Устройство фотодиода

Фотодиоды.

Фотодиод – полупроводниковый диод, обратный ток которого зависит от освещенности рn – перехода.

Устройство аналогично устройству обычного плоскостного полупроводникового диода и выполнено так, что рn – переход с одной стороны обращен к стеклянному окну, через которое поступает световой поток, а с другой защищен от воздействия света.

Рис. 2.9 Схема включения фотодиода.

Напряжение источника питания приложено к диоду в обратном направлении.

Когда фотодиод не освящен, через него протекает небольшой обратный (темновой) ток (10 – 20 мкА) для германиевых и (1-2мкА) - для кремниевых диодов

При освещении появляется дополнительное число электронов и дырок, вследствие чего увеличивается переход неосновных носителей: электронов из р – области в n область и дырок в обратном направлении. Это увеличивает ток в цепи.

Фотодиод можно включать в схему с внешними источником – фотодиод, а без внешнего источника – вентильный фотоэлемент (фотогенератор).

В вентильном режиме в фотодиоде под действием светового потока возникает э.д.с.

Характеристики фотодиода.

Рис. 2.10 Характеристики фотодиода:

а) – вольтамперная, б) – световая, в) – спектральная

(1 – германиевый, 2 – кремниевые фотодиоды)

Характеристики фотодиода аналогичны характеристикам фоторезистора.

Вольтамперная характеристика Iд =f(Uд), при Ф=const

При полном затемнении (световой поток Ф=0) через фотодиод протекает темновой ток Iт равный сумме обратного тока насыщения и тока утечки.

С ростом светового потока ток Iд увеличивается. Ток фотодиода практически не зависит от величины приложенного напряжения.

Световая характеристика Iд =f(Ф), при Uд=const

В широком диапазоне изменения светового потока световая характеристика фотодиода остается линейной.

Спектральная характеристика Iф/Iфmax=f ()

Показывает зависимость спектральной чувствительности от длины волны.

Применение:

В устройствах ввода и вывода информации в ЭВМ, в фотометрии, в фотоколориметрии (контроль источника света, изменение интенсивности освещения, прозрачности среды, автоматического регулирования и контроля температуры, регистрация и счет ядерных частиц и др.)

Фототранзисторы.

Фототранзистор – полупроводниковый прибор с двумя рn – переходами, обладающий свойством усиления фототока под воздействием светового излучения.

Первоначально транзисторы использовались исключительно в двухполюсном включении. Схема такого фототранзистора приведена на рисунке.

Рис. 2.11 Двухполюсная схема включения фототранзистора.

При таком включении вывод базы остается свободным, значит Iб=0.

При освещении базы в ней появляются электроны и дырки. Дырки (неословные носители) втягиваются полем коллекторного перехода в коллектор, увеличивая ток в его цепи.

Оставшиеся в базе электроны (основные носители) уменьшают потенциальный барьер эмиттерного перехода, облегчая переход дырок из эмиттера в область базы, а затем в коллектор. Это приводит к еще большему увеличению коллекторного тока через нагрузку Rн.

Даже при небольшом световом потоке, падающем на базу, ток коллектора получается достаточно большим, т. е. такой прибор обладает высокой чувствительностью (сотни миллиампер на люмен).

Чувствительность такого фототранзистора выше, чем у фотодиода.

Фототранзистор с тремя выводами по конструкции не отличается от обычного плоскостного транзистора. Характеристики этих двух приборов одинаковые, если на вход фототранзистора подается только электрический сигнал.

Если кроме электрического подать и световой сигнал, то чувствительность такого прибора повышается.

Условное обозначение его на схемах

Применение:

Фототранзисторы используются в качестве чувствительных элементов в системе телеконтроля, автоматике, в аппаратуре считывания числового материала, фототелеграфии и др.

3. Вентильный фотоэффект.

Вентильные фотоэлементы – фотоэлементы с фотоэффектом в запирающим слое. В них под действием светового излучения возникает э.д.с (фото – э.д.с), т.е. световая энергия преобразуется в электрическую без посторонних источников тока. Освещение поверхности фотоэлемента вблизи рn –перехода вызывает ионизацию кристалла и образование новых пар: электронов и дырок.

Под действием электрического поля рn – перехода электроны, возникающие под действием световой энергии, переходят в n область, а дырки в область р. Разность потенциалов между слоями р и n вызывает прохождение во внешней цепи тока Iф, величина которого пропорциональна числу электронов и дырок и, следовательно, освещенности фотоэлемента.

Начиная с 1954 года вентильные фотоэлементы стали применятся для изготовления солнечных батарей, преобразующих солнечную энергию в электрическую. Такие солнечные батареи успешно используются на искусственных спутниках Земли.

Солнечные фотоэлементы состоят из пластины кремния типа n. В качестве примесей вводятся атомы мышьяка. На поверхность пластины путем диффузии в вакууме вводится бор, образующий р – область, толщина этого слоя 2 – 3 мкм, поэтому световая энергия легко проникает в зону рn – перехода.

Рис. 2.12 Солнечный фотоэлемент:

а) – устройство, б) – спектральная характеристика.

Условное обозначение в схемах

Спектральная характеристика солнечного фотоэлемента имеет максимум в инфракрасной () области.Батареи кремниевых фотоэлементов площадью развивают мощность 60 Вт при коэффициенте полезного действия 9 – 10%.

Контрольные вопросы по модулю 2.

1. В чем сущность фотоэффекта?

2. Каким образом в приборах с внешним фотоэффектом реализуются основные положения, связанные с явлением фотоэффекта?

3. Как обеспечивается внутренний фотоэффект?

4. Какие характеристики оценивают работу фотоэлектронных приборов?

5. Как в электрических схемах изображаются фотоэлектронные приборы?

Дата добавления: 2015-06-04