Реферат: Физические основы работы лазерного принтера

KLAIPĖDOSUNIVERSITETAS

GAMTOS IR MATEMATIKŲ MOKSLŲ  FAKULTETAS

FIZIKOS KATEDRA

Referatas

Lazeriniai spausdintuvai

(Лазерныепринтеры)

Parengė: II kurso, If-1 gr. studentė

LIDIJA BELČIKOVA

Klaipėda,2003

Содержание:

 

I     История печатающих  средств[1]

      История развития лазерных принтеров[1]

 

II   Физический принцип работы лазерного принтера[1] [2][4]

      Формированиеизображения [1]

       Принцип действия [1][4]

       Цветная печать [1] [2]

       Основныехарактеристики лазерных принтеров [1]  

 

III  Физические процессы  [1]  [2][3]

       Технологияизготовления фоторецепторов [2][3]

       Процесс ксерографии[2] [7]

       Виды коротронов [2]

       Формированиеизображения [2]

       Проявление [2]

       Перенос [2]

       Отделение [2]

       Закрепление [2]

       Очистка [2]

       Фотобарабан [1]

        Лазер [3][6]  

 

IVИтоги

 

     Список источниковлитературы

 

     Приложение №1

     Теорияполупроводников [3][5]

     Фотоэлектрический эффект [3][6]

       

/> 

Часть I

История развития [1]

Из истории печатающих устройств

История печати неразрывно связана с развитиемписьменности и языка, литературы,искусства, науки и техники. Давным-давно, когда ещё не было печатающих устройств, все документы,книги и т. п. воспроизводились вручную. Для отображения информациииспользовались камень, дерево, бронза, папирус и другие носители. Древнейшие египетские папирусы относятся к XXV веку до н. э. В Египетской Александрийской библиотеке хранилось огромное число рукописей,написанных на папирусе. Первые греческие,римские и египетские книги, написанные в IX веке до н. э., имели форму свитка. В древнем Риме производствокниг приобрело ком­мерческийхарактер: книги переписывались специально обученными рабами.

В средние века в Европе переписыванием книг занимались монахи. Пере­писчиков обучали каллиграфии и умениюукрашать книгу маленькими рисунками.Создание книги требовало большого труда и искусства. Писец сидел, склонившись над листом, игусиным пером старательно выводил строчку застрочкой заказанной ему книги. За день самый усидчивый и опытный писец мог переписать не более 10—15страниц.

Огромноезначение имело изобретение бумаги в Китае во II веке н. э. Однако в Европе вплоть до XII века в качестве материала для письмаис­пользовался пергамент,изготавливаемый из кожи животного. В VIIвеке в Европе дажепоявился указ, согласно которому все документы должны были исполняться только на пергаменте.

Своим рождением печатающие устройства обязаны изобретению в Китае в
начале XI века подвижных литер, которыеизготавливались из глины и
дерева. После того как вXIV веке в Корее были изготовленыметаллические
подвижные литеры,книгопечатание получило широкое распространение.

Истинный переворот в книгопечатании произвел Иоганн Гутенберг,кото­рый изобрел ручнойсловолитный прибор — аппарат для отливки слов и печатный станок (около 1445 г.). Этот станок (рис. 1.1)в течение несколь­кихвеков являлся в Европе единственным печатным аппаратом.

/>

                                                  Pис. 1.1

                                          Печатный станок Гутенберга

Только в XVIII веке был построен металлический пресс сусовершенство­ванным механизмом для прижима бумаги к форме, а в 1863 г. У. Буллоном (США) быласконструирована первая ротационнаяпечатная машина, печа­тающаяна «бесконечной» ленте. Спустя три года его соотечественником К. Шеллсом собрана первая пишущаямашинка, получившая название «ремингтон». В России перваяоригинальная полиграфическая машинка была предложена в 1870 г. М.И. Алисовым (рис. 1.2, а).А в 1889 г. Вагнер (США) сконструировал печатающую машинку с открытымшрифтом, т. е. при печатина такой машинке был виден набираемый текст (рис. 1.2, б). Эта машинка и явилась прототипомбольшинства современных электрических пишущих машинок.

/> /> /> /> /> /> <td/> /> />  

 

Рис.1.2.Пишущая машинкаАлисова (а) и одна из первых пишущих машинок открытого типа (6)

Первые модели принтеров фактически явились модернизацией электриче­ских пишущих машинок. Дополненныепортами ввода, дешифраторами цифрового кода, например, ASCII и устройствами электромагниного управ ления для каждой клавиши, принтеры на базе пишущихмашинок оказались весьмаудобными (для своего времени) устройствами и в 60-х и 70-х годах получили достаточно широкоераспространение. Принтер поддерживал единственный стандартный шрифт, «намертво»отштампованный на литерах рычажноготипа, а редкие модели, использующие сменные поворотные головки, например, типа«ромашка» (рис. 1.3) зачастую для смены шрифта требовали выполненияряда сложных операций. Основным неудобством была «одноязычность» принтера.

/>

Рис. 1.3

Принцип работы принтера типа «ромашка»: 1 — бумага; 2 — электромагнит; 3 — молоточек;

4 — лепестковая головка(«ромашка»);

5 — красящая лента

Однако уже в те годы принтер превосходил по скорости печати и неуто­мимости любую квалифицированнуюмашинистку.

Потребительские свойства принтера удалось резко повыситьс возникнове­ниемигольчатых (матричных) устройств. В этих печатающих устройствах символы для печати формируются в видематрицы точек, которые наносятся на бумагу кончиками стержней, ударяющими по красящей ленте. Игольча­тые принтеры, в отличие от своихпредшественников, поддерживали разно­образные шрифты и алфавиты. С ноября 1982 г. фирма IBM приступила к выпуску игольчатых принтеров,обеспечивающих воспроизведение точечных графических изображений.

Появление игольчатых принтеров было крупным шагом в развитии печа­тающих устройств. Однако недостатки,присущие игольчатым принтерам (высокий шум, низкое качест­во и монохромность изображения и др.), вынуждалифирмы-изготовители искать новые методы печати компьютерной информации. Поэтому велись разработки по созданию новых технологийпечати.

Были сконструированы термические принтеры, механизм печати которых похож на механизм игольчатых принтеров,однако в качестве печатной головкив них используется матрица нагревательных элементов и специаль­ная бумага, пропитаннаятермочувствительным красителем. Достоинством этих принтеров является низкий уровень шума при работе,компактность, надежностьи отсутствие большинства заправляемых материалов. К сожале­нию, принтеры, использующиетехнологию термопереноса, не получили широкого распространения. Скорость печатии качество оставались низкой, а бумага — дорогостоящей.

Более удачной оказалась разработка технологии струйной печати. За 15 летразрешающая способность струйных принтеров возросла почти в 20 раз

В начале 80-хгодов появились первые лазерные принтеры. Среди совре­менной компьютерной периферии едва ли найдется устройство, вобравшее в себя больше технологических достижений, нежелилазерный принтер. Сво­им названием эти принтеры обязаны входящему в ихсостав маленькому лазеру (мощностью не более нескольких сот милливатт). Лазер,дающий очень узкий направленный пучок монохромного излучения, используется кактончайшее перо, которым на фотобарабане рисуется заданное изобра­жение.

