Фотоэлектрические (оптоэлектронные) приборы, страница 2

То же происходит и с НЗ, образовавшимися в самом ЭДП.

Рис.4. Полупроводниковый диод

Поток рассмотренных НОНЗ порождается освещением и перебрасывается через ЭДП  электрическим полем . Он создает ток, называемый фототоком  . Этот ток совпадает по направлению с обратным током ЭДП  и отличается от него только характером происхождения носителей заряда: НОНЗ, образующие ток , возникают от поглощения квантов света, а НОНЗ, образующие ток  , - от термогенерации. При этом, чем интенсивнее световое облучение, тем больше фотопоток.

Рис.5                                                               Рис.6

К основным характеристикам ФД относятся вольт -амперная , световая и спектральная характеристики.

1.           ВАХ фотодиода определяется, исходя из следующих соображений. В общем случае в цепи ФД могут протекать три тока (рис. 10.5): инжекционный - при прямом смещении неосвещенного диода ; тепловой   и фототок   - при обратном смещении. С учетом этого

Семейство   ВАХ,   определяемое   этим   выражением,   представлено   на рис.6.  Однако ФД работает только при обратном смещении, поэтому: Это выражение и является уравнением ВАХ ФД.

При отсутствии освещения (ф=0) ток  =0 и Iфд= - Iо. При наличии освещения (Ф>0) ток Iф > 0, он суммируется с током Iо и , поэтому характеристики сдвигается вниз (рис.7). Причем сдвиг тем больше, чем больше Ф: в этом и проявляется зависимость тока  от светового потока. В фоторежиме ток Iфд практически не зависит от напряжения Uобр, и почти линейно зависит от Ф.

2.           Световые характеристики ФД (рис.8) линейны, начинаются из точки . Линейность объясняется тонкой базой, вследствие чего вес, образованные под действием света, НОНЗ доходят до ЭДП и создают ток .

Рис.7.                                     Рис.8.                                    Рис.9.

3.           Спектральные характеристики определяются шириной полупроводника со стороны больших значений длины волн λ и показателем поглощения со стороны малых значений λ. На рис.9 приведена спектральная характеристика германиевого диода.

Одним из основных параметров ФД является интегральная чувствительность:  К числу других параметров относятся рабочее напряжение, пороговый снеговой поток, граничная частота.     Достоинства ФД: большая интегральная чувствительность (до 20 мА/лм) и малая инерционность. Недостаток: большая зависимость тока  от температуры.

Применяются ФД в качестве детекторов излучений света, датчиков координат в РЛС, в устройствах ввода и вывода информации в ЭВМ, в качестве фотореле в автоматике и т.п.Кроме ФД с ЭДП ныне применяются ФД с р- i-n- структурой и с диодами Шотки, имеющие более высокие чувствительность, быстродействие, меньшие рабочие напряжения и другие особенности.

Фотоэлементы

Фотоэлементом (ФЭ)  называют полупроводниковый прибор с выпрямляющим переходом, предназначенный для непосредственного преобразования световой энергии в электрическую. Такие приборы являются источниками электрической энергии и широко применяются в солнечных батареях и фотометрии. Конструктивно полупроводниковые ФЭ представляют собой фотодиоды, работающие без источников Питания. Материалами для изготовления их являются кремний, селен, сернистое серебро, фосфор, сурьма. Для рассмотрения принципа работы воспользуемся рис. 10, на котором изображен освещаемый ЭДН, нагруженный на резистор RH и не имеющий источника смещения.

Рис. 10.

при облучении светом p - n - перехода и прилегающих к нему областей в них генерируются электронно-дырочные пары. Образовавшиеся НЗ разделяются полем ЕК. НОНЗ перебрасываются через переход, а ОНЗ задерживаются в "своих" областях, т. к. не могут преодолеть потенциальный барьер. В результате этого происходит накопление ОНЗ: дырок в р - области, а электронов в n- области.Накопившиеся электроны и дырки образуют объемные заряды: положительный в р - области и отрицательный в n – области. Разность потенциалов между зарядами называется фото-ЭДС (UФ). Фото-ЭДС направлена навстречу контактной разности потенциалов, вследствие чего снижается потенциальный барьер ЭДП от UК до UК-UФ:  UПБ=UK-UФ.

Если цепь p-n - перехода замкнута на нагрузку RH, то в ней потечет ток, уже известный нам как ток: . Величина фото-ЭДС определяется из данного выражения при условии . С   учетом   этого   условия   получаем , откуда .

Воспользовавшись определением  получаем . Подставив это в выражение для UФ, получим окончательно .

Отсюда видно, что чем больше световой поток Ф ,тем больше UФ, которая достигает 0,5 В и даже больше (у кремниевых ФЭ  ).

Характеристики фотоэлемента.

1)  Световые характеристики фотоэлемента представлены на рис.11 а. Сублинейность этих характеристик объясняется уменьшением высоты потенциального барьера ЭДП при накоплении избыточных зарядов в р- и n- областях за счет поглощения квантов света.