Фотоэлектронные приборы

Фотоэлектронные явления

Фотоэлектронные приборы — это электровакуумные или полупроводниковые приборы, преобразующие энергию электромагнитного излучения в электрические сигналы.

Электромагнитное излучение представляет собой волну с частотой v или длиной X. Также его можно представить в виде потока частиц — фотонов (квантов электромагнитного излучения, в «узком» смысле — света), каждый их которых обладает энергией

W = hv,

где h — постоянная Планка (h = 6,63-10“³⁴ Дж).

Видимая область спектра электромагнитного излучения находится в диапазоне волн 0,38—0,78 мкм. Этой области спектра соответствует энергия фотонов от 3,3 до 1,6 эВ.

Принцип действия фотоэлектронных приборов основан на электрических процессах, протекающих в приборах в результате поглощения электромагнитного излучения. Попадая на поверхность твердого тела, фотоны отдают свою энергию электронам вещества. При малой энергии фотонов тело нагревается. Если энергия фотонов превышает некоторое значение, энергия электронов в твердом теле изменяется. Электроны, получившие дополнительную энергию, могут покинуть пределы твердого тела или перейти на более высокие энергетические уровни, например из валентной зоны в зону проводимости. Испускание электронов с поверхности твердого тела под действием падающего на нее электромагнитного излучения, наблюдающееся в первом случае, называется фотоэлектронной эмиссией или внешним фотоэлектрическим эффектом. Внешний фотоэффект подчиняется закону Столетова: фототок / пропорционален световому потоку Ф:

/. = *Ф,

Ф ’

где 5 — чувствительность фотокатода.

При переходе электронов, получивших дополнительную энергию, на более высокие энергетические уровни увеличивается количество подвижных носителей зарядов, а следовательно, и электропроводность тела. Изменение электропроводности вещества при поглощении электромагнитного излучения (видимого, инфракрасного, ультрафиолетового или рентгеновского) называется фотопроводимостью. Образование пар зарядов (электрон-дырка) при поглощении лучистой энергии (энергии излучения электромагнитных колебаний в оптическом диапазоне волн) может изменить также характер процессов вблизи электронно-дырочного перехода: увеличить ток через потенциальный барьер или привести к появлению дополнительной разности потенциалов.

Явление возникновения ЭДС на внешних выводах полупроводникового прибора при воздействии на него электромагнитного излучения называется фотогальваническим эффектом.

Устройство и принцип действия фотоэлементов

Устройство вакуумного фотоэлемента показано на рисунке. В стеклянном баллоне, из которого выкачан воздух, помещены два электрода: катод К и анод А. Катод в виде тонкого светочувствительного слоя нанесен на внутреннюю поверхность баллона. Анод изготовлен в виде кольца, расположенного в центре баллона. Выводы от катода и анода смонтированы на нижнем цоколе.

Устройство (а) и схема (J) включения фотоэлемента

При освещении фотоэлемента в анодной цепи возникает ток, создающий на сопротивлении R_n падение напряжения. При изменении светового потока изменяется величина тока и, следовательно, выходное напряжение І7 .

Устройство газонаполненного фотоэлемента аналогично устройству вакуумного. Разница заключается в том, что стеклянный баллон наполнен нейтральным газом. При освещении катода электроны, летящие от катода к аноду, сталкиваются по пути с атомами газа и выбивают из них новые электроны, которые также летят к аноду. Остатки атомов — положительные ионы — летят к катоду. В результате общее количество электронов, летящих к аноду (фототок), получается большим, чем в вакуумном фотоэлементе.

В полупроводниковом фотоэлементе под действием падающего на него излучения возникает фотоЭДС.

Работа полупроводникового фотоэлемента основана на использовании запирающего слоя между полупроводниками с различными проводимостями (/? и п).

Подключение

резистора к р— «-переходу

Если к освещенному р— «-переходу подключить резистор R_H (рис. 2.29), то по резистору потечет фототок, создаваемый движением через переход неосновных носителей, и на резисторе возникает падение напряжения (плюсом к р-области). Падение напряжения приводит к возникновению через переход прямого тока, направленного навстречу фототоку.

