В вакуумных или электронных фотоэлементах движение происходит в вакууме, в газонаполненных или ионных фотоэлементах электроны перемещаются в разреженном газе и ионизируют атомы газа.
Фотоэлемент с внешним фотоэффектом (рисунок 1) имеет стеклянную колбу 2, в которой создан вакуум (в вакуумном фотоэлементе) или после откачки воздуха колба заполнена разреженным газом (аргоном при низком давлении — в ионных фотоэлементах). Внутренняя поверхность колбы, за исключением небольшого "окна" для прохождения светового потока 1, покрыта фотокатодом 3, который представляет собой слой серебра (подложка), на который нанесен полупроводниковый слой окиси цезия. Анод 4 фотоэлемента изготовляют в виде кольца, чтобы он не преграждал путь световому потоку к катоду. Колба помещается в пластмассовом цоколе 5, в нижней части которого находятся контактные штырьки 6 с выводами от анода и катода.
Рисунок 1— Фотоэлемент с внешним фотоэффектом
У электронного фотоэлемента фототок сначала быстро растет при увеличении напряжения, а затем рост его замедляется и, наконец, почти совсем прекращается, т. е., наступает режим насыщения (рисунок 2, а). Для ионных фотоэлементов анодная вольтамперная характеристика после горизонтального участка (электронный ток) поднимается вверх вследствие ионизации газа (рисунок 2, б).
Рисунок 2 — Анодные вольтамперные характеристики фотоэлементов: а – электронного; б – ионного
Электронные фотоэлементы широко применяются в различных областях науки и техники. В частности, их используют в фотореле, которые обеспечивают контроль различных величин на производстве: освещенности, прозрачности сред, качества обработки поверхности деталей и т. п. Электронные фотоэлементы обозначают буквенно-цифровым кодом, например СЦВ-3 (сурмянно-цезиевый катод, 3 — номер разработки).
Полупроводниковые фотоэлементы
Фоторезистор
Рисунок 3 — Фоторезисторы (внешний вид)
Фотоэлементы с внутренним фотоэффектом называются фоторезисторами (фотосопротивлениями). Они (рисунок 3) представляют собой полупроводниковые приборы, электрическое сопротивление которых резко изменяется под действием падающего на них светового излучения.
В качестве полупроводников применяют сернистый свинец (фоторезистор ФСА), селенид кадмия (фоторезистор ФСД), сернистый кадмий (фоторезистор ФСК).
Фоторезисторы ФСА применяются в инфракрасной, а остальные — в видимой области света. Чувствительность фоторезисторов значительно выше чувствительности фотоэлементов с внешним фотоэффектом, так что в ряде устройств фоторезисторы заменяют ранее используемые фотоэлементы с внешним фотоэффектом.
Фоторезистор представляет собой (рисунок 3, а) стеклянную пластинку 1, на которую нанесен тонкий слой полупроводника 2, покрытый прозрачным лаком для защиты от механических повреждений и влаги. По краям выведены два металлических электрода 3. Фоторезистор помещен в пластмассовый корпус с двумя штырьками, к которым присоединяются электроды. Условное обозначение и схема включения фоторезистора показаны на рисунке 3, б.
Рисунок 3 — Фоторезистор: а – устройство; б – схема включения и условное графическое обозначение; в – вольтамперная характеристика
Фоторезистор работает только от внешнего источника питания и имеет одинаковое сопротивление в обоих направлениях.
Неосвещенный фоторезистор обладает большим «темновым» сопротивлением Rт (от сотен килоом до нескольких мегаом) и через него проходит малый «темновой» ток Iт.
При освещенном фоторезисторе его сопротивление резко уменьшается и ток увеличивается до некоторого значения Iс, зависящего от интенсивности освещения. Разность между токами при освещении и «темновым» называется фототоком, т. е. Iф = Iс - Iт.
Вольтамперная характеристика фоторезистора (рисунок 3, в), т. е. зависимость фототока от напряжения источника питания при неизменном световом потоке Iф = f(U) при Ф = const линейна. Видно, что прямая затенённого тока более пологая, чем освещённого. Это говорит о меньшей чувствительности неосвещённого элемента.
К недостаткам фоторезисторов относится их инерционность (при освещении фототок не сразу достигает своего конечного значения, а лишь через некоторое время), нелинейность световой характеристики (фототок возрастает медленнее, чем сила света), зависимость электрического сопротивления и фототока от температуры окружающей среды.
Фоторезисторы применяются при низких интенсивностях света. Они могут выдерживать высокие рабочие напряжения до 200-300 В при малом потреблении мощности - до 300 мВт.
Фоторезисторы используются для измерения интенсивности света в фотографическом оборудовании, в охранных датчиках, в устройствах автоматического открывания дверей, в различном тестирующем оборудовании для измерения интенсивности света.
Фотодиод
Рисунок 4 — Внешний вид фотодиодов и его условное графическое обозначение
Фотоэлементы с фотоэффектом в запирающем слое, называющиеся вентильными фотоэлементами, имеют запирающий слой между полупроводниками с р- и n- проводимостями. В этих фотоэлементах под воздействием светового излучения возникает ЭДС, называемая фото-эдс.
Для изготовления вентильных фотоэлементов применяют селен, сернистый таллий, сернистое серебро, германий и кремний.
Освещение поверхности фотоэлемента вблизи р-n -перехода вызывает ионизацию атомов кристалла и образование новых пар свободных носителей зарядов - электронов и дырок.