Краткаяистория развития лазерного принтера [1]

Толчком ксозданию первых лазерных принтеров послужило появление новой технологии, разработанной фирмой Canon. Специалистами этой фирмы, специализирующейся на разработке копировальнойтехники, был созданмеханизм печати LBP-CX. Фирма Hewlett-Packard в сотрудничестве с Canon приступила к разработкеконтроллеров, обеспечивающих совмести­мость механизма печати скомпьютерными системами PC и UNIX. Принтер HPLaserJetвпервые былпредставлен в начале 1980-х годов. Первоначально конкурируя с лепестковыми и матричными принтерами,лазерный принтер быстро завоевал популярность во всем мире. Другиекомпании-разработчики копировальной техники вскоре последовали примеру фирмы Canon и приступили к исследованиям вобласти создания лазерных принте­ров. Toshiba, Ricoh и некоторые другие, менее известные компании, тоже были вовлечены в этот процесс. Однако успехи фирмы Canon в областисоздания высокоскоростных механизмов печатии сотрудничество с Hewlett-Packard позволили им добиться поставленнойцели. В результате на рынке лазерных принтеров модель LaserJetвплоть до 1987-88 годов занимала до­минирующее положение. Следующей вехой в истории развития лазерного принтераявилось исполь­зованиемеханизмов печати с большей разрешающей способностью под управлением контроллеров,обеспечивающих высокую степень совместимо­сти устройств.

Другим важным событием явилось появление цветныхлазерных принтеров. Фирмы XEROX и Hewlett-Packard (далее сокращенно называемая HP) пред­ставили новое поколение принтеров, которыеиспользовали язык описания страницPostScript Level 2, поддерживающий цветное представление изобра­жения и позволяющий повысить какпроизводительность печати, так и точность цветопередачи. Язык принтера PCL 6 также поддерживает расши­ренные цветовые возможностипредставления изображений для принтеров серии HPColorLaserJet.

Часть II

Принцип действия [1][2] [4]

Формированиеизображения [1]

Лазерные принтеры формируют изображение путемпозиционирования точекна бумаге (растровый метод). Первоначально страница формируется в памяти принтера и лишь затемпередается в механизм печати. Растровое представление символов и графических образовпроизводится под управле­ниемконтроллера принтера. Каждый образ формируется путем соответст­вующего расположения точек в ячейкахсетки или матрицы, как на шахмат­ной доске (рис. 2.1).

Растровая технология в значительной степени отличается от векторной, используемой в перьевыхграфопостроителях. При использовании векторной технологии изображение формируется путем построения линийиз одной точки в другую.

/>

Рис. 2.1

Растровый метод формирования образа

Принципдействия [1] [4]

Лазерные принтеры, получившие наибольшее распространение,используют технологиюфотокопирования, называемую еще электрофотографической, которая заключается в точномпозиционировании точки на странице по­средством изменения электрического заряда на специальнойпленке из фотопроводяшего полупроводника. Подобная технология печати применя­ется в ксероксах. Принтеры фирм HP и QMS, например, используют меха­низм печати ксероксов фирмы Canon.

Важнейшим конструктивным элементом лазерного принтераявляется вращающийсяфотобарабан, с помощью которого производится перенос изо­бражения на бумагу.Фотобарабан представляет собой металлический ци­линдр, покрытый тонкой пленкойиз фотопроводящего полупроводника (обычно оксид цинка). По поверхности барабана равномерно распределяет­ся статический заряд. С помощью тонкойпроволоки или сетки, называемой коронирующим проводом. На этот провод подается высокое напряжение, вызывающее возникновение вокруг негосветящейся ионизированной облас­ти, называемой короной.

Отклоняющее

/>Лазер, управляемый микроконтроллером,генерирует тонкий световой луч, отражающийся от вращающегося зеркала. Этот луч, попадая на фотобарабан, засвечивает на нем элементарныеплощадки (точки), и в результате фотоэлектрическогоэффекта в этих точках изменяется электрический заряд.

Отклоняющее зеркало

Рис. 2.2

Функциональная схема лазерного принтера

эффекта вэтих точках изменяется электрический заряд. Для некоторых типов принтеров потенциал поверхностибарабана уменьша­ется от-900 до -200 В. Таким образом, на фотобарабане возникает копия изображения в виде потенциальногорельефа.

На следующем рабочем шаге с помощью другого барабана, называемого девелопером (developer), на фотобарабан наносится тонер —мельчайшая красящая пыль.Под действием статического заряда мелкие частицы тонера легко притягиваются к поверхностибарабана в точках, подвергшихся экспо­зиции, и формируют на нем изображение (рис. 2.3).

/>

Рис. 2.3. Созданиекопии изображения на фотобарабане

/>Лист бумаги из подающего лотка спомощью системы валиков перемещает­ся к барабану. Затем листу сообщаетсястатический заряд, противополож­ный по знаку заряду засвеченных точек набарабане. При соприкосновении бумаги с барабаном частички тонера с барабанапереносятся (притягива­ются) на бумагу.

Рис. 2.4. Обобщеннаясхема работы лазерного принтера

Для фиксации тонера на бумаге листу вновь сообщается заряд и он пропус­кается между двумя роликами,нагревающими его до температуры около 180°—200°С(если вы хоть раз ставили пирог со сладкой начинкой в духовку, то знаете, как тяжело разделитьпропеченные компоненты). После собст­венно процесса печати барабан полностью разряжается,очищается от при­липшихчастиц тонера и готов для нового цикла печати. Описанная после­довательность действий происходиточень быстро и обеспечивает высокое качество печати.

В светодиодном принтере для засвечивания барабана вместо лазерноголуча, управляемого спомощью системы зеркал, используется неподвижная свето­диодная строка (линейка), состоящая из2500 светодиодов, которой форми­руется некаждая точка изображения, а целая строка (рис. 2.5). На этом принципе, например, работают лазерные принтерыфирмы OKI.

/>

Рис. 2.5

Формированиеизображения с помощью LED-технологии

Цветнаяпечать [1] [2]

При печати на цветном лазерномпринтере используются две технологии.

Всоответствии с первой, широко используемой до недавнего времени, на фотобарабане

/> <td/> />
последовательно для каждогоотдельного цвета (Cyan, Magenta, Yellow, Black)формировалось соответствующее изображение, и лист печа­тался за четыре прохода,что, естественно,

Рис. 2.6 Универсальная тестовая таблица

сказывалось наскорости и каче­ствепечати. В современныхмоделях (например, HPColorLaserJet5) в результате четырех последовательных прогонов нафотобарабан наносится тонер каждого из четырех цветов. Затем присоприкосновении бумаги с барабаном на нее переносятся все четыре краскиодновременно, образуя нужные сочетания цветовна отпечатке. В результате достигается более ровная передача цвето­выхоттенков, почти такая же, как при печати на цветных принтерах с тер­мопереносом красителя.

