struje koja kroz njega protiče na frekventnu i spektralnu karakteristiku itd

Fotoelementi

Predstavljaju elektronske komponente koje pri osvjetljavanju daju elektromotornu silu Ako se uključi u zatvoreno kolo sa omskim otporima i osvjetli kroz kolo će proticati struja iako se u kolu ne nalazi nikakav drugi izvor ems U tome je bitna razlika između fotootpora i fotoelemenata iako obje vrste komponenti rade na principu unutrašnjeg fotoefekta

Kod fotoelemenata je potrebno poznavati zavisnost ems od svjetlosnog fluksa (gornja slika) konstrukciju fotoelemenata (donja slika) spektralnu karakteristiku integralnu osjetljivost koeficijent korisnog dejstva itd

SUMEJA DOLJANČIĆEMINA EGRLIĆ

Hvala na pažnji

• Unutrašnji fotoefekat
• Unutrašnji fotoefekat (2)
• Slide 3
• Slide 4
• Osnovni mehanizmi apsorpcije
• Sopstvena (fundamentalna) apsorpcija
• Primjesna apsorpcija
• Akceptorsko-donorska apsorpcija
• Slide 9
• Fotoprovodnost
• Foto ems
• Slide 12
• Slide 13
• Fotootpori
• Slide 15
• Slide 16
• Spektralna osjetljivost
• Prag osjetljivosti
• Vrste šumova u fotootporima
• Toplotni šum
• Slide 21
• Bijeli šum
• Efekt sačme
• Slide 24
• Vrste fotootpora
• Selenski fotootpori
• Slide 27
• Fotoelementi
• Slide 29
• Hvala na pažnji

Kada se p-n poluprovodnik ne osvjetljava tada se može pisati da je IpD + InD = IpP + InP

IpD = IpP i InD = InP

IpD ndash difuzina struja šupljina

InD ndash difuziona struja elektrona

IpP ndash struja provodnosti šupljina i

InP ndash struja provodnosti elektrona

Algebarski zbir sve četiri komponente struje mora biti jednak nuli ako na p-n poluprovodnik ne djeluje spoljašnji izvor

Ukoliko se osvjetli poluprovodnik n-tipa tada će se u njemu generisati parovi elktron-šupljina Pri tome će najveći dio elektrona ostati u poluprovodniku n-tipa a samo neznatan dio će prodrijeti kroz potencijalnu barijeru (zaporni sloj) i dospjet će u poluprovodnik p-tipa Međutim šupljine nastale u poluprovodniku n-tipa ponašaju se sasvim drugačije Ako su šupljine nastale u zapornom sloju poluprovodnika n-tipa tada ih zahvata električno polje E i prebacuje u poluprovodnik p-tipa Isto važi i za šupljine koje su nastale pod utjecajem svjetlosti u blizini zapornog sloja u poluprovodniku n-tipa dok će šupljine nastale u dubini poluprovodnika n-tipa difundirati prema zapornom sloju dok ne dođe do rekombinacije Na potpuno isti naćin se ponašaju i elektroni koji su nastali osvjetljavanjem poluprovodnika p-tipa Pojava dopunske koncentracije šupljina u poluprovodniku p-tipa kao i dopunske koncentracije elektrona u poluprovodniku n-tipa prouzrokovat će smanjenje visine potencijalne barijere tako da će kroz zaporni sloj proticati neka struja IΦ čija jačina zavisi od intenziteta svjetlosti Ovu struju nazivamo foto-strujom Da bsimo izračunali jačinu fotostruej uzet ćemo u obzir da se smanjenjem potencijalne barijere difuziona komponenta struje povećava dok se komponenta struje provodnosti ostaje ista Označivši struje u novim uslovima sa rsquo lsquorsquo možemo napisati izraze za poluprovodnik n-tipa

IpP = IpP

IlsquonD = InDmiddote^(q UΦ kT)

gdje smo se kao i obično koristili Bolcmanovom raspodjelom Sa UΦ je označena foto-ems koja je nastala pod uticajem svjetlosti Analogno se može napisati za

poluprovodnik p-tipaInP = InP

IlsquopD = IpDmiddote^(q UΦ kT)

Struje IpP i InP predstavljaju inverzne struje zasićenja pa ih slično kao i pri opisivanju karakteristike diode možemo označiti kao IpP + InP = I0 Ako se poluprovodnik na slici 3 nalazi u praznom hodu tada ukupna struja kroz osvijetljenu diodu mora biti nula tako da se može napisati

IΦ + IpP ndash InD + InP ndash IpD = 0

IpΦ + InΦ = IΦ

gdje su IpΦ i InΦ komponente fotostruje šupljina i elektrona Na osnovu prethodnih jednačina dobija se

I0 + IΦ - InDmiddote^(q UΦ kT) - IpDmiddote^(q UΦ kT) = 0

I0 + IΦ -(InD + IpD)middote^(q UΦ kT) = 0

IΦ = I0 (e^(q UΦ kT )- 1)

Odavde se logaritmiranjem dobija

UΦ = (kTq )middotln (IΦ I0 -1)

To je napon praznog hoda fotoelementa Ako se između katoda i anode uključi otpor R tada će pod uticajem foto-ems u spoljašnjem kolu proteći struja IR i nastaće pad napona IRmiddotR

Pod uticajem svjetlosti između anode i katode pojavljuje se napon UΦ (UΦ ~ 03 V) što znači da ova dioda pretvara svjetlost u električnu energiju jer kroz spoljašnje kolo teče struja (Id) tako da ovu diodu možemo koristiti kao izvor napona (UΦ) Ovakvu diodu nazivamo fotonaponskim elementom ili solarnom ćelijom

Ako solarne ćelije vežemo u seriju dobićemo željeni napon a ako želimo veće struje onda ih vežemo paralelno S obzirom da su nam u praksi potrebne veće snage (IΦmiddotUΦ) ove se diode vežu u seriju a onda serijski lanci paralelno Koeficijent korisnog dejstva kod solarnih ćelija je mali reda nekoliko procenata pa je zbog toga ova električna energija skuplja od one koju daje gradska mreža

Fotootpori

Fotootpori se izrađuju u obliku folija i pločica od nekog fotoosjetljivog poluprovodnika Takva folija ili pločica ima dva omska kontakta kojima se uključuje u električno kolo Dakle fotootpori su elementi čija se otpornost mijenja pod uticajem svjetlosti tj R = f( Ф) Izrađuju se od različitih poluprovodnika a najčešće od raznih jedinjenja na bazi sumpora selena telura olova bizmuta GaAs itd Poluprovodnik se specijalnim tehnološkim postupkom nanosi na neki izolator a zatim se ugrađuju elektrode

U kolo jednosmjerne ili naizmjenične struje fotootpori se uključuju na isti način kao i obični otpori Kada se fotootpor osvjetljava smanjuje mu se otpor pa kroz kolo poteče jača struja ako su elektrode priključene na neki napon (bateriju) Jačina struje zavisi od jačine svjetlosti I = f( Ф)

Osnovni parametri fotootpora su - maksimalno dozvoljeni napon - maksimalna disipacija snage - tamni otpor i tamna struja - vremenska konstanta - spektralna i integralna osjetljivost - prag osjetljivosti

Spektralna osjetljivost ndashdefiniše se kao odnos između fotostruje kroz fotootpor i svjetlosnog fluksa pri određenom naponu na fotootporu dok se svjetlosni fluks uzima iz odgovarajućeg monohromatičnog izvora

Provodnost fotootpora ne zavisi samo od jačine svjetlosti već i od frekvencije svjetlosti kojom je osvjetljen

Upravo zato se određuje i spektralna osjetljivost Si (f) i Su (f) U ovom slučaju fotootpor osvjetljavamo iz izvora svjetlosti frekvencije (f) (talasne dužine l) i mjerimo spektralnu osjetljivost na isti način kao i integralnu i izražavamo istim jednačinama i jedinicama

Integralna osjetljivost izražena preko struje Si = I φ [A lm] ili Si = I P [A W]

F - svjetlosni fluks u lumenimaP - snaga svjetlosnog izvora u vatima Integralna osjetljivost izražena preko napona

Siu = U φ [V lm] ili Su = IU P [V W]

S obzirom da osjetljivost fotootpora zavisi od talasne dužine svjetlosti možemo za svaki fotootpor eksperimentalno odrediti njegovu spektralnu karakteristiku koja je predstavljena na slici pril = l0 Si (l) = Si (l0)

U praksi se ova karakteristika obično izražava u relativnim jedinicama Pri odgovarajućoj frekvenciji svjetlosti fotootpor provodi maksimalnu struju tj ima maksimalnu osjetljivost

Ako se ova struja označi sa 1 ili 100 tada se pri različitim frekvencijama svjetlosti dobijaju različite vrijednosti za fotostruju koje se mogu izraziti u procentima u odnosu na maksimalnu struju

Spektralna osjetljivost

Prag osjetljivosti

Definiše se snagom zračenja svetlosnog izvora koja stvara signal (naponski ili strujni) na fotootporu koji je jednak signalu šuma Odnosno prag osjetljivosti obično definišemo na osnovu odnosa signal + šum tako da pri SN = 1 dobijamo prag osjetljivosti

Upravo zbog praga osjetljivosti moramo voditi računa o šumu koji nastaje u fotootporu Pošto je fotoosjetljivi sloj poluprovodnik u ovom sloju i nastaju šumovi karakteristični i za druge poluprovodnike

Ako naponski prag označimo sa ( Fpr ) možemo napisati

φpr =sqrt(ltU2gt) Su

U literaturi na engleskom jeziku ova veličina se naziva ekvivalentnom snagom šuma i označava se

sa NEP( Noise Equivalent Power ) Često se prag osjetljivosti određuje u frekventnom intervalu od 1 Hz pa se može napisati

φpr 1 = φpr sqrt(Δf)

Δf ndash efektivna širina pojasa propuštanja pojačavača na koji je vezan fotootpor

Recipročna vrijednost praga osjetljivosti naziva se detektivnost D Naravno ovi parametri se odnose i na druge fotoelemente a ne samo na fotootpore

Vrste šumova u fotootporima

Toplotni šum (terimčki bijeli šum Nikvistov šum)

Radijacioni ili fotonski šumEfekt sačmeGeneraciono rekombinacioni šumŠum tipa 1f

Toplotni šum

Termički ili Johnsonov šum predstavlja pojavu koja je svojstvena svim sistemima čija je apsolutna temperatura T veća od 0 K Termički šum otpora pojavljuje se u otpornicima zbog nepravilnog toplotnog kretanja elektrona a ovisan je o temperaturi Elektroni u kretanju ubrzani kolizijom s termički uzbuđenim molekulima proizvode promjenu magnetnog polja koja uzrokuje kretanje elektronskog plina (nagomilanih slobodnih elektrona) što na krajevima vodiča rezultira u naponu šuma

Daklenastaje zbog haotičnog kretanja elektrona kroz poluprovodnik a ovo kretanje je uzrokovano spoljašnjom toplotom jer je uvijek TgtT0 (T0 = - 27315oC ndash apsolutna temp)

Prema Nyquistovoj teoremi svaki otpor koji se pojavljuje kao izvor šuma može se nadomjestiti naponskim generatorom elektromotorne sile jednake eš=(4kTΔfRizl)12 i jednim bešumnim unutrašnjim otporom Rš s time što je Rš=Riz

Prema Nyquistu će dakle aritmetička sredina kvadrata elektromotorne sile šuma odnosno srednjekvadratna vrijednost napona ovog šuma je

eš

2 =lt u2gt=4kTΔfR

k ndash Bolcmanova constanta (1380662 x 10-23 JK)T ndash apsolutna temperaturaR ndash otpor fotootporaΔf ndash frekventno područje u kojem se vrše mjerenja

Maksimalna snaga šuma iznosi

Pš max = kTΔf

Iz ovog izraza se vidi da maksimalna snaga šuma ovisi od apsolutne temperature

i širine frekvencijskog opsega a ne od učestanosti na kojoj je on lociran Možemo dalje izračunati da je temperatura šuma

Tš = PškΔf

Dakle temperatura šuma je ona (pretpostavljena) temperatura pri kojoj bi na

izlazu iz nekog uređaja snaga samo termičkog šuma bila jednaka snazi ukupnog stvarnog šuma na radnoj temperaturi

Termički šum se pojavljuje u električnim mrežama prijemnim antenama mikrofonima poluprovodničkim elementima i sl

Ovaj šum se često spominje u literaturi jer on ima široki spektar frekvencija pa ga zato često nazivamo Gaussov bijeli šum (AWGN-Aditive White Gaussian Noisse)

Ako slučajni šum ima uniformnu spektralnu gustinu snage na čitavom opsegu frekvencija onda se takav šum naziva ldquobijeli šumrdquo po analogiji sa bijelom svjetlošću koja u vidljivom spektru ima uniformnu i kontiunalnu spektralnu gustinu snage

Bijeli šum

Termički šum i šum efekta sačme generiraju bijeli šum Frekvencijski spektar snage bijelog šuma predstavljen je na slici Iz njega se vidi da on ima ravnu karakteristiku

Spektralna gustina snage bijelog šuma je Sn(ω)= No 2

No [WHz] ndash spektralna gustina snage šuma

Kojeficijent frac12 je uključen da bi pokazao da je

jedna polovina snage na pozitivnim a druga polovina snage na negativnim frekvencijama kao što je pokazano na slici pod a)

Autokorelaciona funkcija bijelog šuma je prikazana na slici pod b)

Trenutne vrijednosti bijelog šuma su potpuno nekorelisane pa se zato kaže da je bijeli šum apsolutno slučajan proces

Efekt sačme

Efekt sačme ndash Šum efekta sačme (zove se još i šot-efekt ili šrot-efekt od englshot i njem Schrott sačma) je šum koji ne nastaje kod fotootpora već kod fotoelemenata koji imaju p ndash n prelaze

Npr kod diode elektroni prelaze iz n ndash tipa u p ndash tip a šupljine obratno S obzirom da u svakoj jedinici vremena ne prolazi isti broj nosilaca elektrona i šupljina već se opažaju fluktuacije koje daju ovaj šum

Srednjekvadratna vrijednost struje šuma uslijed efekta sačme izražava se Šotkijevom jednačinom

lti2gt = 2RI0qΔf

I0 ndash srednja struja koja protiče kroz p ndash n prelaz

Δf ndash interval posmatrfrekvencijaq ndash naelektrisanje elektrona odnosno šupljina

Pojavljuje se u poluprovodnicima i elektronskim cijevima

Radijacioni ili fotonski šum ndash nastaje zbog fluktuacije svjetlosti ( broja fotona ) koja pada na fotootpor bilo iz okoline ili iz izvora svjetlosti

Generaciono rekombinacioni šum ndash nastaje zbog fluktuacije u brzinama generacije i rekombinacije nosilaca elektriciteta To znači da u istim vremenskim intervalima ne nastaje i ne rekombinuje se isti broj parova elektron ndash šupljina

Šum tipa 1f - nastaje na niskim frekvencijama zbog postojanja površinskih stanja zatim zbog nastajanja potencijalnih barijera na kontaktima kao i u unutrašnjosti poluprovodnika Sa porastom frekvencije intenzitet ovog šuma opada zato ga i nazivamo 1f tip šuma

Izvori navedenih šumova statistički su neovisni pa je srednjekvadratna vrijednost napona ili struje ukupnog šuma jednaka zbiru srednjekvadratnih vrijednosti napona ili struje pojedinih komponenti

Vrste fotootpora

1) Selenski fotootpori2) Fotootpori na bazi talijum sulfida ( Tl2S )

3) Fotootpori na bazi bizmut ndash sulfida ( Bi2S3 )

4) Fotootpori na bazi olovnog sulfida ( PbS )

Selenski fotootpori

To su najstariji fotootpori i izrađeni su od elemenata selena (Se) ndash poluprovodnika

Pri slaboj osvjetljenosti i naponu od 100 V imaju integralnu osvjetljivost od 01 ndash 3 mA lm Tamni otpor im iznosi od 104 do 108 W Spektralna karakteristika im je slična ljudskom oku koje je najosjetljivije na l = 055mm što predstavlja zelenu svjetlost

Prikazana kriva se odnosi na dnevnu svjetlost a u sumrak se pomjera ka nižim talasnim dužinama

Nedostatak ovih fotootpora je njihova inertnost to znači ako se selen osvjetljava sa isprekidanom svjetlošću frekvencije iznad 100 Hz naglo gubi svoju osjetljivost (čak za 75)

Fotootpori na bazi talijum sulfida ( Tl2S )

Proizvedeni su 1917 god i imaju veliku osjetljivost koja ponekada iznosi i 2 Alm tamni otpor im iznosi 2x105 ndash 108 W Nedostatak im je što veoma brzo stare što dovodi do nestabilnosti njihovih karakteristika

Fotootpori na bazi bizmut ndash sulfida ( Bi2S3 )

Tamni otpor im je 2x105 ndash 107 W radni napon od 50 ndash 80 V integralna osjetljivost iznosi oko 50 mAlm manje su inertni od prethodna dva tipa Glavni nedostatak im je taj što im se mijenja režim rada pri promjeni temperature

Fotootpori na bazi olovnog sulfida ( PbS ) Integralna osjetljivost im je oko 10 mAlm tamni otpor od 105 ndash 107

W Glavna njihova prednost je mala inercija a nedostatak je osjetljivost na promjenu temperature

Pored nabrojanih fotootpora susrećemo jos i fotootpore na bazi kadmijuma (CdS CdSe itd)

Pri upoređivanju fotootpora pored nabrojanih karakteristika treba obratiti pažnju i na zavisnost pada napona na fotootporu od struje koja kroz njega protiče na frekventnu i spektralnu karakteristiku itd

Fotoelementi

Predstavljaju elektronske komponente koje pri osvjetljavanju daju elektromotornu silu Ako se uključi u zatvoreno kolo sa omskim otporima i osvjetli kroz kolo će proticati struja iako se u kolu ne nalazi nikakav drugi izvor ems U tome je bitna razlika između fotootpora i fotoelemenata iako obje vrste komponenti rade na principu unutrašnjeg fotoefekta

Kod fotoelemenata je potrebno poznavati zavisnost ems od svjetlosnog fluksa (gornja slika) konstrukciju fotoelemenata (donja slika) spektralnu karakteristiku integralnu osjetljivost koeficijent korisnog dejstva itd

