Глава 9. Фотоэлектрические приборы.

Фотоэлементами называются приборы преобразующие энергию оптического излучения в электрическую. Работа основана на внешнем и внутреннем фотоэффекте.

 

Фотоэлектрический эффект.

 

Фотоэлектрическим эффектом называется взаимодействие света с веществом, в результате которого энергия фотонов передается электронам вещества. Различают внешний и внутренний фотоэффекты. При внешнем фотоэффекте поглощение фотонов сопровождается выходом электронов за пределы вещества (см. рис. 9.1.1).

 

 

 

Рисунок 9.1.1. Внешний фотоэффект.

 

 

Внешний фотоэффект обладает следующими свойствами:

 

1. При неизменном спектральном составе света сила фототока насыщения прямо пропорциональна падающему на катод световому потоку.

2. Начальная кинетическая энергия вырванных светом электронов линейно растет с ростом частоты света и не зависит от его интенсивности.

3. Фотоэффект не возникает, если частота света меньше некоторой характерной для каждого металла величины ν_мин, называемой красной границей.

 

Для внешнего фотоэффекта справедливо уравнение Эйнштейна

 

hν= A_вых +E_кин

где:

A_вых - работа затрачиваемая на выход электрона за пределы тела

E_кин – кинетическая энергия электрона, покинувшего пределы вещества.

h – постоянная Планка;

ν – частота, падающего света.

Внутренний фотоэффект, при котором, в отличие от внешнего, оптически возбужденные электроны остаются внутри освещенного тела, не нарушая нейтральности последнего. При этом в веществе изменяется концентрация носителей заряда или их подвижность, что приводит к изменению электрических свойств вещества под действием падающего на него света. Внутренний фотоэффект присущ только полупроводникам и диэлектрикам. Его можно обнаружить, в частности, по изменению проводимости однородных полупроводников при их освещении.

В неоднородных полупроводниках наряду с изменением проводимости наблюдается также образование разности потенциалов (фото – э.д.с.). Это явление (фотогальванический эффект) обусловлено тем, что в силу однородностей проводимости полупроводников происходит пространственное разделение внутри объема проводника оптически возбужденных электронов, несущих отрицательный заряд и микрозон (дырок), возникающих в непосредственной близости от атомов, от которых оторвались электроны, и подобно частицам несущих положительный элементарный заряд. Электроны и дырки концентрируются на разных концах полупроводника, вследствие чего и возникает электродвижущая сила, благодаря которой и вырабатывается без приложения внешней э.д.с. электрический ток в нагрузке, подключенной параллельно освещенному полупроводнику. Таким образом, достигается прямое преобразование световой энергии в электрическую.

 

Фоторезистор.

 

Фоторезистор – полупроводниковый прибор с внутренним фотоэффектом, в котором используется явление фотопроводимости. Внешний вид, условное обозначение и структура фоторезисторов приведены на рис. 9.2.1 - 9.2.2.

 

 

а) б)

 

Рисунок 9.2.1. а) внешний вид фоторезистора; б) его условное обозначение

 

 

 

Рисунок 9.2.2. Структура фоторезистора: 1 – подложка, 2 – полупроводник, 3 – окно, 4 – электроды, 5 – выводы.

 

Фоторезистор состоит из подложки 1, пластинки полупроводника 2, прозрачного окна 3, электродов 4 к которым подсоединены выводы во внешнюю цепь 5 см. рис 9.2.2. Световой поток падает через прозрачное окно 3 на пластину полупроводника 2, которая меняет под действием света свою проводимость. Если не освященный фоторезистор подключить к цепи (см рис. 9.2.3), то через цепь потечет ток I_т. Ток, протекающий через фоторезистор в неосвещенном состоянии называется темновым. При освещении фоторезистора, ток в цепи возрастет из-за увеличения его проводимости. Разность токов в освещенном и не освещенном состоянии называется фототоком I_ф.

 

 

 

Рисунок 9.2.3. Схема включения фоторезистора в цепь постоянного тока.

