Тема 1.6. Оптоэлектроника

Виды фотоэффекта

Фотоэлектронным прибором называют электронный прибор, предназначенный для преобразования энергии оптического излучения в электрическую. Принцип действия этих приборов основан на изменении электрических свойств веществ под действием падающего на них излучения, в частности видимого света. Фотоэлектронные приборы разделяют на электровакуумных и полупроводниковые.

Влияние света на электрические свойства вещества носит название фотоэффекта. Различают внешний и внутренний фотоэффект.

Внешний фотоэффект – это фотоэлектронная эмиссия, т.е. испускание электронов с поверхности вещества под действием энергии падающего света, на этом основан принцип действия электровакуумных фотоэлектронных приборов – фотоэлементов и фотоумножителей.

Внутренний фотоэффект может быть двух видов: фоторезистивный эффект – уменьшение электрического сопротивления полупроводника под действием падающего света; фотогальванический эффект – возникновение на pn – переходе под действием падающего света разности потенциалов, называемой фото – ЭДС.

На внутреннем фотоэффекте основан принцип действия полупроводниковых фотоэлектронных приборов.

Фотоэффект объясняется изменением энергетического состояния свободных электронов в металле, а так же атомов в кристалле полупроводника при поглощении энергии излучений.

Энергия оптического излучения выделяется и поглощается квантами – фотонами, а распространяется волнами, как электромагнитные колебания. При поглощении фотонов валентными электронами один электрон может поглотить только один фотон. За счёт этого его энергия скачком увеличится.

Тема 1.7. Полупроводниковые фотоэлектронные приборы

Фоторезисторы

Фоторезистор представляет собой полупроводниковый резистор сопротивление которого изменяется под действием излучения. Принцип устройства фоторезистора поясняется на рис. 7.1.а. На диэлектрическую пластину 1 нанесён тонкий слой полупроводника 2 с контактами 3 по краям. Схема включения фоторезистора приведена на рис 5.1. Полярность источника питания не играет роли.

Если облучения нет, то фоторезистор имеет некоторое большое сопротивление Rт, называемое темновым. Оно является одним из параметров фоторезистора и составляет Ом. При действии излучения с достаточной энергии фотонов на фоторезистор в нём происходит генерация пар подвижных носителей заряда (электронов и дырок) и его сопротивление уменьшается.

Для фоторезисторов применяют различные полупроводники имеющие нужные свойства. Так, например сернистый свинец наиболее чувствителен к инфракрасному, а сернистый кадмий - к видимым лучам.

Фоторезисторы характеризуют удельной чувствительностью.

Sуд = I/(ФU), где Ф - световой поток.

Фоторезисторы имеют линейную вольт – амперную и нелинейную энергетическую характеристику Рис. 7.2.

Рис 7.2. Вольт – амперная а) и энергетическая б) характеристики фоторезистора

К параметрам фоторезисторов кроме темновому сопротивлению и удельной чувствительности следует отнести максимальное допустимое падение напряжения (до 600В). Существенным недостатком надо считать их большую инерционность, объясняющуюся довольно большим временем рекомбинации электронов и дырок после прекращения облучения. Практически фоторезисторы применяются лишь на частотах не выше нескольких сотен герц или единиц килогерц. Тем не менее их применяют в различных схемах автоматики.

Фотодиоды.

Фотодиодом называют полупроводниковый диод, ток которого управляется световым потоком. Фотодиод имеет двухслойную структуру, содержащую один pn- переход. Фотодиод может быть изготовлен на основе кремня, германия, арсенида галлия.

Различают два режима работы фотодиода: фотодиодный, с внешним источником питания, включённым в обратном направлении, при этом используется фоторезистивный эффект, в результате его световой поток управляет обратным током фотодиода.

Фотогальванический – без внешнего источника питания: при этом используется фотогальванический эффект, в результате его световой поток управляет вырабатываемой фотодиодом фото-ЭДС.