1-maruza Tenzodatchiklar. Yarim o’tkazgichlarning elektrofizik parametrlariga deformasiyani ta’siri. Tenzorezistorlar p-n o’tish

5-maruza
Fotodiodlarni ish tavsiflari. Fototranzistorlar. Qyyosh batareyalar. Qyyosh nurlari. Ideal almashishni samaradorligi. p-n- o’tishli quyosh elementlari. Ularni parametrlariga harorat va radiasiyani ta’siri.

Fotoelektrik datchiklar avtomatik boshqarish tizimlarini eng ko‘p tarqalgan elementlar xisoblanadi. Ular detall o‘lchamlarini, maxsulot qalinligini, yuzalarga ishlov berish sifatini, rangini, ko‘rinishini, zichligini o‘lchaydigan qurilmalarda xamda eletr yoritish vositalarini avtomatik o‘chirish va yoqishda, xavodagi tutun miqdorini va suvni loyqaligini o‘lchovchi qurilmalarda, gaz analizatorlarida, maxsulot sifatini aniqlashda, xisoblash qurilmalarida xamda xilma-xil ximoya vositalarida qo‘llaniladi.

Fotoelektrik datchiklarda ko‘proq qabul qiluvchi organlar sifatida vakuumli fotoelementlar, fotorezistorlar, fotodiodlar, fototriodlar fototiristorlar va svetodiodlarda qo‘llaniladi. Bunday datchiklarda ularni ishchi yuzasiga tutashgan yorug‘lik oqimi asbobni elektr o‘tkazuvchanligini o‘zgarishiga olib keladi. Fotoelement – shunday qurilmaki, unda yorug‘lik energiyasi elektr energiyasiga aylantiriladi.
Qarshiligi yoritilganlikka bog‘lik bo‘lgan yarimo‘tkazgichli asbobga fotorezistor deyiladi. Ular sulfit yoki selenit kadmiy asosida yaratiladi.
Ularda yoritilganlik ortsa qarshilik kamayadi. Fotorezistorlarni tuzulishi (a), shartli belgilanishi (b, v), tavsifi (g), tokni turli kuchlanganlikda kuchlanishga bog‘liqligi (d) va ulanish sxemasi (ye) 20-rasmda ko‘rsatilgan.

1-rasm. Fotorezistor. 1-elektrodlar, 2-yarimo‘tkazgichli katlam, 3-dielektrik asos, Iyo – yorug‘lik toki, Ik- qorong‘ulik toki.

Fotorezistorlarda yorug‘lik ta’sirida elektronlar soni ko‘payib elektr o‘tkazuvchanlik ortadi. Yorug‘lik ta’sirida yarimo‘tkazgichni o‘tkazuvchanligini ortishiga ichki fotoeffekt deb ataladi. Fototok I_f yorug‘lik toki I_yo va qorong‘ulik toki I_k ayirmasiga teng, ya’ni I_f=I_yo-I_k .

Fotodiod yarimo‘tkazgichli yorug‘lik energiyasini qabul qiluvchi qurilma xisoblanadi va unda yorug‘lik ta’sirida elektr zaryadlarini tartibli xarakati sodir bo‘ladi. Fotodiodni ishlashi yorug‘lik ta’sirida P-n o‘tishdagi teskari tokni o‘sishiga asoslangan. Fotodiodga manbaa kerak emas, chunki o‘zi tok generatori xisoblanadi va u tok E ga proporsional. p-n o‘tish yuzasi katta bo‘lgan va maxsus yorug‘lik energiyasidan elektr energiyasi olish uchun mo‘ljallangan fotodiodga quyosh batareyalari deyiladi.
Fotodiodlar yasashda kremniy, germeniy, selenlardan foydalaniladi. Quyosh elementlari koinot kemalarida elektr energiyasi manbai sifatida ishlatiladi.
Fotodiod tuzilishi va ulanishi 2-rasmda ko‘rsatilgan.

2-rasm. Fotodiodni tuzilishi va ulanish sxemasi.

Fototriodlar (fototranzistorlar) nurlanish energiyasi ta’sirida fototokni kuchaytirish xususiyatiga ega. Uni fotodioddan afzalligi shundaki, uni ishini yorug‘lik oqimi bilangina emas balki, bir vaqtda elektr signali orqali ham boshqarish mumkin.

Fototranzistorlarda p-n o‘tish – kolektor – baza fotodiodni anglatadi.
Fototranzistorni tuzilishi va ulanish sxemasi 3-rasmda keltirilgan.

3ғ
3-rasm. Fototranzistorning ulanish sxemasi va tuzilishi. a) tuzilishi, b) ulanish sxemasi, v) shartli belgilanishi.

Yorug‘lik ta’siri asosida elektron va teshiklar xosil bo‘ladi. Teshiklar asosning noasosiy tashuvchilari bo‘ladi va manbaaning elektr maydoni ta’sirida kollektorli o‘tishdan o‘tib, foton I_f ni xosil qiladi.