Соответственно в цветных лазерных принтерах используются четыре ёмко­сти для тонеров. Принтеры этого класса оборудованы большимобъемом памяти, процессором и, как правило,собственным винчестером. На винчестере содержатся разнообразные шрифты испеци­альные программы, которые управляютработой, контролируют состояние и оптимизируют производительностьпринтера. Цветные лазерные принтеры имеютдовольно крупные габариты и большую массу.

Технологияпроцесса цветной лазерной печати весьма сложна, поэтому и цены на цветные лазерные принтеры еще оченьвысоки.

Основныехарактеристики лазерных принтеров [1]

Лазерныйпринтер является сложным оптико-механическим устройством, которое, независимо от конструктивногоисполнения, характеризуется боль­шим количеством различных параметров. Спотреби­тельской точки зрения все параметры можно разбить на группы, опреде­ляющие:

качество печати; скорость печати; удобство в эксплуатации; экономичность работы; дополнительные возможности.Часть III

Физические процессы [1] [2] [3]

В основе работы,как копировального аппарата, так и лазерного принтера лежит процесс сухойксерографии[1](лат. xeros — сухой и graphos — писать). В свою очередь он базируется наэлектростатической фотографии.

В основеэлектростатической фотографии лежит способность некоторых полупроводниковуменьшать свое удельное сопротивление под действием света. Такие полупроводникиназываются фотопроводниками и используются для изготовления фоторецепторов.

Основные характеристики фотопроводников перечислены ниже:

1.    Спектральнаячувствительность — характеризует способность фотопроводника реагировать наизлучение различных длин волн. Ни один фотопроводник не может одинаковореагировать на различные длины волн. Некоторые типы фоторецепторов слабо реагируютна голубой цвет, который вообще не воспроизводится на копии, некоторые слабореагируют на желтый цвет. В идеале фотопроводник должен одинаково хорошопередавать все цвета, однако обычно этого не происходит.

2.    Фотоэлектрическаячувствительность (скорость формирования изображения) — это величина,характеризующая скорость уменьшения заряда на фоторецепторе при освещении егосветом заданной интенсивности. Чем меньше остаточная величина заряда нафоторецепторе после егоэкспонирования, тем выше качество копии. Эта величина может зависеть отматериала, срока эксплуатации и состояния проводника.

3.    Скоростьтемновой утечки — величина, характеризующая, как быстро фотопроводник теряетзаряд в темноте. Это связано с тем, что полупроводник, из которого изготовлен фоторецептор,хотя и приобретает в темноте свойства диэлектрика, но все же не может хранитьзаряд так долго, как это могут делать диэлектрики.

4.    Усталостьматериала — это явление, возникающее при многократном и частом экспонированиифоторецептора. Усталость материала может возникать и при засветке солнечнымсветом (пользователь вытащил картридж и оставил его на солнце барабаном вверх).Усталость материала приводит кувеличениюскорости темновой утечки заряда, а в некоторых случаях наоборот ксохранению заряда на поверхности после экспонирования.

5.    Устойчивостьк внешним воздействиям — эта характеристика определяет способностьфотопроводника сохранять свои свойства как можно дольше при механическомконтакте с бумагой. Бумага, при правильном использовании аппарата, являетсянаиболее важным фактором естественного износа фоторецептора. Поэтомушероховатая бумага, неправильно обрезанная и т.д. сокращает срок службыфоторецептора. Хотя сама бумага практически не контактирует с фоторецептором,однако жесткие волокна бумаги могут попадать под ракельный нож. Кроме того,срок его службы сокращают различные химические вещества, которые могут попастьна него с бумаги или с другого источника, а также механические повреждения.

6.    Кристаллизация- процесс преобразования атомов фотопроводника из аморфной структуры вупорядоченную, кристаллическую. При этом фотопроводник теряет свои свойства.Такой процесс нельзя остановить, но можно замедлить при правильном обращении спроводником.

7.    Начальныйпотенциал — это потенциал на поверхности фоторецептора, при которомнакапливаемый заряд равен заряду, утекающему в подложку. Обычно фоторецепторзаряжают до потенциала ниже начального, чтобы избежать его повреждения.

8.    Остаточныйпотенциал — потенциал, который остается на освещенных участках фоторецепторапосле экспонирования. При экспонировании фоторецептор быстро теряет заряд доопределенной величины, затем скорость утекания заряда значительно снижается.Высокий остаточный потенциал способствует притягиванию частиц тонера наосвещенные участки, что приводит к фону на копии.

Эти характеристики фотопроводника тщательноанализируются при выборе его в качестве фоторецептора для копировальногоаппарата либо принтера.

ТЕХНОЛОГИЯ ИЗГОТОВЛЕНИЯ ФОТОРЕЦЕПТОРОВ [2] [3]

Фоторецепторыобычно наносятся на алюминиевый полый цилиндр. В качестве фоторецептора служиллибо селен и его соединения, либо органические соединения (подложка).

Органическийфоторецептор двухслойный. Первый слой — слой, в котором осуществляется переносзаряда, под ним — слой в котором генерируется заряд. За ним идет тонкий слойоксидной пленки, который предотвращает утекание заряда в подложку. Подложка — последний алюминиевый слой.

Селеновыйфоторецептор состоит из «ловушечного слоя», представляющего собойестественную оксидную пленку. Этот слой уменьшает скорость темновой утечкизаряда. За ним идет фотопроводящий слой, алюминиевая оксидная пленка иподложка.

Существует двавида фоторецепторов: ленточные и цилиндрические. Первые обычно используются ваппаратах с очень высокой скоростью, поскольку позволяют обеспечивать болеевысокую скорость экспонирования.  

ПРОЦЕССКСЕРОГРАФИИ [2] [7]

/>

Рис.3.1 процесс ксерографииЗарядка[2]

Зарядкафоторецептора — это процесс нанесения равномерного заряда определенной величинына поверхность фоторецептора. Зарядка производится коротроном. Существуетнесколько их видов, которые мы рассмотрим ниже.

Для зарядки накоротрон подается высокий потенциал с помощью высоковольтного блока. Междукоротроном и фоторецептором образуется разность потенциалов в несколькокиловольт, что приводит к ударной ионизации воздуха (коронный разряд) и ионынакапливаются на поверхности фоторецептора. Часть электронов с заземленнойподложки стекает на землю, при этом в материале подложки, вблизи границы сфотопроводником возникает избыточный заряд, противоположный заряду наповерхности фоторецептора. Экран коротрона заземляют, чтобы разностьпотенциалов между фоторецептором и коронной проволокой не уменьшалась,поскольку эта разность должна превышать пороговое напряжение короны (напряжение,ниже которого не возникает коронный разряд).

Виды коротронов [2]

Обычныйкоротрон представляет собой тонкую проволоку из устойчивого к окислениюматериала, натянутую на металлическом экране. При загрязнении или окислениипроволоки происходит ухудшение качества копии. При загрязнении экрана возможнопроскакивание искры между экраном и коротроном, что приводит к необратимомувыгоранию фоторецептора.

Скоротрон — зарядное устройство, позволяющее получить более равномерный заряд поверхностифоторецептора. В нем кроме проволоки используется сетка, на которую такжеподается напряжение.

