Тема: Фотоэлектронные приборы.

ОСНОВНЫЕ ПОНЯТИЯ И ОПРЕДЕЛЕНИЯ

Фотоэлектрическими приборами называют преобра­зователи лучистой энергии, благодаря которой изме­няются электрические свойства вещества, образующе­го данный прибор.

Эти приборы делятся на два типа: с внешним и внутренним фотоэффектом.

Суть внешнего фотоэффекта состоит в том, что при облучении фотокатода светом возникает явле­ние фотоэлектронной эмиссии. При этом ток фотоэмиссии прямопропорционален световому потоку (закон Столетова):

I_ф=sФ, (17.1)

где I_ф — ток фотоэмиссии, мкА; Ф — световой поток, лм; s — интегральная чувствительность фотокатода.

Интегральная чувствительность равна значению фототока, вызванного световым потоком стандартного источника белого света в 1 лм.

Главные закономерности фотоэффекта были выве­дены А. Эйнштейном на основе фотонной теории света. Согласно этой теории, лучистая энергия излучается и поглощается не как непрерывный поток, а определен­ными порциями — квантами. Каждый квант (фо­тон) в зависимости от частоты излучения v обладает определенным количеством энергии:

W=hv,

где h= 6,66-10^-34 Дж*с — постоянная Планка.

Когда поток фотонов падает на фотокатод, энер­гия фотонов передается свободным электронам, кото­рые, совершая определенную работу выхода Wo, по­кидают катод с начальной скоростью ʋ₀. Этот процесс описывается уравнением Эйнштейна

hv = W₀+(m_e ʋ ²/2). (17.2)

Из уравнения (17.2) следует, что электрон может покинуть катод, если работа выхода меньше энергии кванта.

Суть внутреннего фотоэффекта состоит в том, что в полупроводнике под действием световой энергии возникают подвижные носители зарядов: пары электронов и дырок. При этом энергия фотона идет на перемещение электрона из валентной зоны в зону проводимости и сопротивление полупроводника умень­шается.

Фотоэлементами с внешним фотоэффектом назы­ваются электронные приборы, работа которых основа­на на явлении фотоэлектронной эмиссии с катода.

ФОТОРЕЗИСТОРЫ, ФОТОДИОДЫ И ФОТОТРАНЗИСТОРЫ

Фоторезисторы, фотодиоды, фототранзисторы и фото тиристоры относятся к полупроводниковым приемникам излучения. Их работа основана на использовании внутреннего фотоэффекта.

Фоторезистором называют полупроводниковый прибор, сопротивление которого меняется под действием излучения. Фоторезисторы широко применяются как датчики освещенности в автоматике и измерительной технике

На рис. 14.1, а показано устройство фоторезистора, а на рис. 14.1, б — схема его включения. На основание 1 из электроизоляционного материала наносится тонким слой полупроводника 2, к которому крепятся внешние выводы 3. В исходном состоянии концентрация носителей в полупроводниковом слое мала и при отсутствии освещения его сопротивление составляет 10⁴-10⁶ Ом.

5

рис 14.1 рис 14.2

В цепи протекает ток, который называют темновым. Он составляет доли миллиампера. Выходное напряжение U_вых практически равно нулю.

При освещении поверхности полупроводника за счет внутреннего фотоэффекта в слое появляются дополнительные носители заряда. Сопротивление фоторезистора уменьшается в несколько сот раз. Соответственно увеличивается ток I_ф и напряжение U_вых.

При увеличении Ф увеличивается концентрация носителей и I_ф тоже увеличивается. Вольт-амперная характеристика фоторезистора линейна. В зависимости от на полупроводника его чувствительность различна к разным видам излучения. Например, фоторезистор из сернистого кадмия чувствителен к видимому свету. После прекращения освещения избыточные носители рекомбинируют и сопротивление фоторезистора опять увеличи­лся.

Например, фоторезистор ФСК-1 имеет следующие основные параметры: рабочее напряжение — 50 В, рассеиваемая мощность—125 мВт, темновой ток — 5 мкА, световой ток — 2 мА, кратность изменения сопротивления — 100.

Фотодиод представляет собой полупроводниковый прибор с р-п -переходом.