SUMEJA DOLJANČIĆEMINA EGRLIĆ

Hvala na pažnji

• Unutrašnji fotoefekat
• Unutrašnji fotoefekat (2)
• Slide 3
• Slide 4
• Osnovni mehanizmi apsorpcije
• Sopstvena (fundamentalna) apsorpcija
• Primjesna apsorpcija
• Akceptorsko-donorska apsorpcija
• Slide 9
• Fotoprovodnost
• Foto ems
• Slide 12
• Slide 13
• Fotootpori
• Slide 15
• Slide 16
• Spektralna osjetljivost
• Prag osjetljivosti
• Vrste šumova u fotootporima
• Toplotni šum
• Slide 21
• Bijeli šum
• Efekt sačme
• Slide 24
• Vrste fotootpora
• Selenski fotootpori
• Slide 27
• Fotoelementi
• Slide 29
• Hvala na pažnji

Struje IpP i InP predstavljaju inverzne struje zasićenja pa ih slično kao i pri opisivanju karakteristike diode možemo označiti kao IpP + InP = I0 Ako se poluprovodnik na slici 3 nalazi u praznom hodu tada ukupna struja kroz osvijetljenu diodu mora biti nula tako da se može napisati

IΦ + IpP ndash InD + InP ndash IpD = 0

IpΦ + InΦ = IΦ

gdje su IpΦ i InΦ komponente fotostruje šupljina i elektrona Na osnovu prethodnih jednačina dobija se

I0 + IΦ - InDmiddote^(q UΦ kT) - IpDmiddote^(q UΦ kT) = 0

I0 + IΦ -(InD + IpD)middote^(q UΦ kT) = 0

IΦ = I0 (e^(q UΦ kT )- 1)

Odavde se logaritmiranjem dobija

UΦ = (kTq )middotln (IΦ I0 -1)

To je napon praznog hoda fotoelementa Ako se između katoda i anode uključi otpor R tada će pod uticajem foto-ems u spoljašnjem kolu proteći struja IR i nastaće pad napona IRmiddotR

Pod uticajem svjetlosti između anode i katode pojavljuje se napon UΦ (UΦ ~ 03 V) što znači da ova dioda pretvara svjetlost u električnu energiju jer kroz spoljašnje kolo teče struja (Id) tako da ovu diodu možemo koristiti kao izvor napona (UΦ) Ovakvu diodu nazivamo fotonaponskim elementom ili solarnom ćelijom

Ako solarne ćelije vežemo u seriju dobićemo željeni napon a ako želimo veće struje onda ih vežemo paralelno S obzirom da su nam u praksi potrebne veće snage (IΦmiddotUΦ) ove se diode vežu u seriju a onda serijski lanci paralelno Koeficijent korisnog dejstva kod solarnih ćelija je mali reda nekoliko procenata pa je zbog toga ova električna energija skuplja od one koju daje gradska mreža

Fotootpori

Fotootpori se izrađuju u obliku folija i pločica od nekog fotoosjetljivog poluprovodnika Takva folija ili pločica ima dva omska kontakta kojima se uključuje u električno kolo Dakle fotootpori su elementi čija se otpornost mijenja pod uticajem svjetlosti tj R = f( Ф) Izrađuju se od različitih poluprovodnika a najčešće od raznih jedinjenja na bazi sumpora selena telura olova bizmuta GaAs itd Poluprovodnik se specijalnim tehnološkim postupkom nanosi na neki izolator a zatim se ugrađuju elektrode

U kolo jednosmjerne ili naizmjenične struje fotootpori se uključuju na isti način kao i obični otpori Kada se fotootpor osvjetljava smanjuje mu se otpor pa kroz kolo poteče jača struja ako su elektrode priključene na neki napon (bateriju) Jačina struje zavisi od jačine svjetlosti I = f( Ф)

Osnovni parametri fotootpora su - maksimalno dozvoljeni napon - maksimalna disipacija snage - tamni otpor i tamna struja - vremenska konstanta - spektralna i integralna osjetljivost - prag osjetljivosti

Spektralna osjetljivost ndashdefiniše se kao odnos između fotostruje kroz fotootpor i svjetlosnog fluksa pri određenom naponu na fotootporu dok se svjetlosni fluks uzima iz odgovarajućeg monohromatičnog izvora

Provodnost fotootpora ne zavisi samo od jačine svjetlosti već i od frekvencije svjetlosti kojom je osvjetljen

Upravo zato se određuje i spektralna osjetljivost Si (f) i Su (f) U ovom slučaju fotootpor osvjetljavamo iz izvora svjetlosti frekvencije (f) (talasne dužine l) i mjerimo spektralnu osjetljivost na isti način kao i integralnu i izražavamo istim jednačinama i jedinicama

Integralna osjetljivost izražena preko struje Si = I φ [A lm] ili Si = I P [A W]

F - svjetlosni fluks u lumenimaP - snaga svjetlosnog izvora u vatima Integralna osjetljivost izražena preko napona

Siu = U φ [V lm] ili Su = IU P [V W]

S obzirom da osjetljivost fotootpora zavisi od talasne dužine svjetlosti možemo za svaki fotootpor eksperimentalno odrediti njegovu spektralnu karakteristiku koja je predstavljena na slici pril = l0 Si (l) = Si (l0)

U praksi se ova karakteristika obično izražava u relativnim jedinicama Pri odgovarajućoj frekvenciji svjetlosti fotootpor provodi maksimalnu struju tj ima maksimalnu osjetljivost

Ako se ova struja označi sa 1 ili 100 tada se pri različitim frekvencijama svjetlosti dobijaju različite vrijednosti za fotostruju koje se mogu izraziti u procentima u odnosu na maksimalnu struju

Spektralna osjetljivost

Prag osjetljivosti

Definiše se snagom zračenja svetlosnog izvora koja stvara signal (naponski ili strujni) na fotootporu koji je jednak signalu šuma Odnosno prag osjetljivosti obično definišemo na osnovu odnosa signal + šum tako da pri SN = 1 dobijamo prag osjetljivosti

Upravo zbog praga osjetljivosti moramo voditi računa o šumu koji nastaje u fotootporu Pošto je fotoosjetljivi sloj poluprovodnik u ovom sloju i nastaju šumovi karakteristični i za druge poluprovodnike

Ako naponski prag označimo sa ( Fpr ) možemo napisati

φpr =sqrt(ltU2gt) Su

U literaturi na engleskom jeziku ova veličina se naziva ekvivalentnom snagom šuma i označava se

sa NEP( Noise Equivalent Power ) Često se prag osjetljivosti određuje u frekventnom intervalu od 1 Hz pa se može napisati

φpr 1 = φpr sqrt(Δf)

Δf ndash efektivna širina pojasa propuštanja pojačavača na koji je vezan fotootpor

Recipročna vrijednost praga osjetljivosti naziva se detektivnost D Naravno ovi parametri se odnose i na druge fotoelemente a ne samo na fotootpore

Vrste šumova u fotootporima

Toplotni šum (terimčki bijeli šum Nikvistov šum)

Radijacioni ili fotonski šumEfekt sačmeGeneraciono rekombinacioni šumŠum tipa 1f

Toplotni šum

Termički ili Johnsonov šum predstavlja pojavu koja je svojstvena svim sistemima čija je apsolutna temperatura T veća od 0 K Termički šum otpora pojavljuje se u otpornicima zbog nepravilnog toplotnog kretanja elektrona a ovisan je o temperaturi Elektroni u kretanju ubrzani kolizijom s termički uzbuđenim molekulima proizvode promjenu magnetnog polja koja uzrokuje kretanje elektronskog plina (nagomilanih slobodnih elektrona) što na krajevima vodiča rezultira u naponu šuma

Daklenastaje zbog haotičnog kretanja elektrona kroz poluprovodnik a ovo kretanje je uzrokovano spoljašnjom toplotom jer je uvijek TgtT0 (T0 = - 27315oC ndash apsolutna temp)

Prema Nyquistovoj teoremi svaki otpor koji se pojavljuje kao izvor šuma može se nadomjestiti naponskim generatorom elektromotorne sile jednake eš=(4kTΔfRizl)12 i jednim bešumnim unutrašnjim otporom Rš s time što je Rš=Riz

Prema Nyquistu će dakle aritmetička sredina kvadrata elektromotorne sile šuma odnosno srednjekvadratna vrijednost napona ovog šuma je

eš

2 =lt u2gt=4kTΔfR

k ndash Bolcmanova constanta (1380662 x 10-23 JK)T ndash apsolutna temperaturaR ndash otpor fotootporaΔf ndash frekventno područje u kojem se vrše mjerenja

Maksimalna snaga šuma iznosi

Pš max = kTΔf

Iz ovog izraza se vidi da maksimalna snaga šuma ovisi od apsolutne temperature

i širine frekvencijskog opsega a ne od učestanosti na kojoj je on lociran Možemo dalje izračunati da je temperatura šuma

Tš = PškΔf

Dakle temperatura šuma je ona (pretpostavljena) temperatura pri kojoj bi na

izlazu iz nekog uređaja snaga samo termičkog šuma bila jednaka snazi ukupnog stvarnog šuma na radnoj temperaturi

Termički šum se pojavljuje u električnim mrežama prijemnim antenama mikrofonima poluprovodničkim elementima i sl

Ovaj šum se često spominje u literaturi jer on ima široki spektar frekvencija pa ga zato često nazivamo Gaussov bijeli šum (AWGN-Aditive White Gaussian Noisse)

Ako slučajni šum ima uniformnu spektralnu gustinu snage na čitavom opsegu frekvencija onda se takav šum naziva ldquobijeli šumrdquo po analogiji sa bijelom svjetlošću koja u vidljivom spektru ima uniformnu i kontiunalnu spektralnu gustinu snage

Bijeli šum

Termički šum i šum efekta sačme generiraju bijeli šum Frekvencijski spektar snage bijelog šuma predstavljen je na slici Iz njega se vidi da on ima ravnu karakteristiku

Spektralna gustina snage bijelog šuma je Sn(ω)= No 2

No [WHz] ndash spektralna gustina snage šuma

Kojeficijent frac12 je uključen da bi pokazao da je

jedna polovina snage na pozitivnim a druga polovina snage na negativnim frekvencijama kao što je pokazano na slici pod a)

Autokorelaciona funkcija bijelog šuma je prikazana na slici pod b)

Trenutne vrijednosti bijelog šuma su potpuno nekorelisane pa se zato kaže da je bijeli šum apsolutno slučajan proces

Efekt sačme

Efekt sačme ndash Šum efekta sačme (zove se još i šot-efekt ili šrot-efekt od englshot i njem Schrott sačma) je šum koji ne nastaje kod fotootpora već kod fotoelemenata koji imaju p ndash n prelaze

Npr kod diode elektroni prelaze iz n ndash tipa u p ndash tip a šupljine obratno S obzirom da u svakoj jedinici vremena ne prolazi isti broj nosilaca elektrona i šupljina već se opažaju fluktuacije koje daju ovaj šum

Srednjekvadratna vrijednost struje šuma uslijed efekta sačme izražava se Šotkijevom jednačinom

lti2gt = 2RI0qΔf

I0 ndash srednja struja koja protiče kroz p ndash n prelaz

Δf ndash interval posmatrfrekvencijaq ndash naelektrisanje elektrona odnosno šupljina

Pojavljuje se u poluprovodnicima i elektronskim cijevima

Radijacioni ili fotonski šum ndash nastaje zbog fluktuacije svjetlosti ( broja fotona ) koja pada na fotootpor bilo iz okoline ili iz izvora svjetlosti

Generaciono rekombinacioni šum ndash nastaje zbog fluktuacije u brzinama generacije i rekombinacije nosilaca elektriciteta To znači da u istim vremenskim intervalima ne nastaje i ne rekombinuje se isti broj parova elektron ndash šupljina

Šum tipa 1f - nastaje na niskim frekvencijama zbog postojanja površinskih stanja zatim zbog nastajanja potencijalnih barijera na kontaktima kao i u unutrašnjosti poluprovodnika Sa porastom frekvencije intenzitet ovog šuma opada zato ga i nazivamo 1f tip šuma

Izvori navedenih šumova statistički su neovisni pa je srednjekvadratna vrijednost napona ili struje ukupnog šuma jednaka zbiru srednjekvadratnih vrijednosti napona ili struje pojedinih komponenti

Vrste fotootpora

1) Selenski fotootpori2) Fotootpori na bazi talijum sulfida ( Tl2S )

3) Fotootpori na bazi bizmut ndash sulfida ( Bi2S3 )

4) Fotootpori na bazi olovnog sulfida ( PbS )

Selenski fotootpori

To su najstariji fotootpori i izrađeni su od elemenata selena (Se) ndash poluprovodnika

Pri slaboj osvjetljenosti i naponu od 100 V imaju integralnu osvjetljivost od 01 ndash 3 mA lm Tamni otpor im iznosi od 104 do 108 W Spektralna karakteristika im je slična ljudskom oku koje je najosjetljivije na l = 055mm što predstavlja zelenu svjetlost

Prikazana kriva se odnosi na dnevnu svjetlost a u sumrak se pomjera ka nižim talasnim dužinama

Nedostatak ovih fotootpora je njihova inertnost to znači ako se selen osvjetljava sa isprekidanom svjetlošću frekvencije iznad 100 Hz naglo gubi svoju osjetljivost (čak za 75)

Fotootpori na bazi talijum sulfida ( Tl2S )

Proizvedeni su 1917 god i imaju veliku osjetljivost koja ponekada iznosi i 2 Alm tamni otpor im iznosi 2x105 ndash 108 W Nedostatak im je što veoma brzo stare što dovodi do nestabilnosti njihovih karakteristika

Fotootpori na bazi bizmut ndash sulfida ( Bi2S3 )

Tamni otpor im je 2x105 ndash 107 W radni napon od 50 ndash 80 V integralna osjetljivost iznosi oko 50 mAlm manje su inertni od prethodna dva tipa Glavni nedostatak im je taj što im se mijenja režim rada pri promjeni temperature

Fotootpori na bazi olovnog sulfida ( PbS ) Integralna osjetljivost im je oko 10 mAlm tamni otpor od 105 ndash 107

W Glavna njihova prednost je mala inercija a nedostatak je osjetljivost na promjenu temperature

Pored nabrojanih fotootpora susrećemo jos i fotootpore na bazi kadmijuma (CdS CdSe itd)

Pri upoređivanju fotootpora pored nabrojanih karakteristika treba obratiti pažnju i na zavisnost pada napona na fotootporu od struje koja kroz njega protiče na frekventnu i spektralnu karakteristiku itd

Fotoelementi

Predstavljaju elektronske komponente koje pri osvjetljavanju daju elektromotornu silu Ako se uključi u zatvoreno kolo sa omskim otporima i osvjetli kroz kolo će proticati struja iako se u kolu ne nalazi nikakav drugi izvor ems U tome je bitna razlika između fotootpora i fotoelemenata iako obje vrste komponenti rade na principu unutrašnjeg fotoefekta

Kod fotoelemenata je potrebno poznavati zavisnost ems od svjetlosnog fluksa (gornja slika) konstrukciju fotoelemenata (donja slika) spektralnu karakteristiku integralnu osjetljivost koeficijent korisnog dejstva itd

SUMEJA DOLJANČIĆEMINA EGRLIĆ

Hvala na pažnji

• Unutrašnji fotoefekat
• Unutrašnji fotoefekat (2)
• Slide 3
• Slide 4
• Osnovni mehanizmi apsorpcije
• Sopstvena (fundamentalna) apsorpcija
• Primjesna apsorpcija
• Akceptorsko-donorska apsorpcija
• Slide 9
• Fotoprovodnost
• Foto ems
• Slide 12
• Slide 13
• Fotootpori
• Slide 15
• Slide 16
• Spektralna osjetljivost
• Prag osjetljivosti
• Vrste šumova u fotootporima
• Toplotni šum
• Slide 21
• Bijeli šum
• Efekt sačme
• Slide 24
• Vrste fotootpora
• Selenski fotootpori
• Slide 27
• Fotoelementi
• Slide 29
• Hvala na pažnji

Fotootpori

Fotootpori se izrađuju u obliku folija i pločica od nekog fotoosjetljivog poluprovodnika Takva folija ili pločica ima dva omska kontakta kojima se uključuje u električno kolo Dakle fotootpori su elementi čija se otpornost mijenja pod uticajem svjetlosti tj R = f( Ф) Izrađuju se od različitih poluprovodnika a najčešće od raznih jedinjenja na bazi sumpora selena telura olova bizmuta GaAs itd Poluprovodnik se specijalnim tehnološkim postupkom nanosi na neki izolator a zatim se ugrađuju elektrode

U kolo jednosmjerne ili naizmjenične struje fotootpori se uključuju na isti način kao i obični otpori Kada se fotootpor osvjetljava smanjuje mu se otpor pa kroz kolo poteče jača struja ako su elektrode priključene na neki napon (bateriju) Jačina struje zavisi od jačine svjetlosti I = f( Ф)

Osnovni parametri fotootpora su - maksimalno dozvoljeni napon - maksimalna disipacija snage - tamni otpor i tamna struja - vremenska konstanta - spektralna i integralna osjetljivost - prag osjetljivosti

Spektralna osjetljivost ndashdefiniše se kao odnos između fotostruje kroz fotootpor i svjetlosnog fluksa pri određenom naponu na fotootporu dok se svjetlosni fluks uzima iz odgovarajućeg monohromatičnog izvora

Provodnost fotootpora ne zavisi samo od jačine svjetlosti već i od frekvencije svjetlosti kojom je osvjetljen

Upravo zato se određuje i spektralna osjetljivost Si (f) i Su (f) U ovom slučaju fotootpor osvjetljavamo iz izvora svjetlosti frekvencije (f) (talasne dužine l) i mjerimo spektralnu osjetljivost na isti način kao i integralnu i izražavamo istim jednačinama i jedinicama

Integralna osjetljivost izražena preko struje Si = I φ [A lm] ili Si = I P [A W]

F - svjetlosni fluks u lumenimaP - snaga svjetlosnog izvora u vatima Integralna osjetljivost izražena preko napona

Siu = U φ [V lm] ili Su = IU P [V W]

S obzirom da osjetljivost fotootpora zavisi od talasne dužine svjetlosti možemo za svaki fotootpor eksperimentalno odrediti njegovu spektralnu karakteristiku koja je predstavljena na slici pril = l0 Si (l) = Si (l0)

U praksi se ova karakteristika obično izražava u relativnim jedinicama Pri odgovarajućoj frekvenciji svjetlosti fotootpor provodi maksimalnu struju tj ima maksimalnu osjetljivost

Ako se ova struja označi sa 1 ili 100 tada se pri različitim frekvencijama svjetlosti dobijaju različite vrijednosti za fotostruju koje se mogu izraziti u procentima u odnosu na maksimalnu struju

