Фотоэлектрические приборы с внутренним фотоэффектом.

Фотоэлектрические приборы–это преобразователи энергии оптического излучения в электрическую. Они работают на внутреннем и внешнем фотоэффекте.

Внутренний фотоэффект– это ионизация атомов вещества под действием излучения, в результате которой, в веществе увеличивается концентрация свободных носителей заряда, а, следовательно, меняются электрические свойства вещества. Его используют в фоторезисторах, фотодиодах и фототранзисторах.

Внешний фотоэффект–это фотоэлектронная эмиссия, т.е. выход электронов за пределы поверхности вещества под воздействием излучения. Внешний фотоэффект используют в фотоэлементах, фотоэлектронных умножителях.

Фоторезисторы(ФР).

Это п/п-вые приборы, сопротивление которых изменяется под воздействием светового потока. При облучении светом в п/п-ке возникает избыточная концентрация носителей заряда за счет перехода электронов в зону проводимости, что вызывает увеличение проводимости п/п-ка.

ФР изготавливают из сернистого свинца, сульфида кадмия и селенида кадмия.

Рис. 2.26

На рис. 2.26, а показана общая конструкция фоторезистора СФ2-2. Схема включения фоторезистора показана на рис. 2.26, б. При отсутствии освещения (Ф = 0) фоторезистор обладает большим темновым сопротивлением R_темн, поэтому темновой ток I_темн, проходящийв цепи маленький и равен

I_темн=E/ (R_темн+R_н) (2.21)

При наличии светового потока (Ф > 0) сопротивление фоторезистора уменьшается до значения R_св, а световой ток: I_св=E/( R_св+R_н) (2.22)

Разность токов определяет фототок I_ф= I_св — I_темн

ВАХ ФР при освещении (прямая 1) и затемнении (прямая 2), , показаны на рис. 2.26, в.

Интегральная чувствительность фоторезистора K_ф.р=I_ф/Ф;

ФР имеют малые габариты, высокую чувствительность, применяются в цепях постоянного и переменного токов. К ФР источник питания Е может быть включен с любой полярностью.

Фотодиод (ФД).

Этоп/п-вый фотоэлектрический прибор, в котором используется внутренний фотоэффект. Он преобразует световую энергию в электрическую. ФД изготавливают из германия, кремния, арсенида галлия, сернистого серебра. ФД, как и обычные п/п-вые диоды, состоит из двух слоев п/п-ка с электропроводностями разных типов и одного p-n-перехода. В ФД предусматривается возможность попадания светового потока в область p-n-перехода.

ФД могут работать в двух режимах: 1) фотогенераторном (без внешнего источника питания); 2) фотопреобразовательном (с внешним источником питания).

В фотогенераторном режиме при разомкнутом ключе К и отсутствии освещения (Ф = 0) ток через p-n-переход равен нулю. При освещении п/п-ка в области p-n-перехода генерируются дополнительные пары носителей заряда. Поле объемного заряда p-n-перехода с разностью потенциалов φ_к «разделяет» эти пары: дырки дрейфуют в p-область, а электроны — в n-область, Поскольку в области п/п-ка p-типа накапливаются избыточные носители с положительным зарядом, а в области п/п-ка n-типа— с отрицательным зарядом, то между внешними электродами появляется разность потенциалов с полярностью, указанной на рис. 2.7, б, представляющая собой фото-ЭДС. Значение фото-ЭДС равно φ_к ( 0,5—0,6 В). Под воздействием фото-ЭДС в цепи нагрузки проходит ток (ключ К при этом замкнут).

Фототранзисторы (ФТ).

Это фотоэлектрические п/п-вые приборы с двумя р-n-переходами. Они преобразуют световую энергию в электрическую, образуя фототок и усиливая его.

Рассмотрим работу ФТ в режиме с отключенной базой (I_б=0). Схема включения фототранзистора показана на рис. 49, а, а его условное обозначение — на рис. 49, б. Если внешний световой поток Ф равен нулю, то через ФТ проходит небольшой темновой ток коллектора I_кТ, который определяется формулой I_кТ=I_кэ0=I_кб0(h_21э+1)

Рис. 49

При освещении области базы (Ф > 0) в ней генерируются электроны и дырки, которые диффундируют к эмиттерному и коллекторному переходам. При этом электрическое поле коллекторного перехода втягивает в коллектор дырки, но задерживает в базе электроны. Ушедшие в коллекторную цепь дырки, образующие фототок I_ф, увеличивают обратный ток коллектора на величину I_k’=I_ф, а оставшиеся электроны при отключенной базе создают в ней отрицательный пространственный заряд, смещающий эмиттерный переход в прямом направлении при этом из эмиттера в базу перемещается дополнительное количество дырок, которые, как и в обычном биполярном транзисторе, диффундируют через базу к коллекторному переходу и захватываются его полем, вызывая приращение коллекторного тока Iк''. Это приращение коллекторного тока равно h_21эI_ф Общий коллекторный ток фототранзистора, проходящийво внешней цепи: I_к = I_к' + I_к'' = I_ф + h_21эI_ф = I_ф (1+h_21э)

Семейство ВАХ ФТ показано на рис. 49, в. Увеличение освещенности фототранзистора, вызывающее пропорциональное увеличение фототока, приводит к росту тока коллектора.

Интегральная чувствительность фототранзистора К_Т в 1+h_21э раз больше, чем у фотодиода, т.к. у фототранзистора наряду с образованием фототока I_ф происходит его усиление в1+h_21э раз.