Фотоэлектрические приборы

Фотоэлектрические приборы
Фотоэлектрическим прибором называется преобразователь лучистой
энергии, благодаря которой изменяются электрические свойства вещества,
содержащегося в этом приборе. В большинстве случаев фотоэлектрические
приборы являются приёмниками электромагнитных излучений оптического
диапазона, к которому относят ультрафиолетовое , видимое и инфракрасное
излучение с длиной волны от десятков нанометров до десятых долей
миллиметра. Как известно видимое излучение лежит в диапазоне длин волн
0,38-0,78 мкм. Работа фотоэлектрических приборов основана на
фотоэлектрических явлениях (фотоэффектах). Различают 2 вида
фотоэффекта: внутренний и внешний.
Внутренний фотоэффект – возбуждение электронов вещества, т.е. переход
их на более высокий энергетический уровень под действием излучения,
благодаря чему изменяются концентрация свободных носителей заряда, а
следовательно, и электрические свойства вещества.
Внутренний фотоэффект наблюдается лишь в полупроводниках и
диэлектриках. В металлах лучистая энергия оптического диапазона
воздействует только на свободные электроны, их концентрация при
освещении металла не изменяется, поэтому внутренний фотоэффект
отсутствует. При освещении полупроводников и диэлектриков часть
валентных электронов увеличивает свою энергию за счёт лучистой энергии,
преодолевает запрещенную зону и переходит в зону проводимости. У
диэлектриков ширина запрещенной зоны имеет большую величину, поэтому
внутренний фотоэффект в них проявляется гораздо слабее, чем в
полупроводниках.
Лучистая энергия излучается и поглощается веществом в виде квантов
(фотонов) величиной hν, где h = 6,62*10-34Дж·с – постоянная Планка, а ν –
частота излучения.
Внутренний фотоэффект может проявляться в виде изменения электрической
проводимости в однородных полупроводниках или создания э.д.с. в
неоднородных полупроводниках. Его используют в фоторезисторах, в
фотодиодах и фототранзисторах.
Внешний фотоэффект – это фотоэлектронная эмиссия, т. е. выход
электронов за пределы поверхности вещества под действием излучения.
Фотоэлектронная эмиссия в большей или меньшей степени может
происходить в любом веществе.
Внешний фотоэффект лежит в основе работы электронных и ионных
фотоэлементов, а также фотоэлектронных умножителей.
Фоторезисторы
Фоторезистором называют полупроводниковый фотоэлектрический прибор
с внутренним фотоэффектом, в котором используется явление
фотопроводимости, т. е. изменения электрической проводимости
полупроводника при его освещении. Впервые явление фотопроводимости
было обнаружено у селена в 1873 г. У. Смитом.
Хотя внутренний фотоэффект наблюдается во всех полупроводниках, в
фоторезисторах используют лишь некоторые из них, обладающие наиболее
высокой фотопроводимостью. К ним относятся сульфиды, селениды и
теллуриды таких металлов, как кадмий, висмут, свинец и таллий, некоторые
окислы, интерметаллические соединения, а также селен, германий и
кремний.
Устройство фоторезистора показано на рисунке. Пластинка или пленка
полупроводникового материала 1 закреплена на подложке 2 из
непроводящего материала – стекла, керамики или кварца. Световой поток
падает на фотоактивный материал, через специальное отверстие (окно)в
пластмассовом корпусе. В качестве электродов используют металлы, не
подвергающиеся коррозии (платина, золото) и образующие хороший контакт
с полупроводником. Для защиты от внешних воздействий поверхность
фотоактивного материала покрывают слоем прозрачного лака.
Рисунок. Устройство и схема включения фоторезистора.
Если к неосвещенному фоторезистору подключить источник питания Еа, то в
электрической цепи появится небольшой ток, называемый темновым током,
обусловленный наличием в неосвещенном полупроводнике некоторого
количества свободных носителей заряда.
При освещении фоторезистора ток в цепи сильно возрастает за счет
увеличения концентрации свободных носителей заряда. Разность токов при
наличии и отсутствии освещения называется фототоком, величина которого
зависит от интенсивности освещения, величины приложенного напряжения, а
также вида и размеров полупроводника, используемого в фоторезисторе.