Spektralna osjetljivost

Prag osjetljivosti

Definiše se snagom zračenja svetlosnog izvora koja stvara signal (naponski ili strujni) na fotootporu koji je jednak signalu šuma Odnosno prag osjetljivosti obično definišemo na osnovu odnosa signal + šum tako da pri SN = 1 dobijamo prag osjetljivosti

Upravo zbog praga osjetljivosti moramo voditi računa o šumu koji nastaje u fotootporu Pošto je fotoosjetljivi sloj poluprovodnik u ovom sloju i nastaju šumovi karakteristični i za druge poluprovodnike

Ako naponski prag označimo sa ( Fpr ) možemo napisati

φpr =sqrt(ltU2gt) Su

U literaturi na engleskom jeziku ova veličina se naziva ekvivalentnom snagom šuma i označava se

sa NEP( Noise Equivalent Power ) Često se prag osjetljivosti određuje u frekventnom intervalu od 1 Hz pa se može napisati

φpr 1 = φpr sqrt(Δf)

Δf ndash efektivna širina pojasa propuštanja pojačavača na koji je vezan fotootpor

Recipročna vrijednost praga osjetljivosti naziva se detektivnost D Naravno ovi parametri se odnose i na druge fotoelemente a ne samo na fotootpore

Vrste šumova u fotootporima

Toplotni šum (terimčki bijeli šum Nikvistov šum)

Radijacioni ili fotonski šumEfekt sačmeGeneraciono rekombinacioni šumŠum tipa 1f

Toplotni šum

Termički ili Johnsonov šum predstavlja pojavu koja je svojstvena svim sistemima čija je apsolutna temperatura T veća od 0 K Termički šum otpora pojavljuje se u otpornicima zbog nepravilnog toplotnog kretanja elektrona a ovisan je o temperaturi Elektroni u kretanju ubrzani kolizijom s termički uzbuđenim molekulima proizvode promjenu magnetnog polja koja uzrokuje kretanje elektronskog plina (nagomilanih slobodnih elektrona) što na krajevima vodiča rezultira u naponu šuma

Daklenastaje zbog haotičnog kretanja elektrona kroz poluprovodnik a ovo kretanje je uzrokovano spoljašnjom toplotom jer je uvijek TgtT0 (T0 = - 27315oC ndash apsolutna temp)

Prema Nyquistovoj teoremi svaki otpor koji se pojavljuje kao izvor šuma može se nadomjestiti naponskim generatorom elektromotorne sile jednake eš=(4kTΔfRizl)12 i jednim bešumnim unutrašnjim otporom Rš s time što je Rš=Riz

Prema Nyquistu će dakle aritmetička sredina kvadrata elektromotorne sile šuma odnosno srednjekvadratna vrijednost napona ovog šuma je

eš

2 =lt u2gt=4kTΔfR

k ndash Bolcmanova constanta (1380662 x 10-23 JK)T ndash apsolutna temperaturaR ndash otpor fotootporaΔf ndash frekventno područje u kojem se vrše mjerenja

Maksimalna snaga šuma iznosi

Pš max = kTΔf

Iz ovog izraza se vidi da maksimalna snaga šuma ovisi od apsolutne temperature

i širine frekvencijskog opsega a ne od učestanosti na kojoj je on lociran Možemo dalje izračunati da je temperatura šuma

Tš = PškΔf

Dakle temperatura šuma je ona (pretpostavljena) temperatura pri kojoj bi na

izlazu iz nekog uređaja snaga samo termičkog šuma bila jednaka snazi ukupnog stvarnog šuma na radnoj temperaturi

Termički šum se pojavljuje u električnim mrežama prijemnim antenama mikrofonima poluprovodničkim elementima i sl

Ovaj šum se često spominje u literaturi jer on ima široki spektar frekvencija pa ga zato često nazivamo Gaussov bijeli šum (AWGN-Aditive White Gaussian Noisse)

Ako slučajni šum ima uniformnu spektralnu gustinu snage na čitavom opsegu frekvencija onda se takav šum naziva ldquobijeli šumrdquo po analogiji sa bijelom svjetlošću koja u vidljivom spektru ima uniformnu i kontiunalnu spektralnu gustinu snage

Bijeli šum

Termički šum i šum efekta sačme generiraju bijeli šum Frekvencijski spektar snage bijelog šuma predstavljen je na slici Iz njega se vidi da on ima ravnu karakteristiku

Spektralna gustina snage bijelog šuma je Sn(ω)= No 2

No [WHz] ndash spektralna gustina snage šuma

Kojeficijent frac12 je uključen da bi pokazao da je

jedna polovina snage na pozitivnim a druga polovina snage na negativnim frekvencijama kao što je pokazano na slici pod a)

Autokorelaciona funkcija bijelog šuma je prikazana na slici pod b)

Trenutne vrijednosti bijelog šuma su potpuno nekorelisane pa se zato kaže da je bijeli šum apsolutno slučajan proces

Efekt sačme

Efekt sačme ndash Šum efekta sačme (zove se još i šot-efekt ili šrot-efekt od englshot i njem Schrott sačma) je šum koji ne nastaje kod fotootpora već kod fotoelemenata koji imaju p ndash n prelaze

Npr kod diode elektroni prelaze iz n ndash tipa u p ndash tip a šupljine obratno S obzirom da u svakoj jedinici vremena ne prolazi isti broj nosilaca elektrona i šupljina već se opažaju fluktuacije koje daju ovaj šum

Srednjekvadratna vrijednost struje šuma uslijed efekta sačme izražava se Šotkijevom jednačinom

lti2gt = 2RI0qΔf

I0 ndash srednja struja koja protiče kroz p ndash n prelaz

Δf ndash interval posmatrfrekvencijaq ndash naelektrisanje elektrona odnosno šupljina

Pojavljuje se u poluprovodnicima i elektronskim cijevima

Radijacioni ili fotonski šum ndash nastaje zbog fluktuacije svjetlosti ( broja fotona ) koja pada na fotootpor bilo iz okoline ili iz izvora svjetlosti

Generaciono rekombinacioni šum ndash nastaje zbog fluktuacije u brzinama generacije i rekombinacije nosilaca elektriciteta To znači da u istim vremenskim intervalima ne nastaje i ne rekombinuje se isti broj parova elektron ndash šupljina

Šum tipa 1f - nastaje na niskim frekvencijama zbog postojanja površinskih stanja zatim zbog nastajanja potencijalnih barijera na kontaktima kao i u unutrašnjosti poluprovodnika Sa porastom frekvencije intenzitet ovog šuma opada zato ga i nazivamo 1f tip šuma

Izvori navedenih šumova statistički su neovisni pa je srednjekvadratna vrijednost napona ili struje ukupnog šuma jednaka zbiru srednjekvadratnih vrijednosti napona ili struje pojedinih komponenti

Vrste fotootpora

1) Selenski fotootpori2) Fotootpori na bazi talijum sulfida ( Tl2S )

3) Fotootpori na bazi bizmut ndash sulfida ( Bi2S3 )

4) Fotootpori na bazi olovnog sulfida ( PbS )

Selenski fotootpori

To su najstariji fotootpori i izrađeni su od elemenata selena (Se) ndash poluprovodnika

Pri slaboj osvjetljenosti i naponu od 100 V imaju integralnu osvjetljivost od 01 ndash 3 mA lm Tamni otpor im iznosi od 104 do 108 W Spektralna karakteristika im je slična ljudskom oku koje je najosjetljivije na l = 055mm što predstavlja zelenu svjetlost

Prikazana kriva se odnosi na dnevnu svjetlost a u sumrak se pomjera ka nižim talasnim dužinama

Nedostatak ovih fotootpora je njihova inertnost to znači ako se selen osvjetljava sa isprekidanom svjetlošću frekvencije iznad 100 Hz naglo gubi svoju osjetljivost (čak za 75)

Fotootpori na bazi talijum sulfida ( Tl2S )

Proizvedeni su 1917 god i imaju veliku osjetljivost koja ponekada iznosi i 2 Alm tamni otpor im iznosi 2x105 ndash 108 W Nedostatak im je što veoma brzo stare što dovodi do nestabilnosti njihovih karakteristika

Fotootpori na bazi bizmut ndash sulfida ( Bi2S3 )

Tamni otpor im je 2x105 ndash 107 W radni napon od 50 ndash 80 V integralna osjetljivost iznosi oko 50 mAlm manje su inertni od prethodna dva tipa Glavni nedostatak im je taj što im se mijenja režim rada pri promjeni temperature

Fotootpori na bazi olovnog sulfida ( PbS ) Integralna osjetljivost im je oko 10 mAlm tamni otpor od 105 ndash 107

W Glavna njihova prednost je mala inercija a nedostatak je osjetljivost na promjenu temperature

Pored nabrojanih fotootpora susrećemo jos i fotootpore na bazi kadmijuma (CdS CdSe itd)

Pri upoređivanju fotootpora pored nabrojanih karakteristika treba obratiti pažnju i na zavisnost pada napona na fotootporu od struje koja kroz njega protiče na frekventnu i spektralnu karakteristiku itd

Fotoelementi

Predstavljaju elektronske komponente koje pri osvjetljavanju daju elektromotornu silu Ako se uključi u zatvoreno kolo sa omskim otporima i osvjetli kroz kolo će proticati struja iako se u kolu ne nalazi nikakav drugi izvor ems U tome je bitna razlika između fotootpora i fotoelemenata iako obje vrste komponenti rade na principu unutrašnjeg fotoefekta

Kod fotoelemenata je potrebno poznavati zavisnost ems od svjetlosnog fluksa (gornja slika) konstrukciju fotoelemenata (donja slika) spektralnu karakteristiku integralnu osjetljivost koeficijent korisnog dejstva itd

SUMEJA DOLJANČIĆEMINA EGRLIĆ

Hvala na pažnji

• Unutrašnji fotoefekat
• Unutrašnji fotoefekat (2)
• Slide 3
• Slide 4
• Osnovni mehanizmi apsorpcije
• Sopstvena (fundamentalna) apsorpcija
• Primjesna apsorpcija
• Akceptorsko-donorska apsorpcija
• Slide 9
• Fotoprovodnost
• Foto ems
• Slide 12
• Slide 13
• Fotootpori
• Slide 15
• Slide 16
• Spektralna osjetljivost
• Prag osjetljivosti
• Vrste šumova u fotootporima
• Toplotni šum
• Slide 21
• Bijeli šum
• Efekt sačme
• Slide 24
• Vrste fotootpora
• Selenski fotootpori
• Slide 27
• Fotoelementi
• Slide 29
• Hvala na pažnji

Fotootpori se izrađuju u obliku folija i pločica od nekog fotoosjetljivog poluprovodnika Takva folija ili pločica ima dva omska kontakta kojima se uključuje u električno kolo Dakle fotootpori su elementi čija se otpornost mijenja pod uticajem svjetlosti tj R = f( Ф) Izrađuju se od različitih poluprovodnika a najčešće od raznih jedinjenja na bazi sumpora selena telura olova bizmuta GaAs itd Poluprovodnik se specijalnim tehnološkim postupkom nanosi na neki izolator a zatim se ugrađuju elektrode

U kolo jednosmjerne ili naizmjenične struje fotootpori se uključuju na isti način kao i obični otpori Kada se fotootpor osvjetljava smanjuje mu se otpor pa kroz kolo poteče jača struja ako su elektrode priključene na neki napon (bateriju) Jačina struje zavisi od jačine svjetlosti I = f( Ф)

Osnovni parametri fotootpora su - maksimalno dozvoljeni napon - maksimalna disipacija snage - tamni otpor i tamna struja - vremenska konstanta - spektralna i integralna osjetljivost - prag osjetljivosti

Spektralna osjetljivost ndashdefiniše se kao odnos između fotostruje kroz fotootpor i svjetlosnog fluksa pri određenom naponu na fotootporu dok se svjetlosni fluks uzima iz odgovarajućeg monohromatičnog izvora

Provodnost fotootpora ne zavisi samo od jačine svjetlosti već i od frekvencije svjetlosti kojom je osvjetljen

Upravo zato se određuje i spektralna osjetljivost Si (f) i Su (f) U ovom slučaju fotootpor osvjetljavamo iz izvora svjetlosti frekvencije (f) (talasne dužine l) i mjerimo spektralnu osjetljivost na isti način kao i integralnu i izražavamo istim jednačinama i jedinicama

Integralna osjetljivost izražena preko struje Si = I φ [A lm] ili Si = I P [A W]

F - svjetlosni fluks u lumenimaP - snaga svjetlosnog izvora u vatima Integralna osjetljivost izražena preko napona

Siu = U φ [V lm] ili Su = IU P [V W]

S obzirom da osjetljivost fotootpora zavisi od talasne dužine svjetlosti možemo za svaki fotootpor eksperimentalno odrediti njegovu spektralnu karakteristiku koja je predstavljena na slici pril = l0 Si (l) = Si (l0)

U praksi se ova karakteristika obično izražava u relativnim jedinicama Pri odgovarajućoj frekvenciji svjetlosti fotootpor provodi maksimalnu struju tj ima maksimalnu osjetljivost

Ako se ova struja označi sa 1 ili 100 tada se pri različitim frekvencijama svjetlosti dobijaju različite vrijednosti za fotostruju koje se mogu izraziti u procentima u odnosu na maksimalnu struju

Spektralna osjetljivost

Prag osjetljivosti

Definiše se snagom zračenja svetlosnog izvora koja stvara signal (naponski ili strujni) na fotootporu koji je jednak signalu šuma Odnosno prag osjetljivosti obično definišemo na osnovu odnosa signal + šum tako da pri SN = 1 dobijamo prag osjetljivosti

Upravo zbog praga osjetljivosti moramo voditi računa o šumu koji nastaje u fotootporu Pošto je fotoosjetljivi sloj poluprovodnik u ovom sloju i nastaju šumovi karakteristični i za druge poluprovodnike

Ako naponski prag označimo sa ( Fpr ) možemo napisati

φpr =sqrt(ltU2gt) Su

U literaturi na engleskom jeziku ova veličina se naziva ekvivalentnom snagom šuma i označava se

sa NEP( Noise Equivalent Power ) Često se prag osjetljivosti određuje u frekventnom intervalu od 1 Hz pa se može napisati

φpr 1 = φpr sqrt(Δf)

Δf ndash efektivna širina pojasa propuštanja pojačavača na koji je vezan fotootpor

Recipročna vrijednost praga osjetljivosti naziva se detektivnost D Naravno ovi parametri se odnose i na druge fotoelemente a ne samo na fotootpore

Vrste šumova u fotootporima

Toplotni šum (terimčki bijeli šum Nikvistov šum)

Radijacioni ili fotonski šumEfekt sačmeGeneraciono rekombinacioni šumŠum tipa 1f

Toplotni šum

Termički ili Johnsonov šum predstavlja pojavu koja je svojstvena svim sistemima čija je apsolutna temperatura T veća od 0 K Termički šum otpora pojavljuje se u otpornicima zbog nepravilnog toplotnog kretanja elektrona a ovisan je o temperaturi Elektroni u kretanju ubrzani kolizijom s termički uzbuđenim molekulima proizvode promjenu magnetnog polja koja uzrokuje kretanje elektronskog plina (nagomilanih slobodnih elektrona) što na krajevima vodiča rezultira u naponu šuma

Daklenastaje zbog haotičnog kretanja elektrona kroz poluprovodnik a ovo kretanje je uzrokovano spoljašnjom toplotom jer je uvijek TgtT0 (T0 = - 27315oC ndash apsolutna temp)

Prema Nyquistovoj teoremi svaki otpor koji se pojavljuje kao izvor šuma može se nadomjestiti naponskim generatorom elektromotorne sile jednake eš=(4kTΔfRizl)12 i jednim bešumnim unutrašnjim otporom Rš s time što je Rš=Riz

Prema Nyquistu će dakle aritmetička sredina kvadrata elektromotorne sile šuma odnosno srednjekvadratna vrijednost napona ovog šuma je

eš

2 =lt u2gt=4kTΔfR

k ndash Bolcmanova constanta (1380662 x 10-23 JK)T ndash apsolutna temperaturaR ndash otpor fotootporaΔf ndash frekventno područje u kojem se vrše mjerenja

Maksimalna snaga šuma iznosi

Pš max = kTΔf

Iz ovog izraza se vidi da maksimalna snaga šuma ovisi od apsolutne temperature

i širine frekvencijskog opsega a ne od učestanosti na kojoj je on lociran Možemo dalje izračunati da je temperatura šuma

Tš = PškΔf

Dakle temperatura šuma je ona (pretpostavljena) temperatura pri kojoj bi na

izlazu iz nekog uređaja snaga samo termičkog šuma bila jednaka snazi ukupnog stvarnog šuma na radnoj temperaturi

Termički šum se pojavljuje u električnim mrežama prijemnim antenama mikrofonima poluprovodničkim elementima i sl

Ovaj šum se često spominje u literaturi jer on ima široki spektar frekvencija pa ga zato često nazivamo Gaussov bijeli šum (AWGN-Aditive White Gaussian Noisse)

Ako slučajni šum ima uniformnu spektralnu gustinu snage na čitavom opsegu frekvencija onda se takav šum naziva ldquobijeli šumrdquo po analogiji sa bijelom svjetlošću koja u vidljivom spektru ima uniformnu i kontiunalnu spektralnu gustinu snage

Bijeli šum

Termički šum i šum efekta sačme generiraju bijeli šum Frekvencijski spektar snage bijelog šuma predstavljen je na slici Iz njega se vidi da on ima ravnu karakteristiku

Spektralna gustina snage bijelog šuma je Sn(ω)= No 2

No [WHz] ndash spektralna gustina snage šuma

Kojeficijent frac12 je uključen da bi pokazao da je

jedna polovina snage na pozitivnim a druga polovina snage na negativnim frekvencijama kao što je pokazano na slici pod a)

Autokorelaciona funkcija bijelog šuma je prikazana na slici pod b)

Trenutne vrijednosti bijelog šuma su potpuno nekorelisane pa se zato kaže da je bijeli šum apsolutno slučajan proces

Efekt sačme

Efekt sačme ndash Šum efekta sačme (zove se još i šot-efekt ili šrot-efekt od englshot i njem Schrott sačma) je šum koji ne nastaje kod fotootpora već kod fotoelemenata koji imaju p ndash n prelaze

Npr kod diode elektroni prelaze iz n ndash tipa u p ndash tip a šupljine obratno S obzirom da u svakoj jedinici vremena ne prolazi isti broj nosilaca elektrona i šupljina već se opažaju fluktuacije koje daju ovaj šum

Srednjekvadratna vrijednost struje šuma uslijed efekta sačme izražava se Šotkijevom jednačinom

lti2gt = 2RI0qΔf

I0 ndash srednja struja koja protiče kroz p ndash n prelaz

Δf ndash interval posmatrfrekvencijaq ndash naelektrisanje elektrona odnosno šupljina

