Меню

Внутренний фотоэффект используется в следующих фотоэлектронных приборах

Внутренний фотоэффект используется в следующих фотоэлектронных приборах

Фотоэлектрическим прибором называется преобразователь лучистой энергии, благодаря которой изменяются электрические свойства вещества, содержащегося в этом приборе.

Под лучистой понимают энергию электромагнитного излучения широкого диапазона частот. Однако в большинстве случаев фотоэлектрические приборы являются приемниками электромагнитных излучений оптического диапазона, к которому относят ультрафиолетовое, видимое и инфракрасное излучения с длиной волны от десятков нанометров до десятых долей миллиметра. Различают два вида фотоэффекта: внутренний и внешний.

Внутренний фотоэффект — возбуждение электронов вещества, то есть переход их на более высокий энергетический уровень под действием излучения, благодаря чему изменяются концентрация свободных носителей заряда, а следовательно, и электрические свойства вещества.

Внутренний фотоэффект наблюдается лишь в полупроводниках и диэлектриках. В металлах лучистая энергия оптического диапазона воздействует только на свободные электроны, их концентрация при освещении металла не изменяется, поэтому внутренний фотоэффект отсутствует. При освещении полупроводников и диэлектриков часть валентных электронов увеличивает свою энергию за счет лучистой энергии, преодолевает запрещенную зону и переходит в зону проводимости. У диэлектриков ширина запрещенной зоны имеет большую величину, поэтому внутренний фотоэффект в них проявляется гораздо слабее, чем в полупроводниках.

Внутренний фотоэффект может проявляться в виде изменения электрической проводимости в однородных полупроводниках или создания ЭДС в неоднородных полупроводниках. Его используют в фоторезисторах, в фотодиодах и фототранзисторах.

Внешний фотоэффект — это фотоэлектронная эмиссия, т. е. выход электронов за пределы поверхности вещества под действием излучения. Фотоэлектронная эмиссия в большей или меньшей степени может происходить в любом веществе.

Внешний фотоэффект лежит в основе работы электронных и ионных фотоэлементов, а также фотоэлектронных умножителей.

Фоторезистором называют полупроводниковый фотоэлектрический прибор с внутренним фотоэффектом, в котором используется явление фотопроводимости, то есть изменения электрической проводимости полупроводника при его освещении. Впервые явление фотопроводимости было обнаружено у селена в 1873 г. У. Смитом.

Хотя внутренний фотоэффект наблюдается во всех полупроводниках, в фоторезисторах используют лишь некоторые из них, обладающие наиболее высокой фотопроводимостью. К ним относятся сульфиды, селениды и теллуриды таких металлов, как кадмий, висмут, свинец и таллий, некоторые окислы, интерметаллические соединения, а также селен, германий и кремний.

Рис. 1. Устройство (а) и схема включения (б) фоторезистора

Устройство фоторезистора показано на рис. 1, а. Пластинка или пленка полупроводникового материала 1 закреплена на подложке 2 из непроводящего материала — стекла, керамики или кварца. Световой поток падает на фотоактивный материал через специальное отверстие (окно) разной формы в пластмассовом корпусе. В качестве электродов используют металлы, не подвергающиеся коррозии (золото, платина) и образующие хороший контакт с полупроводником. Для защиты от внешних воздействий поверхность фотоактивного материала покрывают слоем прозрачного лака.

Если к неосвещенному фоторезистору подключить источник питания Еа (рис. 1, б), то в электрической цепи появится небольшой ток, называемый темновым током, обусловленный наличием в неосвещенном полупроводнике некоторого количества свободных носителей заряда.

При освещении фоторезистора ток в цепи сильно возрастает за счет увеличения концентрации свободных носителей заряда. Разность токов при наличии и отсутствии освещения называется световым током или фототоком, величина которого зависит от интенсивности освещения, величины приложенного напряжения, а также вида и размеров полупроводника, используемого в фоторезисторе.

Одной из основных является энергетическая характеристика фототока фоторезистора, то есть зависимость фототока IФ от потока излучения Ф, измеряемого в люменах (рис. 2).

