Тема 1.6. Полупроводниковые фотоприборы

       Фотоэлектрическими называются приборы, в которых преобразование лучистой энергии изменяются электрические свойства вещества. Данные приборы делятся на приборы с внешним фотоэффектом и приборы с внутренним фотоэффектом.

       Внешний фотоэффект (фотоэлектронная эмиссия) заключается в сообщении источником излучения части электронов дополнительной энергии, достаточной для выхода электронов в окружающую среду. К приборам с внешним фотоэффектом относятся электронные фотоэлементы и фотоэлектронные умножители. В электронном фотоэлементе под действием светового излучения происходит выход электронов с поверхности катода, представляющего собой тонкую пленку светочувствительного материала. Анодом служит кольцо, обеспечивающее свободное попадание света на катод. Фотоэлемент монтируется в колбе, внутри которой создается вакуум. Таким образом, электронный фотоэлемент преобразует энергию светового потока в сигнал постоянного напряжения (тока). Недостатком электронных фотоэлементов является малая чувствительность. Этот недостаток можно устранить, применив фотоэлектронный умножитель. Это прибор, в котором поток первичных электронов, полученный при фотоэлектронной эмиссии, усиливается посредством вторичной электронной эмиссии.

       Внутренний фотоэффект заключается в том, что в полупроводнике под действием энергии света возникают дополнительные свободные носители заряда (электроны и дырки). При этом сопротивление полупроводника уменьшается. К приборам с внутренним фотоэффектом относятся фоторезисторы, фотодиоды, фототранзисторы.

       Фоторезисторы – это приборы, действие которых основано на изменении сопротивления полупроводникового материала под действием падающего светового излучения. Фоторезистор представляет собой диэлектрическую подложку (стекло), на которую нанесен слой полупроводникового вещества. Световой поток падает на полупроводник через специальное окошко в пластмассовом корпусе. Электроды выполнены из материалов, обеспечивающих хороший контакт с полупроводником.

       При включении фоторезистора в цепь в отсутствии светового потока по цепи протекает темновой ток, обусловленный собственной проводимостью полупроводника. Этот ток очень мал. При попадании света на полупроводник в нем возникают дополнительные электроны и дырки, в результате чего ток в цепи возрастает (световой ток). Разность между световым и темновым токами называется фототоком.

       Фотодиод – это полупроводниковый диод, обратный ток которого зависит от освещенности p-n перехода. Фотодиоды могут работать в генераторном (без внешнего источника питания) и фотопреобразовательном (с внешним источником питания) режимах.

       В генераторном режиме при освещении фотодиода образуются дополнительные пары электрон-дырка, часть которых достигает p-n перехода. Под действием внутреннего поля перехода дырки переходят в p - область, а электроны остаются в n – области, так как не могу преодолеть потенциальный барьер. Происходит накопление дырок в p – области, а электронов в n- области. Между электродами возникает разность потенциалов, представляющая собой фото-ЭДС. При наличии сопротивления нагрузки через фотодиод будет протекать электрический ток.

       В фотопреобразовательном режиме диод включен в обратном направлении. При отсутствии освещения через диод протекает незначительный обратный ток (темновой). При освещении n – области фотодиода возникают пары свободных носителей зарядов (электроны и дырки). Дырки переходят через границу перехода в p – область. Таким образом, свет вызывает увеличение тока за счет неосновных носителей заряда (световой). Таким образом, фотодиод, работающий в фотопреобразовательном режиме, аналогичен фоторезистору, однако обладает большей чувствительностью.

       Фототранзистор представляет собой трехслойный полупроводниковый прибор с двумя p-n переходами, обладающий свойством усиления фототока при воздействии энергии света. Фототранзистор выполнен в виде обычного кремниевого или германиевого транзистора. Световой поток попадает на базовую область.

При двухполюсной схеме подключения фототранзистора типа p-n-p на эмиттер подается положительный потенциал, а на коллектор отрицательный. База при этом остается неподключенной. Под действием света в базе образуются дополнительные электроны и дырки. Дырки под действием поля источника питания движется из базы в коллектор, образуя фототок. Электроны остаются в базе и снижают потенциальный барьер. Это облегчает движение дырок из эмиттера в базу и увеличивает коллекторный фототок.

Возможности схемы с подключенной базой (на базу подан отрицательный потенциал) шире, так как, помимо светового, на базу подается электрический сигнал и чувствительность схемы возрастает.

Условные обозначения фотоэлектронных приборов показаны на рис.2.1.8.

Фотоэлектронные приборы широко применяются в системах автоматизации, регистрирующих приборах фотометрии, вычислительной технике.