Внутренний и внешний фотоэффекты

Электронные приборы, принцип действия которых основан на преобразо-вании лучистой энергии в электрическую, называются фотоэлектронными приборами.

Преобразование лу­чистой энергии в электрическую возможно за счет внутреннего и внешнего фотоэффекта. Внутренний фотоэффект заключается в том, что под действием энергии светового излучения в области p-n перехода происходит ионизация атомов основного вещества и примеси, в результате чего образуются пары электрон – дырка. На внутреннем фотоэффекте созданы такие приборы, как фоторе­зисторы, фотодиоды и фототранзисторы. В приборах с внешним фотоэффектом - фотоэлементах, фотоэлектронных умножителях получение свободных электронов с поверхности фото­катода обусловлено фотоэлектронной эмиссией, открытой российским физиком А.Г.Столетовым.

По принципу действия фотоэлементы ­делятся на три основные группы:

1.Фотоэлементы с внешн.фотоэффектом - выходом электронов с поверхности металла под действием энергии электро­магнитного излучения.

2.Фотоэлементы с внутренним фотоэффектом-изменением эл. сопротивления полупровод­ника под действием энергии электромагнитного излу­чения.

3.Фотоэлементы с вентильным или фотогальва­ническим эффектом –

Образованием э.д.с. между слоями с различной проводимостью под действием электромагнитного излучения.

2.2.Фоторезисторы. Фоторезисторами называются по­лупроводниковые приборы, электрическое сопротив­ление которых изменяется под действием светового потока.

Рис.2.1. а. К принципу действия фоторезистора;

б. Корпус фоторезистора;

в. Условное обозначение;

г. ВАХ фоторезистора;

д. Световая характеристика фоторезистора.

Принцип действия фоторезисторов основан на использовании внутрен-него фотоэффекта. Под действием световой энергии в полупроводнике возникают дополн. носители заряда—электроны и дырки, т.е. образуется дополнительная проводимость– фотопроводимость. Сопротивление при этом уменьшается. Если к возбужденному свет.потоком полупроводнику 2(рис. 2.1,а), нанесённому на стекл. пластину 1 и снабженному металл.электродами 3, прило­жить напряжение U _ф, то движение электронов станет направленным и по цепи резистора R _н будет прохо­дить ток I _ф. Выходное напряжение U _вых на резисторе R _н, воздействует на следующие эле­менты электроники. Во избежание воздействия окру­жающей среды (влажности, загрязнения и т. п.) фоторезистор запрессовывается в пластмассовый кор­пус 4(рис.2.1,б) с окном 5 для света и снабжается штырьками 6.

Для изготовления фоторезисторов приме­няются сернистые и селенистые соединения кадмия и свинца.

Основные характеристики: световая, вольт-амперная и спект­ральная. Световая характеристика (рис. 2.1,д) - зависимость фототока от освещенности светочувствительной поверхности фоторезистора при постоянном напряжении.

Вольт-амперная характеристика (рис.2.1,г) - зависимость фототока и темнового тока от напряжения на фоторезисторе при постоян. освещенности поверхности.

Спектральная характеристика фоторезистора - за­висимость фототока от длины волны падаюшего света.

Фоторезисторы из сернистого кадмия имеют мак­симум чувствительности в видимой части спектра. Другие фоторезисторы более чувствительны к инфра­красным лучам.

Главное достоинство фоторезисторов — высокая удельная интегральная чувствительность. У сернисто-свинцовых фоторезисторов 400—500 мкА/лм. Это позво­ляет использовать фоторезисторы без усилителей а малые габариты применять их широко. Они используются в системах фотоконтроля и фотоэлектронной автоматики, в качестве чувствительных элементов на входе приемников в системах оптической связи, обнаружения инфракрасного излучения, радиоастрономических и дру­гих систем.

Основные недостатки фоторезисторов: инер­ционность и сильное влияние температуры, что приводит к большому разбросу характеристик фоторезисторов одного типа.

Маркировка фоторезисторов:

первый элемент: СФ (сопротивление фото­чувствительное);

второй элемент: цифра - тип светочувствительного материала;

третий элемент (после дефиса): цифра - конструктивное оформление.

Пример маркировки: СФ2-4, СФ1-5.

2.3.Вентильные фотоэлементы. В вентильных фото­элементах световая энергия непосредственно преобра­зуется в электрическую, поэтому для них не требуется посторонних источников тока.

