6. Фотоэлектронные приборы

Фотоэлектронными называются полупроводниковые приборы, предназначенные для преобразования энергии электромагнитного излуче­ния в электрическую энергию.

Диапазон волн, в котором работают полупроводниковые приборы, простирается от 0,2 до 20 мкм. Они подразделяются на приемники лучистой энергии, фотогальванические элементы и индикаторные приборы. К первой группе относятся: фоторезисторы, фотодиоды, фототранзисторы, фототиристоры, ко второй – полупроводниковые элементы, в том числе солнеч­ные батареи, к третьей – светодиоды, электролюминисцентные конденсаторы и ряд других.

6.1. Фоторезисторы

Это полупроводниковые приборы, электрическое сопротивление которых изменяется под действием светового потока. В этих приборах используется фоторезистивный эффект, т.е. измене­ние электрического сопротивления полупроводника, не связанное с его нагреванием.

Изготавливается фоторезистор из прессованного порошка полупро­водникового материала или же полупроводниковый материал напыляется на диэлектрическую подложку. Затем методом напыления получают контактные площадки, которые соединяются с внешними выводами. Ра­бочая площадь фоторезистора находится в пределах 0,5 … 30 мм². Материал для их изготовления берется из группы А^II В^VI (CdS, CdSe) или группы А^IV В^VI (PbSe, PbS). Основными характеристиками фоторезисторов являются: вольт-амперная, энергетическая и спектральная рис. 6.1, а, б, в соответственно. На рис. 6.1, в кривая 1соответствует соединению CdS, 2 – CdSе, 3 – PbS, 4 –PbSe.

а б в

Рис. 6.1

К параметрам фоторезистора относятся: токовая чувствительность S_I =

=I_ф /Ф, монохроматическая S_λ = I_Ф/Ф_λ и удельная интегральная чувствительность S_{ф.инт.уд.}= I_ф / ФU, темновое сопротивление R_T при Ф = 0, граничная частота, температурный коэффициент фототока | Ф = const и ряд других. Примеры фоторезисторов СФ2-1(5,9,16).

6.2. Фотодиоды

Полупроводниковые диоды, в которых под дейст­вием падающего светового потока образуются подвижные носители за­рядов, создающие дополнительный ток через обратно-смещенный р-n- переход, называют фотодиодами. Принципиальное устройство приведено на рис. 6.2. В таблет­ку германия n-типа вплавляется таблетка индия, что приводит к образованию р-n - перехода. Толщина участка полупроводника от облучаемой поверхности до границы p-n- перехода l должна быть не более диффузионной длины носителей заряда (l < L_диф.) рис. 6.2.

Рис. 6.2

Кроме обыкновенных р-n-переходов, могут использоваться переходы р- i-n- структуры, ДБШ- и гетеропереходы. Рабочим режимом являет­ся подключение обратного напряжения к диоду.

Основными характеристи­ками являются: вольтамперная, спектральная, энергетическая и частот­ная, рис. 6.3, а –г соответственно. На рис. 6.3, б кривая 1 соответствует германиевому диоду, 2 – кремниевому.

Рис. 6.3

6.3. Фотогальванические элементы

Полупроводниковыми фотоэлементами называют приборы, принцип действия которых основан на фотогальваническом эффекте – явлении возникновения фото э.д.с. в электрическом переходе при облучении его световым потоком.

Для изготовления фотогальванического элемента используются такие материалы, как Se и Si . На металлическую пластину тол­щиной 1…2 мм методом термического испарения в вакууме наносится слой селена р-типа и это соединение прогревается при температуре 200…210 С. Затем на слой селена напыляется пленка состава Сd, Ga или In. При последующей термообработке на поверхности селена образуется селенистое соединение n- типа толщиной около 50 мкм, таким способом получают р-n- переход. Вольт-амперная характеристика облученного р-n-перехода приве­дена на рис. 6.4. Первый квадрант – диффузионная ветвь, третий – характеристика фотодиодно­го включения, четвертый – характе­ристика полупроводникового фотоэле­мента.

Принцип действия фотоэлемента можно пояснить с помощью рис. 6.5.

Рис. 6.4 Рис. 6.5

Под воздействием светового потока генерируются пары носите­лей электрон – дырка и при величине светового потока hυ ≥ ΔW электроны из валентной зоны переходят в зону проводимости и затем под воздействием контактной разности потенциалов перебрасываются в n-область, что приводит к изменению ЭДС на внешних выводах, т.е. появляется фото-ЭДС.

Спектральная характеристика фотоэлемента приведена на рис. 6.6: 1– селеновый, 2 – сернисто серебряный, 3 – кремниевый, кривая 4 соответствует видности глаза.

Рис. 6.6

Вольт-амперная и энергетическая характеристики фотоэлементов изображены на рис. 6.7, а, б соответственно.

.

а б

Рис. 6.7

Основные параметры фотоэлементов:

1. Интегральная чувствительность 300…700 мкА / лм;

2. Величина фото-ЭДС. Е_Ф = 0,5 … 0,6 В для селеновых фото­элементов.

3. Коэффициент полезного действия: к.п.д. η = (U_R*I) / Ф

Для селеновых фотоэлементов η = 1…2 %, сульфида кадмия η = 8 %, арсенида галлия η = 13 %, для кремния η = 15…19 %.

Важным параметром является отношение мощности солнечной батареи к ее массе. Например, для арсенидгаллиевых батарей это отношение составляет 50 Вт / кг, для сульфид-кадмиевых – 200 Вт/кг.