ОСНОВНЫЕ ФОТОЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛИ С ВНУТРЕННИМ ФОТОЭФФЕКТОМ И ИХ ПРИНЦИП ДЕЙСТВИЯ

ФОТОСОПРТИВЛЕНИЕ

Чувствительный элемент преобразователей с внутренним фотоэффектом (фоторезисторов) выполнен в виде пластинки, на которую нанесен слой полупроводникового фоточувствительного материала. В качестве фоточувствительного материала обычно используется сернистый кадмий, селенистый кадмий или сернистый свинец [1]. Фотосопротивления (фоторезисторы) используют эффект фотопроводимости. При возбуждении квантами света электроны из валентной зоны переходят в зону проводимости. При освещении возбуждение электронов увеличивается, что вызывает увеличение электропроводности. Красная граница фоторезисторов находится в инфракрасной области, например, для сернисто-свинцовых [1]. Это вытекает из следующей формулы:

где электроном от фотона, запрещенной зоны,

Таким образом, красная граница фоторезистора зависит от ширины запрещенной зоны, которая определяется структурой и составам соответствующего полупроводника, из которого сделан фоторезистор.

При небольших освещенностях, число электронов попадающих в зону проводимости пропорционально освещенности. При достаточно больших освещенностях пропорциональность нарушается. Чувствительность фотоэлементов определяется кратностью изменения их сопротивления [1]. Для некоторых типов она достигает:

где темновое сопротивление, т.е. сопротивление неосвещенного преобразователя; сопротивление при (E – освещенность, т.е. величина, равная освещённости поверхности площадью 1 м² при световом потоке падающего на неё излучения, равном 1 лм). Для справки: E=200 лк соответствует освещенности кабинета, комнаты.

Если говорить непосредственно о конструкции фоторезистора, то можно отметить, что данный прибор состоит из светочувствительного слоя полупроводника толщиной около 1 микрона, нанесённого на стеклянную пластину. На поверхность полупроводника нанесены токонесущие электроды, обычно выполняемые из золота [4]. Условное графическое изображение (УГО) фоторезистора приведено на рисунке 2 (см.рис.2), а конструкция и схема включения фотосопротивления изображены на рисунке 3 (см.рис.3).

Рисунок 2. – УГО фоторезистора

Рисунок 3. - Конструкция и схема включения фотосопротивления

В настоящее время применяется два вида маркировки фоторезистора: старый и новый. Старый вид содержит три символа. Первый символ — буквы ФС (фотосопротивление). Второй символ — буква, указывающая тип светочувствительного материала: А — сернистый свинец, К — сернистый кадмий, Д — селенид кадмия. Третий символ — цифра, обозначающая тип конструктивного исполнения. В новой маркировке буквы ФС заменены на СФ — сопротивление фоточувствительное, а тип светочувствительного материала обозначается цифрой, например СФ2-4 [5].

Размеры светочувствительной площади фотосопротивлений весьма малы, благодаря чему габаритные размеры промышленных типов фотосопротивлений незначительны. Обычно чувствительный к свету элемент монтируется в пластмассовый корпус с электродами, рассчитанными на включение в специальную панель [4].

Для наглядного представления о размерах светочувствительной поверхности, а также о значениях темнового сопротивления, в таблице 1 (см.табл.2) приведены некоторые фоторезисторы с соответствующими параметрами.

Таблица 2. – Рабочая площадь и темновое сопротивление фотосопротивлений

Тип фотосопротивления	Рабочая площадь, мм²	Темновое сопротивление, Ом
ФС-А1	4х7	10⁴-10⁵
ФС-Б2	11х11	10⁵-10⁷
ФС-К1	4х7,2	≥ 10⁷
ФС-К2	4х7,2	≥ 10⁶

Теперь следует упомянуть о таком важном параметре фотосопротивления, как чувствительность. Удельная чувствительность фотосопротивлений весьма велика. Максимальную чувствительность определяет допустимое предельное рабочее напряжение, которое для различных фотосопротивлений различно. Так сернисто-кадмиевые имеют рабочее напряжение , а селенисто-кадмиевые .

Наиболее чувствительными в настоящее время являются фотосопротивления типа ФС-КВ, у которых чувствительность достигает 1200000 микроампер на люмен. Для сравнения можно указать, что чувствительность вакуумных фотоэлементов типа СЦВ равна всего 100 мкА/лм [4].

Но следует упомянуть о таких двух понятиях, как инерционность и зависимость от температуры фотосопротивления.