Рис.2.2.Устройство и условное обозначение вентильного фотоэлемента

Принцип действия вентильного (фотогальвани­чес-кого) фотоэлемента основан на использовании запирающего слоя, образуемого р-п -переходом. На металл.электрод1нанесен тонкий слой полупроводни­кового материала 2 (обычно селена и сернистого таллия), на поверхность которого распы­лением наносится тонкий слой ме­талла 4 - второй электрод фотоэлемента. Запирающий слой 3создается термической обработкой. В результате переме-щения основн. носителей на границе полупроводника и полупрозрачно­го слоя металла образуется запирающий слой. При облучении кванты света, проникая в р-п -переход, увеличивают число неосновных носите­лей-дырок в п -области и электронов в р -области. Дырки под действием потенциального барьера перемещаются из п -области в р -область, а электроны — наоборот. В результате на р-п -переходе образуется избыток зарядов, создающих дополнительную разность по­тенциалов, называемую фотоэлектродвижущей силой(фото-эдс). При замыкании в эл. цепи под действием фото-эдс будет проходить эл.ток, зависящий от интенсивности светов.потока, падающего на фотоэлемент.

Наи­большее применение получили селеновые, сернисто-таллиевые и крем-ниевые фотоэлементы вен­тильного типа. Интегральная чувствительность селе­нового фотоэлемента- 400-600 мкА/лм и расположена в области голубых и зеленых лучей. В сернистоталлиевых фотоэлементах интегральная чувствитель-ность около 11000мкА/лм. Спектральная ха­рактеристика этих фотоэлементов захватывает всю область видимого спектра и большую часть инфракрасной области. Особый тип вентильных фотоэлементов, кремниевые - для изготовле-ния солнечных батарей, преобразующих солнечную энергию в электрическую.

Рис.2.3. Устройство солнечного фотоэлемента

Солнечный фотоэлемент состоит из пластины кремния п -типа. На поверхность пластины путем диффузии вводят примесь бора, образуя слой р- типа. Толщина этого слоя не больше 2—3 мкм, поэтому свет.энергия легко проникает в зону р-п -перехода. Мак­симум интегральной чувствительности солнечного фотоэлемента лежит в инфракрасной области. Сол­нечные фотоэлементы обладают высоким КПД, дос­тигающим 10—13% (КПД сернисто-таллиевых фотоэлементов - 1,1%). Соединяя последовательно кремниевые фотоэлемен­ты, получают солнечную батарею, с большим сроком службы, которая используется для электропи­тания таких устройств как искусств.спутники Земли и космические корабли.

2.4.Фотодиоды. Фотодиодом называется двухэлектродный полупроводни-ковый прибор с одним элект­ронно-дырочным переходом, обратный ток которо- го изменяется под действием лучистой энергии и яв­ляется его рабочим током.

Рис.2.4.Схемы включения фотодиода:

а) с внешн.источником эл.питания(фотодиодный);

б) без источника эл.питания (вентильный или фото­гальванический).

1.При работе фотодиода в фотодиодном режиме, на диод не действует поток лучистой энергии и через р-п -переход протекает неболь­шой обратный - темновой ток неосновных носителей эл.зарядов, возникающих при разрывах ковалентных связей, из-за теплового воздействия окружаю­щей среды. При облучении фотодиода, из-за внутреннего фотоэффекта, возникают дополнительные дырки и электроны. Дырки диффундируют вглубь облучаемой области, доходят до р-п -перехода и под действием эл. поля р-п -перехода увле­каются в р -область диода.

Т.о., поток лучистой энергии увели­чивает число неосн. носителей эл.зарядов, а значит и ток в цепи.

2.При работе фотодиода в вентильном режиме и при отсутствии потока лучистой энергии темнового тока в цепи нет, т.к. р-п -переход находится в равновесном состоянии, т.е. токи диффузии уравновешиваются токами дрейфа. При облучении фотодиода дырки и электроны будут возникать из-за разрыва ковалентных связей. Под действием эл. поля р-п -перехода дырки будут пере-ходить в р -область, а электроны останутся в п -области, т.к. не в состоянии преодолеть потенциальный барьер р-п -перехода.

Т.о., при облучении диода происходит накопление дырок в р -области и электронов в п -обла­сти, пони­жается высота потенциальн. барьера р-п -перехода на величину фото-эдс, возрастают диффузионные токи осн.носителей через р-п -переход. В этом режиме фотодиод не требует внешнего источника питания, т.к. сам является гене­ратором эл. тока, фото-эдс может дости­гать 1 В.

Основные характеристики: световая, вольт-амперная и спектральная.

Германиевые фотодиоды захватывают область инфракрасных лучей

(λ =1,5 мкм). Для кремниевых — максимум солнечного спектра (λ = 0,8 мкм).

Параметры фотодиодов: вели­чина темнового тока, максимально допусти-мое на­пряжение, рабочее напряжение, интегральную чувствительность.

Маркировка фотодиодов:

ФД — фотодиод германиевый; ФДК—фотодиод кремниевый;

Цифра после букв - номер заводской разработки. Например, ФД-3, ФДК-1.

2.5.Фототранзисторы. Фоторезисторы и фотодиоды являются пассивными преобразователями лучистой энергии, т. е. не обладающими усилительными свойс­твами. В отличие от этих приборов фототранзистор является активным преобразователем, в нем проис­ходит не только преобразование энергии излучения, но и усиление.