Pojavljuje se u poluprovodnicima i elektronskim cijevima

Radijacioni ili fotonski šum ndash nastaje zbog fluktuacije svjetlosti ( broja fotona ) koja pada na fotootpor bilo iz okoline ili iz izvora svjetlosti

Generaciono rekombinacioni šum ndash nastaje zbog fluktuacije u brzinama generacije i rekombinacije nosilaca elektriciteta To znači da u istim vremenskim intervalima ne nastaje i ne rekombinuje se isti broj parova elektron ndash šupljina

Šum tipa 1f - nastaje na niskim frekvencijama zbog postojanja površinskih stanja zatim zbog nastajanja potencijalnih barijera na kontaktima kao i u unutrašnjosti poluprovodnika Sa porastom frekvencije intenzitet ovog šuma opada zato ga i nazivamo 1f tip šuma

Izvori navedenih šumova statistički su neovisni pa je srednjekvadratna vrijednost napona ili struje ukupnog šuma jednaka zbiru srednjekvadratnih vrijednosti napona ili struje pojedinih komponenti

Vrste fotootpora

1) Selenski fotootpori2) Fotootpori na bazi talijum sulfida ( Tl2S )

3) Fotootpori na bazi bizmut ndash sulfida ( Bi2S3 )

4) Fotootpori na bazi olovnog sulfida ( PbS )

Selenski fotootpori

To su najstariji fotootpori i izrađeni su od elemenata selena (Se) ndash poluprovodnika

Pri slaboj osvjetljenosti i naponu od 100 V imaju integralnu osvjetljivost od 01 ndash 3 mA lm Tamni otpor im iznosi od 104 do 108 W Spektralna karakteristika im je slična ljudskom oku koje je najosjetljivije na l = 055mm što predstavlja zelenu svjetlost

Prikazana kriva se odnosi na dnevnu svjetlost a u sumrak se pomjera ka nižim talasnim dužinama

Nedostatak ovih fotootpora je njihova inertnost to znači ako se selen osvjetljava sa isprekidanom svjetlošću frekvencije iznad 100 Hz naglo gubi svoju osjetljivost (čak za 75)

Fotootpori na bazi talijum sulfida ( Tl2S )

Proizvedeni su 1917 god i imaju veliku osjetljivost koja ponekada iznosi i 2 Alm tamni otpor im iznosi 2x105 ndash 108 W Nedostatak im je što veoma brzo stare što dovodi do nestabilnosti njihovih karakteristika

Fotootpori na bazi bizmut ndash sulfida ( Bi2S3 )

Tamni otpor im je 2x105 ndash 107 W radni napon od 50 ndash 80 V integralna osjetljivost iznosi oko 50 mAlm manje su inertni od prethodna dva tipa Glavni nedostatak im je taj što im se mijenja režim rada pri promjeni temperature

Fotootpori na bazi olovnog sulfida ( PbS ) Integralna osjetljivost im je oko 10 mAlm tamni otpor od 105 ndash 107

W Glavna njihova prednost je mala inercija a nedostatak je osjetljivost na promjenu temperature

Pored nabrojanih fotootpora susrećemo jos i fotootpore na bazi kadmijuma (CdS CdSe itd)

Pri upoređivanju fotootpora pored nabrojanih karakteristika treba obratiti pažnju i na zavisnost pada napona na fotootporu od struje koja kroz njega protiče na frekventnu i spektralnu karakteristiku itd

Fotoelementi

Predstavljaju elektronske komponente koje pri osvjetljavanju daju elektromotornu silu Ako se uključi u zatvoreno kolo sa omskim otporima i osvjetli kroz kolo će proticati struja iako se u kolu ne nalazi nikakav drugi izvor ems U tome je bitna razlika između fotootpora i fotoelemenata iako obje vrste komponenti rade na principu unutrašnjeg fotoefekta

Kod fotoelemenata je potrebno poznavati zavisnost ems od svjetlosnog fluksa (gornja slika) konstrukciju fotoelemenata (donja slika) spektralnu karakteristiku integralnu osjetljivost koeficijent korisnog dejstva itd

SUMEJA DOLJANČIĆEMINA EGRLIĆ

Hvala na pažnji

• Unutrašnji fotoefekat
• Unutrašnji fotoefekat (2)
• Slide 3
• Slide 4
• Osnovni mehanizmi apsorpcije
• Sopstvena (fundamentalna) apsorpcija
• Primjesna apsorpcija
• Akceptorsko-donorska apsorpcija
• Slide 9
• Fotoprovodnost
• Foto ems
• Slide 12
• Slide 13
• Fotootpori
• Slide 15
• Slide 16
• Spektralna osjetljivost
• Prag osjetljivosti
• Vrste šumova u fotootporima
• Toplotni šum
• Slide 21
• Bijeli šum
• Efekt sačme
• Slide 24
• Vrste fotootpora
• Selenski fotootpori
• Slide 27
• Fotoelementi
• Slide 29
• Hvala na pažnji

Spektralna osjetljivost ndashdefiniše se kao odnos između fotostruje kroz fotootpor i svjetlosnog fluksa pri određenom naponu na fotootporu dok se svjetlosni fluks uzima iz odgovarajućeg monohromatičnog izvora

Provodnost fotootpora ne zavisi samo od jačine svjetlosti već i od frekvencije svjetlosti kojom je osvjetljen

Upravo zato se određuje i spektralna osjetljivost Si (f) i Su (f) U ovom slučaju fotootpor osvjetljavamo iz izvora svjetlosti frekvencije (f) (talasne dužine l) i mjerimo spektralnu osjetljivost na isti način kao i integralnu i izražavamo istim jednačinama i jedinicama

Integralna osjetljivost izražena preko struje Si = I φ [A lm] ili Si = I P [A W]

F - svjetlosni fluks u lumenimaP - snaga svjetlosnog izvora u vatima Integralna osjetljivost izražena preko napona

Siu = U φ [V lm] ili Su = IU P [V W]

S obzirom da osjetljivost fotootpora zavisi od talasne dužine svjetlosti možemo za svaki fotootpor eksperimentalno odrediti njegovu spektralnu karakteristiku koja je predstavljena na slici pril = l0 Si (l) = Si (l0)

U praksi se ova karakteristika obično izražava u relativnim jedinicama Pri odgovarajućoj frekvenciji svjetlosti fotootpor provodi maksimalnu struju tj ima maksimalnu osjetljivost

Ako se ova struja označi sa 1 ili 100 tada se pri različitim frekvencijama svjetlosti dobijaju različite vrijednosti za fotostruju koje se mogu izraziti u procentima u odnosu na maksimalnu struju

Spektralna osjetljivost

Prag osjetljivosti

Definiše se snagom zračenja svetlosnog izvora koja stvara signal (naponski ili strujni) na fotootporu koji je jednak signalu šuma Odnosno prag osjetljivosti obično definišemo na osnovu odnosa signal + šum tako da pri SN = 1 dobijamo prag osjetljivosti

Upravo zbog praga osjetljivosti moramo voditi računa o šumu koji nastaje u fotootporu Pošto je fotoosjetljivi sloj poluprovodnik u ovom sloju i nastaju šumovi karakteristični i za druge poluprovodnike

Ako naponski prag označimo sa ( Fpr ) možemo napisati

φpr =sqrt(ltU2gt) Su

U literaturi na engleskom jeziku ova veličina se naziva ekvivalentnom snagom šuma i označava se

sa NEP( Noise Equivalent Power ) Često se prag osjetljivosti određuje u frekventnom intervalu od 1 Hz pa se može napisati

φpr 1 = φpr sqrt(Δf)

Δf ndash efektivna širina pojasa propuštanja pojačavača na koji je vezan fotootpor

Recipročna vrijednost praga osjetljivosti naziva se detektivnost D Naravno ovi parametri se odnose i na druge fotoelemente a ne samo na fotootpore

Vrste šumova u fotootporima

Toplotni šum (terimčki bijeli šum Nikvistov šum)

Radijacioni ili fotonski šumEfekt sačmeGeneraciono rekombinacioni šumŠum tipa 1f

Toplotni šum

Termički ili Johnsonov šum predstavlja pojavu koja je svojstvena svim sistemima čija je apsolutna temperatura T veća od 0 K Termički šum otpora pojavljuje se u otpornicima zbog nepravilnog toplotnog kretanja elektrona a ovisan je o temperaturi Elektroni u kretanju ubrzani kolizijom s termički uzbuđenim molekulima proizvode promjenu magnetnog polja koja uzrokuje kretanje elektronskog plina (nagomilanih slobodnih elektrona) što na krajevima vodiča rezultira u naponu šuma

Daklenastaje zbog haotičnog kretanja elektrona kroz poluprovodnik a ovo kretanje je uzrokovano spoljašnjom toplotom jer je uvijek TgtT0 (T0 = - 27315oC ndash apsolutna temp)

Prema Nyquistovoj teoremi svaki otpor koji se pojavljuje kao izvor šuma može se nadomjestiti naponskim generatorom elektromotorne sile jednake eš=(4kTΔfRizl)12 i jednim bešumnim unutrašnjim otporom Rš s time što je Rš=Riz

Prema Nyquistu će dakle aritmetička sredina kvadrata elektromotorne sile šuma odnosno srednjekvadratna vrijednost napona ovog šuma je

eš

2 =lt u2gt=4kTΔfR

k ndash Bolcmanova constanta (1380662 x 10-23 JK)T ndash apsolutna temperaturaR ndash otpor fotootporaΔf ndash frekventno područje u kojem se vrše mjerenja

Maksimalna snaga šuma iznosi

Pš max = kTΔf

Iz ovog izraza se vidi da maksimalna snaga šuma ovisi od apsolutne temperature

i širine frekvencijskog opsega a ne od učestanosti na kojoj je on lociran Možemo dalje izračunati da je temperatura šuma

Tš = PškΔf

Dakle temperatura šuma je ona (pretpostavljena) temperatura pri kojoj bi na

izlazu iz nekog uređaja snaga samo termičkog šuma bila jednaka snazi ukupnog stvarnog šuma na radnoj temperaturi

Termički šum se pojavljuje u električnim mrežama prijemnim antenama mikrofonima poluprovodničkim elementima i sl

Ovaj šum se često spominje u literaturi jer on ima široki spektar frekvencija pa ga zato često nazivamo Gaussov bijeli šum (AWGN-Aditive White Gaussian Noisse)

Ako slučajni šum ima uniformnu spektralnu gustinu snage na čitavom opsegu frekvencija onda se takav šum naziva ldquobijeli šumrdquo po analogiji sa bijelom svjetlošću koja u vidljivom spektru ima uniformnu i kontiunalnu spektralnu gustinu snage

Bijeli šum

Termički šum i šum efekta sačme generiraju bijeli šum Frekvencijski spektar snage bijelog šuma predstavljen je na slici Iz njega se vidi da on ima ravnu karakteristiku

Spektralna gustina snage bijelog šuma je Sn(ω)= No 2

No [WHz] ndash spektralna gustina snage šuma

Kojeficijent frac12 je uključen da bi pokazao da je

jedna polovina snage na pozitivnim a druga polovina snage na negativnim frekvencijama kao što je pokazano na slici pod a)

Autokorelaciona funkcija bijelog šuma je prikazana na slici pod b)

Trenutne vrijednosti bijelog šuma su potpuno nekorelisane pa se zato kaže da je bijeli šum apsolutno slučajan proces

Efekt sačme

Efekt sačme ndash Šum efekta sačme (zove se još i šot-efekt ili šrot-efekt od englshot i njem Schrott sačma) je šum koji ne nastaje kod fotootpora već kod fotoelemenata koji imaju p ndash n prelaze

Npr kod diode elektroni prelaze iz n ndash tipa u p ndash tip a šupljine obratno S obzirom da u svakoj jedinici vremena ne prolazi isti broj nosilaca elektrona i šupljina već se opažaju fluktuacije koje daju ovaj šum

Srednjekvadratna vrijednost struje šuma uslijed efekta sačme izražava se Šotkijevom jednačinom

lti2gt = 2RI0qΔf

I0 ndash srednja struja koja protiče kroz p ndash n prelaz

Δf ndash interval posmatrfrekvencijaq ndash naelektrisanje elektrona odnosno šupljina

Pojavljuje se u poluprovodnicima i elektronskim cijevima

Radijacioni ili fotonski šum ndash nastaje zbog fluktuacije svjetlosti ( broja fotona ) koja pada na fotootpor bilo iz okoline ili iz izvora svjetlosti

Generaciono rekombinacioni šum ndash nastaje zbog fluktuacije u brzinama generacije i rekombinacije nosilaca elektriciteta To znači da u istim vremenskim intervalima ne nastaje i ne rekombinuje se isti broj parova elektron ndash šupljina

Šum tipa 1f - nastaje na niskim frekvencijama zbog postojanja površinskih stanja zatim zbog nastajanja potencijalnih barijera na kontaktima kao i u unutrašnjosti poluprovodnika Sa porastom frekvencije intenzitet ovog šuma opada zato ga i nazivamo 1f tip šuma

Izvori navedenih šumova statistički su neovisni pa je srednjekvadratna vrijednost napona ili struje ukupnog šuma jednaka zbiru srednjekvadratnih vrijednosti napona ili struje pojedinih komponenti

Vrste fotootpora

1) Selenski fotootpori2) Fotootpori na bazi talijum sulfida ( Tl2S )

3) Fotootpori na bazi bizmut ndash sulfida ( Bi2S3 )

4) Fotootpori na bazi olovnog sulfida ( PbS )

Selenski fotootpori

To su najstariji fotootpori i izrađeni su od elemenata selena (Se) ndash poluprovodnika

Pri slaboj osvjetljenosti i naponu od 100 V imaju integralnu osvjetljivost od 01 ndash 3 mA lm Tamni otpor im iznosi od 104 do 108 W Spektralna karakteristika im je slična ljudskom oku koje je najosjetljivije na l = 055mm što predstavlja zelenu svjetlost

Prikazana kriva se odnosi na dnevnu svjetlost a u sumrak se pomjera ka nižim talasnim dužinama

Nedostatak ovih fotootpora je njihova inertnost to znači ako se selen osvjetljava sa isprekidanom svjetlošću frekvencije iznad 100 Hz naglo gubi svoju osjetljivost (čak za 75)

Fotootpori na bazi talijum sulfida ( Tl2S )

Proizvedeni su 1917 god i imaju veliku osjetljivost koja ponekada iznosi i 2 Alm tamni otpor im iznosi 2x105 ndash 108 W Nedostatak im je što veoma brzo stare što dovodi do nestabilnosti njihovih karakteristika

Fotootpori na bazi bizmut ndash sulfida ( Bi2S3 )

Tamni otpor im je 2x105 ndash 107 W radni napon od 50 ndash 80 V integralna osjetljivost iznosi oko 50 mAlm manje su inertni od prethodna dva tipa Glavni nedostatak im je taj što im se mijenja režim rada pri promjeni temperature

Fotootpori na bazi olovnog sulfida ( PbS ) Integralna osjetljivost im je oko 10 mAlm tamni otpor od 105 ndash 107

W Glavna njihova prednost je mala inercija a nedostatak je osjetljivost na promjenu temperature

Pored nabrojanih fotootpora susrećemo jos i fotootpore na bazi kadmijuma (CdS CdSe itd)

Pri upoređivanju fotootpora pored nabrojanih karakteristika treba obratiti pažnju i na zavisnost pada napona na fotootporu od struje koja kroz njega protiče na frekventnu i spektralnu karakteristiku itd

Fotoelementi

Predstavljaju elektronske komponente koje pri osvjetljavanju daju elektromotornu silu Ako se uključi u zatvoreno kolo sa omskim otporima i osvjetli kroz kolo će proticati struja iako se u kolu ne nalazi nikakav drugi izvor ems U tome je bitna razlika između fotootpora i fotoelemenata iako obje vrste komponenti rade na principu unutrašnjeg fotoefekta

Kod fotoelemenata je potrebno poznavati zavisnost ems od svjetlosnog fluksa (gornja slika) konstrukciju fotoelemenata (donja slika) spektralnu karakteristiku integralnu osjetljivost koeficijent korisnog dejstva itd

SUMEJA DOLJANČIĆEMINA EGRLIĆ

Hvala na pažnji

• Unutrašnji fotoefekat
• Unutrašnji fotoefekat (2)
• Slide 3
• Slide 4
• Osnovni mehanizmi apsorpcije
• Sopstvena (fundamentalna) apsorpcija
• Primjesna apsorpcija
• Akceptorsko-donorska apsorpcija
• Slide 9
• Fotoprovodnost
• Foto ems
• Slide 12
• Slide 13
• Fotootpori
• Slide 15
• Slide 16
• Spektralna osjetljivost
• Prag osjetljivosti
• Vrste šumova u fotootporima
• Toplotni šum
• Slide 21
• Bijeli šum
• Efekt sačme
• Slide 24
• Vrste fotootpora
• Selenski fotootpori
• Slide 27
• Fotoelementi
• Slide 29
• Hvala na pažnji

Spektralna osjetljivost

Prag osjetljivosti

Definiše se snagom zračenja svetlosnog izvora koja stvara signal (naponski ili strujni) na fotootporu koji je jednak signalu šuma Odnosno prag osjetljivosti obično definišemo na osnovu odnosa signal + šum tako da pri SN = 1 dobijamo prag osjetljivosti

Upravo zbog praga osjetljivosti moramo voditi računa o šumu koji nastaje u fotootporu Pošto je fotoosjetljivi sloj poluprovodnik u ovom sloju i nastaju šumovi karakteristični i za druge poluprovodnike

Ako naponski prag označimo sa ( Fpr ) možemo napisati

φpr =sqrt(ltU2gt) Su

U literaturi na engleskom jeziku ova veličina se naziva ekvivalentnom snagom šuma i označava se

sa NEP( Noise Equivalent Power ) Često se prag osjetljivosti određuje u frekventnom intervalu od 1 Hz pa se može napisati

φpr 1 = φpr sqrt(Δf)

Δf ndash efektivna širina pojasa propuštanja pojačavača na koji je vezan fotootpor

Recipročna vrijednost praga osjetljivosti naziva se detektivnost D Naravno ovi parametri se odnose i na druge fotoelemente a ne samo na fotootpore

Vrste šumova u fotootporima

Toplotni šum (terimčki bijeli šum Nikvistov šum)