Под действием электрического поля р-n -перехода образующиеся в результате ионизации атомов кристалла электроны переходят в слой n, а дырки — в слой р, что приводит к избытку электронов в слое n и дырок в слое р.
Под действием разности потенциалов (фото-эдс) между слоями р и n во внешней цепи проходит ток I, направленный от электрода р к электроду n. Этот ток зависит от количества носителей зарядов - электронов и дырок, т. е. от силы света.
Чувствительность вентильных фотоэлементов высока (до 10 мА/лм), они не требуют источника питания и находят широкое применение в различных областях электроники, автоматики, измерительной технике и т. д.
Принцип устройства кремниевого фотоэлемента с запирающим слоем показан на рисунке 5.
Рисунок 5 — Вентильный фотоэлемент
На пластину кремния 1 с примесью, создающей электронную проводимость, вводят примесь бора путем диффузии в вакууме, в результате этого образуется слой полупроводника с дырочной проводимостью 2 очень малой толщины, так что световые лучи свободно проникают в зону перехода.
Батареи кремниевых элементов находят применение для непосредственного преобразования солнечной энергии в электрическую. Такие преобразователи, называемые солнечными батареями, применяют, например, на искусственных спутниках Земли для питания их аппаратуры.
Полупроводниковый фотоэлемент с двумя электродами, разделенными р-n переходом, называемый фотодиодом, может работать как с внешним источником питания (преобразовательный режим), так и без внешнего источника (генераторный режим).
При работе в генераторном режиме фотодиода его освещение вызывает возникновение фото-эдс, под действием которой во внешней цепи через нагрузку проходит ток, т. е. источником питания является фотодиод.
При работе в фотопреобразовательном режиме напряжение внешнего источника питания приложено встречно фото-эдс и фотодиод подобен фоторезистору с более высокой чувствительностью. Если фотодиод не освещен, то через него проходит небольшой обратный ток (темновой ток) под действием внешнего источника питания.
При освещении электронной области фотодиода образуются носители зарядов - электроны и дырки. Дырки доходят до р-n -перехода и под действием электрического поля переходят в р -область, т. е. освещение вызывает увеличение числа перешедших неосновных носителей из n -области в р -область, и, следовательно, ток в цепи возрастает (возникает фототок).
Фототранзистор
Рисунок 6 — Фототранзисторы (внешний вид)
Фототранзистор представляет собой трехслойный полупроводниковый прибор с двумя р-n -переходами, обладающий свойством усиления фототока при воздействии лучистой энергии.
Фототранзистор, как правило, выполнен в виде обычною плоскостного транзистора из германия или кремния. Световой поток падает на базу, поэтому эмиттер делают тонким, небольших размеров.
На рисунке 7 представлена двухполюсная схема включении фототранзистора.
Под действием света в области базы образуются пары носителей зарядов - электроны и дырки.
Дырки (неосновные носители базы) под действием электрического поля источника EK движутся через коллекторный переход, образуя фототок IΦ, проходящий через нагрузку RH. Электроны, не прошедшие через эмиттерный переход и оставшиеся в базе, снижают потенциальный барьер.
Это облегчает переход дырок из эмиттера в базу, увеличивая коллекторный фототок. Чувствительность фототранзистора сильно превышает чувствительность фотодиодов и имеет значения порядка 0,5-1 А/лм.
На рисунке 8 показана схема с подключенной базой. Возможности такой схемы шире, так как на ее вход можно подавать кроме светового электрический сигнал. Обычно электрический вход используют для выбора рабочей точки на линейном участке характеристики, а также для уменьшения влияния внешних воздействий.
| Рисунок 7 — Двухполюсная схема включения фототранзистора с отключенной базой | Рисунок 8 — Схема включения фототранзистора с подключенной базой |
Фототранзисторы широко применяются в различных областях: фототелеграфии, фототелефонии, в вычислительной технике, регистрации видимого, инфракрасного и ультрафиолетового излучения.
Светодиод
Светоизлучающий полупроводниковый диод — это наиболее распространенное полупроводниковое светоизлучающее устройство. Любой p-n − переход может испускать свет, когда через нет протекает ток. Свет возникает, когда свободные электроны рекомбинируют с дырками и «лишняя» энергия освобождается в виде кванта энергии, т. е. света. На рисунке 9 показано устройство светодиода (а) и схема его включения (б), где RОГР — для ограничения прямого тока и напряжения, чтобы не вывести светодиод из строя; GaAs - арсенид галлия излучает свет в инфракрасном диапазоне, которым не воспринимается человеческим глазом; GaAsP - арсенид-фосфат галлия излучает видимый красный свет, изменяя содержание фосфора, можно получить светодиоды, излучающие кванты света различной частоты (цвета); слой p делается тонким и слабее легированным, чем слой n, чтобы не препятствовал прохождению луча, рождаемого в p-n − переходе.
Рисунок 9 — Устройство светового диода (а); схема включения (б)
Светодиод снабжен линзой, которая собирает свет и увеличивает его интенсивность. Для нормальной работы светодиода на него должно быть подано прямое смешение (напряжение) около 1,2 В.
Рисунок 10 — Внешний вид светодиодов
Контрольные вопросы
1. Как устроен и как работает фоторезистор?
2. Устройство и работа фотоэлемента с внешним эффектом.
3. Устройство и работа фотодиода.
4. В чем достоинство фототранзистора по сравнению с фотодиодом?
5. Чем светодиод отличается от обычного диода?