2.7. Фотоэлектронные элементы

В настоящее время фотоэлектронные элементы изготавливают в основном из полупроводников, в приповерхностном слое которых под действием лучистой энергии возникает внутренний фотоэффект – изменяется удельное сопротивление полупроводника за счет высвобождения электронов в некоторых атомах. При этом электроны не выходят из объема полупроводника, но становятся подвижными. В определенных пределах существует практически линейная зависимость между световым потоком Ф и током I через полупроводник, таким образом простейший фотоэлектрический элемент – фоторезистор аналогичен термистору (см. п. 2.9), однако вместо зависимости сопротивления R от тепловой энергии имеет место зависимость R от лучистой энергии. Условное обозначение фоторезистора см. рис. 2.10,а.

а)	б)
Рис. 2.10.

Главной характеристикой фоторезистора является удельная интегральная чувствительность S = I / (ФU), где U – напряжение, приложенное к фоторезистору.

Фоторезисторы обладают двумя недостатками. Во-первых, даже при абсолютной темноте (при Ф = 0) через полупроводник течет ток, называемый темновым I_т. В отличие от него ток, обусловленный лучистой энергией I называют фототоком. Во-вторых, фоторезистор инерционен, особенно при выключении освещения или его ослаблении: процесс возвращения электронов в атомы, т. е. их рекомбинации требует времени.

Наряду с фоторезисторами в электронике применяют полупроводниковые фотодиоды (Рис. 2.10, б). Внутри фотодиода, как и внутри обычного диода находится электронно-дырочный переход. В отсутствие лучистой энергии переход заперт, но, как известно из п. 2.2, через запертый переход течет небольшой ток неосновных носителей. В отсутствие освещения он невелик, но при появлении лучистой энергии резко возрастает и тогда можно считать фотодиод открытым. В отличие от фоторезисторов, используемых для плавной регулировки тока, фотодиоды применяют в схемах с дискретным изменением сопротивления («открыт-закрыт»).

В электронике применяют и многопереходные светочувствительные приборы – фототранзисторы и даже фототиристоры.

2.8. Светоиспускающие элементы

Рис. 2.11

Светоиспускающие полупроводниковые диоды (светодиоды) в известном смысле являются «антиподами» фотодиодам: при протекании через них электрического тока (электронного и дырочного) происходит рекомбинация этих движущихся навстречу друг другу частиц, в результате чего оба носителя заряда теряют свою кинетическую энергия. Высвобождается энергия в первую очередь в форме квантов (т. е. светового или инфракрасного излучения). Кванты светового излучения называют фотонами, а кванты инфракрасного «теплового» излучения – фононами. Поскольку светодиоды чаще всего применяют как индикаторы, то полезным «выходом» светодиода является доля фотонов в общем количестве испущенных частиц. Условное обозначение светодиодов в электронных схемах приведено на рис. 2.11.

В светодиодах применяют различные полупроводниковые материалы – чаще других арсенид галлия GaAs и карбид кремния SiC; от применяемого материала, а также от приложенного к светодиоду напряжения зависит цвет излучения светодиода.

Светодиоды объединяют вместе с фотодиодами в единые элементы, называемые оптронами или оптопарами. Применение оптронов позволяет организовать в электронных схемах гальваническую развязку между цепями - например, между цепью управляющего сигнала и управляемой (коммутируемой) цепью.