Radijacioni ili fotonski šumEfekt sačmeGeneraciono rekombinacioni šumŠum tipa 1f

Toplotni šum

Termički ili Johnsonov šum predstavlja pojavu koja je svojstvena svim sistemima čija je apsolutna temperatura T veća od 0 K Termički šum otpora pojavljuje se u otpornicima zbog nepravilnog toplotnog kretanja elektrona a ovisan je o temperaturi Elektroni u kretanju ubrzani kolizijom s termički uzbuđenim molekulima proizvode promjenu magnetnog polja koja uzrokuje kretanje elektronskog plina (nagomilanih slobodnih elektrona) što na krajevima vodiča rezultira u naponu šuma

Daklenastaje zbog haotičnog kretanja elektrona kroz poluprovodnik a ovo kretanje je uzrokovano spoljašnjom toplotom jer je uvijek TgtT0 (T0 = - 27315oC ndash apsolutna temp)

Prema Nyquistovoj teoremi svaki otpor koji se pojavljuje kao izvor šuma može se nadomjestiti naponskim generatorom elektromotorne sile jednake eš=(4kTΔfRizl)12 i jednim bešumnim unutrašnjim otporom Rš s time što je Rš=Riz

Prema Nyquistu će dakle aritmetička sredina kvadrata elektromotorne sile šuma odnosno srednjekvadratna vrijednost napona ovog šuma je

eš

2 =lt u2gt=4kTΔfR

k ndash Bolcmanova constanta (1380662 x 10-23 JK)T ndash apsolutna temperaturaR ndash otpor fotootporaΔf ndash frekventno područje u kojem se vrše mjerenja

Maksimalna snaga šuma iznosi

Pš max = kTΔf

Iz ovog izraza se vidi da maksimalna snaga šuma ovisi od apsolutne temperature

i širine frekvencijskog opsega a ne od učestanosti na kojoj je on lociran Možemo dalje izračunati da je temperatura šuma

Tš = PškΔf

Dakle temperatura šuma je ona (pretpostavljena) temperatura pri kojoj bi na

izlazu iz nekog uređaja snaga samo termičkog šuma bila jednaka snazi ukupnog stvarnog šuma na radnoj temperaturi

Termički šum se pojavljuje u električnim mrežama prijemnim antenama mikrofonima poluprovodničkim elementima i sl

Ovaj šum se često spominje u literaturi jer on ima široki spektar frekvencija pa ga zato često nazivamo Gaussov bijeli šum (AWGN-Aditive White Gaussian Noisse)

Ako slučajni šum ima uniformnu spektralnu gustinu snage na čitavom opsegu frekvencija onda se takav šum naziva ldquobijeli šumrdquo po analogiji sa bijelom svjetlošću koja u vidljivom spektru ima uniformnu i kontiunalnu spektralnu gustinu snage

Bijeli šum

Termički šum i šum efekta sačme generiraju bijeli šum Frekvencijski spektar snage bijelog šuma predstavljen je na slici Iz njega se vidi da on ima ravnu karakteristiku

Spektralna gustina snage bijelog šuma je Sn(ω)= No 2

No [WHz] ndash spektralna gustina snage šuma

Kojeficijent frac12 je uključen da bi pokazao da je

jedna polovina snage na pozitivnim a druga polovina snage na negativnim frekvencijama kao što je pokazano na slici pod a)

Autokorelaciona funkcija bijelog šuma je prikazana na slici pod b)

Trenutne vrijednosti bijelog šuma su potpuno nekorelisane pa se zato kaže da je bijeli šum apsolutno slučajan proces

Efekt sačme

Efekt sačme ndash Šum efekta sačme (zove se još i šot-efekt ili šrot-efekt od englshot i njem Schrott sačma) je šum koji ne nastaje kod fotootpora već kod fotoelemenata koji imaju p ndash n prelaze

Npr kod diode elektroni prelaze iz n ndash tipa u p ndash tip a šupljine obratno S obzirom da u svakoj jedinici vremena ne prolazi isti broj nosilaca elektrona i šupljina već se opažaju fluktuacije koje daju ovaj šum

Srednjekvadratna vrijednost struje šuma uslijed efekta sačme izražava se Šotkijevom jednačinom

lti2gt = 2RI0qΔf

I0 ndash srednja struja koja protiče kroz p ndash n prelaz

Δf ndash interval posmatrfrekvencijaq ndash naelektrisanje elektrona odnosno šupljina

Pojavljuje se u poluprovodnicima i elektronskim cijevima

Radijacioni ili fotonski šum ndash nastaje zbog fluktuacije svjetlosti ( broja fotona ) koja pada na fotootpor bilo iz okoline ili iz izvora svjetlosti

Generaciono rekombinacioni šum ndash nastaje zbog fluktuacije u brzinama generacije i rekombinacije nosilaca elektriciteta To znači da u istim vremenskim intervalima ne nastaje i ne rekombinuje se isti broj parova elektron ndash šupljina

Šum tipa 1f - nastaje na niskim frekvencijama zbog postojanja površinskih stanja zatim zbog nastajanja potencijalnih barijera na kontaktima kao i u unutrašnjosti poluprovodnika Sa porastom frekvencije intenzitet ovog šuma opada zato ga i nazivamo 1f tip šuma

Izvori navedenih šumova statistički su neovisni pa je srednjekvadratna vrijednost napona ili struje ukupnog šuma jednaka zbiru srednjekvadratnih vrijednosti napona ili struje pojedinih komponenti

Vrste fotootpora

1) Selenski fotootpori2) Fotootpori na bazi talijum sulfida ( Tl2S )

3) Fotootpori na bazi bizmut ndash sulfida ( Bi2S3 )

4) Fotootpori na bazi olovnog sulfida ( PbS )

Selenski fotootpori

To su najstariji fotootpori i izrađeni su od elemenata selena (Se) ndash poluprovodnika

Pri slaboj osvjetljenosti i naponu od 100 V imaju integralnu osvjetljivost od 01 ndash 3 mA lm Tamni otpor im iznosi od 104 do 108 W Spektralna karakteristika im je slična ljudskom oku koje je najosjetljivije na l = 055mm što predstavlja zelenu svjetlost

Prikazana kriva se odnosi na dnevnu svjetlost a u sumrak se pomjera ka nižim talasnim dužinama

Nedostatak ovih fotootpora je njihova inertnost to znači ako se selen osvjetljava sa isprekidanom svjetlošću frekvencije iznad 100 Hz naglo gubi svoju osjetljivost (čak za 75)

Fotootpori na bazi talijum sulfida ( Tl2S )

Proizvedeni su 1917 god i imaju veliku osjetljivost koja ponekada iznosi i 2 Alm tamni otpor im iznosi 2x105 ndash 108 W Nedostatak im je što veoma brzo stare što dovodi do nestabilnosti njihovih karakteristika

Fotootpori na bazi bizmut ndash sulfida ( Bi2S3 )

Tamni otpor im je 2x105 ndash 107 W radni napon od 50 ndash 80 V integralna osjetljivost iznosi oko 50 mAlm manje su inertni od prethodna dva tipa Glavni nedostatak im je taj što im se mijenja režim rada pri promjeni temperature

Fotootpori na bazi olovnog sulfida ( PbS ) Integralna osjetljivost im je oko 10 mAlm tamni otpor od 105 ndash 107

W Glavna njihova prednost je mala inercija a nedostatak je osjetljivost na promjenu temperature

Pored nabrojanih fotootpora susrećemo jos i fotootpore na bazi kadmijuma (CdS CdSe itd)

Pri upoređivanju fotootpora pored nabrojanih karakteristika treba obratiti pažnju i na zavisnost pada napona na fotootporu od struje koja kroz njega protiče na frekventnu i spektralnu karakteristiku itd

Fotoelementi

Predstavljaju elektronske komponente koje pri osvjetljavanju daju elektromotornu silu Ako se uključi u zatvoreno kolo sa omskim otporima i osvjetli kroz kolo će proticati struja iako se u kolu ne nalazi nikakav drugi izvor ems U tome je bitna razlika između fotootpora i fotoelemenata iako obje vrste komponenti rade na principu unutrašnjeg fotoefekta

Kod fotoelemenata je potrebno poznavati zavisnost ems od svjetlosnog fluksa (gornja slika) konstrukciju fotoelemenata (donja slika) spektralnu karakteristiku integralnu osjetljivost koeficijent korisnog dejstva itd

SUMEJA DOLJANČIĆEMINA EGRLIĆ

Hvala na pažnji

• Unutrašnji fotoefekat
• Unutrašnji fotoefekat (2)
• Slide 3
• Slide 4
• Osnovni mehanizmi apsorpcije
• Sopstvena (fundamentalna) apsorpcija
• Primjesna apsorpcija
• Akceptorsko-donorska apsorpcija
• Slide 9
• Fotoprovodnost
• Foto ems
• Slide 12
• Slide 13
• Fotootpori
• Slide 15
• Slide 16
• Spektralna osjetljivost
• Prag osjetljivosti
• Vrste šumova u fotootporima
• Toplotni šum
• Slide 21
• Bijeli šum
• Efekt sačme
• Slide 24
• Vrste fotootpora
• Selenski fotootpori
• Slide 27
• Fotoelementi
• Slide 29
• Hvala na pažnji

Prag osjetljivosti

Definiše se snagom zračenja svetlosnog izvora koja stvara signal (naponski ili strujni) na fotootporu koji je jednak signalu šuma Odnosno prag osjetljivosti obično definišemo na osnovu odnosa signal + šum tako da pri SN = 1 dobijamo prag osjetljivosti

Upravo zbog praga osjetljivosti moramo voditi računa o šumu koji nastaje u fotootporu Pošto je fotoosjetljivi sloj poluprovodnik u ovom sloju i nastaju šumovi karakteristični i za druge poluprovodnike

Ako naponski prag označimo sa ( Fpr ) možemo napisati

φpr =sqrt(ltU2gt) Su

U literaturi na engleskom jeziku ova veličina se naziva ekvivalentnom snagom šuma i označava se

sa NEP( Noise Equivalent Power ) Često se prag osjetljivosti određuje u frekventnom intervalu od 1 Hz pa se može napisati

φpr 1 = φpr sqrt(Δf)

Δf ndash efektivna širina pojasa propuštanja pojačavača na koji je vezan fotootpor

Recipročna vrijednost praga osjetljivosti naziva se detektivnost D Naravno ovi parametri se odnose i na druge fotoelemente a ne samo na fotootpore

Vrste šumova u fotootporima

Toplotni šum (terimčki bijeli šum Nikvistov šum)

Radijacioni ili fotonski šumEfekt sačmeGeneraciono rekombinacioni šumŠum tipa 1f

Toplotni šum

Termički ili Johnsonov šum predstavlja pojavu koja je svojstvena svim sistemima čija je apsolutna temperatura T veća od 0 K Termički šum otpora pojavljuje se u otpornicima zbog nepravilnog toplotnog kretanja elektrona a ovisan je o temperaturi Elektroni u kretanju ubrzani kolizijom s termički uzbuđenim molekulima proizvode promjenu magnetnog polja koja uzrokuje kretanje elektronskog plina (nagomilanih slobodnih elektrona) što na krajevima vodiča rezultira u naponu šuma

Daklenastaje zbog haotičnog kretanja elektrona kroz poluprovodnik a ovo kretanje je uzrokovano spoljašnjom toplotom jer je uvijek TgtT0 (T0 = - 27315oC ndash apsolutna temp)

Prema Nyquistovoj teoremi svaki otpor koji se pojavljuje kao izvor šuma može se nadomjestiti naponskim generatorom elektromotorne sile jednake eš=(4kTΔfRizl)12 i jednim bešumnim unutrašnjim otporom Rš s time što je Rš=Riz

Prema Nyquistu će dakle aritmetička sredina kvadrata elektromotorne sile šuma odnosno srednjekvadratna vrijednost napona ovog šuma je

eš

2 =lt u2gt=4kTΔfR

k ndash Bolcmanova constanta (1380662 x 10-23 JK)T ndash apsolutna temperaturaR ndash otpor fotootporaΔf ndash frekventno područje u kojem se vrše mjerenja

Maksimalna snaga šuma iznosi

Pš max = kTΔf

Iz ovog izraza se vidi da maksimalna snaga šuma ovisi od apsolutne temperature

i širine frekvencijskog opsega a ne od učestanosti na kojoj je on lociran Možemo dalje izračunati da je temperatura šuma

Tš = PškΔf

Dakle temperatura šuma je ona (pretpostavljena) temperatura pri kojoj bi na

izlazu iz nekog uređaja snaga samo termičkog šuma bila jednaka snazi ukupnog stvarnog šuma na radnoj temperaturi

Termički šum se pojavljuje u električnim mrežama prijemnim antenama mikrofonima poluprovodničkim elementima i sl

Ovaj šum se često spominje u literaturi jer on ima široki spektar frekvencija pa ga zato često nazivamo Gaussov bijeli šum (AWGN-Aditive White Gaussian Noisse)

Ako slučajni šum ima uniformnu spektralnu gustinu snage na čitavom opsegu frekvencija onda se takav šum naziva ldquobijeli šumrdquo po analogiji sa bijelom svjetlošću koja u vidljivom spektru ima uniformnu i kontiunalnu spektralnu gustinu snage

Bijeli šum

Termički šum i šum efekta sačme generiraju bijeli šum Frekvencijski spektar snage bijelog šuma predstavljen je na slici Iz njega se vidi da on ima ravnu karakteristiku

Spektralna gustina snage bijelog šuma je Sn(ω)= No 2

No [WHz] ndash spektralna gustina snage šuma

Kojeficijent frac12 je uključen da bi pokazao da je

jedna polovina snage na pozitivnim a druga polovina snage na negativnim frekvencijama kao što je pokazano na slici pod a)

Autokorelaciona funkcija bijelog šuma je prikazana na slici pod b)

Trenutne vrijednosti bijelog šuma su potpuno nekorelisane pa se zato kaže da je bijeli šum apsolutno slučajan proces

Efekt sačme

Efekt sačme ndash Šum efekta sačme (zove se još i šot-efekt ili šrot-efekt od englshot i njem Schrott sačma) je šum koji ne nastaje kod fotootpora već kod fotoelemenata koji imaju p ndash n prelaze

Npr kod diode elektroni prelaze iz n ndash tipa u p ndash tip a šupljine obratno S obzirom da u svakoj jedinici vremena ne prolazi isti broj nosilaca elektrona i šupljina već se opažaju fluktuacije koje daju ovaj šum

Srednjekvadratna vrijednost struje šuma uslijed efekta sačme izražava se Šotkijevom jednačinom

lti2gt = 2RI0qΔf

I0 ndash srednja struja koja protiče kroz p ndash n prelaz

Δf ndash interval posmatrfrekvencijaq ndash naelektrisanje elektrona odnosno šupljina

Pojavljuje se u poluprovodnicima i elektronskim cijevima

Radijacioni ili fotonski šum ndash nastaje zbog fluktuacije svjetlosti ( broja fotona ) koja pada na fotootpor bilo iz okoline ili iz izvora svjetlosti

Generaciono rekombinacioni šum ndash nastaje zbog fluktuacije u brzinama generacije i rekombinacije nosilaca elektriciteta To znači da u istim vremenskim intervalima ne nastaje i ne rekombinuje se isti broj parova elektron ndash šupljina

Šum tipa 1f - nastaje na niskim frekvencijama zbog postojanja površinskih stanja zatim zbog nastajanja potencijalnih barijera na kontaktima kao i u unutrašnjosti poluprovodnika Sa porastom frekvencije intenzitet ovog šuma opada zato ga i nazivamo 1f tip šuma

Izvori navedenih šumova statistički su neovisni pa je srednjekvadratna vrijednost napona ili struje ukupnog šuma jednaka zbiru srednjekvadratnih vrijednosti napona ili struje pojedinih komponenti

Vrste fotootpora

1) Selenski fotootpori2) Fotootpori na bazi talijum sulfida ( Tl2S )

3) Fotootpori na bazi bizmut ndash sulfida ( Bi2S3 )

4) Fotootpori na bazi olovnog sulfida ( PbS )

Selenski fotootpori

To su najstariji fotootpori i izrađeni su od elemenata selena (Se) ndash poluprovodnika

Pri slaboj osvjetljenosti i naponu od 100 V imaju integralnu osvjetljivost od 01 ndash 3 mA lm Tamni otpor im iznosi od 104 do 108 W Spektralna karakteristika im je slična ljudskom oku koje je najosjetljivije na l = 055mm što predstavlja zelenu svjetlost

Prikazana kriva se odnosi na dnevnu svjetlost a u sumrak se pomjera ka nižim talasnim dužinama

Nedostatak ovih fotootpora je njihova inertnost to znači ako se selen osvjetljava sa isprekidanom svjetlošću frekvencije iznad 100 Hz naglo gubi svoju osjetljivost (čak za 75)

Fotootpori na bazi talijum sulfida ( Tl2S )

Proizvedeni su 1917 god i imaju veliku osjetljivost koja ponekada iznosi i 2 Alm tamni otpor im iznosi 2x105 ndash 108 W Nedostatak im je što veoma brzo stare što dovodi do nestabilnosti njihovih karakteristika

Fotootpori na bazi bizmut ndash sulfida ( Bi2S3 )

Tamni otpor im je 2x105 ndash 107 W radni napon od 50 ndash 80 V integralna osjetljivost iznosi oko 50 mAlm manje su inertni od prethodna dva tipa Glavni nedostatak im je taj što im se mijenja režim rada pri promjeni temperature

Fotootpori na bazi olovnog sulfida ( PbS ) Integralna osjetljivost im je oko 10 mAlm tamni otpor od 105 ndash 107

W Glavna njihova prednost je mala inercija a nedostatak je osjetljivost na promjenu temperature

Pored nabrojanih fotootpora susrećemo jos i fotootpore na bazi kadmijuma (CdS CdSe itd)

Pri upoređivanju fotootpora pored nabrojanih karakteristika treba obratiti pažnju i na zavisnost pada napona na fotootporu od struje koja kroz njega protiče na frekventnu i spektralnu karakteristiku itd

Fotoelementi

Predstavljaju elektronske komponente koje pri osvjetljavanju daju elektromotornu silu Ako se uključi u zatvoreno kolo sa omskim otporima i osvjetli kroz kolo će proticati struja iako se u kolu ne nalazi nikakav drugi izvor ems U tome je bitna razlika između fotootpora i fotoelemenata iako obje vrste komponenti rade na principu unutrašnjeg fotoefekta

Kod fotoelemenata je potrebno poznavati zavisnost ems od svjetlosnog fluksa (gornja slika) konstrukciju fotoelemenata (donja slika) spektralnu karakteristiku integralnu osjetljivost koeficijent korisnog dejstva itd

