CC BY
10
ФИЗИКА И ЕЕ ПРЕПОДАВАНИЕ
УДК 53.087.35
Р. Г. Исмагилов*, Н. С. Пщелко**
Военная академия связи им. С. М. Будённого, Санкт-Петербург, Россия *Е-тай: ravismagilov@yandex.ru **Е-тай: nikolsp@mail.ru
ДАТЧИК ТЕПЛОВОГО ИЗЛУЧЕНИЯ НА ГЕРМАНИЕВОМ ДИОДЕ
Исследование направлено на создание и изучение физических основ работы быстродействующего датчика теплового излучения, пригодного для проведения демонстрационных экспериментов в учебных заведениях, а также для научных исследований. Показано, что существующие методы демонстрации теплового излучения, хотя и обладают наглядностью, но имеют недостатки, заключающиеся в необходимости иметь достаточно мощный источник тепла и в низком быстродействии приёмных устройств. Предложено в качестве чувствительного элемента датчика использовать германиевый диод Д9б в прозрачном корпусе, включённый в обратном направлении. Показано, что при непосредственном применении этого диода в качестве датчика относительное изменение его тока составляет не более 10%/К, а время реакции, связанное с нагревом и остыванием — десятки секунд, что не всегда приемлемо. Для улучшения этих показателей предложена схема на основе МДП-транзистора с индуцированным каналом, позволяющая измерять не абсолютное воздействие теплового излучения на датчик, а его разность по сравнению с фоновым влиянием, что многократно повышает относительное изменение показаний. Также экспериментально показано, что основным фактором, влияющим на обратный ток диода, является внутренний фотоэффект, вызываемый излучением, и воздействующий на p-n-переход. Поскольку эта скорость реакции многократно превышает скорость, связанную с нагревом корпуса диода, в результате изготовленный датчик продемонстрировал высокую чувствительность и быстродействие, делающие демонстрационные эксперименты наглядными и убедительными.
Ключевые слова: тепловое излучение, учебные эксперименты, датчик, германиевый диод, быстродействие, чувствительность, МДП-транзистор, внутренний фотоэффект.
Благодарности. Авторы выражают благодарности начальнику Военной академии связи С. В. Костареву за инициализацию проведения работы и профессорам С. Д. Ханину и В. Г. Соловьёву за ценные замечания, связанные с проведением и оформлением результатов исследований.
Для цитирования: ИсмагиловР. Г., Пщелко Н. С. Датчик теплового излучения на германиевом диоде // Вестник Псковского государственного университета. Серия: Естественные и физико-математические науки. 2022. Т. 15. № 1. С. 94-102.
R. G. Ismagilov*, N. S. Pshchelko**
S. M. Budyonny Military Academy of Telecommunications, St. Petersburg, Russia *E-mail: ravismagilov@yandex.ru **E-mail: nikolsp@mail.ru
THERMAL RADIATION SENSOR BASED ON A GERMANIUM DIODE
The study is aimed at creating and studying the physical foundations of operation of a high-speed thermal radiation sensor, suitable for making demonstration experiments in educational institutions, as well as for scientific research. It is shown that the existing methods for demonstrating thermal radiation, although they are visual, have disadvantages, which consist in the need to have a sufficiently powerful heat source and in the low speed of the receiving devices. It is proposed to use a transparent body germanium diode D9b in a reverse switching as a sensitive element of the sensor. It is shown that when this diode is directly used as a sensor, the relative change in its current is no more than 10%/K, and the reaction time associated with heating and cooling is tens of seconds, which is not always acceptable. To improve these indicators, a circuit based on a MOSFET with induced channels is proposed, which makes it possible to measure not the absolute effect of thermal radiation on the sensor, but its difference compared to the background effect, which greatly increases the relative change in instrument readings. It is also experimentally shown that the main factor affecting the reverse current of the diode is the internal photoelectric effect caused by radiation and affecting the p-n-junction. Since this reaction rate is many times higher than the rate associated with heating the body of the diode, as a result, the manufactured sensor demonstrated high sensitivity and speed, making demonstration experiments clear and convincing.
Keywords: thermal radiation, educational experiments, sensor, germanium diode, speed, sensitivity, MOSFET, internal photoelectric effect.
