Фотоэлектронные приборы

Это приборы, у которых проводимость изменяется при изменении светового потока, падающего на прибор. Все ФЭП можно разделить на 3 группы: фотоприёмные, фотоизлучающие, оптоэлектронные приборы.

Фотоприёмные приборы.

Вакуумные и полупроводниковые.

Вакуумные приборы работают на основе внешнего фотоэффекта (под действием светового потока определённой длины волны из материала вылетают электроны, которые могут создавать ток при подаче напряжения) или на основе внутреннего фотоэффекта (электроны при воздействии света не покидают материал, а только переходят из валентной зоны в зону проводимости).

К вакуумным фотоприёмнымприборам относятся фотоэлемент ФЭ и фотоэлектронный умножитель ФЭУ, к п/п – фоторезисторы, фотодиоды, фототранзисторы;

К излучающим приборам относятся светодиоды;

К оптоэлектронным– оптроны (светодиод – излучающий; фоторезистор, фотодиод, фототранзистор и т.д. – приёмные элементы).

Все фотоприёмные приборы имеют 3 основные характеристики:

1. ВАХ I= f (U),при Ф и = const

2. Световая характеристика I= f (Ф),приUи=const

3. Спектральная характеристика I= f (),приUи Ф =const

Фотоэлемент

Это прибор, преобразующий свет в электрический сигнал. Он представляет собой вакуумную стеклянную колбу, внутри которой находится 2 электрода – анод (А) и фотокатод (ФК).

Свет попадает на ФК и заставляет испускать фотоэлектроны. При создании между ФК и А сильного э.п. во внешней цепи возникает ток, пропорциональный приложенному напряжению. Время пролёта электронов мало, поэтому отклик на световое воздействие происходит достаточно быстро.

А

ФК

ФЭУ

Это прибор, в котором фотоэлектроны, возникающие при воздействии света на ФК, направляются на другие электроды – диноды, вызывая эмиссию на динодах вторичных электронов, направляемых на другой динод. Динодов обычно более 10, поэтому при воздействии одного фотона на А попадают сотни электронов. Т.е. происходит эффект усиления светового сигнала внутри ФЭУ, и, благодаря этому, ФЭУ может реагировать на отдельные фотоны.

ФЭУ представляет собой вакуумную трубку с ФК, А и динодами, выводы которых также подключены к внешнему источнику напряжения и нагрузкам.

ФК R_н-U+ А

R₀R₀R₀R₀

Фоторезистор

Представляет собой п/п, к которому подключено 2 вывода и в котором имеется окно, через которое свет попадает в фоторезистор.

Электроны п/п получают при поглощении света энергию и переходят из ВЗ в ЗП. При этом уменьшается сопротивление, и ток в цепи увеличивается.

Поглощение света происходит в том случае, если энергия света больше ширины запрещённой зоны.

При Ф = 0 к фоторезистору прикладывается рабочее напряжение. Следовательно, в цепи протекает темновой ток I_т. При возрастании Ф токI_Фувеличивается, однако при больших значениях Ф наступает замедление роста фототока, т.к. происходит столкновение электронов, потеря ими энергии, замедление скорости дрейфа и увеличение процесса их рекомбинации.

I_ФФ₃>Ф₂>Ф₁ I_Ф I_Ф

Ф₃

Ф₂

Ф₁ I_т

UФ

П/п в зависимости от длины волны света неодинаково реагируют на световой поток, их реакция зависит от ширины запрещённой зоны. Т.к. п/п могут быть сложными веществами, то возможно наличие нескольких локальных максимумов.

Параметры фоторезистора:

• U_раб

• I_т

• R_т (темновое сопротивление, измеряется через 30 с после снятия освещённости в 200 Лк)

• R_св(световое сопротивление, измеряется после 30 с при освещённости в 200 Лк)

• кратность сопротивления R_т / R_св

• коэффициент интегральной чувствительности , десятки мА/Лм

• коэффициент чувствительности к монохроматическому свету

Фотодиоды

Фотодиоды имеют в основе p-n-переход, и его можно охарактеризовать как приёмник оптического излучения, которое он преобразует в электрический сигнал за счёт процессов вp-n-переходе.

Фотодиод имеет 2 режима работы:

• фотовольтарический, или вентильный (не подаётся напряжение)

• фотодиодный (на фотодиод подаётся напряжение обратной полярности).

В

n p

+ -

+ -

+ -

ентильный режим.Ф

nт

I_Ф

При освещении области nпроисходит генерация носителей заряда. Неосновные носители заряда (дырки) ускоряются полем перехода и переходят вp-область. Электроны остаются вn-области. Таким образом, в областиnнаблюдается скопление электронов, вp– скопление дырок.

Если соединить области n- иp- внешним проводником, то электроны из областиnпо внешней цепи переходят в областьp- (через структуруp-n-перехода они пройти не могут) и начинает протекать токI_ф.

Статическая характеристика.

I_Ф

Ф₁Ф₁>Ф₂>Ф₃

Ф₂

Ф₃

U

На некотором участке I_ф не зависит отU, т.е. количество носителей заряда ограничено световым потоком.

Световая характеристика.

I_Ф U=const

I_т

Ф

По характеристике можно рассчитать коэффициент чувствительности по току

K_I = I_ф / Ф

При таком включении работают солнечные батареи.

Фотодиодный режим

Параметры:

• коэффициент интегральнойI_Ф

чувствительности по токуK_I E

• диф.сопротивление U_Р U

• темновой токI_тR_н Ф₃

• U_обр max Ф₂ I_Ф

• P max Ф₁

Фотодиоды обозначаются ФД.

Фототранзистор

Фототранзистор – это транзистор, у которого в корпусе есть прозрачное окно и у которого Б либо оборвана, либо есть вывод, который не используется для управления.

K_IФТ= I_ф / Ф

K_IФТ= h₂₁ K_IФД

Б Э

n

p

К

При попадании на Б светового потока в ней происходит генерация носителей заряда. Дырки (неосновные носители) уходят в Kиз-за действия поляK-перехода и Б начинает приобретать отрицательный заряд.

Заряд Б отрицательный, следовательно, он снижает потенциальный барьер в Э-переходе и создаёт условия для инжекции дырок в Б, которые, пройдя Б, будут переходить в коллектор за счёт поля коллекторного перехода.

При постоянном напряжении U_КЭI_КЭзависит от интенсивности светового потока и, следовательно, от величины фототока.

I_Ф I_Ф

Ф₃ Ф₃>Ф₂>Ф₁ U = const

Ф₂

Ф₁

I_т Ф=0 I_т

U_КЭ Ф

Фототранзистор обозначается ФТ.

Параметры:

• U_раб

• R_диф

• I _т

• U_КЭ max

• P_К max

• I_К max