SUMEJA DOLJANČIĆEMINA EGRLIĆ

Hvala na pažnji

• Unutrašnji fotoefekat
• Unutrašnji fotoefekat (2)
• Slide 3
• Slide 4
• Osnovni mehanizmi apsorpcije
• Sopstvena (fundamentalna) apsorpcija
• Primjesna apsorpcija
• Akceptorsko-donorska apsorpcija
• Slide 9
• Fotoprovodnost
• Foto ems
• Slide 12
• Slide 13
• Fotootpori
• Slide 15
• Slide 16
• Spektralna osjetljivost
• Prag osjetljivosti
• Vrste šumova u fotootporima
• Toplotni šum
• Slide 21
• Bijeli šum
• Efekt sačme
• Slide 24
• Vrste fotootpora
• Selenski fotootpori
• Slide 27
• Fotoelementi
• Slide 29
• Hvala na pažnji

Vrste šumova u fotootporima

Toplotni šum (terimčki bijeli šum Nikvistov šum)

Radijacioni ili fotonski šumEfekt sačmeGeneraciono rekombinacioni šumŠum tipa 1f

Toplotni šum

Termički ili Johnsonov šum predstavlja pojavu koja je svojstvena svim sistemima čija je apsolutna temperatura T veća od 0 K Termički šum otpora pojavljuje se u otpornicima zbog nepravilnog toplotnog kretanja elektrona a ovisan je o temperaturi Elektroni u kretanju ubrzani kolizijom s termički uzbuđenim molekulima proizvode promjenu magnetnog polja koja uzrokuje kretanje elektronskog plina (nagomilanih slobodnih elektrona) što na krajevima vodiča rezultira u naponu šuma

Daklenastaje zbog haotičnog kretanja elektrona kroz poluprovodnik a ovo kretanje je uzrokovano spoljašnjom toplotom jer je uvijek TgtT0 (T0 = - 27315oC ndash apsolutna temp)

Prema Nyquistovoj teoremi svaki otpor koji se pojavljuje kao izvor šuma može se nadomjestiti naponskim generatorom elektromotorne sile jednake eš=(4kTΔfRizl)12 i jednim bešumnim unutrašnjim otporom Rš s time što je Rš=Riz

Prema Nyquistu će dakle aritmetička sredina kvadrata elektromotorne sile šuma odnosno srednjekvadratna vrijednost napona ovog šuma je

eš

2 =lt u2gt=4kTΔfR

k ndash Bolcmanova constanta (1380662 x 10-23 JK)T ndash apsolutna temperaturaR ndash otpor fotootporaΔf ndash frekventno područje u kojem se vrše mjerenja

Maksimalna snaga šuma iznosi

Pš max = kTΔf

Iz ovog izraza se vidi da maksimalna snaga šuma ovisi od apsolutne temperature

i širine frekvencijskog opsega a ne od učestanosti na kojoj je on lociran Možemo dalje izračunati da je temperatura šuma

Tš = PškΔf

Dakle temperatura šuma je ona (pretpostavljena) temperatura pri kojoj bi na

izlazu iz nekog uređaja snaga samo termičkog šuma bila jednaka snazi ukupnog stvarnog šuma na radnoj temperaturi

Termički šum se pojavljuje u električnim mrežama prijemnim antenama mikrofonima poluprovodničkim elementima i sl

Ovaj šum se često spominje u literaturi jer on ima široki spektar frekvencija pa ga zato često nazivamo Gaussov bijeli šum (AWGN-Aditive White Gaussian Noisse)

Ako slučajni šum ima uniformnu spektralnu gustinu snage na čitavom opsegu frekvencija onda se takav šum naziva ldquobijeli šumrdquo po analogiji sa bijelom svjetlošću koja u vidljivom spektru ima uniformnu i kontiunalnu spektralnu gustinu snage

Bijeli šum

Termički šum i šum efekta sačme generiraju bijeli šum Frekvencijski spektar snage bijelog šuma predstavljen je na slici Iz njega se vidi da on ima ravnu karakteristiku

Spektralna gustina snage bijelog šuma je Sn(ω)= No 2

No [WHz] ndash spektralna gustina snage šuma

Kojeficijent frac12 je uključen da bi pokazao da je

jedna polovina snage na pozitivnim a druga polovina snage na negativnim frekvencijama kao što je pokazano na slici pod a)

Autokorelaciona funkcija bijelog šuma je prikazana na slici pod b)

Trenutne vrijednosti bijelog šuma su potpuno nekorelisane pa se zato kaže da je bijeli šum apsolutno slučajan proces

Efekt sačme

Efekt sačme ndash Šum efekta sačme (zove se još i šot-efekt ili šrot-efekt od englshot i njem Schrott sačma) je šum koji ne nastaje kod fotootpora već kod fotoelemenata koji imaju p ndash n prelaze

Npr kod diode elektroni prelaze iz n ndash tipa u p ndash tip a šupljine obratno S obzirom da u svakoj jedinici vremena ne prolazi isti broj nosilaca elektrona i šupljina već se opažaju fluktuacije koje daju ovaj šum

Srednjekvadratna vrijednost struje šuma uslijed efekta sačme izražava se Šotkijevom jednačinom

lti2gt = 2RI0qΔf

I0 ndash srednja struja koja protiče kroz p ndash n prelaz

Δf ndash interval posmatrfrekvencijaq ndash naelektrisanje elektrona odnosno šupljina

Pojavljuje se u poluprovodnicima i elektronskim cijevima

Radijacioni ili fotonski šum ndash nastaje zbog fluktuacije svjetlosti ( broja fotona ) koja pada na fotootpor bilo iz okoline ili iz izvora svjetlosti

Generaciono rekombinacioni šum ndash nastaje zbog fluktuacije u brzinama generacije i rekombinacije nosilaca elektriciteta To znači da u istim vremenskim intervalima ne nastaje i ne rekombinuje se isti broj parova elektron ndash šupljina

Šum tipa 1f - nastaje na niskim frekvencijama zbog postojanja površinskih stanja zatim zbog nastajanja potencijalnih barijera na kontaktima kao i u unutrašnjosti poluprovodnika Sa porastom frekvencije intenzitet ovog šuma opada zato ga i nazivamo 1f tip šuma

Izvori navedenih šumova statistički su neovisni pa je srednjekvadratna vrijednost napona ili struje ukupnog šuma jednaka zbiru srednjekvadratnih vrijednosti napona ili struje pojedinih komponenti

Vrste fotootpora

1) Selenski fotootpori2) Fotootpori na bazi talijum sulfida ( Tl2S )

3) Fotootpori na bazi bizmut ndash sulfida ( Bi2S3 )

4) Fotootpori na bazi olovnog sulfida ( PbS )

Selenski fotootpori

To su najstariji fotootpori i izrađeni su od elemenata selena (Se) ndash poluprovodnika

Pri slaboj osvjetljenosti i naponu od 100 V imaju integralnu osvjetljivost od 01 ndash 3 mA lm Tamni otpor im iznosi od 104 do 108 W Spektralna karakteristika im je slična ljudskom oku koje je najosjetljivije na l = 055mm što predstavlja zelenu svjetlost

Prikazana kriva se odnosi na dnevnu svjetlost a u sumrak se pomjera ka nižim talasnim dužinama

Nedostatak ovih fotootpora je njihova inertnost to znači ako se selen osvjetljava sa isprekidanom svjetlošću frekvencije iznad 100 Hz naglo gubi svoju osjetljivost (čak za 75)

Fotootpori na bazi talijum sulfida ( Tl2S )

Proizvedeni su 1917 god i imaju veliku osjetljivost koja ponekada iznosi i 2 Alm tamni otpor im iznosi 2x105 ndash 108 W Nedostatak im je što veoma brzo stare što dovodi do nestabilnosti njihovih karakteristika

Fotootpori na bazi bizmut ndash sulfida ( Bi2S3 )

Tamni otpor im je 2x105 ndash 107 W radni napon od 50 ndash 80 V integralna osjetljivost iznosi oko 50 mAlm manje su inertni od prethodna dva tipa Glavni nedostatak im je taj što im se mijenja režim rada pri promjeni temperature

Fotootpori na bazi olovnog sulfida ( PbS ) Integralna osjetljivost im je oko 10 mAlm tamni otpor od 105 ndash 107

W Glavna njihova prednost je mala inercija a nedostatak je osjetljivost na promjenu temperature

Pored nabrojanih fotootpora susrećemo jos i fotootpore na bazi kadmijuma (CdS CdSe itd)

Pri upoređivanju fotootpora pored nabrojanih karakteristika treba obratiti pažnju i na zavisnost pada napona na fotootporu od struje koja kroz njega protiče na frekventnu i spektralnu karakteristiku itd

Fotoelementi

Predstavljaju elektronske komponente koje pri osvjetljavanju daju elektromotornu silu Ako se uključi u zatvoreno kolo sa omskim otporima i osvjetli kroz kolo će proticati struja iako se u kolu ne nalazi nikakav drugi izvor ems U tome je bitna razlika između fotootpora i fotoelemenata iako obje vrste komponenti rade na principu unutrašnjeg fotoefekta

Kod fotoelemenata je potrebno poznavati zavisnost ems od svjetlosnog fluksa (gornja slika) konstrukciju fotoelemenata (donja slika) spektralnu karakteristiku integralnu osjetljivost koeficijent korisnog dejstva itd

SUMEJA DOLJANČIĆEMINA EGRLIĆ

Hvala na pažnji

• Unutrašnji fotoefekat
• Unutrašnji fotoefekat (2)
• Slide 3
• Slide 4
• Osnovni mehanizmi apsorpcije
• Sopstvena (fundamentalna) apsorpcija
• Primjesna apsorpcija
• Akceptorsko-donorska apsorpcija
• Slide 9
• Fotoprovodnost
• Foto ems
• Slide 12
• Slide 13
• Fotootpori
• Slide 15
• Slide 16
• Spektralna osjetljivost
• Prag osjetljivosti
• Vrste šumova u fotootporima
• Toplotni šum
• Slide 21
• Bijeli šum
• Efekt sačme
• Slide 24
• Vrste fotootpora
• Selenski fotootpori
• Slide 27
• Fotoelementi
• Slide 29
• Hvala na pažnji

Toplotni šum

Termički ili Johnsonov šum predstavlja pojavu koja je svojstvena svim sistemima čija je apsolutna temperatura T veća od 0 K Termički šum otpora pojavljuje se u otpornicima zbog nepravilnog toplotnog kretanja elektrona a ovisan je o temperaturi Elektroni u kretanju ubrzani kolizijom s termički uzbuđenim molekulima proizvode promjenu magnetnog polja koja uzrokuje kretanje elektronskog plina (nagomilanih slobodnih elektrona) što na krajevima vodiča rezultira u naponu šuma

Daklenastaje zbog haotičnog kretanja elektrona kroz poluprovodnik a ovo kretanje je uzrokovano spoljašnjom toplotom jer je uvijek TgtT0 (T0 = - 27315oC ndash apsolutna temp)

Prema Nyquistovoj teoremi svaki otpor koji se pojavljuje kao izvor šuma može se nadomjestiti naponskim generatorom elektromotorne sile jednake eš=(4kTΔfRizl)12 i jednim bešumnim unutrašnjim otporom Rš s time što je Rš=Riz

Prema Nyquistu će dakle aritmetička sredina kvadrata elektromotorne sile šuma odnosno srednjekvadratna vrijednost napona ovog šuma je

eš

2 =lt u2gt=4kTΔfR

k ndash Bolcmanova constanta (1380662 x 10-23 JK)T ndash apsolutna temperaturaR ndash otpor fotootporaΔf ndash frekventno područje u kojem se vrše mjerenja

Maksimalna snaga šuma iznosi

Pš max = kTΔf

Iz ovog izraza se vidi da maksimalna snaga šuma ovisi od apsolutne temperature

i širine frekvencijskog opsega a ne od učestanosti na kojoj je on lociran Možemo dalje izračunati da je temperatura šuma

Tš = PškΔf

Dakle temperatura šuma je ona (pretpostavljena) temperatura pri kojoj bi na

izlazu iz nekog uređaja snaga samo termičkog šuma bila jednaka snazi ukupnog stvarnog šuma na radnoj temperaturi

Termički šum se pojavljuje u električnim mrežama prijemnim antenama mikrofonima poluprovodničkim elementima i sl

Ovaj šum se često spominje u literaturi jer on ima široki spektar frekvencija pa ga zato često nazivamo Gaussov bijeli šum (AWGN-Aditive White Gaussian Noisse)

Ako slučajni šum ima uniformnu spektralnu gustinu snage na čitavom opsegu frekvencija onda se takav šum naziva ldquobijeli šumrdquo po analogiji sa bijelom svjetlošću koja u vidljivom spektru ima uniformnu i kontiunalnu spektralnu gustinu snage

Bijeli šum

Termički šum i šum efekta sačme generiraju bijeli šum Frekvencijski spektar snage bijelog šuma predstavljen je na slici Iz njega se vidi da on ima ravnu karakteristiku

Spektralna gustina snage bijelog šuma je Sn(ω)= No 2

No [WHz] ndash spektralna gustina snage šuma

Kojeficijent frac12 je uključen da bi pokazao da je

jedna polovina snage na pozitivnim a druga polovina snage na negativnim frekvencijama kao što je pokazano na slici pod a)

Autokorelaciona funkcija bijelog šuma je prikazana na slici pod b)

Trenutne vrijednosti bijelog šuma su potpuno nekorelisane pa se zato kaže da je bijeli šum apsolutno slučajan proces

Efekt sačme

Efekt sačme ndash Šum efekta sačme (zove se još i šot-efekt ili šrot-efekt od englshot i njem Schrott sačma) je šum koji ne nastaje kod fotootpora već kod fotoelemenata koji imaju p ndash n prelaze

Npr kod diode elektroni prelaze iz n ndash tipa u p ndash tip a šupljine obratno S obzirom da u svakoj jedinici vremena ne prolazi isti broj nosilaca elektrona i šupljina već se opažaju fluktuacije koje daju ovaj šum

Srednjekvadratna vrijednost struje šuma uslijed efekta sačme izražava se Šotkijevom jednačinom

lti2gt = 2RI0qΔf

I0 ndash srednja struja koja protiče kroz p ndash n prelaz

Δf ndash interval posmatrfrekvencijaq ndash naelektrisanje elektrona odnosno šupljina

Pojavljuje se u poluprovodnicima i elektronskim cijevima

Radijacioni ili fotonski šum ndash nastaje zbog fluktuacije svjetlosti ( broja fotona ) koja pada na fotootpor bilo iz okoline ili iz izvora svjetlosti

Generaciono rekombinacioni šum ndash nastaje zbog fluktuacije u brzinama generacije i rekombinacije nosilaca elektriciteta To znači da u istim vremenskim intervalima ne nastaje i ne rekombinuje se isti broj parova elektron ndash šupljina

Šum tipa 1f - nastaje na niskim frekvencijama zbog postojanja površinskih stanja zatim zbog nastajanja potencijalnih barijera na kontaktima kao i u unutrašnjosti poluprovodnika Sa porastom frekvencije intenzitet ovog šuma opada zato ga i nazivamo 1f tip šuma

Izvori navedenih šumova statistički su neovisni pa je srednjekvadratna vrijednost napona ili struje ukupnog šuma jednaka zbiru srednjekvadratnih vrijednosti napona ili struje pojedinih komponenti

Vrste fotootpora

1) Selenski fotootpori2) Fotootpori na bazi talijum sulfida ( Tl2S )

3) Fotootpori na bazi bizmut ndash sulfida ( Bi2S3 )

4) Fotootpori na bazi olovnog sulfida ( PbS )

Selenski fotootpori

To su najstariji fotootpori i izrađeni su od elemenata selena (Se) ndash poluprovodnika

Pri slaboj osvjetljenosti i naponu od 100 V imaju integralnu osvjetljivost od 01 ndash 3 mA lm Tamni otpor im iznosi od 104 do 108 W Spektralna karakteristika im je slična ljudskom oku koje je najosjetljivije na l = 055mm što predstavlja zelenu svjetlost

Prikazana kriva se odnosi na dnevnu svjetlost a u sumrak se pomjera ka nižim talasnim dužinama

Nedostatak ovih fotootpora je njihova inertnost to znači ako se selen osvjetljava sa isprekidanom svjetlošću frekvencije iznad 100 Hz naglo gubi svoju osjetljivost (čak za 75)

Fotootpori na bazi talijum sulfida ( Tl2S )

Proizvedeni su 1917 god i imaju veliku osjetljivost koja ponekada iznosi i 2 Alm tamni otpor im iznosi 2x105 ndash 108 W Nedostatak im je što veoma brzo stare što dovodi do nestabilnosti njihovih karakteristika

Fotootpori na bazi bizmut ndash sulfida ( Bi2S3 )

Tamni otpor im je 2x105 ndash 107 W radni napon od 50 ndash 80 V integralna osjetljivost iznosi oko 50 mAlm manje su inertni od prethodna dva tipa Glavni nedostatak im je taj što im se mijenja režim rada pri promjeni temperature

Fotootpori na bazi olovnog sulfida ( PbS ) Integralna osjetljivost im je oko 10 mAlm tamni otpor od 105 ndash 107

W Glavna njihova prednost je mala inercija a nedostatak je osjetljivost na promjenu temperature

Pored nabrojanih fotootpora susrećemo jos i fotootpore na bazi kadmijuma (CdS CdSe itd)

Pri upoređivanju fotootpora pored nabrojanih karakteristika treba obratiti pažnju i na zavisnost pada napona na fotootporu od struje koja kroz njega protiče na frekventnu i spektralnu karakteristiku itd

Fotoelementi

Predstavljaju elektronske komponente koje pri osvjetljavanju daju elektromotornu silu Ako se uključi u zatvoreno kolo sa omskim otporima i osvjetli kroz kolo će proticati struja iako se u kolu ne nalazi nikakav drugi izvor ems U tome je bitna razlika između fotootpora i fotoelemenata iako obje vrste komponenti rade na principu unutrašnjeg fotoefekta

Kod fotoelemenata je potrebno poznavati zavisnost ems od svjetlosnog fluksa (gornja slika) konstrukciju fotoelemenata (donja slika) spektralnu karakteristiku integralnu osjetljivost koeficijent korisnog dejstva itd

SUMEJA DOLJANČIĆEMINA EGRLIĆ

Hvala na pažnji

• Unutrašnji fotoefekat
• Unutrašnji fotoefekat (2)
• Slide 3
• Slide 4
• Osnovni mehanizmi apsorpcije
• Sopstvena (fundamentalna) apsorpcija
• Primjesna apsorpcija
• Akceptorsko-donorska apsorpcija
• Slide 9
• Fotoprovodnost
• Foto ems
• Slide 12
• Slide 13
• Fotootpori
• Slide 15
• Slide 16
• Spektralna osjetljivost
• Prag osjetljivosti
• Vrste šumova u fotootporima
• Toplotni šum
• Slide 21
• Bijeli šum
• Efekt sačme
• Slide 24
• Vrste fotootpora
• Selenski fotootpori
• Slide 27
• Fotoelementi
• Slide 29
• Hvala na pažnji