Acknowledgments. The authors are grateful to the Head of the Military Telecommunications Academy S. V. Kostarev for the initialization of the work and to professors S. D. Khanin and V. G. Solovyev for valuable comments related to the conduct and presentation of the research results.
For citation: Ismagilov R. G., Pshchelko N. S. (2022), Thermal radiation sensor based on a germanium diode, Vestnik Pskovskogo gosudarstvennogo universiteta. Seriya: Estestvennye i fiziko-matematicheskie nauki [Bulletin of the Pskov State University. Series "Natural and physical and mathematical sciences"], 2022, vol. 15, no. 1, pp. 94-102. (In Russ.).
Введение. Контроль температуры повсеместно используется в технологических процессах, научных исследованиях, медицине и других областях науки и техники. Это необходимо для выбора подходящих режимов работы и отслеживания изменения состояния той или иной системы. Чтобы избежать неприятных последствий и обеспечить возможность регулирования степени нагрева, используются датчики температуры. В ходе развития и совершенствования технологий датчик температуры как измерительное приспособление претерпел множественные изменения и модернизации. Благодаря этому сегодня они представлены в большом разнообразии, и их можно классифицировать по различным критериям. В зависимости от принципа действия все датчики можно подразделить на [1]:
- термоэлектрические;
- полупроводниковые;
- пирометрические;
- терморезистивные;
- акустические;
- пьезоэлектрические.
Одним из видов передачи тепла является тепловое излучение. «Тепловое излучение» — обязательная тема при изучении курса общей физики, которая позволяет проследить возникновение и подтверждение квантовых представлений на основе данных эксперимента. Эта тема также актуальна и для современной техники, поскольку именно тепловой фон часто ограничивает чувствительность датчиков (приёмников) от радио до ИК диапазонов.
В литературе и в интернете можно найти множество различных опытов, которые позволяют продемонстрировать наличие и свойства теплового излучения. Часто в этих опытах используются сферические зеркала для фокусировки излучения на каком-либо датчике. В качестве датчика может быть применён сосуд с водой, температура которой непосредственно измеряется термометром [11], металлический сосуд (с воздухом) и с зачернённой стенкой, подсоединенный к водному манометру [2; 4], различные сгорающие элементы (бумага, вата) [3; 11]. Конечно, все эти опыты отличаются наглядностью, порой очень эффектны, но они осложняются длительными переходными процессами, связанными с нагревом датчика (или объекта, играющего роль датчика), т. к. традиционно используются достаточно «медленные» датчики. Кроме того, следует отметить, что рассмотренные выше датчики требуют специальных материалов и оборудования, что не всегда приемлемо в условиях ВУЗа.
Поскольку наш эксперимент ставился в стенах Военной академии связи, то цель эксперимента состояла не только в демонстрации наличия теплового излучения, но и в демонстрации достаточно большой скорости передачи информации в ИК канале. По этой причине «медленный» датчик излучения нас не устраивает. Заметим, что мы сохраняем исторический облик эксперимента: используются «древние» латунные зеркала, а в качестве источника излучения — свеча (рис. 1).
Рис. 1. Схема эксперимента по наблюдению теплового излучения. Используются
«древние» латунные зеркала, а в качестве источника излучения — свеча
Целью исследования является разработка и исследование особенностей работы простого в изготовлении, но чувствительного и быстродействующего датчика теплового излучения.
Для достижения поставленной цели необходимо выбрать чувствительный элемент датчика, предложить и реализовать схемотехническую часть измерительного устройства, позволяющую фиксировать влияние теплового излучения, превышающего равновесный фон, выявить основные факторы, влияющие на качество работы устройства, и проверить работоспособность датчика на имеющемся макете.
Основным методом исследований стали эксперименты, направленные на выявление физических особенностей влияния теплового излучения на чувствительный элемент датчика и отработка электрической схемы датчика, позволяющей удовлетворить предъявляемым к нему требованиям. Отметим, что полученные в ходе исследований результаты могут быть использованы при разработке более совершенных датчиков, работающих на используемых в настоящей работе принципах.