Дикоротрон — позволяет еще более точно регулировать величину заряда. Он состоит из двухактивных элементов: коронода и экрана. На коронод подается переменноенапряжение порядка 5-6 кВ, а на экран — постоянное 1-3 кВ. При этомположительные ионы перемещаются от коронода к экрану, а отрицательные — кфоторецептору.

Коротронслужит источником характерного запаха озона, исходящего от копировальногоаппарата во время работы. Следует отметить, что при использовании хорошихфильтров и их своевременной замене запах не ощущается. В настоящее времяфирмы-произвотели переходят на безозоновую технологию.

Формирование изображения  [2]

После зарядкина фоторецептор подается изображение, которое в копировальных аппаратахосвещается мощным источником света и проецируется через систему зеркал. Дляувеличения и уменьшения изображения служит объектив с изменяемым фокуснымрасстоянием. Скорость барабана должна быть согласована. Изображение со стеклаэкспонирования освещается лампой и через систему зеркал проецируется нафоторецептор. Те места на фоторецепторе, на которые падает свет, теряют свойпотенциал. Таким образом, на фоторецепторе остается рисунок оригинала в видезаряженных участков.

Экспонирование [2]

На этапеэкспонирования на поверхности фоторецептора получается скрытоеэлектростатическое изображение. Рассмотрим этот процесс более подробно.

До началаэкспонирования поверхностный заряд фоторецептора удерживается на месте за счетвзаимодействия с зарядом противоположного знака, находящегося на границезаземленной подложки и фоторецептора.

До попаданиясвета на фотопроводящий слой количество свободных носителей зарядов в нем мало,а удельное сопротивление — велико. Фактически электроны в фотопроводнике послезарядки смещаются из равновесного положения, но они еще находятся в своихмолекулах. Такое смещение положительных и отрицательных зарядов в молекуленазывается поляризацией.

Рассмотримупрощенную модель процесса, который происходит при освещении фоторецептора.Будем считать, что фоторецептор заряжен положительным зарядом.

При попаданиисвета на фотопроводник в нем происходит генерация свободных носителей заряда.Электрон той молекулы, которая расположена ближе к поверхности слояперемещается по направлению к положительном иону на поверхности. Этоперемещение нейтрализует часть положительных ионов на поверхности. В то жевремя молекула в верхнем слое остается положительно заряженной. Отсутствиеэлектронов в молекуле называют «дыркой». Тип проводимости, прикотором основными носителем заряда являются дырки, называют дырочной. Придырочной проводимости происходит перемещение электронов из одного атома всоседний. Результатом этого является перемещение положительных зарядов — дырок- в направлении, противоположном движению электронов.

Послепопадания света на фоторецептор электростатическое поле на поверхностифотопроводника изменяется. Оно действует уже не между зарядом на поверхностифоторецептора и подложкой, а межу «верхней» молекулой и подложкой.

Электроны,находящиеся снизу от «верхней» молекулы, немедленно реагируют наположительный заряд и начинают перемещаться к «верхней» молекуле,чтобы нейтрализовать часть возникшего заряда. Миграция электронов приводит ктому, что положительный заряд от «верхней» молекулы переходит кмолекуле из следующего, «второго» слоя молекул фотопроводника.

При этомэлектростатическое поле возникает между молекулой «второго» слоя иподложкой. Дырка соответственно перемещается от «верхней» молекулы кмолекуле из «второго» слоя. Процесс повторяется до тех пор, покадырка не перейдет к молекуле фотопроводника, ближайшего к подложке. В этомслучае электроны перемещаются от подложки к фотопроводнику, чтобынейтрализовать положительный заряд.

Проявление [1]

Проявление — этопроцесс формирования изображения на фоторецепторе тонером.

Тонерпредставляет собой мелкодисперсный порошок, частицы которого состоят изполимера или резины и красящего вещества (для черного тонера обычноиспользуется сажа).

Возможны дваварианта проявления — однокомпонентное и двухкомпонентное. Рассмотрим вначаледвухкомпонентный способ.

Двухкомпонентныйспособ используется только в случае отрицательной зарядки фоторецептора.

Тонер из бункерачерез специальное дозирующее устройство подается в бункер с носителем. Носитель(девелопер) представляет собой частицы магнитного материала, покрытогополимером.

Прилипание тонерак носителю происходит за счет трибоэлектризации (электризации трением). Впроцессе трения частицы тонера и носителя приобретают различные заряды и тонерравномерно покрывает носитель.

Носитель в своюочередь прилипает к магнитному валу, который представляет собой полый вал спостоянными магнитами внутри. Вал, покрытый носителем с тонером входит внепосредственный контакт с фоторецептором, в результате чего частицы тонера,имеющие заряд, противоположный заряду фоторецептора притягиваются к егозаряженным участкам.

Чистый носитель состатками тонера вновь попадает в бункер. Носитель вновь смешивается с тонероми попадает на магнитный вал. Сам носитель не расходуется в процессе проявки.Однако в результате трения носитель теряет полимерный слой, что приводит к егонеспособности притягивать тонер. Кроме того, такой носитель может вызыватьмеханическое повреждение фоторецептора.

Для того, чтобытонер не переносился на слабозаряженные участки фоторецептора на магнитный валподается напряжение смещения порядка 100-500 В, знак которого совпадает сознаком заряда на фоторецепторе. За счет этого сила притяжения тонера к валуувеличивается, и тонер не переносится на слабозаряженные участки. Регулируявеличину напряжения смещения можно регулировать насыщенность копии, напримердля создания хорошей копии с плохого оригинала. Современные аппараты обычносами достаточно хорошо регулируют качество копии, практически не требуявмешательства оператора.

Однокомпонентноепроявление обычно используется в аппаратах малого класса и лазерных принтерах.В этом случае требуется тонер другого состава. Естественно такой тонер стоитдороже. Однокомпонентное проявление не предусматривает наличия носителя. В этомслучае тонер изготавливается из смести частиц магнитного материала, полимера икрасителя.

Из бункера тонерпопадает на магнитный вал. Над валом, на выходе из бункера располагаетсязаряжающее лезвие (ракель), которое выполняет две функции:

1.    Регулируетколичество тонера на валу

2.    Заряжаетчастицы тонера

Трение частицтонера о лезвие приводит к зарядке тонера знаком, противоположным знаку зарядафоторецептора.

Перенос тонера свала на фоторецептор осуществляется с помощью напряжения смещения,прикладываемого к магнитному валу. В данном случае напряжение смещенияпредставляет собой переменное напряжение с постоянной составляющей, которая познаку соответствует знаку заряда фоторецептора. Во время периода, со знаком,противоположным знаку заряда фоторецептора тонер переносится на фоторецептор,во время периода, со знаком, соответствующим знаку заряда фоторецептора тонер сфоновых участков возвращается на магнитный вал.

Регулировкакачества копий происходит за счет изменения постоянной составляющей.

Следует заметить,что в двухкомпонентной системе проявления гораздо сложнее достичь равномернойзаливки черным цветом. Это связано с тем, что носитель не успевает принятьдостаточно тонера. Эта проблема решается использованием двух или трех валов,вращающихся в разные стороны. Однако такая конструкция увеличивает стоимостьаппарата.