Так все фотосопротивления отличаются относительно высокой инерционностью, которая проявляется в том, что при освещении фототок в фотосопротивлениях не сразу достигает своего конечного значения. Данное явление отражено на рисунке 4 (см. рис. 4).

Рисунок 4. – Инерционность фотосопротивления

При прекращении освещения ток достигает своего первоначального значения также не мгновенно, а по истечении определенного времени. Характерным является то, что процесс нарастания фототока протекает быстрее, чем процесс спадания. Принимая ход спадания следующим по экспотенциальному закону, за меру инерционности приняли время, в течение которого фототок уменьшается в е раз (е = 2,7) [4]. Это время получило название «постоянной времени» или тау ( ), которая у различных фотосопротивлений различна. Эти различия отражены в таблице 2 (см.табл.2).

Таблица 2. – Инерционность фотосопротивления

Тип фотосопротивления	Постоянная времени , сек.
ФС-А1	4*10^-5
ФС-Б2	1*10^-3
ФС-К1	20*10^-3
ФС-К2	30*10^-3

Кроме инерционности всякому фоторезистору присуща и температурная зависимость. То есть их сопротивление зависит от температуры и определяется температурным коэффициентом фототока [3]:

где , характеризующая относительное изменение фототока при изменении температуры на 1 градус. Эта величина для фоторезисторов лежит в пределах ( ) .

ВЕНТИЛЬНЫЕ ФОТОЭЛЕМЕНТЫ

Вентильных фотоэлементов достаточно большое количество: это и фотодиод, и фототранзистор, и фототиристор, и фотосимистор. На основе этих элементов делают оптроны, фотореле и солнечные батарейки. Рассмотрим более подробно первых двух преобразователях – это фотодиод и фототранзистор. Про другие отметим их главные черты и особенности.

а) Фотодиод.

Фотодиод – быстродействующее линейное устройство, которое обладает высокой квантовой эффективностью, и генерирует фототок, когда свет поглощается в объедненной области полупроводникового перехода. [6].

Фотодиод по структуре аналогичен обычному полупроводниковому диоду. Отличие состоит в том, что его корпус снабжен дополнительной линзой, создающей внешний световой поток, направленный, как правило, перпендикулярно плоскости р-n-перехода. Прибор может работать в режимах фотопреобразователя и фотогенератора [5].

В режиме фотопреобразователя в цепь фотодиода включают внешний источник питания (см. рис.5), обеспечивающий обратное смещение р-n-перехода. Если переход не освещен, то создается обратный темновой ток. При освещении перехода к темновому току добавляется" фототок, значение которого не зависит от приложенного напряжения и пропорционально интенсивности светового потока Ф [5].

В режиме фотогенератора фотодиод сам является источником фото-ЭДС (см. рис.6), значение которой пропорционально интенсивности светового потока. Типовое значение фото-ЭДСкремниевого фотодиода составляет 0,5 ... 0,55 В.

Маркировка фотодиода содержит буквы ФД (фотодиод) и цифру (порядковый номер разработки, например ФД-3).

Рисунок 5. – Фотодиод в режиме фотопреобразователя

Рисунок 6. – Фотодиод в режиме фотогенератора

Чувствительность фотодиода определяется как отношение генерируемого фототока к световому потоку падающего излучения на заданной длине волны:

Для большинства фотодиодов этот показатель составляет до

Максимальное рабочее напряжение для фотодиодов составляет порядка 20 В.

Говоря о фотодиоде, стоит упомянуть о таком понятии, как темновой ток. Темновой ток – это ток утечки, который растет при увеличении напряжения обратного смещения. При работе в фотодиодном режиме наблюдаются более высокие значения темнового тока, которые зависят от температуры окружающей среды. При увеличении температуры на 10 °C величина темнового тока увеличивается примерно в 2 раза [6]. Значения этого параметра измеряются от пикоамперов до микроамперов.

Темновой ток также зависит от материала полупроводника и размера активной области. Например, у кремниевых фотодиодов значения темнового тока значительно ниже, чем у германиевых. В таблице 3 ниже представлены различные полупроводниковые материалы и их относительные значения темнового тока, чувствительности, быстродействия и стоимости [6].

