6.3. Фоторезисторы
Фоторезистор представляет собой полупроводниковый резистор, сопротивление которого изменяется под действием излучения.
Рис.6.7. Схема включения фоторезистора
Схема включения фоторезистора приведена на рис.6.7. Полярность источника питания не играет роли.
Если облучения нет, фоторезистор имеет некоторое большое сопротивление RТ, называемое темновым. Оно является одним из параметров фоторезистора и составляет 104 – 107 Ом. Соответствующий ток через фоторезистор называют темновым током. При действии излучения на фоторезистор его сопротивление уменьшается.
Фоторезисторы характеризуются удельной чувствительностью S, т.е. интегральной чувствительностью (отношение фототока к вызвавшему его потоку белого света) S=I/(ФU), где Ф – световой поток.
Обычно удельная чувствительность составляет несколько сотен или тысяч микроампер на вольт-люмен.
Фоторезисторы имеют линейную вольт-амперную и нелинейную энергетическую характеристику (рис.6.8). К параметрам фоторезисторов относятся также максимальное допустимое напряжение (до 600В), кратность изменения сопротивления, температурный коэффициент фототока.
Рис.6.8. ВАХ(а) и энергетическая (б) характеристика фоторезистора
К недостаткам фоторезисторов следует отнести значительную зависимость сопротивления от температуры, большую инерционность и значительный уровень собственных шумов.
6.4. Фотодиоды
Фотодиоды представляют собой полупроводниковые диоды, в которых используется зависимость обратного тока от светового потока. Такой режим работы называется фотодиодным (рис.6.9). Вольт-амперные характеристики для фотодиодного режима приведены на рис.6.10.
Рис.6.9. Схема включения фотодиода для работы в фотодиодном режиме
Рис.6.10. Вольт-амперные характеристики фотодиода для фотодиодного режима
Если светового потока нет, то через фотодиод протекает начальный ток I0, который называют темновым. Под действием светового потока ток в диоде возрастает и характеристика располагается выше. Чем больше световой поток, тем больше ток. Повышение обратного напряжения на диоде незначительно увеличивает ток. При некотором напряжении возникает электрический пробой (штриховые участки характеристик). Энергетические характеристики фотодиода линейны и мало зависят от напряжения (рис.6.11).
Интегральная чувствительность фотодиода обычно составляет десятки миллиампер на люмен. Инерционность фотодиодов невелика, они могут работать на частотах до сотен мегагерц.
Рис.6.11. Энергетические характеристики фотодиода
Фотодиоды, работающие в режиме фотогенератора (фотогальванический режим), служат для преобразования энергии излучения в электрическую энергию. По существу, они представляют собой фотодиоды, работающие без источника внешнего напряжения и создающие собственную ЭДС под действие излучения. Схема включения диода в фотогенераторном режиме и зависимость фото-ЭДС от светового потока приведены на рис.6.12, 6.13.
Рис.6.12. Схема включения диода в фотогенераторном режиме
Рис.6.13. Зависимость фото-ЭДС от светового потока
При облучении фотодиода на его выводах возникает разность потенциалов, которую называют фото-ЭДС. С увеличением светового потока фото-ЭДС растет по нелинейному закону, ее значение 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, и ЭДС их достигает 0.5 В. Из таких элементов путем последовательного и параллельного соединения создаются солнечные батареи, которые обладают сравнительно высоким КПД (до 20%) и могут развивать мощность до нескольких киловатт. Пока энергия, вырабатываемая солнечными элементами, примерно в 50 раз дороже энергии, получаемой из угля, нефти или урана. Ожидается, что эта величина будет снижаться.
Солнечные батареи из кремниевых фотодиодов – это основные источники питания на искусственных спутниках Земли, космических кораблях, автоматических метеостанциях и др. В южных странах солнечные батареи повсеместно используются для генерации электроэнергии для бытовых нужд. Практическое применение солнечных батарей непрерывно расширяется.