6.1.1.4. Частотная характеристика

Это зависимость фототока от светового потока постоянной величины и области спектра, но изменяющегося с определенной частотой (рис. 6.5).

Частотная характеристика отражает инерционные свойства фотосопротивлений. Как видно из рис. 6.5, с увеличением частоты величина фототока уменьшается. Инерционность фоторезистора – один из недостатков, который ограничивает область его применения. Другим недостатком фотосопротивления является зависимость его характеристик и параметров от температуры.

6.1.1.5. Основные параметры и схема включения

К ним относятся рабочее и максимально допустимое напряжения на фоторезисторе, допустимая мощность рассеяния, общий ток и фототок, темновое сопротивление и кратность изменения сопротивления, удельная и интегральная чувствительность, постоянная времени изменения фотодатчика и др.

Схема включения фоторезистора представлена на рис. 6.6. В качестве нагрузки может быть включено электромеханическое реле, которое срабатывает при определенном световом потоке, коммутируя различные электрические цепи. Источник питания может быть как постоянным, так и переменным. Основным достоинством фотосопротивления является его высокая чувствительность и большая допустимая мощность рассеивания, что позволяет включать фотосопротивления в цепь нагрузки без предварительного усиления фототока.

6.2. Фотоэлектрические приборы с p-n-переходом

Принцип действия этих приборов основан на фотогальваническом эффекте. Суть его заключается в следующем. Если p-n-переход облучить световым потоком, то под действием фотонов происходит генерация свободных электронов и дырок, которые вследствие диффузионных сил смещаются в обедненную область и там попадают под воздействие внутреннего электрического поля. Это поле тормозит движение основных носителей и ускоряет движение неосновных, перемещая их в соседнюю область. В результате этого в обедненном р-слое накапливается избыточный заряд дырок, а в области n – избыточный заряд электронов, которые образуют на p-n-переходе дополнительную разность потенциалов, которая носит название фото-электродвижущей силы (Е_ф) (лекция № 6).

Фотогальванический эффект используется в вентильных фотоэлементах, фотодиодах, фототранзисторах и фототиристорах.

6.2.1. Фотодиоды и вентильные фотоэлементы

Это приборы, которые имеют один p-n-переход и могут работать с внешним источником питания и без него. В первом случае они называются фотодиодами, а во втором – вентильными фотоэлементами. Схема включения фотодиода представлена на рис. 6.7.

В этой схеме к фотодиоду прикладывается обратное напряжение (U_п). При подаче светового потока за счет фотогальванического эффекта величина обратного тока возрастает и на сопротивлении появляется напряжение U_вых. Вольтамперная характеристика фотодиода (рис. 6.8) может быть представлена следующим уравнением

,

где I_ф – фототок, вызванный дополнительными носителями, образовавшимися на p-n-переходе за счет светового потока.

Значительное изменение тока в обратной ветви позволяет использовать фотодиод в схемах измерения светового потока, а также физических величин, связанных с изменением светового потока, т.е. в тех же случаях, что и фоторезистор. Однако фотодиод имеет значительно лучшие частотные свойства, что расширяет область его применения. Спектральная, световая и частотные характеристики имеют такой же вид, что и фоторезисторы, также как и основные параметры, поэтому здесь не рассматриваются. Конструкция подобна обычному диоду, только в корпусе предусмотрено светопроницаемое окно, через которое свет попадает на p-n-переход.

Вентильные фотоэлементы могут быть получены путем диффузии акцептора на монокристалл кремния n-типа или донора на монокристалл кремния р-типа. Толщина слоя присадки составляет единицы микрон, поэтому этот слой является проницаемым для света. Для защиты от внешней среды p-n-переход помещают в пластмассовый корпус и рабочую поверхность покрывают лаком, прозрачным для той области спектра, в которой должен работать данный элемент. Схема включения фотоэлемента изображена на рис. 6.9. Основной характеристикой является световая характеристика, представленная на рис. 6.10.

С увеличением величины нагрузочного сопротивления фототок фотоэлемента уменьшается. Спектральная характеристика имеет такой же вид, как и у фоторезистора, но максимум ее находится в области спектра, близкого к области максимума распределения энергии в солнечном спектре. К основным параметрам относятся интегральная чувствительность и коэффициент полезного действия, т.е. отношение максимальной мощности, которую можно получить от фотоэлемента, к общей мощности излучения, падающей на фотоэлемент. КПД кремниевых элементов составляет 10–20 %. Напряжение холостого хода одного элемента порядка 0,5 В, ток короткого замыкания единицы мА. Собирая фотоэлементы в батареи, можно получить достаточно большую мощность и напряжения на выходе этой батареи. Современная технология дает возможность создавать матричные батареи, представляющие собой пластину кремния с большим количеством соединенных между собой микрофотоэлементов. Такие солнечные батареи позволяют получить десятки киловатт полезной мощности с квадратного метра. Используются вентильные фотоэлементы в тех случаях, когда другие виды получения электрической энергии невозможны (спутники, космические станции, высокогорные обсерватории и т.д.).