Фотоэлектрические (оптоэлектронные) приборы

Фотоэлектрические (оптоэлектронные) приборы.

При облучении полупроводников электромагнитными волнами оптического диапазона кванты света частично отражаются, а частично поглощаются атомами. Электроны атомов полупроводников, получивших дополнительную энергию при поглощении квантов света, могут перейти из ВЗ(валентной зоны) в ЭП(электронный переход), вследствие чего образуются электронно-дырочные пары. Появление этих зарядов приводит к увеличению электропроводимости полупроводника или к появлению фото ЭДС. Эти два явления широко используются в фотоэлектрических (оптоэлектронных) полупроводниковых приборах (ФЭП). Рассмотрим некоторые из них.

Оптоэлектронными приборами называют приборы, принцип действия которых основан на излучении или преобразовании электромагнитных колебаний оптического диапазона волн (λ=1мм ... 1 нм). Шкала электромагнитных волн в области оптического диапазона представлена на рис.1

Рис. 1. Шкала электромагнитных волн в области оптического диапазона

По назначению ФЭП делятся на излучающие, приемные, оптопары и оптоэлектронные интегральные микросхемы.

Излучающие ФЭП преобразуют электрическую энергию в оптическое излучение. Представители: светодиоды, знаковые индикаторы, полупроводниковые лазеры.

Приемные ФЭП делятся на фотодетекторы и фотоэлементы. Фотодетекторы осуществляют преобразование оптических сигналов в электрические. К ним относятся фоторезисторы, фотодиоды, фототранзисторы, фототиристоры. Фотоэлементы осуществляют преобразование световой энергии в электрическую. Типичными представителями их являются солнечные батареи.

Фоторезисторы

Фоторезисторы (ФР) - это полупроводниковые резисторы, принцип действия которых основан на фоторезистивном эффекте, т.е. на изменений сопротивления полупроводника под действием светового облучения.

Устройство ФР: на диэлектрическую подложку (рис.2,а) нанесен слой полупроводника с двумя омическими выводами на концах, покрытый сверху слоем прозрачной эмали. В качестве полупроводниковых материалов используются сульфиды свинца и кадмия (PIS и CdS) и селенид кадмия (CdSe).

Принцип работы. При световом облучении полупроводника его атомы поглощают кванты света. Это значит, что энергия квантов    передается   электронам атомов полупроводника. Если ,  то они переходят в зону проводимости, превращаясь в электроны проводимости и оставляя дырки в валентной зоне. Следовательно, поглощение квантов света предопределяет возникновение электронно-дырочных пар, что повышает концентрацию подвижных НЗ (электронов и дырок), увеличивая проводимость полупроводника  . При этом, чем интенсивнее облучение полупроводникового слоя, тем интенсивнее процесс генерации и тем выше его проводимость.

Рис.2.

При включении ФР в цепь источника питания (рис. 2,б) с напряжением в ней потечет ток ,

где    темновой ток, т.е. ток, протекающий в цепи при отсутствии освещения;

- темновое сопротивление - сопротивление ФР при отсутствии освещения;

- ток, возникающий только под действием светового облучения (при отсутствии светового облучения   =0). Характеристики ФР. Ток в цепи ФР зависит от светового потока Ф, внешнего напряжения  U_ф и длины волны λ . В соответствии с этим различают световую, вольт -амперную и спектральную характеристики соответственно. Определения этих характеристик и графики, соответствующие им, представлены на рис. 3.

Рис.3. Характеристики фоторезисторов

Световые характеристики не линейны и это недостаток.Вольт -амперные характеристики линейны - это достоинство. Максимумы спектральных характеристик лежат : для дернистого кадмия в видимой части спектра (ВИ), а для селенистого кадмия и сернистого свинца - в области инфракрасного излучения (ИКИ).

Параметры фоторезисторов.

Интегральная чувствительность:мкА/лм.

Удельная интегральная чувствительность: мкА/лм·В.

Величина темпового сопротивления: 

Максимальное рабочее напряжение:  .

Достоинства фоторезисторов: высокая чувствительность, малые вес и габариты, дешевизна. Недостатки: нелинейность световой характеристики, низкая термостабильность, инерционность.

Фотодиоды

Фотодиод -- это обратносмещенный полупроводниковый диод, обратный ток которого определяется степенью освещенности.Фотодиод (ФД) представляет собой обычный полупроводниковый диод (Рис.4.), корпус которого имеет световое окно и линзу. Материалом изготовления служат германий и кремний.

Принцип работы. На Рис.5 изображен освещаемый обратносмещенный ЭДП. При поглощении квантов света атомами полупроводника в самом ЭДП и прилегающих к нему областях происходит генерация электронно-дырочных пар. Неосновные носители заряда, образовавшиеся в n- и p- областях на расстояниях, не превышающих Ln и Lp соответственно, диффундируют к ЭДП и проходят через него под воздействием электрического поля Е_Σ.