/>/>

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Рис.3.2фотографии тонера, значительно увеличенные.

Перенос[2]

 

Процесспереноса — процесс, при котором тонер переносится на бумагу.

Бумагапроходит между коротроном переноса и фоторецептором, на котором находитсятонерный рисунок. Коротрон переноса сообщает бумаге заряд, соответствующийзаряду фоторецептора. В подложке фоторецептора существует заряд, по знаку противоположныйзаряду бумаги. За счет этого бумага притягивается к фоторецептору.

Для того чтобытонер переносился на бумагу, сила притяжения между ней и тонером должна бытьбольше чем сила притяжения между тонером и фоторецептором. Не весь тонерпереносится на бумагу. Поэтому его остатки удаляются в процессе очисткифоторецептора.

Для улучшениякачества изображения и уменьшения расхода тонера в некоторых аппаратахосуществляется предварительный перенос, в процессе которого ослабляется зарядфоторецептора. Для этого либо фоторецептор предварительно освещается, либо накоротрон переноса подается переменное напряжение.

Отделение  [2]

Отделениебумаги от фоторецептора осуществляется как механическим, так и электрическимспособом.

В первомслучае используются либо пальцы отделения, находящиеся в непосредственнойблизости к фоторецептору, либо отделяющие ремешки, устанавливаемые с одногокрая фоторецептора. Кромка бумаги скользит по ремешку и затем легко отделяетсяот фоторецептора.

Во второмслучае используется коротрон отделения, обычно использующийся совместно смеханическими средствами. Для отделения бумаги от фоторецептора на коротронотделения подается переменное напряжение. Он генерирует положительные иотрицательный ионы. Часть из них ослабляют силу притяжения бумаги кфоторецептору, а часть — обеспечивают прилипание тонера к бумаге.

Закрепление [2]

После переносакопия уже практически готова. Но изображение, полученное на бумаге может бытьстерто практическим любым механическим воздействием (например, легким трением).Естественно такая копия не пригодна для практического использования. Дляувеличения сцепления тонера с бумагой используется механизм закрепления.

Существуетнесколько способов закрепления. Наиболее распространенный — этотермомеханический способ, при котором копия подвергается нагреву имеханическому прижиму.

Механизмзакрепления носит название фьюзер (печка). Механизм состоит из нагреваемоготефлонового вала, с кварцевой лампой внутри, и резинового прижимного вала.Иногда вместо тефлонового вала устанавливается специальный керамическийтермоэлемент, который отделяется от бумаги термопленкой. Такие копиры имеютменьший срок прогрева и меньшее энергопотребление, однако и ходит термопленказначительно меньшее количество копий и повредить ее значительно легче принеправильном извлечении бумаги.

В частиаппаратов предусмотрена смазка нагреваемого вала силиконовой смазкой. Этопозволяет избежать прилипания тонера к валику. Кроме того, может использоватьсяспециальное полотенце, для удаления остатков тонера или другой грязи, прилипшейк валу. Для отделения бумаги от вала применяются пальцы отделения.

Очистка[2]

Очистка — этопроцесс удаления остатков тонера с фоторецептора после переноса на бумагу.

Непосредственноперед очисткой может использоваться предочистка с помощью засветкифоторецептора или коротрона предочистки, который генерирует положительные иотрицательные ионы.

Оставшиесячастицы тонера удаляются с помощью ракельного ножа, находящегося внепосредственном контакте с фоторецептором. Ракель изготавливается и точнопозиционируется относительно фоторецептора, для того, чтобы не повредить его.Отработанный тонер попадает в бункер отработки. Повторное его использование нерекомендуется, поскольку тонер слипается и загрязняется.

Возможноетакже удаление тонера мягкой щеткой, внутри которой устанавливается системавакуумной откачки.

Последний этапочистки — это удаление остаточного заряда, которое осуществляется с помощьюлибо источника света, либо коротрона, знак напряжения которого противоположензнаку заряда фоторецептора.

/>

Рис.3.3  Общаясхема процесса копированияю 

Принципдействия лазерного принтера несколько отличается от принципов работыкопировального аппарата. Источником света здесь служит лазер, который уменьшаетпотенциал в определенных участках фоторецептора. При этом фоновые участкифоторецептора остаются заряженными. Тонер заряжается противоположным зарядом.При контакте тонер притягивается подложкой в участки с низким потенциалом,пробитые лазером.

Лазернаязасветка осуществляется следующим способом: Лазерная пушка светит на зеркало,которое вращается с высокой скоростью. Отраженный луч через систему зеркал ипризму попадает на барабан и за счет поворота зеркала выбивает заряды по всейдлине барабана. Затем происходит поворот барабана на один шаг (этот шагизмеряется в долях дюйма и именно он определяет разрешение принтера повертикали) и вычерчивается новая линия. В некоторых принтерах кроме поворотабарабана используется поворот зеркала по вертикали, которое позволяет на одномшаге поворота барабана вычертить два ряда точек. В частности первые принтеры сразрешением 1200 dpi использовали именно этот принцип.

Скоростьвращения зеркала очень высока. Она составляет порядка 7-15 тыс. об./мин. Длятого, чтобы увеличить скорость печати не увеличивая скорость зеркала еговыполняют в виде многогранной призмы.

/>

Рис.3.4

Лучи черногои красного цвета соответствуют различным положениям зеркала. В момент А зеркалоповернуто под одним углом (красное положение зеркала). В следующий моментвремени, соответствующий частоте лазера зеркало поворачивается и занимаетчерное положение. Отраженный луч попадает уже в другую точку фоторецептора.Естественно в реальности существуют еще дополнительные зеркала, призмы исветоводы отвечающие за фокусировку и изменение направления луча.

/>

Рис.3.5  Лазерная технологияпечати (Laser —  лазер  Light Beam — лазерный луч Polygon Mirror — отражающаяпризма Focusing Lens — фокусировочная линза Mirror — зеркало Toner — тонер RotatingDrum — фоторецептор)

Лазерныепринтеры кроме механической части включают в себя достаточно серьезнуюэлектронику. В частности на принтерах устанавливается память большого объема,для того, чтобы не загружать компьютер и хранить задания в памяти. На частипринтеров устанавливаются винчестеры. Электронная начинка принтера такжесодержит различные языки описания данных (Adobe PostScript, PCL и т. д.). Этиязыки опять же предназначены для того, чтобы забрать часть работы у компьютераи передать принтеру.

Рассмотримфизический принцип действия отдельных компонентов лазерного принтера.

ФОТОБАРАБАН [1]

Как ужеписалось выше, важнейшим конструктивным элементом лазерного принтераявляется вра­щающийсяфотобарабан, с помощью которого производится перенос изображения на бумагу.Фотобарабан представляет собой металлический ци­линдр, покрытый тонкой пленкойиз фотопроводящего полупроводника (обычно оксид цинка). По поверхности барабана равномерно распределяет­ся статический заряд. С помощью тонкойпроволоки или сетки, называемой коронирующим[2] проводом. О теорииполупроводников можно прочитать п приложении № 1.

