Основные параметры фотоэлемента

С в е т о в а я (и н т е г р а л ь н а я) ч у в с т в и т е л ь н о с т ь (S) - отношение фототока к вызывающему его световому потоку. У полупроводниковых фотоэлементов определяют при короткозамкнутых выводах. Для определения S используют, как правило, калиброванные источники света (напр., лампу накаливания с воспроизводимым значением цветовой темп-ры нити, обычно равным 2860 К).

С п е к т р а л ь н а я ч у в с т в и т е л ь н о с т ь (Sl) - отношение фототока к вызывающему его лучистому потоку с длиной волны l. У кремниевых фотоэлементов диапазон спектральной чувствительности находится в области спектра 400…1100 нм, у германиевых – 500…2000 нм.

ФотоЭДС кремниевого фотоэлемента, освещаемого лампой накаливания в расчёте на 1 см² освещаемой поверхности может достигать несколько десятых В.

ФОТОДИОД - полупроводниковый диод, в котором используется зависимость его характеристики от освещенности. Он имеет два электрода, разделенные р-n-переходом. Фотодиод может работать как с вне-шним источником питания - фотопреобразовательный режим, так и без него - генераторный режим (рис. в).

При освещении фотодиода создаются дополнительные пары электрон-дырка, часть которых, перемещаясь, достигает р-n-перехода. Здесь под действием электрического поля р-n-перехода дырки переходят в р-область, а электроны остаются в n-области, так как они не могут преодолеть потенциального барьера. Происходит накопление дырок в р-области и электронов n-области. При этом между электродами устанавливается некоторая разность потенциалов, представляющая собой фото-эдс, которая может достигнуть 1 В. При подсоединении сопротивления нагрузки Кн в цепи пойдет ток. В фотопреобразовательном режиме (рис. г) напряжение источника приложено в обратном направлении. При отсутствии освещения через фотодиод происходит темновой ток. При освещении возникают пары электрон-дырка. Дырки доходят до р-n-перехода и под действием его электрического поля переходят в р-область. Ток в цепи возрастает и появляется световой ток. Изменение тока в цепи, зависящее от освещенности диода, вызывает в нагрузке падение напряжения, пропорциональное величине светового потока, действующего на фотодиод. Фотодиод, работающий в режиме фотопреобразования, подобен фоторезистору, обладающему большей интегральной чувствительностью. У кремниевых диодов типа ФД-К1 она имеет значение 4...5, а у германиевых типа ФД-2 - 20...25 мА/лм. Темновой ток ФД-К1 составляет 1...3 мкА, а ФД-2 - 10 мкА.

При работе фотодиода в фотопреобразовательном режиме источник питания Е включается в цепь в запирающем направлении (рис. 1, а). Используются обратные ветви ВАХ фотодиода при различных освещенностях (рис. 1,б).

Рис. 1. Схема включения фотодиода в фотопреобразовательном режиме: а - схема включения, б - ВАХ фотодиода

Ток и напряжение на нагрузочном резисторе Rн могут быть определены графически по точкам пересечения ВАХ фотодиода и линии нагрузки, соответствующей сопротивлению резистора Rн. При отсутствии освещенности фотодиод работает в режиме обычного диода. Темновой ток у германиевых фотодиодов равен 10 - 30 мкА, у кремниевых 1 - 3 мкА.

Если в фотодиодах использовать обратимый электрический пробой, сопровождающийся лавинным умножением носителей заряда, как в полупроводниковых стабилитронах, то фототок, а следовательно, и чувствительность значительно возрастут.

Чувствительность лавинных фотодиодов может быть на несколько порядков больше, чем у обычных фотодиодов (у германиевых – в 200 – 300 раз, у кремниевых – в 104 – 106 раз).

Лавинные фотодиоды являются быстродействующими фотоэлектрическими приборами, их частотный диапазон может достигать 10 ГГц. Недостатком лавинных фотодиодов является более высокий уровень шумов по сравнению с обычными фотодиодами.

Рис. 2. Схема включения фоторезистора (а), УГО (б), энергетическая (в) и вольт-амперная (г) характеристики фоторезистора

Кроме фотодиодов, применяются фоторезисторы (рис 2), фототранзисторы и фототиристоры, в которых используется внутренний фотоэффект. Характерным недостатком их является высокая инерционность (граничная рабочая частота fгр < 10 - 16 кГц), что ограничивает их применение.

Конструкция фототранзистора подобна обычному транзистору, у которого в корпусе имеется окошко, через которое может освещаться база. УГО фототранзистора – транзистор с двумя стрелками, направленными к нему.

Светодиоды и фотодиоды часто используются в паре. При этом они помещаются в один корпус таким образом, чтобы светочувствительная площадка фотодиода располагалась напротив излучающей площадки светодиода. Полупроводниковые приборы, использующие пары «светодиод – фотодиод», называются оптронами (рис. 3).

Рис. 3. Оптрон: 1 – светодиод, 2 – фотодиод

Входные и выходные цепи в таких приборах оказываются электрически никак не связанными, поскольку передача сигнала осуществляется через оптическое излучение

Пирометр – прибор для бесконтактного измерения температуры тел. Принцип действия основан на измерении мощности теплового излучения объекта измерения преимущественно в диапазонах инфракрасного излучения и видимого света.