Вольт-амперные характеристики большинства фоторезисторов линейны
(рисунок), однако в некоторых случаях при повышении напряжения
линейность нарушается.
Рисунок. Вольт-амперные характеристики фоторезистора.
Преимущества фоторезисторов: высокая чувствительность, возможность
использования в инфракрасной области спектра излучения, небольшие
габариты и возможност9ь работы в цепях постоянного и переменного токов.
Фотодиоды
Рисунок. Устройство фотодиода.
Фотодиоды – полупроводниковые фотоэлектрические приборы с
внутренним фотоэффектом, имеющие один электронно – дырочный переход
и два вывода. Фотодиоды могут работать в одном из двух режимов:
1. Без внешнего источника питания (режим фотогенератора);
2. С внешним источником питания (режим фотопреобразователя).
В первом режиме используется фотогальванический эффект –
разновидность внутреннего фотоэффекта, связанная с образованием разности
потенциалов (фото – э.д.с.) при освещении неоднородного полупроводника.
В этом случае фотодиод представляет собой фотогальванический элемент,
преобразующий лучистую энергию в электрическую. Фотодиоды, как и
обычные полупроводниковые диоды, состоят из двух примесных
полупроводников с различными типами электропроводимости, на границе
между которыми создаётся p-n-переход. Фотодиоды изготовляют из
германия, кремния, селена, сернистого серебра, арсенида индия, сульфида
кадмия, теллурида кадмия и других полупроводниковых материалов. Обычно
устройство фотодиодов таково, что световой поток при освещении прибора
направлен перпендикулярно плоскости p-n-перехода. При отсутствии
освещения и внешнего источника питания в области p-n-перехода возникает,
как и в любом полупроводниковом диоде, потенциальный барьер,
обусловленный неподвижными носителями заряда – положительными
ионами в n – области и отрицательными ионами в р – области.
При падении светового потока на фотодиод, фотоны, проходя в толщу
полупроводника, сообщают части валентных электронов энергию,
достаточную для перехода их в зону проводимости. В результате в обеих
областях увеличивается число дырок и электронов. Под действием
контактной разности потенциалов (потенциального барьера) p-n-перехода
неосновные носители заряда n-области – дырки – переходят в р – область, а
неосновные носители заряда р-области – электроны – в n-область. Таким
образом, в n-области появляется избыточное число электронов, а в р-области
– избыточное число дырок. Это приводит к созданию на зажимах фотодиода
при разомкнутой внешней цепи разности потенциалов, называемой фотоэ.д.с.
Фотодиоды, работающие в режиме фотогенератора, часто применяют в
качестве источников питания, преобразующих энергию солнечного
излучения в электрическую энергию. Они называются солнечными
элементами и входят в состав солнечных батарей, используемых в
космических кораблях. Для питания наземных устройств солнечные батареи
не находят широкого применения, так как их к.п.д. не высок. Теоретически
максимально допустимый к.п.д. солнечных элементов составляет около 30%.
Из полупроводниковых материалов, обеспечивающих наиболее высокий
к.п.д., в солнечных элементах используют кремний, фосфид индия, арсенид
галлия, теллурид кадмия и др. Наиболее широко распространены кремниевые
солнечные элементы, их к.п.д. равен 19%.
Если к неосвещенному фотодиоду подключить источник напряжения,
величину и полярность которого можно изменять, то снятые при этом вольтамперные характеристики будут иметь такой же вид, как и у обычного
полупроводникового диода.
Режим фотопреобразователя соответствует подаче напряжения на фотодиод в
запирающем направлении (участок ав на рисунке.).
Рисунок. Вольт-амперные
фотодиоада
Вольт-амперные
характеристики фотодиода
в режиме фотогенератора.
Существенным недостатком фотодиодов является зависимость значений из
параметров от температуры. В частности, темновой ток возрастает почти
вдвое при повышении температуры на 10С, что ограничивает в ряде случаев
применение фотодиодов. При этом следует иметь в виду, что кремниевые
фотодиоды более стабильны.
По сравнению с фоторезисторами фотодиоды являются более
быстродействующими, но имеют меньшую чувствительность.