ЛАЗЕР [3] [6]

 

Лазер[3]квантовыйгенератор, источник мощного оптического излучения. Излучение избыточнойэнергии возбужденных атомов вынуждается внешним воздействием.

Лазер отличаетсяот обычных источников света (например, лампы с вольфрамовой нитью) двумяважными свойствами излучения. Во-первых, оно когерентно, т.е. пики и провалывсех его волн появляются согласованно, и эта согласованность остаетсянеизменной в течение достаточно длительного времени. Все обычные источникисвета эмиттируют некогерентное излучение, в котором нет согласованности междупиками и провалами различных волн. В некогерентном процессе световые волныизлучаются независимо друг от друга, энергия излучаемого пучка рассеивается попространству и быстро убывает по мере удаления от источника. При когерентномизлучении волны испускаются не хаотично и могут усиливать друг друга. Лучилазерного пучка почти параллельны между собой, поэтому он расходитсянезначительно даже на больших расстояниях от излучателя. Так, лазерный пучокдиаметром 30 см направили на Луну, и он образовал на ее поверхности световоепятно диаметром всего 3 км (до Луны около 386 000 км; на таком расстоянии светот обычного источника дал бы пятно диаметром 402 000 км). Вторая особенностьлазерного излучения – монохроматичность, т.е. одноцветность; это значит, что отконкретного лазера исходят волны одной и той же длины. В свете почти всехсуществующих источников обычно присутствуют все длины волн видимого спектра исоответственно все цвета, поэтому такой свет нам кажется белым. Лишь немногиетрадиционные источники (например, лампы низкого давления, наполненныеразреженными парами натрия) светят почти монохроматично, но их излучениенекогерентно и малоинтенсивно.

Чтобы создатьлазер – источник когерентного света необходимо:

1)   рабочее вещество с инверсной населенностью. Только тогда можно получитьусиление света за счет вынужденных переходов.

2)   рабочее вещество следует поместить между зеркалами, которые осуществляютобратную связь.

3)   усиление, даваемое рабочим веществом, а значит, число возбужденныхатомов или молекул в рабочем веществе должно быть больше порогового значения,зависящего от коэффициента отражения полупрозрачного зеркала.

Принцип действия. Свет– особая форма движущейся материи. Он соткан из отдельных сгустков, именуемыхквантами. Атомы любого вещества, излучая (или поглощая) свет, испускают (илизахватывают) только цельные кванты; в таких процессах (если нет каких-то особыхусловий) атомы не взаимодействуют с долями квантов. Длина волны (стало быть,цвет) излучения определяется энергией его кванта. Атомы, одинаковые по своейприроде, излучают или поглощают кванты лишь конкретной длины волны. Этонаглядно проявляется в свечении газоразрядных ламп с однородным наполнением(например, неоном), которые используются в декоративной иллюминации и рекламе.Когда атом излучает квант света, он расходует энергию; поглощая квант света,атом приобретает дополнительную энергию. Поскольку энергия переносится к атомуи от него порционно, то и сам атом может пребывать лишь в одном из дискретныхэнергетических состояний – либо в основном (с минимальной энергией), либо вкаком-то из возбужденных. Атом, находящийся в основном состоянии, припоглощении кванта света переходит в возбужденноесостояние; при излучении кванта света все происходит наоборот. Чем большеквантов вблизи атомов, тем больше и тех атомов, которые совершают подобныепереходы – с повышением или понижениемэнергии. (Свет своим присутствием вынуждает атомы участвовать в энергетических переходах, поэтому такие процессыназывают вынужденными – вынужденное поглощение и вынужденное излучение.) Привынужденном поглощении число квантов уменьшается и интенсивность света убывает,а энергия атомов возрастает. Если некоторое множество атомов, попав восвещение, вынужденно излучает суммарно больше, чем вынужденно поглощает, товозникает лазерный эффект – усиление света вынужденным излучением (данногомножества атомов). Лазерная генерация может возникнуть только в том множествемикрочастиц, где возбужденных атомов больше, чем невозбужденных. Следовательно,такое множество надо заранее подготовить, т.е. предварительно накачать в негодополнительную энергию, черпая ее от какого-либо внешнего источника; этаоперация так и называется – накачка. Типы лазеров различаются в основном повидам накачки. Накачкой могут служить: электромагнитное излучение с длинойволны, отличающейся от лазерной; электрический ток; пучок релятивистских(чрезвычайно быстрых) электронов; электрический разряд; химическая реакция впригодной для генерации среде. Рис. 3.6 и 3.7 поясняют действие рубиновоголазера. Посеребренные торцы цилиндрического стержня из искусственного рубинаслужат зеркалами (рис. 3.6).

/>Рис. 3.6. РУБИНОВЫЙ ЛАЗЕР – усовершенствованная схемаконструкции Т.Меймана (1960). Основные его элементы – цилиндрический рубиновыйстержень с плоскими посеребренными торцами, кожух охлаждения (его не было вустройстве Меймана) и газоразрядная лампа накачки. 1 – посеребренный торецстержня (глухое зеркало); 2 – рубиновый стержень; 3 – охлаждающая жидкость; 4 –газоразрядная лампа накачки; 5 – кожух (трубка) охлаждения; 6 – слабопосеребренный торец стержня (полупрозрачное зеркало).

Одно из нихпокрыто менее плотным слоем серебра, поэтому оно полупрозрачно и через негоизлучается лазерный свет. Рубин – кристалл, состоящий из окиси алюминия спримесями окиси хрома. Атомы алюминия и кислорода не играют определяющей роли влазерной генерации; главные энергетические переходы реализуются в хроме. Привозбуждении атомы хрома переходят из основного состояния на один из двухуровней возбуждения, обозначенных F1 и F2 (рис. 3.7).

Рис.3.7. ДЕЙСТВИЕ ЛАЗЕРА начинается с возбуждения атомов хрома и их переходов наэнергетические уровни F1 и F2. Затем каждый возбужденный атом спонтанно(самопроизвольно, т.е. невынужденно) излучает квант (нелазерного излучения) и,потеряв часть своей энергии, переходит на метастабильный уровень E. Далее, подвоздействием вынуждающего кванта с лазерной длиной волны (такие кванты есть визлучении лампы накачки) атом излучает еще один такой же квант, согласованныйпо фазе с вынуждающим, и переходит на свой основной энергетический уровень./>

Они довольно широки, и атомыхрома возбуждаются многими длинами волн света накачки. Однако вследствиенестабильности они мгновенно покидают уровни F и переходят на более низкийуровень E; при этих переходах излучения не происходит, а высвобождаемая энергияпередается кристаллической решетке окиси алюминия, где и рассеивается в форметепловых потерь. Однако с уровня E атом хрома излучает вынужденно и переходитвследствие этого на основной уровень. Кванты, эмиттированные атомами хрома,многократно отражаются между посеребренными зеркалами рубинового стержня и попути вынуждают многие возбужденные атомы испускать такие же кванты; процесснарастает лавинообразно и заканчивается импульсом лазерного света.Полупрозрачное зеркало должно хорошо отражать лазерное излучение, чтобыобеспечить необходимую интенсивность его вынуждающей доли, но одновременно ипобольше пропускать его на выход; обычно его коэффициент отражения – ок. 80%.При самопроизвольном излучении атом хрома пребывает на возбужденном уровне E неболее 10-7 с, а при вынужденном – в 10 тысяч раз дольше (10-3 с). Поэтому улазерного света достаточно времени, чтобы вызвать вынужденное излучениеогромного числа возбужденных атомов активной среды.

