4 Лабораторная работа № 1 исследование фотоэлектрических приборов
Цель работы
Изучение принципа действия фотоэлектрических приборов, исследование их характеристик и определение параметров.
Краткие теоретические сведения
4.2.1 Общие сведения
Фотоэлектрические приборы предназначены для преобразования лучистой энергии в электрический сигнал (сопротивление, ЭДС, ток). Работа фотоэлектрических приборов основана на фотоэлектрических явлениях: внешний, внутренний фотоэффект и фотогальванический эффект.
Внешний фотоэффект - это явление выхода электронов за пределы поверхности вещества под действием излучения. Явление внешнего фотоэффекта используется при создании электровакуумных, газонаполненных фотоэлементов и фотоэлектронных умножителей.
Внутренний эффект - это явление возбуждения носителей заряда под действием излучения, приводящее к изменению их концентрации в зоне проводимости и, как следствие, к изменению электрического сопротивления (проводимости) полупроводниковых материалов. Явление внутреннего фотоэффекта используется при создании фоторезисторов, фотодиодов, фототранзисторов.
Фотогальванический эффект - это явление появления ЭДС на выводах сложных полупроводниковых структур при воздействии на них лучистой энергии. Этот эффект используется при разработке фотоэлектрических генераторов.
4.2.2 Фоторезистор
Фоторезистор - полупроводниковый прибор с внутренним фотоэффектом в котором используется явление изменения проводимости под воздействием оптического излучения. Фоторезистор предназначен для преобразования светового потока в электрический сигнал (сопротивление).
Схематично устройство показано на рисунке 4.1а. Основной частью фоторезистора является полупроводниковый слой (1), снабженный выводами (2) и расположенный на подложке из диэлектрика (3). Сверху на полупроводниковый слой наносится прозрачное защитное покрытие (лак, стекло) (4).
а б
а - конструкция (схематично); б - зонная диаграмма.
Рисунок 4.1 - Фоторезистор
В качестве полупроводниковых материалов в фоторезисторах используются: германий, кремний, селен; сульфиды, селениды и теллуриды висмута, свинца и таллия.
Принцип действия. При воздействии на полупроводник светового потока происходит увеличение концентрации носителей в зоне проводимости. Возможны два механизма изменения концентрации носителей: непосредственно за счет поглощения света электроном и тепловой.
Если кванты световой энергии поглощаются непосредственно электронами и энергия кванта равна или больше ширины запрещенной зоны полупроводника, то возможен непосредственный переход электрона из валентной зоны в зону проводимости (рисунок 4.1б). Кроме того, поглощение световой энергии осуществляется и кристаллической решеткой полупроводника, что эквивалентно повышению температуры полупроводника, а это, как известно, приводит к генерации носителей заряда. Тепловой механизм повышения концентрации носителей действует и при энергии квантов световой энергии меньшей ширины запрещенной зоны.
Характеристики фоторезисторов. Спектральная характеристика (рисунок 4.2а) - это зависимость фототока (чувствительности) резистора от частоты светового потока. Формула Энштейна для энергии кванта светового потока имеет вид:
где h - постоянная Планка;
-
частота электромагнитных колебаний.
а б в
а - спектральная; б - семейство вольтамперных; в - энергетическая
Рисунок 4.2 - Характеристика фоторезистора
Исходя из зонной теории представления полупроводника (рису- нок 4.1б) можно предположить, что при частоте светового потока
(2)
проводимость полупроводника должна резко возрасти, т.е. зависимость фототока должна иметь максимум на частоте гр. На частотах меньших гр образование носителей носит тепловой характер и их количество незначительно. На частотах больших гр уменьшение фототока связано с уменьшением глубины проникновения светового излучения в полупроводник; увеличением процесса рекомбинации носителей заряда (так как их концентрация резко возрастает) и более сложными эффектами.
ВАХ фоторезистора - это зависимость тока через фоторезистор от приложенного напряжения. Она имеет линейный характер в пределах допустимой мощности рассеяния. Семейство ВАХ при различных световых потоках приведено на рисунке 4.2б. С ростом светового потока проводимость фоторезистора возрастает (большее число носителей переходит в зону проводимости), следовательно, возрастает и фототок. При Ф = 0 через резистор протекает темновой ток.
Энергетическая характеристика (рисунок 4.2в) - это зависимость фототока от величины светового потока. Характеристика линейна при небольших световых потоках (участок 1). При Ф > Фmax (участок 2) из-за увеличения концентрации неравновесных носителей возрастает вероятность их рекомбинации и линейность характеристики нарушается. Кроме того, характеристика начинается не из начала координат, а из точки, соответствующей темновому току.
Параметры фоторезисторов. Статическая удельная чувствительность определяется соотношением:
,
где: Iф - световой ток;
Ф - световой поток;
U - напряжение.
Дифференциальная удельная чувствительность определяется соотношением:
,
где Iф - изменение тока через фоторезистор;
Ф - изменение светового потока.
Кроме того, различают интегральную и спектральную чувствительности. Если фоторезистор облучается немонохроматическим потоком заданного спектрального состава, в этом случае говорят об интегральной чувствительности. Если чувствительность определяется на какой-то одной частоте светового потока, то эта чувствительность называется спектральной (монохроматической).
Темновое сопротивление (Rт) - это сопротивление фоторезистора при отсутствии светового потока.
Кратность - это отношение Rт к сопротивлению резистора при заданной освещенности.
Световое сопротивление - это сопротивление фоторезистора при заданном световом потоке. Rсв может быть определено по ВАХ резистора в соответствии с законом Ома (рисунок 4.2б).
Световое сопротивление фоторезистора можно определить из выражения:
где К - чувствительность;
Е - освещенность;
S - площадь окна фоторезистора.
Постоянная нарастания и спада фототока характеризует инерционные свойства фоторезистора - это время за которое фототок изменяется в «е» раз после мгновенного затемнения или освещения фоторезистора.