Материалы исследования. Учитывая совокупность предъявляемых к датчику требований, в т. ч. возможность его изготовления и исследования в ВУЗе, в выборе чувствительного элемента датчика мы остановились на германиевом диоде Д9б в прозрачном корпусе, включённом в обратном направлении.
Как известно [5], ВАХ полупроводникового диода описывается выражением
1 = 18(е%- 1), (1)
где /з — ток насыщения, зависящий от свойств полупроводника и площади контакта «5:
= + (2)
При обратном смещении V» -3 В экспонентой в формуле (1) можно пренебречь, скобка по модулю фактически равна единице, и зависимость тока от температуры возникает, в первую очередь, за счёт изменения тока насыщения (2). При этом главными факторами являются концентрации неосновных носителей Пр ир„:
~ер ЩР1 —-
п„ = е кт
р Рр
где Eg — ширина запрещённой зоны. Отсюда легко получим, что относительное изменение тока следующим образом связано с изменением температуры:
Л1 I
лт
кТ
В случае германия Eg = 0,7 эВ и в окрестности комнатной температуры Т= 300 К получим
— = 0,093 • ЛТ.
I
То есть изменение температуры на 1 градус приводит к изменению тока примерно на 9 %.
Таким образом, первоначально в схеме эксперимента, показанной на рис. 1, излучение источника (свеча), помещённого в фокус вогнутого зеркала (диаметр зеркала 60 см, фокусное расстояние 23 см) после отражения от зеркала падает на такое же зеркало, в фокусе которого находится датчик (диод). Ток датчика выводится на индикатор (миллиамперметр).
Поскольку обратный ток диода слишком мал для срабатывания конечных приборов (демонстрационного миллиамперметра, источника звука и т. п.), то сигнал необходимо усилить, например, с помощью транзистора.
Однако на практике такой простой подход оказался неработоспособен — по ряду причин падающий тепловой поток был слишком мал. Кроме того, недостатком этой схемы оказался слишком большой темновой (фоновый) ток: падающее излучение вызывало изменение конечного тока не более, чем на 10 %, что, конечно, не годится для демонстрационного эксперимента.
В итоге мы пришли к схеме, основанной на использовании полевого МДП-транзистора Т с индуцированным каналом (рис. 2).
АО
Рис. 2. Электрическая схема датчика теплового излучения
В этой схеме рост тока диода D за счёт влияния теплового излучения приводит к росту потенциала затвора. Однако, транзистор остаётся полностью закрытым, пока напряжение на затворе не достигнет порогового значения, при котором в подзатворной области сформируется канал и транзистор откроется, в результате чего ток исток — сток резко возрастёт. Параметры схемы (номиналы резисторов R1, R2, величину напряжения питания и и марку транзистора) можно подобрать так, чтобы напряжение на затворе было практически равно пороговому, лишь на небольшую величину превышая его. В этом случае ток между истоком и стоком только начнёт появляться, что можно заметить по показаниям миллиамперметра — они станут немного отличны от нуля. «Поймать» данный режим не представляет труда, пользуясь подстроечным резистором R1 (рис. 2). Такой приём использования полевого транзистора с индуцированным каналом, а точнее — использование его порогового напряжения срабатывания — мы успешно использовали ранее в ряде наших работ [6-10; 12; 13]. Так, при разработке ёмкостного датчика [7; 9; 12] «отсечение» фонового сигнала позволило надёжно наблюдать совершенно незначительные по сравнению с фоновым значением изменения ёмкости, вызываемые внешними возмущениями. Именно эти успешные результаты и побудили нас использовать аналогичный подход при разработке рассматриваемого датчика теплового излучения.
В результате, даже при самом незначительном воздействии теплового излучения в наших экспериментах на выходе датчика (ток исток — сток) легко достигается сила тока порядка 10 мА, ограниченная лишь величиной резистора R3 в цепи стока, назначение которого — не допустить появления опасно большого тока и «вписать» его максимальное значение во всю шкалу миллиамперметра. Важно подчеркнуть, что в отсутствии теплового излучения показания миллиметра практически равны нулю, а при его воздействии — резко и быстро возрастают. Это делает демонстрацию данного эксперимента наглядной и убедительной. Очевидно, такой результат достигается за счёт того, что фактически датчик реагирует не на общее тепловое воздействие, в т. ч. за счёт окружающей температуры, а на изменения, вызываемые дополнительным тепловым источником.