Лазерноеизлучение реализовано во многих активных средах – твердых телах, жидкостях игазах/>

Типы лазеров:

—  твердотельные лазеры с оптической накачкой;

—  газовые лазеры;

—  химические лазеры;

—  полупроводниковые лазеры;

—  лазеры на красителях.

В лазерномпринтере используется полупроводниковый лазер.

Полупроводниковые лазеры. Если черезполупроводниковую структуру типа транзисторной пропускать электрический ток, томожно добиться лазерного эффекта. Габариты и выходная мощностьполупроводниковых лазеров малы, но их КПД высок. Такие лазеры делают в основномна арсениде или алюмоарсениде галлия; применяют их главным образом в системах связи.

Подвоздействием света (в лазерных принтерах источником высокочастотногокогерентного излучения является лазер) освещенныеучастки слоя полупроводника на фотобарабане уменьшают электропроводность и разность потенциалов между внешней ивнутренней поверхностями слоя также уменьшается. На неосвещенных участках слояуменьшение зарядов не происходит. Известно, что количество стекающего зарядапропорционально падающему свету. Таким образом, при экспонировании на слоеполупроводника образуется скрытое электростатическое изображение.

IVчасть

Итоги

В настоящее время лазерныепринтеры постепенно превращаются из дорогих аппаратов, доступных толькодостаточно крупным и средним фирмам в аппараты для высококачественной ивысокоскоростной печати дома и в малом офисе.

Преимуществами цифровой печатиявляются:

1.         Более высокое качество печати.

2.         Низкий расход тонера.

3.         Возможность использования цифрового аппарата в качестве копира ипринтера одновременно, в некоторых моделях можно также пользоваться им каксканнером.

4.         Более точная передача оттенков и полутонов.

Достоинства печати:

·          высокая скорость печати (от 4 до 40 и выше страниц в минуту)

·          скорость печати не зависит от разрешения

·          высокое качество печати (400 dpi лазерного цветного принтерасравнима с 1400 dpi струйного)

·          низкая себестоимость копии (на втором месте после матричныхпринтеров)

·          бесшумность

Недостатки:

·          высокая цена аппарата

·          высокое потребление электроэнергии

·          очень высокая цена цветных аппаратов

Список литературы:

—   «Лазерные принтеры. Взгляд на принтеризнутри. Технология лазерной печати» О. Колесниченко, М. Шарыгин, И. Шишигин,«BHV – Санкт – Петербург», Санкт – Петербург 1997 г.

—   www.ixbt.com

—   www.krugosvet.ru

—   www.pctechguide.com/

—   «Физика 10» Г.Я. Мякишев, Б.Б.Буховцев, «Просвещение», Москва 1990 г.

—   www.referat.ru

—  http://microlux.bsolution.net/

Приложение № 1.

ТЕОРИЯ ПОЛУПРОВОДНИКОВ  [3] [5]

 

Действиеэлектронных ламп основано на управлении током электронов, идущих отнагреваемого электрода (катода) к собирающему электроду (аноду). Катоднагревается отдельным нагревательным элементом. Для работы такого устройстватребуется значительное количество электроэнергии.

Вполупроводниках не нужно подводить энергию к нагревателю, чтобы получитьсвободные электроны, а собирающие электроды могут работать при весьма низкихнапряжениях.

Сопротивлениеполупроводников можно контролируемо изменять. Это осуществляется путемлегирования полупроводника другими химическими элементами. Более того, выбираятот или иной материал для легирования, можно задавать нужный вид носителейэлектрического заряда (положительные или отрицательные). Поясним эту мысль.

Всехимические элементы, встречающиеся в природе, можно расположить впоследовательный ряд по числу положительных зарядов, начиная с водорода,имеющего один положительный заряд в ядре атома (заряд одного протона), и кончаяураном с 92 протонами. Положительный заряд ядра компенсируется оболочками окружающихего электронов. Электроны внутренних оболочек довольно прочно связаны с ядром.Электроны же наружной оболочки связаны слабее; в качестве валентных электроновони могут участвовать в химических процессах, а в качестве электроновпроводимости – переносить электрический заряд (электрический ток в металлахесть поток электронов). В таких металлах, как медь, электроны внешних оболочекпрактически свободны и под влиянием очень слабого электрического поля способныпереносить колоссальные токи. Внешние электроны в диэлектриках связаны прочно,поэтому диэлектрики практически не проводят электричества. Полупроводники – этопромежуточный случай. Согласно фундаментальному постулату физики, называемомууравнением Больцмана, число N частиц с энергией дается формулой

/>,

где A – константа, характеризующаяматериал, k – постоянная Больцмана               (8,6Ч10–5 эВ/К), а T –абсолютная температура в кельвинах (К). Отсюда видно, что чем прочнее связь иниже температура, тем меньше освобождается электронов. Если в кремний, которыйчетырехвалентен, ввести фосфор, сурьму или мышьяк, каждый атом которых имеет,пять валентных электронов, то один электрон легирующей примеси будет лишним.Этот избыточный электрон связан слабо и легко может действовать как электронпроводимости. Если же в кремний ввести бор, галлий или алюминий, каждый атомкоторых имеет три валентных электрона, то для образования всех связей будетнедоставать одного электрона. В этом случае перенос тока определяетсяэлектронными вакансиями, или «дырками». На самом деле электроны под влияниемэлектрического поля перескакивают от одной вакантной связи к другой, что можнорассматривать как перемещение дырок в противоположном направлении.Электрический ток при этом направлен так же, как и в случае электронов, но повеличине он меньше (у электронных «дырок» противоположный знак заряда и меньшаяподвижность). В соответствии с законом np = N 2 можно произвольно изменятьчисло электронов n или дырок p в единице объема полупроводника, задавая нужноечисло избыточных доноров или акцепторов электронов. Полупроводники, в которыхэлектронов больше, чем дырок, называются полупроводниками n-типа, аполупроводники, в которых больше дырок, – полупроводниками p-типа. Те носители,которых больше, называются основными носителями, а которых меньше –неосновными. Граница, отделяющая в кристалле область p-типа от области n-типа,называется p-n-переходом.

Типичный представитель полупроводников:

/>

Рис. 1. ЭЛЕКТРОННЫЕ ОБОЛОЧКИ атома кремния, типичногополупроводникового материала. В образовании химических связей и в процессепроводимости могут участвовать только четыре электрона внешней оболочки (темныекружки), называемые валентными электронами. Десять внутренних электронов(светлые кружки) в таких процессах не принимают участия.

Рис. 2.

Полупроводник n — типа

/>

Рис. 3.

 Полупроводникр — типа

/>

         

Полупроводникив основном используются не в чистом виде, а как система.

p-n-переход.

