Глава 14. Фотоэлектрические приборы

14.1. Общие сведения

Фотоэлектрическим (фотоэлектронным) прибором называют преобразователь энергии оптического излучения в электрическую.

К оптическим относят ультрафиолетовое, видимое и инфракрасное излучения. Работа фотоэлектрических приборов основана на фотоэлектрических явлениях (фотоэффектах). Различают два вида фотоэффекта: внутренний и внешний.

Внутренний фотоэффект – возбуждение электронов вещества, т.е. переход их на более высокий энергетический уровень под воздействием излучения, благодаря чему изменяется концентрация свободных носителей заряда, а следовательно, и электрические свойства вещества.

Внешний фотоэффект – фотоэлектронная эмиссия, т. е. выход электронов за пределы поверхности вещества под воздействием излучения.

14.2. Фоторезисторы

Фоторезистором называют полупроводниковый фотоэлектрический прибор с внутренним фотоэффектом, в котором используется явление фотопроводимости, т. е. изменения электрической проводимости полупроводника под воздействием оптического излучения.

Устройство фоторезистора показано на рис. 183, а. Пластина 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. В качестве электродов используют металлы, не подвергающиеся коррозии (золото, платина) и образующие хороший контакт с полупроводником. Для защиты от внешних воздействий поверхность фотоактивного материала покрывают слоем прозрачного лака.

а б

Рис. 183

Если к неосвещенному фоторезистору подключить источник питания Е_а (рис.183,б) то в электрической цепи появится небольшой ток, называемый темновым токомI_т, обусловленный наличием в неосвещенном полупроводнике некоторого количества свободных носителей заряда.

При освещении фоторезистора ток в цепи существенно возрастает за счет увеличения концентрации свободных носителей заряда I_общ. Разность токов при наличии и отсутствии освещения называют фототокомI_ф.

I_ф=I_общ I_т.

Основные характеристики

1. Вольт-амперная характеристика это зависимость тока через фоторезистор от напряжения, приложенного к его выводам, при различных значениях светового потокаФ(рис. 184).

2. Энергетическая характеристика это зависимость фототока от светового потокапри U=const(рис. 185). В области малых Ф она линейная, а при увеличенииФрост фототока замедляется. Энергетическая характеристика иногда называется люкс – амперной. Тогда по оси абсцисс откладывается не световой поток, а освещенностьЕв люксах.

3. Чувствительность – это отношение входной величины к выходной. Для фоторезисторов чаще всего используют токовую чувствительность SI, под которой понимают отношения фототока к световому потокуSI=Iф/Ф. На рис. 186 приведена зависимостьI_ф/I_фmax= f().

4. Темновое сопротивление – сопротивление неосвещенных фоторезисторов, имеет широкий диапазон значений: R_т = 10²10⁹ Ом.

5. Рабочее напряжение U_р фоторезистора зависит от его размеров, т. е. от расстояния между электродами, выбирают в пределах от нескольких единиц вольт до 100 В.

Достоинства фоторезисторов: высокая чувствительность, возможность использования в инфракрасной области спектра излучения, небольшие габариты и применимость для работы в цепях постоянного и переменного токов.