Elektronlar esa potensialli to‘siq kuchlanishini kamaytirib, teshiklarga emitterdan asosga o‘tish imkoniyatini yengillashtiradi. Bu esa fototokni kupaytiradi. Fototranzistorlar fototelegrafda, fototelefonda va xisoblash texnikasida keng qo‘llaniladi.



4-rasm. Fototranzistorni manbaaga ulanishi.

Fototiristor yoruglik bilan boshqariladigan R-n-P-n o‘tishli 4 qatlamli yarim o‘tkazgichli asbobdir. Uch va undan ortiq R-n o‘tishga ega bo‘lgan nurlanishni fotogolvanik qabul qiluvchi asbobga fototiristor deyiladi.

Yorulik va boshqaruvchi tok yo‘qligida fototiristor yopiq bo‘ladi va undan qorong‘ulik toki o‘tadi. Yorug‘lik ta’sirida fototiristor qatlamlarida elektrik teshikli juftlar xosil bo‘ladi. Fototiristorning ulanish sxemasi va tavsifi 5-rasmda keltirilgan.

5-rasm. Fototiristorning ulanishi va tavsiflari. a) ulanishi, b) yoruglik tavsifi, v) volt-amper tavsifi, g) boshkaruv tavsifi.

Fototiristorning tanasi oddiy tiristorning tanasiga o‘xshaydi. Tanasining bir tomoniga yoruglik o‘tadigan darcha qilinadi. Darcha maxsus ximoya oynasi bilan berkitiladi.

Quyosh energetikasi.Quyosh fotoenergetikasi deganda fizikada fundamental qonunlardan biri, ichki fotoeffekt qonuni asosida quyosh yorug‘lik nurlanish energiyasi elektr yokiissiqlik energiyasiga (isitish tizimi, issiq suv va hakozo) aylantirib berish sohasi tushuniladi. Bunda quyosh yorug‘lik nurlnishini yaxshi yutadigan materiallardan (asosan kremniy xom ashyo materiali hisoblanadi) turli xildagi va mexanizmdagi fotoo‘zgartkichlar yoki fotoaylantirgichlar, fotoelementlar hosil qilinadi. (tayyorlanadi). Quyosh optik nurlanish energiyasi o‘rtacha Yer sharida 1 m² yuzaga 1370 joul energiya tushishi aniqlangan. Bundan ko‘rinadiki, kelajakda insoniyat turmush tarzida quyosh energiyasidan foydalanishni yanada takomillashtirish, yangi zamonaviy konstruksiyalarni yaratish va barcha sohalarda energiya manbai sifatida foydalanishni keng joriy etish tabora rivojlanib borishi kutilmoqda. Quyosh optik nurlanish energiyasini elektr energiyasiga aylantirishda quyosh fotoelementlari yoki ulardan tashkil topgan quyosh panellari (quyosh batareyalari) va ular asosidagi quyosh fotoelektrik sistemalaridan foydalaniladi (1-rasm).

1-rasm. Quyosh fotoelektrik qurilmasi va iste’molchilar.(1–fotoelektrik modul(quyosh paneli);2- invertor bilan zaryadlanishni nazorat qiluvchi qurilma; 3- akkumulyatorlar batareyasi; 4-iste’molchilar.

Nazariy hisob-kitoblarga ko‘ra, quyosh energiyasidan dunyo bo‘yicha foydalanish 2030 yilga borib dunyoda ishlab chiqrilayotgan elektr va issiqlik energiya manbalarining 30-35 % ini tashkil etadi deb baholanmoqda. Quyosh fotoelektrik qurilmalar (quyosh panellari) asosini quyosh batareyasi tashkil etib, u akkumulyatorlar batareyasini quyoshdan kelayotgan yorug‘lik fotonlari energiyasi hisobiga zaryadlab beradi. Quyosh batareyalari (panellari) hozirgi paytda 16-17 % li monokristall yoki polikristall kremniy asosidagi quyosh elementlaridan tayyorlanmoqda. Kelajakda ishlab chiqariladigan quyosh elementlari samaradorligini, xususan kremniy asosidagi quyosh elementlari samaradorligini yanada oshirish ustida tinimsiz butun dunyoda ilmiy tadqiqodlar, izlanishlar olib borilmoqda.

2-rasm. Yarimo‘tkazgichli quyosh elementlarida p-n o‘tish hosil bo‘lishi.

Rasmdan ko‘rinib turibdiki, quyosh elementlari hosil bo‘lish fizik jarayonlari juda sodda va tushunarli ko‘rinishda tasvirlangan. Bu tushunchalarni yaxshi o‘zlashtirgan o‘quvchi quyosh energetikasielementlari, ular fizikaning qaysi qonuniyatlari asosida ishlashini bilib olishi o‘quvchida unchalik qiyinchilik tug‘dirmaydi. Bundan tashqari o‘quvchi ushbu jarayonlar to‘g‘risida bilim hamda ko‘nikmalarga ega bo‘ladi.

