2. 2. Фотоэлектрические приборы, работающие в качестве приемников излучений
2. 2. 1. Фоторезистор
Фоторезистор представляет собой
полупроводниковый резистор, сопротивление
которого меняется под действием
излучения. Принцип устройства
фоторезистора поясняется на рис. 1 а.
Н
а
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 RТ, 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.
2.2.2. 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 Iо, 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.
2. 2. 3. 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, (ЕФ). 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.