Читайте также:  Измерять температуру работникам прибор

Рис. 2. Энергетическая характеристика фототока фоторезистора

Видно, что при малых значениях светового потока характеристику можно считать линейной, а при больших значениях фототок не пропорционален световому потоку.

Рис. 3. Вольт-амперные характеристики фоторезистора

Вольт-амперные характеристики большинства фоторезисторов линейны (рис. 3), однако в некоторых случаях при повышении напряжения линейность нарушается/

На величину фототока IФ оказывает влияние также спектральный состав светового потока. Зависимость относительной величины фототока от длины волны излучения λ при постоянном световом потоке определяет спектральную характеристику.

Фоторезисторы обладают значительной инерционностью, обусловленной временем генерации и рекомбинации электронов и дырок, происходящих при изменении освещенности фоторезистора. Время установления стационарной величины фотопроводимости называется временем фотоответа фоторезистора. Время фотоответа определяет максимально допустимую частоту модуляции светового потока, т. е. частотный диапазон работы фоторезистора,

Кроме рассмотренных характеристик, работа фоторезисторов определяется рядом параметров, основными из которых являются следующие.

Чувствительность. Различают монохроматическую и интегральную чувствительность. При воздействии на фоторезистор монохроматического излучения величина токовой чувствительности

характеризует монохроматическую чувствительность. Когда фоторезистор подвергается немонохроматическому излучению заданного спектрального состава, величина SI определяет интегральную чувствительность. Для измерения интегральной чувствительности фотоэлектрических приборов принято использовать лампу накаливания с вольфрамовой нитью при температуре 2850 К.

Темновое сопротивление. Величина сопротивления неосвещенных фоторезисторов имеет широкий диапазон значений: RT = 10 2 — 10 10 Ом. Наибольшую величину RT имеют сернисто-кадмиевые фоторезисторы (10 7 —10 10 Ом).

Рабочее напряжение. Величину рабочего напряжения Uр фоторезистора, которая зависит от его размеров, то есть от расстояния между электродами, выбирают в пределах от единиц до сотен вольт.

Пороговый поток. Пороговым потоком ФП фоторезисторов называется минимальный поток излучения, вызывающий изменение тока, превышающее уровень шумов, обусловленных тепловыми флуктуациями концентрации свободных носителей заряда. Этот параметр имеет важное значение при использовании фоторезисторов для регистрации или обнаружения предельно малых световых сигналов. Наименьшим пороговым потоком обладают селенисто-кадмиевые фоторезисторы типа СФЗ-1 (10 –11 лм).

Недостатком фоторезисторов является, как и любых полупроводниковых приборов, существенная зависимость параметров от температуры.

Преимущества фоторезисторов: высокая чувствительность, возможность использования в инфракрасной области спектра излучения, небольшие габариты и возможность работы в цепях постоянного и переменного токов.

Источник

Фотоэлектрические приборы с внутренним фотоэффектом.

Фотоэлектрические приборыэто преобразователи энергии оптического излучения в электрическую. Они работают на внутреннем и внешнем фотоэффекте.

Внутренний фотоэффект это ионизация атомов вещества под действием излучения, в результате которой, в веществе увеличивается концентрация свободных носителей заряда, а, следовательно, меняются электрические свойства вещества. Его используют в фоторезисторах, фотодиодах и фототранзисторах.

Внешний фотоэффектэто фотоэлектронная эмиссия, т.е. выход электронов за пределы поверхности вещества под воздействием излучения. Внешний фотоэффект используют в фотоэлементах, фотоэлектронных умножителях.

Это п/п-вые приборы, сопротивление которых изменяется под воздействием светового потока. При облучении светом в п/п-ке возникает избыточная концентрация носителей заряда за счет перехода электронов в зону проводимости, что вызывает увеличение проводимости п/п-ка.

ФР изготавливают из сернистого свинца, сульфида кадмия и селенида кадмия.