Устройство фотодиода показано на рис. 14.2, а, схема его включения — на рис. 14.2, б. Основой фотодиода (рис. 14.2, а) является кристалл германия или кремния двухслойной структуры (1). Он имеет выводы от слоя р (2) и от слоя п (3). В корпусе фотодиода устроено окно, через которое световой поток Ф попадает в облаем. р-п -перехода.

Фотодиод работает при обратном смещении р-п -перехода. При отсутствии освещения через него протекает темновой ток.

Темновой ток представляет собой обратный ток р-п перехода. Он мало зависит от приложенного напряжении и для кремниевых диодов составляет 1—2 мкА, а для германиевых — на порядок больше.

При освещении фотодиода в области р-п –перехода, и генерируются дополнительные носители заряда — электроны и дырки. Ток через переход увеличивается почти линейно со световым потоком Ф и может в сотни и тысячи раз превосходить темновой. После затемнения I_ф уменьшается до исходного значения. Инерционность фотодиодов значительно меньше, чем фоторезисторов.

Фотодиоды могут работать в генераторном режиме. В этом случае они включаются на нагрузку без дополнительного источника питания. ЭДС между выводами фото диода создается за счет разделения возникающих носителей заряда электрическим полем перехода. Как уже указывалось, это поле направлено от слоя п к слою р. Под его действием образующиеся дырки направляются и область р, а электроны — в область п. Возникшая ЭДС может достигать для кремния 0,4—0,5 В, а для арсенида галлия — 0,8—0,9 В. Под действием этой ЭДС в цепи будет протекать ток. Фотодиод, работающий в генераторном режиме, называют фотоэлементом. Он преобразуй световую энергию в электрическую.

По такому же принципу работают солнечные батареи. Путем параллельного и последовательного включения отдельных фотоэлементов можно получить значительна напряжения и достаточную мощность для питания различных потребителей. Солнечные батареи являются основными источниками питания на космических кораблях и искусственных спутниках.

Фототранзистором называют полупроводниковый прибор с тремя выводами, ток которого зависит oт излучения. Фототранзисторы могут быть биполярными и полевыми. Биполярный фототранзистор имеет базу, эмиттер и коллектор с соответствующими выводами. В отличие от обычных транзисторов в фототранзисторах предусмотрена возможность освещения базы. Схема включения показана на рис. 14.3,

При отсутствии освещения фототранзистор работает так же, как и обычный биполярный транзистор, включ­енный по схеме ОЭ с током базы I_Б = 0 . Ток коллектора в этом режиме равен тепловому току I_КО, который мало зависит от Uкэ.

Рис. 14.3

При попадании светового потока Ф на базу фототранзистора, в области базы за счет энергии фотонов появляются новые пары носителей заряда: электроны и, дырки. В фототранзисторе типа р-п-р дырки как неосновные носители базы под действием U_KБ переходят в коллектор, увеличивая тем самым I_К. Электроны из, базы под действием U_ЭБ движутся через открытый эмиттерый переход в эмиттер. Навстречу им перемещается поток дырок из эмиттера, которые, пройдя базу, тоже попадут в коллектор. Ток I_К становится значительно больше тока через обратносмещенный переход, как это было в фото­диоде. Поэтому чувствительность фототранзистора к све­товому потоку гораздо выше, чем фотодиода.

Так как ток I_К определяется перемещением в коллектор неосновных носителей, то он сильно зависит от температуры. Поэтому приходится принимать специальные меры для термостабилизации режима работы фототранзистора. Для того используется цепь базы.

Фототиристоры представляют собой четырехслойные полупроводниковые структуры, которые управ­ляются световым потоком.

По аналогии с обычными тиристорами в фототири­сторах световой поток Ф влияет на напряжение прямого включения. Он попадает на одну из баз, и за счет фото ионизации в ней образуются дополнительные носители заряда, которые и способствуют открыванию тиристорн Чем больше световой поток Ф, тем при меньшем прямом напряжении включается фототиристора.

Фототиристоры успешно применяются в системах автоматики и управления для включения электрических цепи: по световому сигналу. Важное достоинство фототиристоров — отсутствие электрической связи между цепью управления и включаемой цепью.