Методика исследования. В процессе работы над демонстрационной установкой возник вопрос о причине роста концентрации носителей тока в диоде. Диод Д9б имеет прозрачный пластмассовый корпус, поэтому падающий свет доходит до поверхности полупроводника и может вызывать внутренний фотоэффект. Поскольку ширина запрещённой зоны германия мала (около 0,7 эВ), то для внутреннего фотоэффекта достаточно, чтобы длина волны была бы меньше 1,77 мкм. Понятно, что в большей или меньшей степени эти длины волн присутствуют в спектре излучения нагретых тел, и поэтому можно предположить, что диод на них может реагировать. При этом рассматриваемый фотоэффект приводит к очень быстрому изменению тока, тогда как скорость тепловых процессов зависит не сколько от массы кристалла, в котором сформирован р-п - переход диода, сколько от его окружения (корпуса и т. п.), которое нагревается под действием падающего излучения.
Для решения этого вопроса были исследована зависимость тока от времени при «выключении» освещения, создаваемого горящей свечой (свеча быстро накрывалась непрозрачным колпачком). Оказалось, что при «выключении» свето-теплового источника ток диода на первой стадии очень быстро, практически
мгновенно, уменьшается в разы (почти на порядок величины), а затем медленно, по экспоненциальному закону приближается к значению, соответствующему обратному току при имеющейся температуре окружающей среды (вторая стадия). Зависимость логарифма тока диода от времени показана на рис. 3.
Рис. 3. Экспериментальная зависимость тока от времени через обратно смещённый
диод после отключения освещения
Линейный характер зависимости на второй стадии говорит об экспоненциальном характере убывания тока. Вторая, медленная, стадия этого процесса, несомненно, связана с постепенным остыванием диода, а быстрое и значительное падение силы тока на первой стадии может быть объяснено только прекращением фотоэффекта — практически мгновенно диод остывать не может.
Отметим, что при правильной регулировке потенциометром R1 выходной ток датчика на первой стадии падает почти до нуля, поскольку полевой транзистор практически закрывается.
Результаты исследования. Непосредственное использование обратно смещённого диода в качестве датчика теплового излучения неэффективно, т. к. такой подход не позволяет добиться достаточной чувствительности и быстродействия. Использование диода в прозрачном корпусе позволяет получить высокое быстродействие сенсорного элемента, т. к. его реакция обусловлена не нагревом всего элемента в целом, и воздействием внутреннего фотоэффекта непосредственно на р-п-переход диода, резко увеличивающем его обратный ток. Для «отсечения» фонового значения обратного тока диода, связанного с температурным влиянием окружающей среды, целесообразно использовать в схеме обработки сигнала МДП-транзистор с индуцированным каналом.
Выводы. Проведённые исследования позволили изготовить сравнительно недорогой, чувствительный и быстродействующий датчик, позволяющий наглядно демонстрировать перенос тепла по механизму теплового излучения. Использование в схеме МДП-транзистора, управляемого потенциалом, а не током, позволило минимизировать энергопотребление схемы — фактически, потребление производится лишь при появлении тока в цепи стока, составляющего всего несколько миллиампер.
В ждущем режиме схема практически не потребляет электроэнергии. В совокупности с тем, что требуемые значения напряжения питания также невелики (несколько вольт), это позволило изготовить датчик с автономным питанием от миниатюрных батареек. С учётом указанного, представляется, что разработанное устройство может оказаться полезным не только для демонстрационных экспериментов, но и в научных исследованиях.
Литература
1. Датчики температуры. Типы, устройство, принцип работы. Схемы подключения. [Электронный ресурс]: URL: https://www.asutpp.ru/datchiki-temperatury.html.
2. Опыты по физике. Излучение темной и светлой поверхности. [Электронный ресурс] : URL: https://yandex.ru/video/preview/?text=опыты%20по%20теплово му%20излучению&path=wizard&parent-reqid=1641400008910767-174878945604 79633714-vla1-2578-vla-l7-balancer-8080-BAL-586&wiz_type=v4thumbs&filmId= 2490122837715872807.
