Фотоэлектрические приборы

Общие сведения

В автоматических устройствах предупреждения взрывов и пожаров достаточно часто используют приборы, работа которых основана на использовании фотоэффекта. Различают внешний фотоэффект, при котором поглощение света сопровождается вылетом электронов за пределы тела и внутренний фотоэффект, при котором электроны, оставаясь в теле, изменяют свое энергетическое состояние. Внешний фотоэффект используется преимущественно в электровакуумных электронных приборах. В полупроводниковых приборах используется, как правило, внутренний фотоэффект.

Суть внутреннего фотоэффекта состоит в том, что под воздействием внешнего светового излучения в веществе происходит генерация дополнительных пар носителей заряда: электронов и дырок. Эти дополнительные носители увеличивают электрическую проводимость вещества. Добавочная проводимость, обусловленная действием фотонов света, получила название фотопроводимости. У металлов явление фотопроводимости практически отсутствует, так как у них концентрация электронов проводимости огромна (порядка 10²³ электронов на кубический сантиметр), и не может заметно увеличиться под действием светового потока.

В некоторых полупроводниковых приборах за счет фотогенерации электронов и дырок возникает ЭДС, и тогда эти приборы работают, как источники тока. В результате рекомбинации электронов и дырок в полупроводниках образуются фотоны, и при некоторых условиях полупроводниковые приборы могут работать, как источники излучения. Полупроводниковые приборы, преобразующие энергию оптического излучения в электрическую энергию, получили название фотоэлектронных приборов. Полупроводниковые приборы, преобразующие электрическую энергию в оптические лучи, получили название оптоэлектронных приборов. Иногда эти понятия не различают и называют обе группы приборов оптоэлектронными или фотоэлектронными.

Ниже рассмотрены наиболее широко применяемые в устройствах промышленной и пожарной автоматики Фотоэлектронные приборы. Некоторые из этих приборов работают в качестве приемников излучений: фоторезисторы, фотодиоды, фотоэлементы, фототранзисторы, фототиристоры. Другие являются источниками излучений: светоизлучающие диоды. Приборы, преобразующие электрическую энергию в лучистую (в частности в световые лучи) часто называют оптоэлектронными приборами. Третьи представляют собой сочетание источников и приемников излучений: оптроны.

Фотоэлектрические приборы, работающие в качестве приемников излучений

Фоторезистор

Фоторезистор представляет собой полупроводниковый резистор, сопротивление которого меняется под действием излучения. Принцип устройства фоторезистора поясняется на рис. 1 а. На диэлектрическую пластину 1 нанесен тонкий слой полупроводника 2 с контактами 3 по краям. Схема включения фоторезистора приведена на рис. 1 б. Полярность источника не играет роли.

Если облучения нет, фоторезистор имеет большое сопротивление R_Т, называемое темновым. Оно является параметром резистора и составляет 10⁴ – 10⁷ Ом. Соответствующий ток через фоторезистор называется темновым током. При действии излучения с достаточной энергией фотонов на фоторезистор в нем происходит генерация пар подвижных носителей заряда и его сопротивление падает.

Для фоторезисторов применяют различные полупроводники, имеющие нужные свойства. Например сернистый свинец наиболее чувствителен к инфракрасным лучам, сернистый кадмий – к видимому свету. Фоторезисторы характеризуются удельной чувствительностью – отношением фототока к вызвавшему этот ток потоку белого света, отнесенной к 1 В приложенного напряжения,

, (1)

где Ф – световой поток.

Обычно удельная чувствительность составляет несколько сотен или тысяч микроампер на вольт-люмен.

Фоторезисторы имеют линейную вольт-амперную и нелинейную энергетическую характеристики. К недостаткам фоторезисторов следует отнести: значительную зависимость сопротивления от температуры и большую инерционность. Применяются фоторезисторы на частотах не выше нескольких сотен герц или единиц килогерц.

Фотодиоды.

Фотодиоды представляют собой полупроводниковые диоды, в которых используется внутренний фотоэффект. Световой поток управляет обратным током фотодиодов. Под воздействием света на электронно-дырочный переход и прилегающие к нему области происходит генерация пар носителей заряда, проводимость диода возрастает, и обратный ток диода увеличивается. Такой режим работы называется фотодиодным. Если светового потока нет, через фотодиод протекает обычный начальный ток I_о, который называется темновым.

Имеется несколько разновидностей фотодиодов. Существуют фотодиоды чувствительные к инфракрасному излучению. У лавинных фотодиодов происходит лавинное размножение носителей в n-р переходе и за счет этого в десятки раз возрастает чувствительность. В диодах с барьером Шотки имеется контакт полупроводника с металлом. Это диоды с повышенным быстродействием. Улучшенными свойствами обладают фотодиоды с гетеропереходами. Все фотодиоды могут работать как генераторы ЭДС.

Фотоэлементы.

Полупроводниковые фотоэлементы, иначе называемые вентильными или фотогальваническими, служат для преобразования энергии излучения в электрическую энергию. По существу это фотодиоды, работающие без источника внешнего напряжения и создающие собственную ЭДС под воздействием излучения.

Фотоны, действуя на переход и прилегающие к нему области, вызывают генерацию пар носителей заряда. Возникшие в n-р областях электроны и дырки диффундируют к переходу и, если они не успели рекомбинировать, попадают под действие внутреннего электрического поля, имеющегося в переходе. Это поле также действует на носители заряда, возникающие в самом переходе. Поле разделяет электроны и дырки. Для неосновных носителей, например для электронов, возникших в р области, поле перехода является ускоряющим. Оно перебрасывает электроны в n область. Аналогично дырки перебрасываются в р область. Для основных носителей заряда, например дырок р области, поле перехода является тормозящим. Эти дырки остаются в своей р области. Аналогично электроны остаются в n области. Описанный выше принцип работы фотоэлемента наглядно отображен на рис. 2.

