Фотоэлектронные приборы: фоторезисторы, фото и светодиоды

Фотоэлектронные (ФЭ) –это приборы, преобразующие энергию света (оптического излучения) в электрическую. В основном используются ультрафиолетовое (), видимое () и инфракрасное () излучения.

Работа ФЭ основана на внутреннем и внешнем фотоэффектах. Внутренний фотоэффект заключается в том, что энергия света разрывает ковалентные связи атомов с электронами и они, освобождаясь, переходят из валентной зоны в зону проводимости, обусловливая электропроводимость. При этом, согласно теории Эйнштейна, энергия фотонов света W_ф должна превышать ширину запрещенной зоны полупроводника, в связи с чем фотоэффект возможен при длине волны , меньшей некоторого граничного значения λ_гр, называемого «красной границей:

λ_ф < λ_гр= с / f = h с / ΔW_зз ≈ 1,23/ ΔW_зз (мкм)

с – скорость света () в вакууме; – постоянная Планка; – ширина запрещенной зоны, ограниченная дном ЗП (W_c) и потолком ВЗ (W_v) в электрон-вольтах (эВ).

На основе внутреннего фотоэффекта разработано большое количество полупроводниковых ФЭ приборов: фоторезисторы, фотодиоды, фото-транзисторы, светодиоды, фототиристоры, оптроны, фотоемкости, фотоваристоры и т. д.

Внешний фотоэффект также широко используется в других фотоэлектронных приборах, относящихся к группе фотоэмиссионных, например, в вакуумных фотоумножителях, телевизионных трубках (супериконоскоп, суперортикон) и др. Этот эффект заключается в том, что энергия фотона расходуется на преодоление работы выхода из вещества и приобретение электроном кинетической энергии.

Фоторезисторы

Фоторезистор – это ФЭ прибор, в котором в результате внутреннего фото- эффекта при его освещении светом возрастает электропроводность.

Внешний вид, обозначение и схема включения фоторезистора

Конструктивно - это тонкая пластинка или пленка из полупроводниковых сернистых или селенистых соединений кадмия, висмута или свинца 1 с двумя токопроводящими контактами 2, и укрепленная на несущей изоляционной подложке 3. Для защиты от влаги поверхность полупроводника покрывают прозрачным лаком, а саму пластинку помещают в пластмассовый корпус с окном для проникновения света. Он включается в любой полярности ЭДС.

Его фототок равен разности тока I_с при освещении и темнового тока I_m (без освещения):

;

При освещении в зависимости от светового потока уменьшение сопротивления достигается в 500–1000 раз в диапазоне частот от 10 Гц до 10 кГц. Основное применение фоторезисторов – в качестве датчиков освещённости в измерительных и информационных устройствах автоматики [12].

Фотодиоды

Фотодиод (ФД) – это П-П диод, в котором в результате внутреннего фото-эффекта при воздействии света в p-nпереходе возникает односторонняя фото-проводимость. Конструктивно - это кристалл с p-n переходом, перпендикуляр-но плоскости которого направлен световой поток.

У него два режима работы: фотогенераторный (или, в различных источ-никах – запирающий, фотогальванический, фотовольтаический, вентильный) – без внешнего источника питания, и фотодиодный (иногда фотопреобразо-вательный) – с внешним источником.

В первом случае фотодиод используется как фотоэлемент, генерирующий под действием света электрическую энергию (фото-ЭДС в солнечных батареях), а во втором – в разнообразных фотодатчиках устройств автоматики.

Структура и схема включения ФД в ф-генераторном (а) и фотодиодном (б) режимах

Дата добавления: 2015-07-07