Fotoelement yorug‘lik energiyasini bevosita elektr energiyasiga o‘zgartirib beradi va ulardan radiozanjirlarni tag‘minlash uchun E.Yu.K. manbai sifatida foydalaniladi. Ularning ishlash prinsipi r va n sohali yarim o‘tkazgichlarni yorug‘lik oqimi bilan yoritilganda sohalar orasida foto EYuKni yuzaga keltiruvchi fizik hodisalarga asoslangan. Selenli va kremniyli fotoelementlarning tuzilishi 8.1-rasmda ko‘rsa­tilgan. Selenli fotoelementni tayyorlash uchun metall plastinkaga vakuumda termik bug‘latish usuli bilan yupqa selen qatlami r (R­-Se) hosil qilinadi va 200°S harakatgacha qizdiriladi. So‘ngra selen qatlami ustiga yupqa kadmiy (Cd), galliy (Ga) yoki indiy (In) pardasi sochiladi. Bundan keyingi termik ishlovlar natijasida Se kristall yuzida n o‘tkazuvchanlikka ega bo‘lgan yupqa (50 mkm atrofida) selen qatlami hosil bo‘ladi. Hosil bo‘lgan selen va r-Se chegarasida elektron teshikli n-r o‘tish yuzaga keladi.
Hozir ko‘p tarqalgan kremniyli fotoelementlarning asosi bo‘lib, n turli, 1 mm qalinlikdagi kremniy (Si) plastinkasi olinadi. Uning yuzasiga diffuziya yo‘li bilan bor (V) yoki aluminiy (A1) 0,4...1 mkm qalinlikda r-Si yupqa qatlam hosil qilinadi. n va Si qatlamlarning birlashish chegarasida n-r o‘tish yuzaga keladi. Kontaktlar vakuumda titan sochib hosil qiladi va yupqa kumush parda bilan muhofaza qilib qo‘yiladi. Changlatib sochilgan metallning o‘ta yupqa pardasi yarim shaffofdir. Plastinkaning orqa tomonida chuqurcha o‘yilib, unda n Si plastinkasiga birlashtirilgan kontakt joylashtiriladi.

1-rasm. Fotoelementlar: a) selenli, b) kremniyli (1–kontakt halqa, 2–yarim shaffof metall qatlami, 3–n-r o‘tish , 4–metall, 5–yassi kontakt, 6–r-ye qatlam,

7–n-ye qatlam, 8–r-ye qatlam, 9–n-e qatlam).

Foto EYuK ning yuzaga kelish mexanizmi quyidagicha: o‘ta sezgir yarim o‘tkazgich materialning n–r sohalarida yorug‘lik ta’siri natijasida, kristall n–r o‘tishi atrofida elektr maydon hosil qiluvchi elektron-teshik jufti yuzaga keladi. Bu juftlar issiqlik harakatida ishtirok etib, turli yo‘nalishlarda, shu jumladan, n–r o‘tish yo‘nalishida ham harakatlanadi. Elektron n zonadan r zonaga potensiallar to‘sig‘i yuzaga kelganligi tufayli o‘ta olmaydi. Teshik esa, kontakt elektr maydon hosil qilgan to‘siqdan osongina o‘tadi. Aksincha, r zonadagi elektronlar potensial to‘siqdan oson o‘tadi, teshiklar esa o‘ta olmaydi. Shunday qilib, n–r o‘tish yorug‘lik ta’sirida unga diffuziyalanayotgan tok tashuvchilarni ajratadi. Bu ajratish jarayoni elektr muvozanati o‘rnatilmagunga qadar davom etadi, ya’ni n zonadagi elektronlar va r zonadagi teshiklarning ortiqcha miqdori kristall ichida, kontakt yuzadagi maydonga qarshi yo‘nalishda elektr maydon hosil qilmaguncha davom etaveradi. Zaryad tashuvchilarni ajratish jarayoni natijasida yuqorigi kontakt manfiy va pastki kontakt musbat zaryadlanib, potensiallar farqi yoki foto EYuK hosil bo‘ladi. Fotoelementning VAT va yorug‘lik harakteristikalari 2- rasmda berilgan.

2-rasm. Yarim o‘tkazgichli fotoelemetning yorug‘lik (a) va volt-amper (b) tavsifi.

Fotoelementlarning asosiy parametrlari: integral sezgirlik S_i=f(I_fF)S (uning qiymati 700 mkA/lm dan ortmaydi). Foto EYuK Ye_f/e (uning miqdori 0,6 V atrofida bo‘ladi): sezgirlikning chegaraviy chastotasi f_cheg (qiymati bir necha yuz Gs dan ortmaydi); FIK, kremniyli quyosh batareyalarning foydali ish koeffitsienti 13 .... 19% atrofida bo‘ladi.