Maksimalna snaga šuma iznosi

Pš max = kTΔf

Iz ovog izraza se vidi da maksimalna snaga šuma ovisi od apsolutne temperature

i širine frekvencijskog opsega a ne od učestanosti na kojoj je on lociran Možemo dalje izračunati da je temperatura šuma

Tš = PškΔf

Dakle temperatura šuma je ona (pretpostavljena) temperatura pri kojoj bi na

izlazu iz nekog uređaja snaga samo termičkog šuma bila jednaka snazi ukupnog stvarnog šuma na radnoj temperaturi

Termički šum se pojavljuje u električnim mrežama prijemnim antenama mikrofonima poluprovodničkim elementima i sl

Ovaj šum se često spominje u literaturi jer on ima široki spektar frekvencija pa ga zato često nazivamo Gaussov bijeli šum (AWGN-Aditive White Gaussian Noisse)

Ako slučajni šum ima uniformnu spektralnu gustinu snage na čitavom opsegu frekvencija onda se takav šum naziva ldquobijeli šumrdquo po analogiji sa bijelom svjetlošću koja u vidljivom spektru ima uniformnu i kontiunalnu spektralnu gustinu snage

Bijeli šum

Termički šum i šum efekta sačme generiraju bijeli šum Frekvencijski spektar snage bijelog šuma predstavljen je na slici Iz njega se vidi da on ima ravnu karakteristiku

Spektralna gustina snage bijelog šuma je Sn(ω)= No 2

No [WHz] ndash spektralna gustina snage šuma

Kojeficijent frac12 je uključen da bi pokazao da je

jedna polovina snage na pozitivnim a druga polovina snage na negativnim frekvencijama kao što je pokazano na slici pod a)

Autokorelaciona funkcija bijelog šuma je prikazana na slici pod b)

Trenutne vrijednosti bijelog šuma su potpuno nekorelisane pa se zato kaže da je bijeli šum apsolutno slučajan proces

Efekt sačme

Efekt sačme ndash Šum efekta sačme (zove se još i šot-efekt ili šrot-efekt od englshot i njem Schrott sačma) je šum koji ne nastaje kod fotootpora već kod fotoelemenata koji imaju p ndash n prelaze

Npr kod diode elektroni prelaze iz n ndash tipa u p ndash tip a šupljine obratno S obzirom da u svakoj jedinici vremena ne prolazi isti broj nosilaca elektrona i šupljina već se opažaju fluktuacije koje daju ovaj šum

Srednjekvadratna vrijednost struje šuma uslijed efekta sačme izražava se Šotkijevom jednačinom

lti2gt = 2RI0qΔf

I0 ndash srednja struja koja protiče kroz p ndash n prelaz

Δf ndash interval posmatrfrekvencijaq ndash naelektrisanje elektrona odnosno šupljina

Pojavljuje se u poluprovodnicima i elektronskim cijevima

Radijacioni ili fotonski šum ndash nastaje zbog fluktuacije svjetlosti ( broja fotona ) koja pada na fotootpor bilo iz okoline ili iz izvora svjetlosti

Generaciono rekombinacioni šum ndash nastaje zbog fluktuacije u brzinama generacije i rekombinacije nosilaca elektriciteta To znači da u istim vremenskim intervalima ne nastaje i ne rekombinuje se isti broj parova elektron ndash šupljina

Šum tipa 1f - nastaje na niskim frekvencijama zbog postojanja površinskih stanja zatim zbog nastajanja potencijalnih barijera na kontaktima kao i u unutrašnjosti poluprovodnika Sa porastom frekvencije intenzitet ovog šuma opada zato ga i nazivamo 1f tip šuma

Izvori navedenih šumova statistički su neovisni pa je srednjekvadratna vrijednost napona ili struje ukupnog šuma jednaka zbiru srednjekvadratnih vrijednosti napona ili struje pojedinih komponenti

Vrste fotootpora

1) Selenski fotootpori2) Fotootpori na bazi talijum sulfida ( Tl2S )

3) Fotootpori na bazi bizmut ndash sulfida ( Bi2S3 )

4) Fotootpori na bazi olovnog sulfida ( PbS )

Selenski fotootpori

To su najstariji fotootpori i izrađeni su od elemenata selena (Se) ndash poluprovodnika

Pri slaboj osvjetljenosti i naponu od 100 V imaju integralnu osvjetljivost od 01 ndash 3 mA lm Tamni otpor im iznosi od 104 do 108 W Spektralna karakteristika im je slična ljudskom oku koje je najosjetljivije na l = 055mm što predstavlja zelenu svjetlost

Prikazana kriva se odnosi na dnevnu svjetlost a u sumrak se pomjera ka nižim talasnim dužinama

Nedostatak ovih fotootpora je njihova inertnost to znači ako se selen osvjetljava sa isprekidanom svjetlošću frekvencije iznad 100 Hz naglo gubi svoju osjetljivost (čak za 75)

Fotootpori na bazi talijum sulfida ( Tl2S )

Proizvedeni su 1917 god i imaju veliku osjetljivost koja ponekada iznosi i 2 Alm tamni otpor im iznosi 2x105 ndash 108 W Nedostatak im je što veoma brzo stare što dovodi do nestabilnosti njihovih karakteristika

Fotootpori na bazi bizmut ndash sulfida ( Bi2S3 )

Tamni otpor im je 2x105 ndash 107 W radni napon od 50 ndash 80 V integralna osjetljivost iznosi oko 50 mAlm manje su inertni od prethodna dva tipa Glavni nedostatak im je taj što im se mijenja režim rada pri promjeni temperature

Fotootpori na bazi olovnog sulfida ( PbS ) Integralna osjetljivost im je oko 10 mAlm tamni otpor od 105 ndash 107

W Glavna njihova prednost je mala inercija a nedostatak je osjetljivost na promjenu temperature

Pored nabrojanih fotootpora susrećemo jos i fotootpore na bazi kadmijuma (CdS CdSe itd)

Pri upoređivanju fotootpora pored nabrojanih karakteristika treba obratiti pažnju i na zavisnost pada napona na fotootporu od struje koja kroz njega protiče na frekventnu i spektralnu karakteristiku itd

Fotoelementi

Predstavljaju elektronske komponente koje pri osvjetljavanju daju elektromotornu silu Ako se uključi u zatvoreno kolo sa omskim otporima i osvjetli kroz kolo će proticati struja iako se u kolu ne nalazi nikakav drugi izvor ems U tome je bitna razlika između fotootpora i fotoelemenata iako obje vrste komponenti rade na principu unutrašnjeg fotoefekta

Kod fotoelemenata je potrebno poznavati zavisnost ems od svjetlosnog fluksa (gornja slika) konstrukciju fotoelemenata (donja slika) spektralnu karakteristiku integralnu osjetljivost koeficijent korisnog dejstva itd

SUMEJA DOLJANČIĆEMINA EGRLIĆ

Hvala na pažnji

• Unutrašnji fotoefekat
• Unutrašnji fotoefekat (2)
• Slide 3
• Slide 4
• Osnovni mehanizmi apsorpcije
• Sopstvena (fundamentalna) apsorpcija
• Primjesna apsorpcija
• Akceptorsko-donorska apsorpcija
• Slide 9
• Fotoprovodnost
• Foto ems
• Slide 12
• Slide 13
• Fotootpori
• Slide 15
• Slide 16
• Spektralna osjetljivost
• Prag osjetljivosti
• Vrste šumova u fotootporima
• Toplotni šum
• Slide 21
• Bijeli šum
• Efekt sačme
• Slide 24
• Vrste fotootpora
• Selenski fotootpori
• Slide 27
• Fotoelementi
• Slide 29
• Hvala na pažnji

Bijeli šum

Termički šum i šum efekta sačme generiraju bijeli šum Frekvencijski spektar snage bijelog šuma predstavljen je na slici Iz njega se vidi da on ima ravnu karakteristiku

Spektralna gustina snage bijelog šuma je Sn(ω)= No 2

No [WHz] ndash spektralna gustina snage šuma

Kojeficijent frac12 je uključen da bi pokazao da je

jedna polovina snage na pozitivnim a druga polovina snage na negativnim frekvencijama kao što je pokazano na slici pod a)

Autokorelaciona funkcija bijelog šuma je prikazana na slici pod b)

Trenutne vrijednosti bijelog šuma su potpuno nekorelisane pa se zato kaže da je bijeli šum apsolutno slučajan proces

Efekt sačme

Efekt sačme ndash Šum efekta sačme (zove se još i šot-efekt ili šrot-efekt od englshot i njem Schrott sačma) je šum koji ne nastaje kod fotootpora već kod fotoelemenata koji imaju p ndash n prelaze

Npr kod diode elektroni prelaze iz n ndash tipa u p ndash tip a šupljine obratno S obzirom da u svakoj jedinici vremena ne prolazi isti broj nosilaca elektrona i šupljina već se opažaju fluktuacije koje daju ovaj šum

Srednjekvadratna vrijednost struje šuma uslijed efekta sačme izražava se Šotkijevom jednačinom

lti2gt = 2RI0qΔf

I0 ndash srednja struja koja protiče kroz p ndash n prelaz

Δf ndash interval posmatrfrekvencijaq ndash naelektrisanje elektrona odnosno šupljina

Pojavljuje se u poluprovodnicima i elektronskim cijevima

Radijacioni ili fotonski šum ndash nastaje zbog fluktuacije svjetlosti ( broja fotona ) koja pada na fotootpor bilo iz okoline ili iz izvora svjetlosti

Generaciono rekombinacioni šum ndash nastaje zbog fluktuacije u brzinama generacije i rekombinacije nosilaca elektriciteta To znači da u istim vremenskim intervalima ne nastaje i ne rekombinuje se isti broj parova elektron ndash šupljina

Šum tipa 1f - nastaje na niskim frekvencijama zbog postojanja površinskih stanja zatim zbog nastajanja potencijalnih barijera na kontaktima kao i u unutrašnjosti poluprovodnika Sa porastom frekvencije intenzitet ovog šuma opada zato ga i nazivamo 1f tip šuma

Izvori navedenih šumova statistički su neovisni pa je srednjekvadratna vrijednost napona ili struje ukupnog šuma jednaka zbiru srednjekvadratnih vrijednosti napona ili struje pojedinih komponenti

Vrste fotootpora

1) Selenski fotootpori2) Fotootpori na bazi talijum sulfida ( Tl2S )

3) Fotootpori na bazi bizmut ndash sulfida ( Bi2S3 )

4) Fotootpori na bazi olovnog sulfida ( PbS )

Selenski fotootpori

To su najstariji fotootpori i izrađeni su od elemenata selena (Se) ndash poluprovodnika

Pri slaboj osvjetljenosti i naponu od 100 V imaju integralnu osvjetljivost od 01 ndash 3 mA lm Tamni otpor im iznosi od 104 do 108 W Spektralna karakteristika im je slična ljudskom oku koje je najosjetljivije na l = 055mm što predstavlja zelenu svjetlost

Prikazana kriva se odnosi na dnevnu svjetlost a u sumrak se pomjera ka nižim talasnim dužinama

Nedostatak ovih fotootpora je njihova inertnost to znači ako se selen osvjetljava sa isprekidanom svjetlošću frekvencije iznad 100 Hz naglo gubi svoju osjetljivost (čak za 75)

Fotootpori na bazi talijum sulfida ( Tl2S )

Proizvedeni su 1917 god i imaju veliku osjetljivost koja ponekada iznosi i 2 Alm tamni otpor im iznosi 2x105 ndash 108 W Nedostatak im je što veoma brzo stare što dovodi do nestabilnosti njihovih karakteristika

Fotootpori na bazi bizmut ndash sulfida ( Bi2S3 )

Tamni otpor im je 2x105 ndash 107 W radni napon od 50 ndash 80 V integralna osjetljivost iznosi oko 50 mAlm manje su inertni od prethodna dva tipa Glavni nedostatak im je taj što im se mijenja režim rada pri promjeni temperature

Fotootpori na bazi olovnog sulfida ( PbS ) Integralna osjetljivost im je oko 10 mAlm tamni otpor od 105 ndash 107

W Glavna njihova prednost je mala inercija a nedostatak je osjetljivost na promjenu temperature

Pored nabrojanih fotootpora susrećemo jos i fotootpore na bazi kadmijuma (CdS CdSe itd)

Pri upoređivanju fotootpora pored nabrojanih karakteristika treba obratiti pažnju i na zavisnost pada napona na fotootporu od struje koja kroz njega protiče na frekventnu i spektralnu karakteristiku itd

Fotoelementi

Predstavljaju elektronske komponente koje pri osvjetljavanju daju elektromotornu silu Ako se uključi u zatvoreno kolo sa omskim otporima i osvjetli kroz kolo će proticati struja iako se u kolu ne nalazi nikakav drugi izvor ems U tome je bitna razlika između fotootpora i fotoelemenata iako obje vrste komponenti rade na principu unutrašnjeg fotoefekta

Kod fotoelemenata je potrebno poznavati zavisnost ems od svjetlosnog fluksa (gornja slika) konstrukciju fotoelemenata (donja slika) spektralnu karakteristiku integralnu osjetljivost koeficijent korisnog dejstva itd

SUMEJA DOLJANČIĆEMINA EGRLIĆ

Hvala na pažnji

• Unutrašnji fotoefekat
• Unutrašnji fotoefekat (2)
• Slide 3
• Slide 4
• Osnovni mehanizmi apsorpcije
• Sopstvena (fundamentalna) apsorpcija
• Primjesna apsorpcija
• Akceptorsko-donorska apsorpcija
• Slide 9
• Fotoprovodnost
• Foto ems
• Slide 12
• Slide 13
• Fotootpori
• Slide 15
• Slide 16
• Spektralna osjetljivost
• Prag osjetljivosti
• Vrste šumova u fotootporima
• Toplotni šum
• Slide 21
• Bijeli šum
• Efekt sačme
• Slide 24
• Vrste fotootpora
• Selenski fotootpori
• Slide 27
• Fotoelementi
• Slide 29
• Hvala na pažnji

Efekt sačme

Efekt sačme ndash Šum efekta sačme (zove se još i šot-efekt ili šrot-efekt od englshot i njem Schrott sačma) je šum koji ne nastaje kod fotootpora već kod fotoelemenata koji imaju p ndash n prelaze

Npr kod diode elektroni prelaze iz n ndash tipa u p ndash tip a šupljine obratno S obzirom da u svakoj jedinici vremena ne prolazi isti broj nosilaca elektrona i šupljina već se opažaju fluktuacije koje daju ovaj šum

Srednjekvadratna vrijednost struje šuma uslijed efekta sačme izražava se Šotkijevom jednačinom

lti2gt = 2RI0qΔf

I0 ndash srednja struja koja protiče kroz p ndash n prelaz

Δf ndash interval posmatrfrekvencijaq ndash naelektrisanje elektrona odnosno šupljina

Pojavljuje se u poluprovodnicima i elektronskim cijevima

Radijacioni ili fotonski šum ndash nastaje zbog fluktuacije svjetlosti ( broja fotona ) koja pada na fotootpor bilo iz okoline ili iz izvora svjetlosti

Generaciono rekombinacioni šum ndash nastaje zbog fluktuacije u brzinama generacije i rekombinacije nosilaca elektriciteta To znači da u istim vremenskim intervalima ne nastaje i ne rekombinuje se isti broj parova elektron ndash šupljina

Šum tipa 1f - nastaje na niskim frekvencijama zbog postojanja površinskih stanja zatim zbog nastajanja potencijalnih barijera na kontaktima kao i u unutrašnjosti poluprovodnika Sa porastom frekvencije intenzitet ovog šuma opada zato ga i nazivamo 1f tip šuma

Izvori navedenih šumova statistički su neovisni pa je srednjekvadratna vrijednost napona ili struje ukupnog šuma jednaka zbiru srednjekvadratnih vrijednosti napona ili struje pojedinih komponenti

Vrste fotootpora

1) Selenski fotootpori2) Fotootpori na bazi talijum sulfida ( Tl2S )

3) Fotootpori na bazi bizmut ndash sulfida ( Bi2S3 )

4) Fotootpori na bazi olovnog sulfida ( PbS )

Selenski fotootpori

To su najstariji fotootpori i izrađeni su od elemenata selena (Se) ndash poluprovodnika

Pri slaboj osvjetljenosti i naponu od 100 V imaju integralnu osvjetljivost od 01 ndash 3 mA lm Tamni otpor im iznosi od 104 do 108 W Spektralna karakteristika im je slična ljudskom oku koje je najosjetljivije na l = 055mm što predstavlja zelenu svjetlost

Prikazana kriva se odnosi na dnevnu svjetlost a u sumrak se pomjera ka nižim talasnim dužinama

Nedostatak ovih fotootpora je njihova inertnost to znači ako se selen osvjetljava sa isprekidanom svjetlošću frekvencije iznad 100 Hz naglo gubi svoju osjetljivost (čak za 75)

Fotootpori na bazi talijum sulfida ( Tl2S )

Proizvedeni su 1917 god i imaju veliku osjetljivost koja ponekada iznosi i 2 Alm tamni otpor im iznosi 2x105 ndash 108 W Nedostatak im je što veoma brzo stare što dovodi do nestabilnosti njihovih karakteristika

Fotootpori na bazi bizmut ndash sulfida ( Bi2S3 )

Tamni otpor im je 2x105 ndash 107 W radni napon od 50 ndash 80 V integralna osjetljivost iznosi oko 50 mAlm manje su inertni od prethodna dva tipa Glavni nedostatak im je taj što im se mijenja režim rada pri promjeni temperature

Fotootpori na bazi olovnog sulfida ( PbS ) Integralna osjetljivost im je oko 10 mAlm tamni otpor od 105 ndash 107

W Glavna njihova prednost je mala inercija a nedostatak je osjetljivost na promjenu temperature

Pored nabrojanih fotootpora susrećemo jos i fotootpore na bazi kadmijuma (CdS CdSe itd)

Pri upoređivanju fotootpora pored nabrojanih karakteristika treba obratiti pažnju i na zavisnost pada napona na fotootporu od struje koja kroz njega protiče na frekventnu i spektralnu karakteristiku itd