Кроме фотоэлектронной эмиссии в полупроводниках наблюдается внутренний фотоэффект — перераспределение электронов по энергетическим состояниям в твердых и жидких полупроводниках и диэлектриках, происходящее под действием излучений. Изменение энергетического состояния электронов приводит к изменению концентрации носителей зарядов в среде. На использовании явления внутреннего фотоэффекта основана работа фоторезисторов, фотодиода, фототранзистора.

Фоторезистор — двухполюсный полупроводниковый прибор, электрическое сопротивление которого изменяется под действием светового потока.

Фоторезисторы используются для формирования электрических сигналов под действием электромагнитного излучения.

Устройство фоторезистора показано на рисунке. Пленка 2 из полупроводникового материала (сульфид свинца, соединения сернистого кадмия, висмут и т. д.) закреплена на диэлектрической подложке 3. Подложку изготавливают из стекла, кварца или керамики. Световой поток Ф попадает на полупроводник через специальное отверстие в пластмассовом корпусе. Электроды 1 обеспечивают хороший контакт с полупроводником. Они изготавливаются из благородных металлов — золота, платины, и поэтому не подвержены коррозии. Поверхность полупроводника покрывают защитным слоем прозрачного лака. На рисунке 2.30, б приведена схема включения фоторезистора. При отсутствии светового потока по цепи проходит так называемый темновой ток, обусловленный собственной проводимостью полупроводника, значение которого весьма мало и зависит от величины темнового сопротивления. Темновое сопротивление может принимать значения в диапазоне 10²—10¹⁰ Ом. Наибольшим темновым сопротивлением обладают фоторезисторы, выполненные из сернистого кадмия.

Устройство (а) и схема (0 включения фоторезистора

При освещении фоторезистора в нем возникают дополнительные свободные электрические заряды — электроны и дырки, в результате чего ток в цепи возрастает. Разность между световым /_св током и темновым / токами называется фототоком-.

Ц = 4 - 4

Значение фототока / зависит от величины лучистого потока Ф и его спектрального состава. Зависимость /_ф = /(Ф) называется энергетической характеристикой фоторезистора. Она носит нелинейный характер, что является одним из недостатков фоторезисторов.

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

Существенным недостатком фоторезисторов является их большая инерционность, обусловленная значительным временем генерации и рекомбинации электронов и дырок при изменении освещенности фоторезистора.

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. Внешний вид некоторых типов фоторезисторов представлен на рисунке.

Внешний вид фоторезисторов

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

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

Устройство фотодиода

Режим фотогенератора основан на использовании фотогальванического эффекта, поэтому при освещении неоднородного полупроводника на его зажимах образуется разность потенциалов.

Фотодиоды образованы двумя примесными полупроводниками с различными типами электропроводности. Конструктивно фотодиоды выполнены таким образом, что световой поток падает на плоскость р—«-перехода под прямым углом.

При отсутствии светового потока в области ^—«-перехода существует контактная разность потенциалов, образующая потенциальный барьер с напряжением U. Условием возникновения потенциального барьера является взаимная диффузия электронов в p-область и дырок в «-область.

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

Под действием электрического поля, обусловленного контактной разностью потенциалов U_K, неосновные носители р-области — электроны — переходят в «-область, а неосновные носители «-области — дырки — в p-область. В результате этого процесса в «-области возникает избыток электронов, а в р-области — избыток дырок. Таким образом, на зажимах фотодиода возникает фотоЭДС Е_ф, равная контактной разности потенциалов и имеющая значение около 1 В.

При замыкании освещенного фотодиода на внешнюю нагрузку R_H 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, широко используются 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 конструктивными особенностями.

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. 2.34).

Схема включения фотодиода в генераторном режиме

Схема включения фотодиода в преобразовательном режиме

Когда фотодиод не освещен, в цепи проходит темновой ток. При освещении фотодиода происходит генерация электронов и дырок. Под действием электрического поля источника Е неосновные носители слоев р- и л-типа полупроводника создают в цепи ток, значение которого практически определяется только световым потоком Ф и приблизительно равно току короткого замыкания в генераторном режиме.

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

Внешний вид некоторых типов фотодиодов представлен на рисунке .

Внешний вид фотодиодов

Фототранзистор — полупроводниковый прибор с двумя ^—«-переходами, ток которого увеличивается за счет подвижных носителей заряда, образующихся при облучении прибора светом.

По своей конструкции фототранзистор отличается от обычного транзистора только прозрачным окном в корпусе, через которое световой поток падает на пластину полупроводника, являющуюся базой фототранзистора.

а

Внешний вид (а) и устройство (б) фототранзистора:

1 — база; 2 — эмиттер; 3 — коллектор

В центре базы расположен коллекторный переход, созданный путем наплавления. Возможны и другие варианты расположения кольцеобразный коллектор на освещаемой

электродов, например поверхности базы.

Схема фототранзистора

Схема включения фототранзистора приведена на рисунке . Фототранзистор включен по схеме с общим эмиттером и отключенной базой. Эмиттерный переход смещен в прямом направлении, а коллекторный — в обратном. При этом фототранзистор находится в активном режиме, но ток через него при отсутствии я светового потока имеет очень малые зна

чения, так как при отсутствующем выводе базы заряд дырок, инжектированных из эмиттера, не компенсируется полностью электронами базы. Некомпенсированный объемный заряд дырок поддерживает уровень потенциального барьера на эмиттерном переходе, и в цепи коллектора фототранзистора, включенного по схеме с общим эмиттером, протекает темновой ток.

При освещении фототранзистора в результате собственного поглощения в базе возникают электронно-дырочные пары. В случае р—п—р-транзистора дырки, являющиеся неосновными носителями, диффундируют к коллекторному переходу и выбрасываются в коллектор, увеличивая фототок / проходящий по нагрузке Л_п. Образовавшиеся электроны — основные носители базовой области — не могут покинуть базу, так как базовый вывод отключен. Концентрируясь в базе, электроны увеличивают отрицательный объемный заряд, в том числе и у эмиттерного перехода. Это приводит к снижению потенциального барьера и развитию диффузионного потока дырок из эмиттера в базу. Дырки, диффундируя в толще базы, подходят к коллекторному переходу и выбрасываются полем этого перехода в коллектор. В результате происходит увеличение тока в коллекторной цепи. Таким образом, процессы, протекающие в фототранзисторе, аналогичны процессам в обычном биполярном транзисторе.

Фототранзисторы широко применяются в различных областях: фототелеграфии, фототелефонной связи, вычислительной технике, регистрации видимого, инфракрасного и ультрафиолетового излучения.

Фототиристор — четырехслойный полупроводниковый прибор, управляемый световым потоком.

Как и в обычном тиристоре, в фототиристоре световой поток влияет на напряжение прямого включения. При попадании на одну из баз в ней происходит фотоионизация, и в результате образуются дополнительные носители заряда, которые и способствуют открыванию фототиристора. Чем больше световой поток, тем меньшее значение напряжения прямого включения требуется для открывания фототиристора.

Основным достоинством фототиристора является отсутствие электрической связи между цепью управления и коммутируемой цепью.

Фототиристоры широко применяются в системах автоматики и управления для включения электрических цепей по световому сигналу.

Солнечные фотоэлементы работают следующим образом.

Устройство солнечного фотоэлемента:

• 1 — свет; 2 — ток; 3 — внутренний электрод; 4 — Р-кремний (В-);

• 5 — N-кремний (Р+); 6— антибликовое покрытие; 7~ внешний электрод

На полупроводник л-типа, расположенный в верхнем слое структуры, падают солнечные лучи и выбивают электроны с их атомарных орбит. За счет дополнительного энергетического импульса они переходят в полупроводник />-типа и формируют направленный поток. Ширину зоны перехода подбирают небольшой, чтобы электроны смогли ее преодолеть. В физическом смысле такая двухслойная структура представляет собой электродный элемент для солнечных батарей, причем в роли катода выступает полупроводник л-типа, а в роли анода — полупроводник p-типа. Для снятия фототока к полупроводниковым пластинам припаивают тонкие проводники и нагрузку.

В качестве полупроводников р- и «-типа применяют главным образом кремний с разными добавками. Кремний очень легко до бывать и обрабатывать в промышленных масштабах без особых затрат. По этой причине, несмотря на кажущуюся невысокую эффективность таких солнечных батарей (КПД около 20 %), для массового производства применяют именно это вещество. Фотоэлементы на основе других соединений отличаются большим КПД (свыше 40 %), но их массовое изготовление пока нерентабельно.

На основе кремния выпускаются элементы солнечных батарей трех типов: из поли-, монокристаллов и на тонких пленках.