Таблица 3. – Параметры фотодиодов

Материал	Темновой ток	Быстродействие	Спектральный диапазон	Стоимость
Кремний (Si)	Низкий	Высокое	Видимый – Ближний ИК	Низкая
Германий (Ge)	Высокий	Низкое	Ближний ИК	Низкая
Фосфид галлия (GaP)	Низкий	Высокое	УФ - Видимый	Средняя

Таблица 3 (продолжение). – Параметры фотодиодов

Арсенид галлия-индия (InGaAs)	Низкий	Высокое	Ближний ИК	Средняя
Антимонид арсенида индия (InAsSb)	Высокий	Низкое	Ближний – Средний ИК	Высокая

б) Фототранзистор.

Фототранзистор имеет структуру, аналогичную структуре биполярного транзистора (см. рис. 7). Он обладает более высокой чувствительностью, чем фотодиод. Световой поток воздействует перпендикулярно плоскости эмиттерного р-n-перехода, генерируя в базе пары носителей заряда. Неосновные для базы носители заряда притягиваются коллекторным переходом, увеличивая коллекторный ток. Однако этот ток является только частью тока коллектора, так как уход из базы неосновных носителей создает в ней нескомпенсированный объемный заряд основных носителей. Этот заряд снижает потенциальный барьер эмиттерного перехода. В результате происходит увеличение количества носителей заряда, инжектируемых эмиттером в область базы, а следовательно, и увеличение коллекторного тока. Таким образом, в фототранзисторе происходит усиление фототока, что и объясняет большую чувствительность его по сравнению с фотодиодом [5].

Рисунок 7. – Структура фототранзистора

Условное графическое изображение фототранзистора приведено на рисунке 8 (см.рис.8).

Рисунок 8. – УГО фототранзистора

Также стоит отметить, что фототранзисторы по сравнению с фотодиодами имеют относительно низкое быстродействие. Это обусловлено конечным временем рассасывания неосновных носителей в базе при снижении освещённости.

Для фототранзисторов диапазон рабочих частот ограничен, в зависимости от схемы включения, несколькими сотнями кГц - единицами МГц.

Основное преимущество фототранзисторов по сравнению с фотодиодами — высокая чувствительность к потоку излучения (может достигать несколько сотен ). У фотодиодов, как мы отметили выше, этот показатель составляет до

Даже в отсутствие освещения через прибор протекает некоторый ток, называемый темновым током. Этот ток вреден для регистрации слабых световых потоков, так как «маскирует» полезный сигнал и при изготовлении фототранзисторов его стремятся уменьшить разными технологическими приемами. Кроме того, величина темнового тока существенно зависит от температуры полупроводниковой структуры и нарастает при её повышении приблизительно так же, как и обратный ток p-n перехода в любом полупроводниковом приборе.

Примеры марок для фототранзистора: ФТ1-К (кремневый), ФТ1-Г (германиевый).

в) фототиристор и фотосимистор.

Фототиристор — это фотоэлектронный прибор, имеющий структуру, схожую со структурой обычного тиристора и отличается от последнего тем, что включается не напряжением, а светом, освещающим затвор. При освещении фототиристора в полупроводнике генерируются носители заряда обоих знаков (электроны и дырки), что приводит к увеличению тока через тиристор на величину фототока

Фотосимистор – это такой же симистор, но с фотоэлектронным (световым) управлением, а не электрическим.

г) оптопара.

Оптоэлектронный прибор содержит одновременно источник и приемник световой энергии. Для оптопары как входным, так и выходным параметром является электрический сигнал, причем гальваническая связь между входной и выходной цепями отсутствует. В качестве излучателя оптопары могут быть использованы инфракрасный излучающий диод, светоизлучающий диод, люминесцентный излучатель или полупроводниковый лазер. Наибольшее распространение в настоящее время получил инфракрасный излучающий диод, что объясняется простотой его структуры, управления и высоким КПД. В качестве приемника оптопары находят применение рассмотренные выше фотоэлектрические приборы: фоторезистор, фотодиод, фототранзистор и др. Следует отметить, что оптопара позволила создать аналог разделительного трансформатора, что является особенно актуальным в интегральной микроэлектронике. Условные обозначения оптопары, включающей различные приемники, приведены на рис. 9 (см. рис.9) [5].

Рисунок.9 – Оптопары.

д) Солнечные батареи.

Преобразователи с внутренним фотоэффектом достаточно широко применяются и в солнечной энергетики. Они заложен в структуру солнечной батареи, которая преобразует солнечную энергию в постоянный электрический ток.

Дата добавления: 2018-11-24; просмотров: 563; Мы поможем в написании вашей работы!

Поделиться с друзьями:

⇐ Предыдущая 123 4 5 Следующая ⇒

Мы поможем в написании ваших работ!