В результате в n и р областях накапливаются основные носители, т.е. создаются соответственно заряды электронов и дырок и возникает разность потенциалов, которую называют фотоЭДС, (Е_Ф). С увеличением светового потока фотоЭДС растет по нелинейному закону. Значение фотоЭДС может достигать может достигать нескольких десятых долей вольта.

В настоящее время важное значение имеют кремниевые фотоэлементы, используемые в качестве солнечных преобразователей. Они преобразуют энергию солнечных лучей в электрическую. Их фотоЭДС достигает 0.5 В. Из таких элементов, путем их последовательного соединения создаются солнечные батареи, которые обладают сравнительно высоким КПД (до 20%). Такие батареи являются основными источниками питания на искусственных спутниках Земли, космических кораблях, автоматических метеостанциях и т.д.

Фототранзисторы.

Значительно выше по сравнению с фотодиодами интегральная чувствительность у фототранзисторов. Биполярный фототранзистор представляет собой обычный транзистор, в корпусе которого сделано прозрачное «окно», через которое световой поток может воздействовать на область базы. Схема включения биполярного фототранзистора типа p-n-p со свободной (никуда не подключенной) базой приведена на рис. 3. Как обычно на эмиттерном переходе напряжение прямое, а на коллекторном – обратное.

Фотоны вызывают в базе генерацию пар носителей зарядов, которые диффундируют к коллекторному переходу. На коллекторном переходе происходит их разделение, так же как и в фотодиоде. Дырки под воздействием поля коллекторного перехода идут из базы в коллектор и увеличивают ток коллектора. Электроны остаются в базе и повышают прямое напряжение эмиттерного перехода, что усиливает инжекцию дырок в этом переходе. За счет этого дополнительно увеличивается ток коллектора. В транзисторе n-p-n типа все происходит аналогично.

Фототиристоры.

Тиристорные четырехслойные структуры могут управляться световым потоком подобно тому, как триодные тиристоры управляются напряжением, подаваемым на один из эмиттерных переходов. Чем больше световой поток, действующий на фототиристор, тем при меньшем напряжении он включается. После включения на фототиристоре, как и на обычном тиристоре, устанавливается небольшое напряжение и почти все напряжение источника падает на нагрузке. Иногда у фототиристора бывает сделан вывод от одной из базовых областей. Если через этот вывод подавать на соответствующий эмиттерный переход прямое напряжение, можно понижать напряжение включения. Само включение по-прежнему будет осуществляться действием светового потока.

Фототиристоры применяются в устройствах автоматики в качестве бесконтактных ключей для включения значительных напряжений и мощностей. Важное достоинство тиристоров – малое потребление мощности во включенном состоянии, малые габариты, отсутствие искрения и малое время включения (доли секунды).

Светоизлучающие диоды.

В качестве малоинерционных полупроводниковых источников излучения применяются светоизлучающие диоды (светодиоды), работающие при прямом напряжении. Иногда их называют инжекционными светодиодами. Свечение, возникающее в светодиодах, относят к явлению, так называемой, инжекционной светолюминисценции.

Принцип действия светодиодов заключается в следующем. При прямом напряжении в полупроводниковом диоде происходит инжекция носителей заряда из эмиттерной области в область базы. Например, если концентрация электронов в n области больше, чем концентрация дырок в р области, происходит инжекция электронов из n области в р область. Инжектированные электроны рекомбинируют с основными носителями базовой области, с дырками р области. Рекомбинирующие электроны переходят с более высоких энергетических уровней зоны проводимости, близких к ее границе, на более низкие уровни, расположенные вблизи верхней границы валентной зоны. При этом выделяется фотон, энергия которого равна величине запрещенной зоны ΔW, рис. 4.

В современных светодиодах применяют главным образом фоксид галлия и карбид кремния, а также некоторые тройные соединения, называемые твердыми растворами и состоящие из галлия, алюминия и мышьяка, или галлия, аллюминия и фосфора. Внесение в полупроводник некоторых примесей позволяет получать свечение различного цвета.

Помимо светодиодов, дающих видимое свечение, выпускаются светодиоды инфракрасного излучения, изготавливаемые преимущественно из арсенида галлия. Они применяются в фотореле, различных датчиках и входят в состав некоторых оптронов.

Существуют светодиоды переменного цвета свечения, один из которых имеет максимум спектральной характеристики в красной части спектра, а другой – в зеленой. Цвет свечения здесь зависит от соотношения токов через переходы. Некоторые параметры светодиодов зависят от температуры. Например, яркость и сила света с повышением температуры падают.

Оптроны.

Оптрон это полупроводниковый прибор, в котором конструктивно объединены источник и приемник света, имеющие между собой оптическую связь. В источнике излучения электрические сигналы преобразуются в световые, которые воздействуют на фотоприемник и создают в нем снова электрические сигналы. Если оптрон имеет только один излучатель и один приемник, его называют оптопарой, или элементарным оптроном. Микросхема с несколькими оптопарами и дополнительными согласующими и усилительными устройствами называется оптоэлектронной интегральной микросхемой. На входе и выходе оптрона всегда имеются электрические сигналы, а связь входа и выхода осуществляется световыми сигналами. Цепь излучателя является управляющей, а цепь фотоприемника – управляемой.