Фототранзисторы
Фототранзистор – полупроводниковый фотоэлектрический прибор с двумя pn-переходами. Чаще всего фототранзистор изготовляют как обычный
плоскостной транзистор из германия или кремния, но лишь с двумя
выводами – коллекторным и эмиттерным. Устройство и схема включения
фототранзистора приведены на рисунке.
Рисунок. Устройство и схема включения фототранзистора.
В фототранзисторе типа p-n-р используют источник коллекторного
напряжения, который включают так, чтобы коллектор имел отрицательный
относительно эмиттера потенциал. Световой поток Ф падает на базовую
область, поэтому эмиттер делают тонким и небольших размеров. Под
действием фотонов в базе образуются новые пары носителей заряда –
электроны и дырки. В фототранзисторе типа p-n-р неосновные носители
заряда в базе (дырки) движутся через коллекторный переход, поле которого
является для них ускоряющим, на коллектор, создавая фототок Iф.
Электроны, остающиеся в базе, воздействуют на эмиттерный переход,
уменьшая высоту потенциального барьера, что способствует переходу дырок
из эмиттера в базу. Эти дырки движутся через базу на коллектор, вызывая
усиление фототока фототранзистора.
Чувствительность фототранзистора значительно выше чувствительности
фотодиода и составляет 0,5-1,0 А/лм. Параметры фототранзисторов, так же
как и фотодиодов, сильно зависят от температуры.
Фототиристоры
Фототиристор – полупроводниковый фотоэлектрический прибор с тремя pn-переходами, в вольт-амперной характеристике которого имеется участок,
соответствующий отрицательному дифференциальному сопротивлению.
Фототиристоры. Аналогично обычным тиристорам их изготовляют обычно
из кремния в виде структуры p-n-р- n.
Рисунок. Схема включения
фототиристора
Вольт-амперные характеристики
фототиристора
Источник напряжения подключают к фототиристору таким образом, чтобы
напряжение на переходы П1 и П3 подавалось в прямом направлении, а на
переход П2 – в обратном. При отсутствии освещения работа фототиристора
не отличается от работы обычного тиристора. Вольт-амперная
характеристика фототиристора при световом потоке Ф=0 соответствует
характеристике тиристора при управляющем токе Iy = 0. Если напряжение,
подведенное к фототиристору, не превышает напряжения Uвкл, при котором
происходит резкое увеличение тока тиристора за счёт лавинного умножения,
то ток фототиристора, обусловленный движением неосновных носителей
заряда через переход П2, имеет очень небольшую величину и представляет
собой темновой ток.
При освещении фототиристора за счёт энергии фотонов в освещаемой
области полупроводника возникают новые свободные носители заряда
(электроны и дырки). Электроны, возникшие в р2-области базы и являющиеся
для неё неосновными носителями заряда, диффундируют к переходу П2, поле
которого является ускоряющим, и попадают в n1-область базы. Часть
электронов проходит через переход П1 и попадает на анод, увеличивая ток
фототиристора. Другая часть электронов, приближаясь к переходу П1,
рекомбинирует с неподвижными положительными ионами, уменьшая тем
самым толщину р-n-перехода и высоту потенциального барьера. Благодаря
этому облегчаются условия для инжекции дырок из р1-области базы в n1область базы, что приводит к увеличению тока фототиристора. В то же время
дырки, образованные в р2-области базы за счет ее освещения, уменьшают
высоту потенциального барьера перехода П3, что также способствует
увеличению тока фототиристора.
Составляющая тока, обусловленная процессами, вызванными освещением
полупроводниковых слоев, представляет собой фототок фототиристора. При
увеличении светового потока Ф напряжение Uвкл уменьшается. Таким
образом, световой поток Ф при работе фототиристора играет такую же роль,
как управляющий ток Iy при работе обычного тиристора.
Значения параметров фототиристоров существенно зависят от температуры.
Электронные фотоэлементы
Рисунок. Устройство и условное графическое обозначение электронного фотоэлемента.
Электронный фотоэлемент – электровакуумный прибор, два электрода
которого –катод и анод – помещены в стеклянную колбу. В колбе
фотоэлемента создаётся такой же вакуум, как и в электронных
электровакуумных приборах.
