2.6 Полупроводниковые фотоэлектронные приборы

Фотоэлектрические приборы - это электронные приборы, в которых световое излучение преобразуется в электрический ток.

В зависимости от вида фотоэффекта различают:

1) Фотоэлектронные приборы с внешним фотоэффектом (электровакуумные и ионные фотоэлементы, фотоумножители)

2) Фотоэлектронные приборы с внутренним фотоэффектом (фоторезисторы, полупроводниковые фотоэлементы, фотодиоды, фототранзисторы, фототиристоры)

Увеличение проводимости под воздействием электромагнитного излучения называют внутренним фотоэффектом. Наблюдается только в полупроводниках. Под действием облучения за счет энергии фотонов часть электронов полупроводника освобождается от ковалентных связей, то есть образуется дополнительные электронно-дырочные пары. Концентрация свободных носителей увеличивается, и проводимость полупроводника возрастает.

Фоторезисторы

Это полупроводниковые приборы, сопротивление которых изменяется под действием светового потока.

Рисунок 32 – Схема включения и ВАХ фоторезистора

При отсутствии освещения, сопротивление фоторезистора велико (10² –10⁹). В цепи протекает малый ток, называемый темновым. При освещении поверхности полупроводника за счёт внутреннего фотоэффекта, сопротивление фоторезистора падает и через него протекает световой ток. При увеличении светового потока Ф фототок также увеличивается. Кроме того, величина тока зависит от материала полупроводника, спектрального состава светового потока, температуры.

Параметры фоторезистора ФСК-1:

Рабочее U-50В;

Темновой ток-5мкА;

Световой ток-2мА;

Кратность изменения сопротивления -100.

Применяются как датчики освещённости в автоматике и измерительной технике.

Фотодиоды

Это полупроводниковые диоды, обратный ток которых управляется с помощью светового потока.

Устройство фотодиода аналогично обычному диоду, но снабжённого окном с одной стороны p-n-перехода.

Рисунок 33 – Схема включения и ВАХ фотодиода

Фотодиод работает при обратном смещении p-n-перехода. При освещении фотодиода в области p-n-перехода, генерируются дополнительные электроны и дырки, и обратный ток через переход увеличивается.

Фотодиод, работающий в генераторном режиме, называется фотоэлементом. Он преобразует световую энергию в электрическую. ЭДС между выводами фотодиода создаётся за счёт разделения возникающих носителей заряда электрическим полем перехода. Возникающая ЭДС достигает 0,9В.

По сравнению с фоторезисторами, фотодиоды являются более быстродействующими, но имеют меньшую чувствительность и более сильную зависимость от температуры.

Фототранзисторы

Э то полупроводниковые транзисторы, ток в которых управляется с помощью светового потока. В отличии от обычных транзисторов, у них имеется окно в области базы.

При отсутствии освещения, фототранзистор работает так же как и обычный транзистор. При попадании светового потока Ф на область базы, ток коллектора транзистора увеличивается.

Чувствительность фототранзистора значительно выше, чем у фотодиода.

Оптоэлектронные приборы

Это приборы, преобразующие электрические сигналы в оптические и передающие эту энергию индикаторам или фотоэлектрическим преобразователям.

Оптоэлектроника – это раздел науки и техники, в которой изучаются вопросы генерации, обработки и хранения информации на основе совместного использования электрических и оптических явлений.

Простейший оптоэлектронный прибор состоит из источника излучения - светодиода, и приемника излучения (фоторезистор, фотодиод, фототранзистор, фототиристор), имеющих между собой оптическую связь. Такой прибор называется оптопара.

Рисунок 34 – Варианты оптопар

Основное назначение оптопар – устранение электрической связи между отдельными узлами и элементами. В них полностью отсутствует электрическая и магнитная связь между излучателем и приемником. Оптопара имеет широкую полосу пропускания – могут передаваться сигналы с частотой от 0 до 10¹⁴ Гц.