На рис. 2.26, а показана общая конструкция фоторезистора СФ2-2. Схема включения фоторезистора показана на рис. 2.26, б. При отсутствии освещения (Ф = 0) фоторезистор обладает большим темновым сопротивлением Rтемн, поэтому темновой ток Iтемн, проходящийв цепи маленький и равен

При наличии светового потока (Ф > 0) сопротивление фоторезистора уменьшается до значения Rсв, а световой ток: Iсв=E/( Rсв+Rн) (2.22)

Читайте также:  Вопрос какими столовыми приборами чаще всего пользуются

ВАХ ФР при освещении (прямая 1) и затемнении (прямая 2), , показаны на рис. 2.26, в.

Интегральная чувствительность фоторезистора Kф.р=Iф/Ф;

ФР имеют малые габариты, высокую чувствительность, применяются в цепях постоянного и переменного токов. К ФР источник питания Е может быть включен с любой полярностью.

Этоп/п-вый фотоэлектрический прибор, в котором используется внутренний фотоэффект. Он преобразует световую энергию в электрическую. ФД изготавливают из германия, кремния, арсенида галлия, сернистого серебра. ФД, как и обычные п/п-вые диоды, состоит из двух слоев п/п-ка с электропроводностями разных типов и одного p-n-перехода. В ФД предусматривается возможность попадания светового потока в область pn-перехода.

ФД могут работать в двух режимах: 1) фотогенераторном (без внешнего источника питания); 2) фотопреобразовательном (с внешним источником питания).

В фотогенераторном режиме при разомкнутом ключе К и отсутствии освещения (Ф = ) ток через pn-переход равен нулю. При освещении п/п-ка в области pn-перехода генерируются дополнительные пары носителей заряда. Поле объемного заряда pn-перехода с разностью потенциалов φк «разделяет» эти пары: дырки дрейфуют в p-область, а электроны — в n-область, Поскольку в области п/п-ка p-типа накапливаются избыточные носители с положительным зарядом, а в области п/п-ка nтипа— с отрицательным зарядом, то между внешними электродами появляется разность потенциалов с полярностью, указанной на рис. 2.7, б, представляющая собой фото-ЭДС. Значение фото-ЭДС равно φк ( 0,5—0,6 В). Под воздействием фото-ЭДС в цепи нагрузки проходит ток (ключ К при этом замкнут).

Это фотоэлектрические п/п-вые приборы с двумя рn-переходами. Они преобразуют световую энергию в электрическую, образуя фототок и усиливая его.

Рассмотрим работу ФТ в режиме с отключенной базой (Iб=0). Схема включения фототранзистора показана на рис. 49, а, а его условное обозначение — на рис. 49, б. Если внешний световой поток Ф равен нулю, то через ФТ проходит небольшой темновой ток коллектора IкТ, который определяется формулой IкТ=Iкэ0=Iкб0(h21э+1)

При освещении области базы (Ф > 0) в ней генерируются электроны и дырки, которые диффундируют к эмиттерному и коллекторному переходам. При этом электрическое поле коллекторного перехода втягивает в коллектор дырки, но задерживает в базе электроны. Ушедшие в коллекторную цепь дырки, образующие фототок Iф, увеличивают обратный ток коллектора на величину Ik’=Iф, а оставшиеся электроны при отключенной базе создают в ней отрицательный пространственный заряд, смещающий эмиттерный переход в прямом направлении при этом из эмиттера в базу перемещается дополнительное количество дырок, которые, как и в обычном биполярном транзисторе, диффундируют через базу к коллекторному переходу и захватываются его полем, вызывая приращение коллекторного тока Iк». Это приращение коллекторного тока равно h21эIф Общий коллекторный ток фототранзистора, проходящийво внешней цепи: Iк = Iк‘ + Iк» = Iф + h21эIф = Iф (1+h21э)

Семейство ВАХ ФТ показано на рис. 49, в. Увеличение освещенности фототранзистора, вызывающее пропорциональное увеличение фототока, приводит к росту тока коллектора.

Интегральная чувствительность фототранзистора КТ в 1+h21э раз больше, чем у фотодиода, т.к. у фототранзистора наряду с образованием фототока Iф происходит его усиление в1+h21э раз.

Дата добавления: 2015-12-11 ; просмотров: 3389 ; ЗАКАЗАТЬ НАПИСАНИЕ РАБОТЫ

Источник

Читайте также:  Медицинская тумба для приборов

Внутренний фотоэффект используется в следующих фотоэлектронных приборах

Фотоэлектронные (фотоэлектрические) приборы предназначены для преобразования световой энергии в электрическую.