 

Одной из характеристик фоторезистора является энергетическая характеристика (см. рис. 9.2.4). Это зависимость фототока от светового потока, при постоянном напряжении на фоторезисторе. Она имеет два характерных участка. На участке 1 фототок I_ф значительно возрастает при увеличении светового потока Ф. На участке 2 фототок практически не изменяется при увеличении светового потока (см. рис. 9.2.4).

 

 

Рисунок 9.2.4. Энергетическая характеристика фоторезистора.

 

 

Другой характеристикой фоторезистора является вольтамперная характеристика. Это зависимость фототока от напряжения при постоянном световом потоке. Вольтамперная характеристика фоторезистора при различных световых потоках представлена на рис. 9.2.5. Как видно из рис. 9.2.5, вольтамперная характеристика - линейна.

 

 

Рисунок 9.2.5. Вольтамперная характеристика фоторезистора.

 

 

Следующей характеристикой фоторезистора является спектральная характеристика. Она представляет собой зависимость отношения текущего значения фототока I_ф к максимальному его значению I_{ф макс} (I_ф / I_{ф макс}) в зависимости от длины световой волны (см. рис. 9.2.6). Как видно из рисунка, фототок имеет значения близкие к максимуму в узком диапазоне длин волн.

 

 

Рисунок 9.2.6. Спектральная характеристика фоторезистора.

 

Спектральная характеристика показывает диапазон длин волн, где данный фоторезистор применим. Данный диапазон определяют по показателю 0,5, т.е. там, где фототок уменьшается менее чем на половину от своего максимального значения (см. рис. 9.2.6).

Еще одной характеристикой является чувствительность S. Это отношение фототока к световому потоку

 

S=I_ф/Ф

 

Различают монохроматическую и интегральную чувствительность. Монохроматическая – это чувствительность фоторезистора на который падает свет определенной длинны волны. Интегральная – чувствительность прибора к световому потоку, с широким диапазоном волн.

Темновое сопротивление фоторезисторов составляет R_т =10²…10⁹ Ом; Рабочее напряжение U_раб=1…100 В.

Достоинства - высокая чувствительность, возможность работы в цепях постоянного и переменного тока.

Недостатки: зависимость характеристик от температуры, низкое значение рабочих напряжений, недостаточное быстродействие.

 

 

Фотодиод.

 

Фотодиод – полупроводниковый прибор с внутренним фотоэффектом имеющий один p-n переход и два вывода. Может работать в двух режимах: генераторном (без внешнего источника питания) и режиме фотопреобразователя (с внешним источником энергии). Внешний вид и условное графическое обозначение фотодиода представлены на рис. 9.3.1. Структура представлена на рис. 9.3.2. Вольтамперная характеристика фотодиода представлена на рис. 9.3.3. Генераторному режиму соответствует участок а-б вольтамперной характеристики, режиму фотопреобразователя – участок а-в, рис. 9.3.3, а.

 

 

а) б)

 

Рисунок 9.3.1. Фотодиод: а) – внешний вид, б) – условное графическое обозначение.

 

 

Рисунок 9.3.2. Структура и схема включения фотодиода.

Прибор состоит из двух пластин полупроводника с разной проводимостью. В равновесном состоянии, когда поток излучения полностью отсутствует, концентрация носителей, распределение потенциала и энергетическая зонная диаграмма фотодиода полностью соответствуют обычной p-n-структуре. При воздействии излучения в направлении, перпендикулярном плоскости p-n-перехода, в результате поглощения фотонов с энергией, большей, чем ширина запрещенной зоны, в n-области возникают электронно-дырочные пары. Эти электроны и дырки называют фотоносителями. При диффузии фотоносителей в глубь n-области основная доля электронов и дырок не успевает рекомбинировать и доходит до границы p–n-перехода. Здесь фотоносители разделяются электрическим полем p–n-перехода, причем дырки переходят в p-область, а электроны не могут преодолеть поле перехода и скапливаются у границы p–n-перехода и n-области. Таким образом, ток через p–n-переход обусловлен дрейфом неосновных носителей – дырок. Дрейфовый ток фотоносителей называется фототоком. Фотоносители – дырки заряжают p-область положительно относительно n-области, а фотоносители – электроны – n-область отрицательно по отношению к p-области. Возникающая разность потенциалов называется фотоЭДС E_ф. Генерируемый ток в фотодиоде – обратный, он направлен от катода к аноду, причем его величина тем больше, чем больше освещенность. Режим фотогенератора (без внешнего источника) показан на рис. 9.3.3,б. Фотодиоды, работающие в режиме фотогенератора, часто применяют в качестве источников питания, преобразующих энергию солнечного излучения в электрическую. Они называются солнечнымиэлементами и входят в состав солнечных батарей, используемых на космических кораблях.