3. Опыты по физике. Отражение инфракрасного излучения. [Электронный ресурс]: URL: https://yandex.ru/video/preview/?text=опыты+по+тепловому+излучению& path=wizard&parent-reqid=1641400008910767-17487894560479633714-vla1-2578-vla-l7-balancer-8080-BAL-
586&wizJype=v4thumbs&filmId=1874346233623242734&url=http%3A%2F%2Fw ww.youtube.com%2Fwatch%3Fv%3D4wYPEahz45E
4. Опыты по физике. Теплопередача излучением. [Электронный ресурс]: URL: https://www.youtube.com/watch?v=iv9VKIo7GIQ.
5. Пасынков В. В., Чиркин Л. К. Полупроводниковые приборы. М.: ЮРАЙТ Высшее образование, 2009. 463 с.
6. Пщелко Н. С., Буевич В. В. Использование электрического поля для получения и неразрушающего контроля емкостных сенсоров и активаторов // Записки Горного института. 2010. Т. 186. С. 253-256.
7. Пщелко Н. С., Моршель О. В., Кулманаков Д. С., Пщелко К. Н. Схемотехническая реализация планарного емкостного датчика // Research innovations 2020: Сборник статей II Международного научно-исследовательского конкурса (10 мая 2020 г.). Петрозаводск: МЦНП «Новая наука», 2020. С. 59-66.
8. Пщелко Н. С., Мустафаев А. С. Использование полевых транзисторов для контроля характеристик диэлектриков // Записки Горного института. 2010. Т. 187. С.125-131.
9. Пщелко Н. С., Рыченков Д. В., Никитин С. О., Пщелко К. Н. Физические основы работы планарного емкостного датчика // Лучшая научно-инновационная работа 2020: Сборник статей Международного научно-исследовательского конкурса (19 апреля 2020 г.). Петрозаводск: МЦНП «Новая наука», 2020. С. 159- 165.
10. Пщелко Н. С. Электрофизические методы неразрушающего контроля и формирования металлодиэлектрических структур. Диссертация на соискание учёной степени доктора технических наук / Санкт-Петербургский государственный горный университет. СПб., 2011. 372 с.
11. Тепловое излучение. [Электронный ресурс]: URL: https://yandex.ru/video/ preview/?text=опыты+по+тепловому+излучению&path=wizard&parent-reqid= 1641400008910767-17487894560479633714-vla1-2578-vla-l7-balancer-8080-BAL-586&wiz_type=v4thumbs&filmId=12219420229377229779&url=http%3A%2F%2F
vk.com%2Fvideo234079802_171787930
12. PavliukN., Cherskikh E., Pshchelko N., Shabanova A. Circuit Schematics of a Capacitive Proximity Sensor // 1st International Conference on Control Systems, Mathematical Modelling, Automation and Energy Efficiency (SUMMA 2019), November, 2022, Lipetsk state technical university. P. 486-490.
13. Saveliev A., Pshchelko N. and Krestovnikov K. Method of Sensitivity Calculation for Electrete Diaphragm Capacitive Sensors // 12th International Conference on Developments in eSystems Engineering (DeSE), Kazan, Russia, 2019. P. 721-725.
Об авторах
Пщелко Николай Сергеевич — доктор технических наук, профессор кафедры физики, Военная академия связи им. Маршала Советского Союза С. М. Будённого, Санкт-Петербург, Россия.
E-mail: nikolsp@mail.ru
Исмагилов Равиль Габбасович — кандидат физико-математических наук, доцент кафедры физики, Военная академия связи им. Маршала Советского Союза С. М. Будённого, Санкт-Петербург, Россия.
E-mail: ravismagilov@yandex.ru
About the authors
Prof. Nikolay Pshchelko, Department of Physics, S. M. Budyonny Military Academy of Telecommunications, St. Petersburg, Russia.
E-mail: nikolsp@mail.ru
Dr Ravil Ismagilov, Associate Professor, Department of Physics, S. M. Budyonny Military Academy of Telecommunications, St. Petersburg, Russia.
E-mail: ravismagilov@yandex.ru
Поступила в редакцию 12.12.2021 г.
Поступила после доработки 05.02.2022 г.
Статья принята к публикации 28.04.2022 г.