Fotoelementi

Predstavljaju elektronske komponente koje pri osvjetljavanju daju elektromotornu silu Ako se uključi u zatvoreno kolo sa omskim otporima i osvjetli kroz kolo će proticati struja iako se u kolu ne nalazi nikakav drugi izvor ems U tome je bitna razlika između fotootpora i fotoelemenata iako obje vrste komponenti rade na principu unutrašnjeg fotoefekta

Kod fotoelemenata je potrebno poznavati zavisnost ems od svjetlosnog fluksa (gornja slika) konstrukciju fotoelemenata (donja slika) spektralnu karakteristiku integralnu osjetljivost koeficijent korisnog dejstva itd

SUMEJA DOLJANČIĆEMINA EGRLIĆ

Hvala na pažnji

• Unutrašnji fotoefekat
• Unutrašnji fotoefekat (2)
• Slide 3
• Slide 4
• Osnovni mehanizmi apsorpcije
• Sopstvena (fundamentalna) apsorpcija
• Primjesna apsorpcija
• Akceptorsko-donorska apsorpcija
• Slide 9
• Fotoprovodnost
• Foto ems
• Slide 12
• Slide 13
• Fotootpori
• Slide 15
• Slide 16
• Spektralna osjetljivost
• Prag osjetljivosti
• Vrste šumova u fotootporima
• Toplotni šum
• Slide 21
• Bijeli šum
• Efekt sačme
• Slide 24
• Vrste fotootpora
• Selenski fotootpori
• Slide 27
• Fotoelementi
• Slide 29
• Hvala na pažnji

Radijacioni ili fotonski šum ndash nastaje zbog fluktuacije svjetlosti ( broja fotona ) koja pada na fotootpor bilo iz okoline ili iz izvora svjetlosti

Generaciono rekombinacioni šum ndash nastaje zbog fluktuacije u brzinama generacije i rekombinacije nosilaca elektriciteta To znači da u istim vremenskim intervalima ne nastaje i ne rekombinuje se isti broj parova elektron ndash šupljina

Šum tipa 1f - nastaje na niskim frekvencijama zbog postojanja površinskih stanja zatim zbog nastajanja potencijalnih barijera na kontaktima kao i u unutrašnjosti poluprovodnika Sa porastom frekvencije intenzitet ovog šuma opada zato ga i nazivamo 1f tip šuma

Izvori navedenih šumova statistički su neovisni pa je srednjekvadratna vrijednost napona ili struje ukupnog šuma jednaka zbiru srednjekvadratnih vrijednosti napona ili struje pojedinih komponenti

Vrste fotootpora

1) Selenski fotootpori2) Fotootpori na bazi talijum sulfida ( Tl2S )

3) Fotootpori na bazi bizmut ndash sulfida ( Bi2S3 )

4) Fotootpori na bazi olovnog sulfida ( PbS )

Selenski fotootpori

To su najstariji fotootpori i izrađeni su od elemenata selena (Se) ndash poluprovodnika

Pri slaboj osvjetljenosti i naponu od 100 V imaju integralnu osvjetljivost od 01 ndash 3 mA lm Tamni otpor im iznosi od 104 do 108 W Spektralna karakteristika im je slična ljudskom oku koje je najosjetljivije na l = 055mm što predstavlja zelenu svjetlost

Prikazana kriva se odnosi na dnevnu svjetlost a u sumrak se pomjera ka nižim talasnim dužinama

Nedostatak ovih fotootpora je njihova inertnost to znači ako se selen osvjetljava sa isprekidanom svjetlošću frekvencije iznad 100 Hz naglo gubi svoju osjetljivost (čak za 75)

Fotootpori na bazi talijum sulfida ( Tl2S )

Proizvedeni su 1917 god i imaju veliku osjetljivost koja ponekada iznosi i 2 Alm tamni otpor im iznosi 2x105 ndash 108 W Nedostatak im je što veoma brzo stare što dovodi do nestabilnosti njihovih karakteristika

Fotootpori na bazi bizmut ndash sulfida ( Bi2S3 )

Tamni otpor im je 2x105 ndash 107 W radni napon od 50 ndash 80 V integralna osjetljivost iznosi oko 50 mAlm manje su inertni od prethodna dva tipa Glavni nedostatak im je taj što im se mijenja režim rada pri promjeni temperature

Fotootpori na bazi olovnog sulfida ( PbS ) Integralna osjetljivost im je oko 10 mAlm tamni otpor od 105 ndash 107

W Glavna njihova prednost je mala inercija a nedostatak je osjetljivost na promjenu temperature

Pored nabrojanih fotootpora susrećemo jos i fotootpore na bazi kadmijuma (CdS CdSe itd)

Pri upoređivanju fotootpora pored nabrojanih karakteristika treba obratiti pažnju i na zavisnost pada napona na fotootporu od struje koja kroz njega protiče na frekventnu i spektralnu karakteristiku itd

Fotoelementi

Predstavljaju elektronske komponente koje pri osvjetljavanju daju elektromotornu silu Ako se uključi u zatvoreno kolo sa omskim otporima i osvjetli kroz kolo će proticati struja iako se u kolu ne nalazi nikakav drugi izvor ems U tome je bitna razlika između fotootpora i fotoelemenata iako obje vrste komponenti rade na principu unutrašnjeg fotoefekta

Kod fotoelemenata je potrebno poznavati zavisnost ems od svjetlosnog fluksa (gornja slika) konstrukciju fotoelemenata (donja slika) spektralnu karakteristiku integralnu osjetljivost koeficijent korisnog dejstva itd

SUMEJA DOLJANČIĆEMINA EGRLIĆ

Hvala na pažnji

• Unutrašnji fotoefekat
• Unutrašnji fotoefekat (2)
• Slide 3
• Slide 4
• Osnovni mehanizmi apsorpcije
• Sopstvena (fundamentalna) apsorpcija
• Primjesna apsorpcija
• Akceptorsko-donorska apsorpcija
• Slide 9
• Fotoprovodnost
• Foto ems
• Slide 12
• Slide 13
• Fotootpori
• Slide 15
• Slide 16
• Spektralna osjetljivost
• Prag osjetljivosti
• Vrste šumova u fotootporima
• Toplotni šum
• Slide 21
• Bijeli šum
• Efekt sačme
• Slide 24
• Vrste fotootpora
• Selenski fotootpori
• Slide 27
• Fotoelementi
• Slide 29
• Hvala na pažnji

Vrste fotootpora

1) Selenski fotootpori2) Fotootpori na bazi talijum sulfida ( Tl2S )

3) Fotootpori na bazi bizmut ndash sulfida ( Bi2S3 )

4) Fotootpori na bazi olovnog sulfida ( PbS )

Selenski fotootpori

To su najstariji fotootpori i izrađeni su od elemenata selena (Se) ndash poluprovodnika

Pri slaboj osvjetljenosti i naponu od 100 V imaju integralnu osvjetljivost od 01 ndash 3 mA lm Tamni otpor im iznosi od 104 do 108 W Spektralna karakteristika im je slična ljudskom oku koje je najosjetljivije na l = 055mm što predstavlja zelenu svjetlost

Prikazana kriva se odnosi na dnevnu svjetlost a u sumrak se pomjera ka nižim talasnim dužinama

Nedostatak ovih fotootpora je njihova inertnost to znači ako se selen osvjetljava sa isprekidanom svjetlošću frekvencije iznad 100 Hz naglo gubi svoju osjetljivost (čak za 75)

Fotootpori na bazi talijum sulfida ( Tl2S )

Proizvedeni su 1917 god i imaju veliku osjetljivost koja ponekada iznosi i 2 Alm tamni otpor im iznosi 2x105 ndash 108 W Nedostatak im je što veoma brzo stare što dovodi do nestabilnosti njihovih karakteristika

Fotootpori na bazi bizmut ndash sulfida ( Bi2S3 )

Tamni otpor im je 2x105 ndash 107 W radni napon od 50 ndash 80 V integralna osjetljivost iznosi oko 50 mAlm manje su inertni od prethodna dva tipa Glavni nedostatak im je taj što im se mijenja režim rada pri promjeni temperature

Fotootpori na bazi olovnog sulfida ( PbS ) Integralna osjetljivost im je oko 10 mAlm tamni otpor od 105 ndash 107

W Glavna njihova prednost je mala inercija a nedostatak je osjetljivost na promjenu temperature

Pored nabrojanih fotootpora susrećemo jos i fotootpore na bazi kadmijuma (CdS CdSe itd)

Pri upoređivanju fotootpora pored nabrojanih karakteristika treba obratiti pažnju i na zavisnost pada napona na fotootporu od struje koja kroz njega protiče na frekventnu i spektralnu karakteristiku itd

Fotoelementi

Predstavljaju elektronske komponente koje pri osvjetljavanju daju elektromotornu silu Ako se uključi u zatvoreno kolo sa omskim otporima i osvjetli kroz kolo će proticati struja iako se u kolu ne nalazi nikakav drugi izvor ems U tome je bitna razlika između fotootpora i fotoelemenata iako obje vrste komponenti rade na principu unutrašnjeg fotoefekta

Kod fotoelemenata je potrebno poznavati zavisnost ems od svjetlosnog fluksa (gornja slika) konstrukciju fotoelemenata (donja slika) spektralnu karakteristiku integralnu osjetljivost koeficijent korisnog dejstva itd

SUMEJA DOLJANČIĆEMINA EGRLIĆ

Hvala na pažnji

• Unutrašnji fotoefekat
• Unutrašnji fotoefekat (2)
• Slide 3
• Slide 4
• Osnovni mehanizmi apsorpcije
• Sopstvena (fundamentalna) apsorpcija
• Primjesna apsorpcija
• Akceptorsko-donorska apsorpcija
• Slide 9
• Fotoprovodnost
• Foto ems
• Slide 12
• Slide 13
• Fotootpori
• Slide 15
• Slide 16
• Spektralna osjetljivost
• Prag osjetljivosti
• Vrste šumova u fotootporima
• Toplotni šum
• Slide 21
• Bijeli šum
• Efekt sačme
• Slide 24
• Vrste fotootpora
• Selenski fotootpori
• Slide 27
• Fotoelementi
• Slide 29
• Hvala na pažnji

Selenski fotootpori

To su najstariji fotootpori i izrađeni su od elemenata selena (Se) ndash poluprovodnika

Pri slaboj osvjetljenosti i naponu od 100 V imaju integralnu osvjetljivost od 01 ndash 3 mA lm Tamni otpor im iznosi od 104 do 108 W Spektralna karakteristika im je slična ljudskom oku koje je najosjetljivije na l = 055mm što predstavlja zelenu svjetlost

Prikazana kriva se odnosi na dnevnu svjetlost a u sumrak se pomjera ka nižim talasnim dužinama

Nedostatak ovih fotootpora je njihova inertnost to znači ako se selen osvjetljava sa isprekidanom svjetlošću frekvencije iznad 100 Hz naglo gubi svoju osjetljivost (čak za 75)

Fotootpori na bazi talijum sulfida ( Tl2S )

Proizvedeni su 1917 god i imaju veliku osjetljivost koja ponekada iznosi i 2 Alm tamni otpor im iznosi 2x105 ndash 108 W Nedostatak im je što veoma brzo stare što dovodi do nestabilnosti njihovih karakteristika

Fotootpori na bazi bizmut ndash sulfida ( Bi2S3 )

Tamni otpor im je 2x105 ndash 107 W radni napon od 50 ndash 80 V integralna osjetljivost iznosi oko 50 mAlm manje su inertni od prethodna dva tipa Glavni nedostatak im je taj što im se mijenja režim rada pri promjeni temperature

Fotootpori na bazi olovnog sulfida ( PbS ) Integralna osjetljivost im je oko 10 mAlm tamni otpor od 105 ndash 107

W Glavna njihova prednost je mala inercija a nedostatak je osjetljivost na promjenu temperature

Pored nabrojanih fotootpora susrećemo jos i fotootpore na bazi kadmijuma (CdS CdSe itd)

Pri upoređivanju fotootpora pored nabrojanih karakteristika treba obratiti pažnju i na zavisnost pada napona na fotootporu od struje koja kroz njega protiče na frekventnu i spektralnu karakteristiku itd

Fotoelementi

Predstavljaju elektronske komponente koje pri osvjetljavanju daju elektromotornu silu Ako se uključi u zatvoreno kolo sa omskim otporima i osvjetli kroz kolo će proticati struja iako se u kolu ne nalazi nikakav drugi izvor ems U tome je bitna razlika između fotootpora i fotoelemenata iako obje vrste komponenti rade na principu unutrašnjeg fotoefekta

Kod fotoelemenata je potrebno poznavati zavisnost ems od svjetlosnog fluksa (gornja slika) konstrukciju fotoelemenata (donja slika) spektralnu karakteristiku integralnu osjetljivost koeficijent korisnog dejstva itd

SUMEJA DOLJANČIĆEMINA EGRLIĆ

Hvala na pažnji

• Unutrašnji fotoefekat
• Unutrašnji fotoefekat (2)
• Slide 3
• Slide 4
• Osnovni mehanizmi apsorpcije
• Sopstvena (fundamentalna) apsorpcija
• Primjesna apsorpcija
• Akceptorsko-donorska apsorpcija
• Slide 9
• Fotoprovodnost
• Foto ems
• Slide 12
• Slide 13
• Fotootpori
• Slide 15
• Slide 16
• Spektralna osjetljivost
• Prag osjetljivosti
• Vrste šumova u fotootporima
• Toplotni šum
• Slide 21
• Bijeli šum
• Efekt sačme
• Slide 24
• Vrste fotootpora
• Selenski fotootpori
• Slide 27
• Fotoelementi
• Slide 29
• Hvala na pažnji

Fotootpori na bazi talijum sulfida ( Tl2S )

Proizvedeni su 1917 god i imaju veliku osjetljivost koja ponekada iznosi i 2 Alm tamni otpor im iznosi 2x105 ndash 108 W Nedostatak im je što veoma brzo stare što dovodi do nestabilnosti njihovih karakteristika

Fotootpori na bazi bizmut ndash sulfida ( Bi2S3 )

Tamni otpor im je 2x105 ndash 107 W radni napon od 50 ndash 80 V integralna osjetljivost iznosi oko 50 mAlm manje su inertni od prethodna dva tipa Glavni nedostatak im je taj što im se mijenja režim rada pri promjeni temperature

Fotootpori na bazi olovnog sulfida ( PbS ) Integralna osjetljivost im je oko 10 mAlm tamni otpor od 105 ndash 107

W Glavna njihova prednost je mala inercija a nedostatak je osjetljivost na promjenu temperature

Pored nabrojanih fotootpora susrećemo jos i fotootpore na bazi kadmijuma (CdS CdSe itd)

Pri upoređivanju fotootpora pored nabrojanih karakteristika treba obratiti pažnju i na zavisnost pada napona na fotootporu od struje koja kroz njega protiče na frekventnu i spektralnu karakteristiku itd

Fotoelementi

Predstavljaju elektronske komponente koje pri osvjetljavanju daju elektromotornu silu Ako se uključi u zatvoreno kolo sa omskim otporima i osvjetli kroz kolo će proticati struja iako se u kolu ne nalazi nikakav drugi izvor ems U tome je bitna razlika između fotootpora i fotoelemenata iako obje vrste komponenti rade na principu unutrašnjeg fotoefekta

Kod fotoelemenata je potrebno poznavati zavisnost ems od svjetlosnog fluksa (gornja slika) konstrukciju fotoelemenata (donja slika) spektralnu karakteristiku integralnu osjetljivost koeficijent korisnog dejstva itd

SUMEJA DOLJANČIĆEMINA EGRLIĆ

Hvala na pažnji

• Unutrašnji fotoefekat
• Unutrašnji fotoefekat (2)
• Slide 3
• Slide 4
• Osnovni mehanizmi apsorpcije
• Sopstvena (fundamentalna) apsorpcija
• Primjesna apsorpcija
• Akceptorsko-donorska apsorpcija
• Slide 9
• Fotoprovodnost
• Foto ems
• Slide 12
• Slide 13
• Fotootpori
• Slide 15
• Slide 16
• Spektralna osjetljivost
• Prag osjetljivosti
• Vrste šumova u fotootporima
• Toplotni šum
• Slide 21
• Bijeli šum
• Efekt sačme
• Slide 24
• Vrste fotootpora
• Selenski fotootpori
• Slide 27
• Fotoelementi
• Slide 29
• Hvala na pažnji

Fotoelementi

Predstavljaju elektronske komponente koje pri osvjetljavanju daju elektromotornu silu Ako se uključi u zatvoreno kolo sa omskim otporima i osvjetli kroz kolo će proticati struja iako se u kolu ne nalazi nikakav drugi izvor ems U tome je bitna razlika između fotootpora i fotoelemenata iako obje vrste komponenti rade na principu unutrašnjeg fotoefekta

Kod fotoelemenata je potrebno poznavati zavisnost ems od svjetlosnog fluksa (gornja slika) konstrukciju fotoelemenata (donja slika) spektralnu karakteristiku integralnu osjetljivost koeficijent korisnog dejstva itd

SUMEJA DOLJANČIĆEMINA EGRLIĆ

Hvala na pažnji

• Unutrašnji fotoefekat
• Unutrašnji fotoefekat (2)
• Slide 3
• Slide 4
• Osnovni mehanizmi apsorpcije
• Sopstvena (fundamentalna) apsorpcija
• Primjesna apsorpcija
• Akceptorsko-donorska apsorpcija
• Slide 9
• Fotoprovodnost
• Foto ems
• Slide 12
• Slide 13
• Fotootpori
• Slide 15
• Slide 16
• Spektralna osjetljivost
• Prag osjetljivosti
• Vrste šumova u fotootporima
• Toplotni šum
• Slide 21
• Bijeli šum
• Efekt sačme
• Slide 24
• Vrste fotootpora
• Selenski fotootpori
• Slide 27
• Fotoelementi
• Slide 29
• Hvala na pažnji

SUMEJA DOLJANČIĆEMINA EGRLIĆ

Hvala na pažnji

• Unutrašnji fotoefekat
• Unutrašnji fotoefekat (2)
• Slide 3
• Slide 4
• Osnovni mehanizmi apsorpcije
• Sopstvena (fundamentalna) apsorpcija
• Primjesna apsorpcija
• Akceptorsko-donorska apsorpcija
• Slide 9
• Fotoprovodnost
• Foto ems
• Slide 12
• Slide 13
• Fotootpori
• Slide 15
• Slide 16
• Spektralna osjetljivost
• Prag osjetljivosti
• Vrste šumova u fotootporima
• Toplotni šum
• Slide 21
• Bijeli šum
• Efekt sačme
• Slide 24
• Vrste fotootpora
• Selenski fotootpori
• Slide 27
• Fotoelementi
• Slide 29
• Hvala na pažnji