КПД кремниевых солнечных элементов составляет около 20 %, а у пленочных солнечных элементов он может иметь значительно большее значение. Важными техническими параметрами солнечных батарей являются отношения их выходной мощности к массе и площади, занимаемой солнечной батареей. Эти параметры достигают значений 200 Вт/кг и 1 кВт/м², соответственно.

При работе фотодиода в фотопреобразовательном режиме источник питания Е включается в цепь в запирающем направлении (рис. 9.3.3, а). Он соответствует подаче на фотодиод запирающего напряжения (участок а-в рис. 9.3.3,а). В нем используются обратные ветви ВАХ фотодиода при различных освещенностях (рис. 9.3.3,в).

Рисунок 9.3.2. а) – вольтамперная характеристика фотодиода; б) - вольтамперные характеристики фотодиода, работающего в режиме фотогенератора, при различных значениях светового потока, в) - вольтамперные характеристики фотодиода, работающего в режиме фотопреобразователя, при различных значениях светового потока.

Фотодиоды являются более быстродействующими приборами по сравнению с фоторезисторами. Они работают на частотах 10⁷–10¹⁰ Гц. Фотодиод часто используют в оптопарах светодиод-фотодиод. В этом случае различные характеристики фотодиода соответствуют различным токам светодиода (который при этом создает различные световые потоки).

9.4. Оптрон (оптопара).

Оптрон – полупроводниковый прибор, содержащий источник излучения и приемник излучения, объединенных в одном корпусе и связанные между собой оптически, электрически и одновременно обеими связями. Очень широко распространены оптроны, у которых в качестве приемника излучения используются фоторезистор, фотодиод, фототранзистор и фототиристор.

В резисторных оптронах выходное сопротивление при изменении режима входной цепи может изменяться в 10⁷…10⁸ раз. Кроме того, вольт-амперная характеристика фоторезистора отличается высокой линейностью и симметричностью, что обусловливает широкую применимость резистивных оптопар в аналоговых устройствах. Недостатком резисторных оптронов является низкое быстродействие – 0,01…1 с.

В цепях передачи цифровых информационных сигналов применяются главным образом диодные и транзисторные оптроны, а для оптической коммутации высоковольтных сильноточных цепей – тиристорные оптроны. Быстродействие тиристорных и транзисторных оптронов характеризуется временем переключения, которое часто лежит в диапазоне 5…50 мкс.

Рассмотрим подробнее оптопару светодиод-фотодиод (рис. 9.4.1, а). Излучающий диод (слева) должен быть включен в прямом направлении, а фотодиод – в прямом (режим фотогенератора) или обратном направлении (режим фотопреобразователя). Направления токов и напряжений диодов оптопары приведены на рис. 9.4.1, б.

Рисунок 9.4.1. Схема оптопары (а) и направление токов и напряжений в ней (б)

 

Изобразим зависимость тока i_вых от тока i_вх при u_вых =0 для оптопары АОД107А (рис.9.4.2). Указанная оптопара предназначена для работы как в фотогенераторном, так и в фотопреобразовательном режиме.

 

 

Рисунок 9.4.2. Передаточная характеристика оптопары АОД107А