Конструктивно фототранзистор представляет струк­туру плоскостного транзистора р-п-р или п-р-п -типа. База фототранзистора подвергается облуче-нию потоком лучистой энергии.

Рис.2.5.Устройство и схемы включения фототранзисторов:

а) со свободной базой;

б)с базой, на которую подается напряжение смещения.

Конструктивно фототранзис-торы выполняются в металическом корпусе со стеклянным окном. Возможны две схемы включе­ния фототранзисторов: схема со свободной базой (рис. 2.5, а) и схема (рис. 2.5,б), в которой на базу подается напряжение смещения, необходимое для получения линейной характеристики.

При облучении базы в ней создаются неравновесные носители (дырки и электроны), которые будут втягиваться в коллекторную область транзистора, увели­чивая обратный ток коллекторного перехода. Основ­н. неравновесные носители останутся в базе, при этом снизится высота потенциального барьера эмиттерного перехода. Уменьшение высоты потенциаль­ного барьера увеличит инжекцию дополн.зарядов из эмиттера в базу, меньшая часть которых реком- бинирует в области базы, а большая - уйдёт в коллектор через коллекторный переход. Коллектор­ный ток возрастёт.

Основные параметры: темновой ток, интегральная чувствитель­ность, коэф-фициент передачи по току β, допустимый ток и мощность при облучении.

Фототранзисторы, как и фотодиоды, применяются в качестве приемников лучистой энергии в различных фотоэлектронных устройствах.

Маркируются фото­транзисторы буквами ФТ, например ФТ-1.

2.6.Светодиоды. Светодиодом называют полупровод­никовый диод с одним электронно-дырочным пере­ходом, в котором происходит непосредственное пре­образование эл. энергии в энергию све­тового излучения (видимого или инфракрасного) за счет рекомбинации электронов и дырок.

В обыч­ных диодах в процессе реком­бинации вы­деляется энергия, отдаваемая кристалли­ческой решет-ке, т.е.пре­вращается в теплоту. У полупроводников на основе арсенида галлия, карбида кремния при рекомбина­ции происходит излуче­ние света.

Рис.2.6.Устройство и схема включения светодиода.

Светодиоды нуждаются в источнике питания с боль-шим внутренним сопротивлением. Для этого последовательно с источником питания включают ре­зистор R ₀, уменьшающий зависимость тока от напряжения питания.

Основ­ные характеристики: вольт-амперная I _пp= f ₁(U); зависимость мощ­ности и яркости излучения от прямого тока: Р = f ₂(I _пр) и В = f ₃(I _пр).

Основные параметры: мощность излучения Р, длина волны излучаемого света λ и КПД.

Длина волны λ, определяющая цвет свече­ния, зависит от материала полу-проводника. Так, длина волны излучения фосфида галлия соответствует зеле -ному цвету, а введением примесей можно получить желтый и красный цвета. КПД светодиода - отношение мощности излучения к эл.мощности, подводимой к диоду - лежит в пределах 0,1 — 1%. Низкие напряжения (менее 3 В) и малые токи (5—10 мА) обеспечивают совместимость свето­диодов с и.м.с. Кроме этого, небольшие габариты, высокая надежность, большой срок службы и низкая стои­мость делают светодиоды особенно удобными в схемах ЭВМ (в схемах индикации, системах фотопамяти и др.).Светодиоды имеют инерцион- ность, не превышающую10^-6-10^-8с, что по­зволяет применять их в им­пульсных цепях на часто­тах от 1 до 100 мГц. Све­тодиоды находят примене­ние в индика- торных схе­мах, в выч.тех­нике, ядерной радиоэлект­ронике, автоматике, элект­рон. цифровых часах и т.д. Широкое применение получили не отдельные светодиоды, а матрицы светодиодов, позволяющие воспроизводить цифру или букву от А до Я, которые применяются в устройствах отображения информа­ции и различных табло.

2.7.Оптроны.

Светодиоды нашли широкое применение в создании нового класса приборов - оптронов.

Рис.2.7.Условные графические изображения оптронов: а — резисторный; б —диодный; в — транзисторный; г — тиристорный.

Они состоят из источника - светодиода и прием­ника излучения (фоторезистора, фотодиода, фототранзис-тора), связанных оптической средой и конст­руктивно объединенных в одном корпусе. Вход и выход оптрона электрически развязаны. Оптическую среду распространения сигнала от излу­чателя к приемнику представляет световод - нить из прозрачного диэлект­рика. Световой луч поступает в торец световода, после многократного отражения от боковых стенок, выходит с другого конца световода. С помощью волоконного световода можно раз­местить приемник далеко от излучателя, обеспечив их высокую эл. изоляцию и помехоустойчивость.

Оптроны применяются в быстропереключающих схемах, генераторах, для согласования высоковольт­ных и низковольтных цепей, измерений в цепях высокого напряжения, усиления и модуляции.

Оптроны являются элементной базой для нового направления электроники — оптоэлектроники.

Поиск по сайту: