Обычные источники света генерируют световой поток, состоящий из излучений множества различных частот со случайными фазовыми соотношениями. О таком световом потоке говорят как о некогерентном. Используя специальные технологии, представляется возможным на базе p-n- перехода построить светоизлучающий диод, излучающий свет одной и той же частоты с одинаковым сдвигом фазы – когерентный свет. Такие светодиоды называются полупроводниковыми лазерами. Они работают при прямых токах от 10 до 100А. Неизбежный разогрев перехода, обусловленный столь большими токами, приводит либо к необходимости работать при малых токах – малых светоизлучениях, либо в импульсном режиме со скважностью около 100, либо в режиме принудительного охлаждения перехода. Охлаждение перехода позволяет при той же светоотдаче уполовинить прямой ток приблизительно на каждые 50°С уменьшения температуры перехода.
13. Фотодиоды и фоторезисторы
Это двухвыводовые приборы, преобразующие энергию падающего на них света в напряжение. Как известно, плотность мощности солнечной энергии на уровне моря составляет около 1 кВт/м2. Следовательно, на Земле имеется еще один источник энергии, требующий приложения усилий в части поиска все более эффективных способов ее преобразования в электрическую энергию. Одним из таких способов является использование специальных устройств – солнечных элементов (фотоэлементов). В их основу положен p-n–переход, открытый для воздействия солнечного света, рис. 93.
Очевидно, что толщина контактного кольца, прозрачность защитного стекла, а также толщина p-слоя, должны быть такими, чтобы максимальное количество фотонов падающего света достигало p-n-перехода, рис. 93 а.
Фотоны световой энергии сталкиваются с атомами полупроводника и
сообщают им достаточную энергию для перевода валентных электронов из валентной зоны в зону проводимости, тем самым в материале p-типа появляются дополнительные неосновные носители – электроны, а в материале n-типа -избыточные дырки. Это приводит к увеличению тока неосновных носителей через переход тем большему, чем интенсивней освещенность перехода. Этот ток теперь не компенсируется током основных носителей через переход, обусловленным тепловым состоянием полупроводника. Следовательно, при закороченных внешних выводах прибора в цепи появится ток – ток короткого замыкания – Iкз. При разомкнутой внешней цепи на выводах прибора неизбежно наблюдается электродвижущая сила Еxx. На рис.94 представлены графики зависимости Еxx и Iкз от интенсивности освещенности p-n-перехода.
Как следует из представленных графиков, с ростом интенсивности освещенности p-n-перехода увеличивается ЭДС на выводах элемента, а также и ток короткого замыкания. Последний увеличивается линейно с ростом освещенности. Ехх не может превышать разности потенциалов, определяемой соотношением:
ϕк = KT ln Nn N2 p . q n
По принципу действия фотодиод аналогичен фотоэлементу, рассмотренному выше. Здесь также световой поток непосредственно воздействует на p-n-переход. Увеличивающийся ток неосновных носителей через переход эквивалентен уменьшающемуся обратному сопротивлению p-n-
115
перехода. Линейная зависимость обратного тока через переход от его освещенности и его независимость от величины внешнего обратного напряжения позволяет использовать фотодиоды в схемах преобразования световых сигналов в электрические. На рис.95 а представлено условное изображение фотодиода, а также одна из возможных схем его применения, рис.95 б.
Вольт-амперные характеристики фотодиода представлены на рис.96. Линия нагрузки приведена на рис.96. При изменении светового потока на величину ф напряжение нагрузки меняется на величину Uн.
Схема использования фотодиода в режиме «чистого» короткого замыкания представлена на рис.95в. В силу большого значения Кп потенциал точки А в схеме практически равен потенциалу общей шины ОШ.
Это означает, что последовательно с фотодиодом не включено сопротивление и световой поток ф в фотодиоде линейно преобразуется в ток iфд. Поскольку iфв = iос, то Uвых=Rос·iос=Rос·iфд=KRосф.
Таким образом, фотодиоды являются хорошими приемниками оптического излучения. Их основные характеристики – диапазон длин волн, на который реагирует фотодиод, интегральная светочувствительность Si, темновой ток и постоянная времени. Коммерчески доступные фотодиоды работают в широком диапазоне длин волн,
116
как видимого, так и невидимого излучения, примерно в диапазоне λ=0,4÷2мкм. Их интегральная светочувствительность зависит, естественно, от площади p-n-перехода и лежит в пределах 10-3÷1 мкА/люкс.
Важным параметром фотодиодов является их темновой ток – ток неосновных носителей через переход при затемнении. Чем он меньше, тем прибор, естественно лучше, поскольку тем меньшие световые потоки он может воспринимать. Для типовых фотодиодов он составляет от 10-2 до 1мкА.
Фоторезистор представляет собой полупроводниковый прибор, сопротивление которого зависит от интенсивности падающего на него света. Внешний вид прибора представлен на рис. 97а, а его условное изображение на рис. 97б. В корпусе прибора заключен собственно фоторезистор, изготовленный из сульфида кадмия или селенида кадмия (CdS или CdSe). Он облучается светом через прозрачное окно. Спектральная чувствительность прибора максимальна для длин волн λ=5100А° в случае CdS и 6150А° в
случае CdSe. Быстродействие составляет около 100мс для CdS и 10мс для
CdSe.
Зависимость сопротивления фоторезистора от интенсивности падающего на него света представлена на рис. 98а, а схема его использования – на рис. 98б. Здесь меняющееся напряжение цепи Uц приводит к изменению тока через светодиод, а следовательно, и интенсивности излучаемого им светового поток. Последний воздействует на фоторезистор, поддерживая тем самым, напряжение на нагрузке Rн постоянным.
117