Катодом К фотоэлемента (рисунок) является тонкий слой
светочувствительного материала (с малой величиной работы выхода),
нанесенного на внутреннюю поверхность колбы. Площадь катода достигает
нескольких квадратных сантиметров. Фотокатоды изготавляют из
материалов, являющихся эффективными эмиттерами электронов при
освещении их потоками излучения соответствующей длины волны.
Под действием электромагнитного излучения, в том числе светового,
электроны вещества, поглощающего это излучение, могут получить
дополнительную, достаточную для преодоления потенциального барьера на
границе между веществом и окружающей средой. Энергия, необходимая для
преодоления сил, удерживающих электроны в веществе, характеризуется
работой выхода Авых, величина которой для многих материалов составляет
единицы электронвольт.
Аналитическое выражение закона Энштейна имеет вид
hv = Aвых+(mv2)/2
обычно в фотоэлементах применяют серебряно-кислородно-цезиевые,
сурьмяно-цезиевые и многощелочные фотокатоды. Серебряно-кислородноцезиевые фотокатоды изготовляют из окиси цезия с примесью свободного
цезия и свкраплениями серебра. Сурьмяноцезиевые фотокатоды получают
при взаимодействии пленки сурьмы с парами цезия, а многощелочные
фотокатоды – путём обработки слоя сурьмы парами калия, натрия и цезия. В
фотоэлементах, предназначенных для работы в области ультрафиолетового
излучения, иногда применяются сурьмяно-калиевые фотокатоды.
Анод А фотоэлемента выполняют из никеля в виде проволочного кольца,
петли или тонкой металлической сетки, что позволяет свободно пропускать
световой поток на катод. Выводы катода и анода оформляют в одном или в
двух разнесенных цоколях.
Условное графическое обозначение электронных фотоэлементов приведено
на рисунке.
Если к фотоэлементу, на катод которого падает световой поток Ф, приложено
анодное напряжение Ua, то в цепи появится фототок Iф через нагрузочный
резистор Rн. величина фототока, как следует из закона Столетова, при
определенных условиях пропорциональна световому потоку. Таким образом,
энергетическая характеристика фототока электронного фотоэлемента
практически линейна в большом диапазоне изменения световых потоков.
Рисунок. Схема включения электронного фотоэлемента.
Вольт-амперные характеристики электронных фотоэлементов имеют вид,
показанный на рисунке.
Рисунок. Вольт-амперные характеристики электронных фотоэлементов.
При малых анодного напряжения Ua характеристики имеют крутой подъём.
Это объясняется тем, что при низких напряжениях Ua только небольшая
часть эмитированных фотокатодом электронов попадает на анод, площадь
которого очень мала по сравнению с катодом. С повышением анодного
напряжения все большее число свободных электронов, находящихся в колбе,
стягивается к аноду. По мере нарастания анодного напряжения этот процесс
происходит очень интенсивно, что и обуславливает крутой подъем
характеристик. В режиме работы фотоэлемента, соответствующем точке
перегиба характеристики, все электроны, находящиеся в его колбе,
достигают анода. В результате этого натсупает режим насыщения, который
является рабочим режимом фотоэлемента. Величины рабочих напряжений,
соответствующих этим участкам, для разных типов электронных
фотоэлементов лежат в диапазоне 90-240 В.
Электронные фотоэлементы являются быстродействующими
фотоэлектронными приборами.
Фотоэлектронные умножители
Рисунок. Устройство фотоэлектронного умножителя.
Фотоэлектронным умножителем (ФЭУ) называют электровакуумный
прибор, в котором ток фотоэлектронной эмиссии. Фотоэлектронный
умножитель помимо фотокатода и анода содержит один или несколько
электродов, являющихся эмиттерами вторичных электронов и называемых
динодами. Число диодов в современных ФЭУ может достигать 14. Наличие
динодов позволяет создавать многократное внутреннее усиление фототока. В
колбе фотоэлектронного умножителя создается такая же разреженность, как
и в электронном фотоэлементе.
Промышленностью выпускается множество различных типов
фотоэлектронных умножителей. Наибольшее распространение получили
фотоэлектронные умножители с электростатическим управлением и
фокусировкой потоков электронов. Устройство фотоэлектронного
умножителя такого типа показано на рисунке.
С помощью фотоэлектронного умножителя можно измерять световые потоки
до 10-9лм.