Фотоэлектрические приборы имеют буквенно-цифровую маркировку, состоящую из четырех элементов. Первый элемент обозначает группу приборов: ФР — фоторезистов, ФД — фотоэлектронный прибор с переходами. Второй элемент указывает на материал, из которого изготовлен прибор: ГО — германий, ГЗ — германий, легированный золотом, К — кремний, РГ — арсенид галлия и т. д. Дале идет трехзначное число, обозначающее порядковый номер разработки. Последний элемент — буква — определяй тип полупроводникового прибора: Б — биполярный фото транзистор, Т — фототиристор. Например, ФДК-1 кремниевый фотодиод, разработка первая.

Контрольные вопросы:

1. Почему сопротивление фоторезистора зависит от светового потока? 2. Как зависит ток фоторезистора от приложенного напряжения при Ф = const? 3. Как зависит ток фотодиода от приложенного напряжения? 4. Почему чувствительность фототранзистора выше, чем фотодиода? 5. В чем заключается достоинство фототиристора по сравнению с обычным трехэлектродным тиристором?

СВЕТОИЗЛУЧАЮЩИЕ ДИОДЫ И ОПТРОНЫ

Светоизлучающим диодом или светодиодом называют полупроводниковый прибор с р-n-p -пеходом, который предназначен для преобразования электрической энергии в световое излучение.

Светоизлучающие диоды в настоящее время широко применяются в различных электронных устройствах в качестве световых индикаторов. На основе светодиодов строятся цифровые и знаковые полупроводниковые индикаторы, которые вытесняют электровакуумные и газоразрядные.

Устройство светодиода показано на рис. 14.4, а, схема его включения — на рис. 14.4, б. Как любой полупроводниковый диод, светодиод состоит из кристалла полупроводника с р-n -переходом. Концентрация электронов в области п больше, чем концентрация дырок в области р. При включении диода, как показано на рис. 14.4, б, через переход начинает проходить прямой ток I_пр.

Рис. 14.4

Так как концентрация электронов больше концентрации дырок, то I_пр создается в основном электронами, которые переходят в p-область. Здесь электроны рекомбинируют с дырками. Во время рекомбинации освобождается энергия, которая была затрачена при термогенерации носитей. Энергия выделяется в виде фотонов. Каждый акт рекомбинации приводит к появлению фотона с энергией, равной энергии связи ∆W. Часть фотонов захватывается атомами полупроводника. Однако остальные фотоны проходят через область р полупроводника и излучаются в окружающее пространство. Чтобы сконцентрировать излучение, светодиоды часто снабжаются линзами.

Длина волны излучения зависит от энергии фотона:

(14.1)

с — скорость света.

Если подставить значения постоянных в уравнение (14.1), то получим следующую зависимость длины волн излучения от ∆W:

= 1,24/∆W. (14.2)

Исходя из уравнения (14.2), легко подсчитать, что в видимой части спектра находится излучение таких полупроводников, у которых энергия связи ∆W > 1,7 эВ. При меньшей энергии длина волны будет больше, чем гранич­ная длина волны видимой области. Поэтому в качестве исходных материалов для изготовления светодиодов используются фосфид галлия, карбид кремния и некоторые другие соединения. Иногда применяются светодиоды на основе арсенида галлия, дающие инфракрасное излучение.

Оптронами называют полупроводниковые приборы, которые состоят из источника и приемника излучения, имеющих между собой оптическую связь.

Управляющий электрический сигнал в источнике излучения преобразуется в световой, который воздействует на фотоприемник и создает в нем электрический сигнал.

Сопротивление изоляции между входной и выходной цепями оптрона может составлять 10¹²—10¹⁴ Ом. Отсутствие электрической связи является важнейшим достойн­ом оптрона.

В интегральных микросхемах оптопары используются для того, чтобы избежать электрической связи между отдельными узлами и элементами и в то же время не прерывать передачу информации. С помощью оптопар сигнал передается от одного узла к другому оптическим путемем. Так, оптоэлектронная микросхема К262КП1, кроме оптопары, содержит интегральный усилитель, обеспечивающий достаточный уровень выходного напряжения.