Все полупроводниковые фотоэлектрические приборы основаны на внутреннем фотоэффекте – возбуждении атомов и росте концентрации свободных носителей заряда под воздействием светового излучения. При этом в полупроводнике растет проводимость, а на p-n переходах появляется ЭДС.

К фотоэлектронным приборам относятся фоторезисторы, фотодиоды, фототранзисторы и фототиристоры.

Фоторезистор — это полупроводниковый фотоэлектрический прибор, сопротивление которого изменяется под действием светового излучения. На рисунке. 1.7.1 показана схема включения фоторезистора и его характеристики. Фоторезисторы, как и другие фотоэлектрические приборы, характеризуются световой характеристикой, т.е. зависимостью фототока , протекающего через прибор от светового потока . Она нелинейная и это является недостатком фоторезистора. ВАХ фоторезистора линейны, а их наклон зависит от величины светового потока.

Рисунок 1.7.1 Схема включения фоторезистора (а), световая характеристика (б)

вольт-амперная характеристика (в)

Фоторезисторы могут работать и на переменном токе. Фоторезисторы являются самыми простыми и дешевыми фотоэлектрическими приборами.

Фотодиод — это полупроводниковый фотоэлектрический прибор, основанный на внутреннем фотоэффекте, содержащий один p-n переход и имеющий два вывода.

Фотодиоды могут работать в двух режимах: без внешнего источника электроэнергии (режим фотогенератора) и с внешним источником (режим фотопреобразователя). На рисунке 1.7.2, а, б показаны эти схемы включения.

Рисунок 1.7.2 Схемы включения фотодиода в режиме фотогенератора (а), фотопреобразователя (б), световая характеристика (в), вольтамперная характеристика (г)

При освещении фотодиода в режиме фотогенератора на его выводах появляется фото-ЭДС с полярностью слева «+», справа «–». При подключении сопротивления нагрузки под действием ЭДС по нему идет фототок. Именно в таком режиме работают солнечные батареи.

В режиме фотопреобразователя через p-n переход протекает обратный ток, зависящий от светового потока, определяющего число неосновных носителей. Световая характеристика в режиме фотопреобразователя (рисунке 1.7.2, в) линейна и выражается уравнением

где – чувствительность (до 20 мА/лм),

IФТ – темновой ток (начальный ток в темноте).

ВАХ фотодиода в темноте не отличаются от ВАХ p-n перехода (рисунке 1.7.2 г), а при освещении опускается вниз. Режиму фотопреобразователя соответствуют участки в третьем квадранте, а режиму фотогенератора – в четвертом.

Фотодиоды имеют большее быстродействие, чем фоторезисторы (работоспособны при частоте 1 гГц и выше), но менее чувствительны.

С целью повышения чувствительности вместо фотодиодов применяют фототранзисторы.

Фототранзистор — фотоэлектронный прибор, имеющий трехслойную структуру, как обычный транзистор, в котором ток зависит от освещения базы. Схема включения фототранзистора показана на рисунке 1.7.3

Рисунок 1.7.3 Включения фототранзистора

Они имеют линейную световую характеристику, а выходные ВАХ аналогичны ВАХ обычного транзистора, включенного по схеме с общим эмиттером, но в качестве параметра вместо тока базы выступает световой поток. Чувствительность фототранзисторов достигает 1 А/лм. Параметры фототранзисторов существенно зависят от температуры.

В качестве полупроводниковых излучателей света используются светоизлучающие диоды (светодиоды). Принцип действия светодиодов основан на излучении квантов света при прямом токе вследствие рекомбинации носителей заряда. Цвет излучения определяется материалом, из которого сделан фотодиод. Светодиоды работают при напряжении 2. 5В и токе до 40мА на один диод. Они имеют весьма низкий КПД.

Основное применение светодиодов – устройства индикации.

На рисунок 1.7.4 приведена схема включения светодиода и его яркостная характеристика – зависимость яркости B от тока I.

Рисунок 1.7.5 Включение диода (а), яркостная характеристика (б)

Источник

Adblock
detector