Карточка № 17.3 (170).

Фотоэлектрический умножитель

§17.4. Фоторезисторы

Фоторезисторы — приборы, принцип действия которых основан на фоторезистивном эффекте — изменении сопротивления полупроводникового материала под действием электромагнитного излучения.

Рис. 17.6. Устройство (а) и схема включения фоторезистора (б)

Устройство фоторезистора показано на рис. 17.6, а. Пленка 2 из полупроводникового материала (сульфид свинца, соединения сернистого кадмия, висмут и т. д.) закреплена на диэлектрической подложке 3 (стекло, кварц, керамика). Световой поток Ф попадает на полупроводник через специальное отверстие в пластмассовом корпусе. Электроды 1, выполненные из благородных материалов (золото, платина), обеспечивает хороший контакт с полупроводником и не подвержены коррозии. Поверхность полупроводника покрыта защитным слоем прозрачного лака.

В схеме (рис. 17.6, б) при отсутствии светового потока по цепи проходит так называемый темновой ток, обусловленный собственной проводимостью полупроводника. Этот ток весьма мал, и его значение определяется темновым сопротивлением Rт, имеющим широкий диапазон значений: 102—1010 Ом. Наибольшее значение Rт имеют фоторезисторы, выполненные из сернистого кадмия.

При освещении фоторезистора в нем возникают дополнительные свободные электрические заряды — электроны и дырки, в результате чего ток в цепи возрастает.

Разность между световым током Iсв и темновым токами называется фототоком:

Iф= Iсв-Iт

Зависимость фототока Iф от лучистого потока Ф иллюстрируется энергетической характеристикой (рис. 17.7). Нелинейность этой характеристики является недостатком фоторезисторов.

Значения фототока сильно зависят от спектрального состава светового потока. Эта зависимость видна из спектральной характеристики, вид которой для фоторезистора, выполненного из сульфида кадмия, приведен на рис. 17.8 (где Iфmax — фототок, соответствующий максимуму спектральной чувствительности). Интегральная чувствительность фоторезисторов на два порядка выше, чем электронных фотоэлементов.

Важным параметром фоторезисторов является пороговый световой поток Фп — минимальный поток излучения, который вызывает появление в цепи фоторезистора электрического напряжения, превышающего в 2—3 раза шумовое напряжение.

Существенным недостатком фоторезистора является их большая инерционность,

обусловленная значительным временем генерации и рекомбинации электронов и дырок при изменении освещенности фоторезистора.

Фоторезисторы обозначают буквами ФС или СФ, затем следует буква и цифра, которые определяют состав и конструктивное оформление: А — РЬ; К—CdS, Г — герметизированный' корпус. Например, ФСК — Г1 обозначает фоторезистор из сернистого кадмия в герметизированном корпусе.

Фоторезисторы широко применяются в автоматике, вычислительной технике и промышленной электронике.

В частности, фоторезисторы используют для сортировки изделий по их окраске, размерам или каким-нибудь другим признакам.

Карточка № 17.4 (346).

Фоторезисторы

§ 17.5. Фотодиоды

Фотодиод представляет собой полупроводниковый диод, обратный ток которого зависит от освещенности р-n-перехода.

Фотодиоды могут работать в двух режимах: в режиме фотогенератора (фотоэлемента) без внешнего источника питания и в режиме фотопреобразователя с внешним источником.

В режиме фотогенератора используется фотогальванический эффект, суть которого

зключается в создании разности потенциалов на зажимах неоднородного полупроводника при его освещении.

Фотодиоды образованы двумя примесными полупроводниками с различными типами электропроводности. Конструктивно фотодиоды выполнены так, что световой поток падает на плоскость р-n-перехода под прямым углом (рис. 17.9, а).

При отсутствии светового потока в области р-n-перехода существует потенциальный барьер с напряжением Uк (контактная разность потенциалов), обусловленный взаимной диффузией электронов в область р-типа и дырок в область n-типа.

При освещении р-n-перехода фотоны, попавшие на полупроводники, образуют пары свободных зарядов электрон — дырка. В результате в областях р- и n-типов увеличивается концентрация свободных электронов и дырок соответственно.

Под действием электрического поля, обусловленного контактной разностью потенциалов Uк (рис. 17.9, а), неосновные носители р-области — электроны — переходят в n-область, а неосновные носители р-области — дырки—в р-область. В результате этого процесса в n-области возникает избыток электронов, а в р-области — избыток дырок. Таким образом, на зажимах фотодиода возникает фото-ЭДС Eф, равная контактной разности потенциалов и имеющая значение около 1 В.

При замыкании освещенного фотодиода на внешнюю нагрузку Rн (рис. 17.9, б) в цепи возникает ток I, обусловленный движением неосновных носителей зарядов. Следовательно, в данной схеме происходит преобразование лучистой энергии в электрическую.

Фотодиоды, работающие в генераторном режиме, довольно широко используют в качестве источников, преобразующих солнечную энергию. Такие источники именуют фотоэлементами или солнечными элементами. Из них строят солнечные батареи, которые используют на космических объектах в качестве электростанций. Фотоэлементы отличаются от фотодиодов только своими конструктивными особенностями.

Рис. 17.9. Устройство (а) и схема включения (б)

фотодиода в генераторном режиме

Фотодиоды и фотоэлементы изготовляют из германия, кремния, селена, сернистого серебра, арсенида индия и т. д.

В режиме фотопреобразователя в цепь последовательно с нагрузкой включают источник напряжения в запирающем направлении (рис. 17.10). Когда фотодиод не освещен, в цепи проходит темновой ток. При освещении фотодиода происходит генерация электронов и дырок. Под действием электрического поля источника Еа неосновные носители слоев р- и n-типов полупроводника создают в цепи ток, значение которого практически определяется только световым потоком Ф и равно приблизительно току короткого замыкания в генераторном режиме. Поэтому чувствительность фотодиодов в обоих режимах принято считать одинаковой. Для германиевых фотодиодов интегральная чувствительность достигает 20 мА/лм.

Более точно ток можно определить по вольт-амперным характеристикам (рис. 17.11) графическим способом.

Фотодиоды широко применяются в промышленности: в вычислительной технике, регистрирующих и измерительных приборах фотометрии, в киноаппаратуре, системах автоматизации производственных процессов и т. д.

Фотодиоды обозначают буквами ФД, затем следуют буквы, обозначающие материал, из которого изготовлен прибор. Например, ФД-ГЗ-001 означает: фотодиод германиевый, легированный золотом, номер разработки 001.