 В соединенных вместе кусочках полупроводников nи p-типа ближайшие к границе электроны будут переходить из n-области вp-область, а ближайшие дырки – навстречу им, из p-области в n-область. Сампереход будет образован из положительно заряженных доноров, потерявших своиэлектроны, на n-стороне, и из отрицательно заряженных

/>

Рис. 4. p-n-переход.

акцепторов, потерявших свои дырки, на p-стороне.При этом переход уподобляется заряженному конденсатору, на обкладках которогоесть некоторое напряжение. Перетекание электронов и дырок через переходпрекращается, как только заряженные ионы создадут на нем напряжение, равное ипротивоположное контактному потенциалу (напряжению), обусловленному различиемзнака избыточного заряда в полупроводнике. Если на переход податьсоответствующее внешнее напряжение, то ионизуются (теряют свои электроны идырки) дополнительные доноры и акцепторы, причем в таком количестве, чтопереход только-только поддерживает приложенное напряжение.

Ценностьперехода в том, что он позволяет управлять потоком электронов или дырок, т.е.током. Возьмем типичный случай, когда p-сторона сильно легирована, а n-стороналегирована значительно слабее. Если на переход подать такое напряжение, прикотором p-сторона положительна, а n-сторона отрицательна, то внешнее напряжениескомпенсирует внутреннее, т. е. понизит внутренний барьер перехода и тем самымсделает возможным перетекание больших количеств основных носителей (дырок)через барьер. Так, подавая небольшое напряжение в «прямом» направлении, можноуправлять большими токами. Если изменить знак внешнего напряжения на обратный(так, чтобы p-сторона была отрицательна, а n-сторона – положительна), то оноеще больше повысит внутренний барьер и полностью перекроет поток основныхносителей. (Правда, небольшому количеству неосновных носителей будет легчеперетекать через барьер.) Если постепенно повышать «обратное» напряжение, то вконце концов произойдет электрический пробой, и переход может оказатьсяповрежденным из-за перегрева. Фактическое пробивное напряжение зависит от видаи степени легирования слабо легированной стороны перехода. В устройствах разнойконструкции пробивное напряжение может изменяться от 1 до 15 000 В.

Таким образом,одиночный p-n-переход может служить выпрямителем, пропускающим ток в одномнаправлении и не пропускающим в противоположном. В прямом направлении возможныочень большие токи при напряжении менее 1 В; в обратном же направлении принапряжениях ниже пробивного возможны лишь токи порядка пикоампера (10–12А).Мощные выпрямители могут работать при токах порядка 5000 А, тогда как вустройствах для управления сигнальными токами токи обычно не превышаютнескольких миллиампер.

Пример использования p-n-перехода – транзистор.

/> Рис. 5. ТРАНЗИСТОР С p-n-ПЕРЕХОДОМ типа npn. Показаныэмиттер, коллектор и база. Толщина p-слоя си

льно увеличена. Транзисторы такого типа применяются в качестве усилителей.

 

ФОТОЭЛЕКТРИЧЕСКИЙЭФФЕКТ [3] [6]

Явлениеиспускания электронов веществом под действием света. Было открыто в 1887Г.Герцем, обнаружившим, что искровой разряд в воздушном промежутке легчевозникает при наличии поблизости другого искрового разряда. Герцэкспериментально показал, что это связано с ультрафиолетовым излучением второгоразряда. В 1889 Дж.Томсон и Ф.Ленард установили, что при освещении поверхностиметалла в откачанном сосуде она испускает электроны. Продолжая этиисследования, Ленард продемонстрировал в 1902, что число электронов, вылетающихв 1 с с поверхности металла, пропорционально интенсивности света, тогда как ихэнергия зависит лишь от световой длины волны, т.е. цвета. Оба эти фактапротиворечили выводам теории Максвелла о механизме испускания и поглощениясвета. Согласно этой теории, интенсивность света служит мерой его энергии и,конечно, должна влиять на энергию испускаемых электронов В 1905 А.Эйнштейн,основываясь на более ранней работе М.Планка, посвященной тепловому излучению,выдвинул гипотезу, согласно которой поведение света в определенных отношенияхсходно с поведением облака частиц, энергия каждой из которых пропорциональначастоте света. Позднее эти частицы были названы фотонами. Их энергия (квантэнергии, согласно Планку и Эйнштейну) дается формулой Е = hn, где h –универсальная постоянная, впервые введенная Планком и названная его именем, а n– частота света. Эта гипотеза хорошо объясняет результаты опытов Ленарда: есликаждый фотон в результате столкновения выбивает один электрон, то болееинтенсивному свету данной частоты соответствует большее число фотонов и такойсвет будет выбивать больше электронов; однако энергия каждого их них остаетсяпрежней.

Эйнштейн высказалпредположение, что электроны, выходя с поверхности металла, теряют определеннуюэнергию W, называемую работой выхода. Кроме того, большинство электроновпередает часть своей энергии окружающим электронам. Таким образом, максимальнаяэнергия фотоэлектрона, выбиваемого фотоном данной частоты, описываетсявыражением Емакс = hn – W, где W – величина, зависящая отприроды металла и состояния его поверхности. Этот закон получил надежноеэкспериментальное подтверждение, особенно в опытах Р.Милликена в 1916. Заработы в области фотоэффекта Эйнштейну была присуждена Нобелевская премия пофизике за 1922.

При определенныхусловиях фотоэффект возможен в газах и атомных ядрах, из которых фотоны сдостаточно высокой энергией могут выбивать протоны и рождать мезоны.Фотоэлектрические свойства поверхности металла широко используются дляуправления электрическим током посредством светового пучка, при воспроизведениизвука со звуковой дорожки кинопленки, а также в многочисленных приборахконтроля, счета и сортировки. Фотоэлементы находят применение также всветотехнике.

При облучении полупроводников светом в них можно возбудитьпроводимость. Фототок с энергией h/> большей или равной ширинезапрещенной зоны />Wo переводитэлектроны из валентной зоны в зону проводимости. Образующаяся при этом параэлектрон-дырка является свободной и участвует в создании проводимости. Нарисунке показана схема образования фотоносителей в собственном, донорном иакцепторном полупроводниках. Таким образом, если h/></>Wo — для собственныхполупроводников, h/></>Wп — для примесныхполупроводников, то появляются добавочные носители тока и проводимостьповышается. Эта добавочная проводимость называется фотопроводимостью. Основнаяпроводимость, обусловленная тепловым возбуждением носителей тока называется темновой проводимостью.Из приведенных формул можно определить минимальную частоту />о илимаксимальную длину волны />о, при которой светвозбуждает фотопроводимость

/>о = c h / />Wo и />о = c h / />Wп.

/>

/>

/>

Операцияпроявления скрытого изображения состоит в том, что на экспонированнуюповерхность осаждают мельчайшие частицы красителя, несущие заряд, противоположныйпо знаку заряду изображения. Участки слоя, подвергшиеся меньшему освещению,притягивают большее количество порошка. Сильно засвеченные участки порошок непритягивают. При таком методе[4]проявления получается позитивное изображение.