Фотоэлементы с внутренним фотоэффектом и с запирающим слоем

Внутренний фотоэффект заключается в том, что источник излуче­ния световой энергии вызывает увеличение энергии у части электро­нов вещества, ионизацию атомов и образование новых носителей зарядов (электронов и дырок), вследствие чего уменьшается элект­рическое сопротивление освещаемого материала. Если при внешнем фотоэффекте электроны покидают пределы освещаемого вещества, то при внутреннем фотоэффекте они остаются внутри вещества, увеличи­вая количество носителей электрических зарядов.

Фоторезисторы по устройству своему и технике применения являются прос­тейшими из фотоэлектрических приборов. В фоторезисторах лучистая энергия, поглощаемая слоем полупроводника (селен, сернистый висмут, сернистый кад­мий, сернистый свинец и т. д.), вызывает значительное увеличение числа носи­телей зарядов (электронов или дырок), а, следовательно, уменьшение сопротив­ления элемента.

Фоторезисторы ФСА применяются в инфракрасной, а фоторезисторы ФСА, ФСД, ФСК — в видимой области света. Чувствитель­ность фоторезисторов значительно выше чувствительности фотоэлемен­тов с внешним фотоэффектом, так что в ряде устройств фоторезисторы заменяют ранее используемые фотоэлементы с внешним фотоэффектом. Фоторезистор представляет собойстеклянную пла­стинку, на которую нанесен тонкий слой полупроводника, покры­тый прозрачным лаком для защиты от механических повреждений и влаги. По краям выведены два металлических электрода. Фоторе­зистор помещен в пластмассовый корпус с двумя штырьками, к кото­рым присоединяются электроды.

   

  Фоторезистор:

а) устройство

б) внешний вид

в) условное обозначение

 

                                            а)                      б)

 

 

                                                                                                          R_н

 

                           в)

 

Фоторезистор работает только от внешнего источника питания и имеет одинаковое сопротив­ление в обоих направлениях.

Неосвещенный фоторезистор обладает большим «темновым» со­противлением R_т(от сотен килоом до нескольких мегаом) и через него проходит малый «темновой» ток I_т. При освещенном фоторезисторе его сопротивление резко уменьшается и ток увеличивается до неко­торого значения I_с, зависящего от интенсивности освещения. Раз­ность между токами при освещении и «темновым» называется фотото­ком, т. е. I_ф= I_с- I_т.

Чувствительность фо­торезисторов — величина порядка 1000—5000 мкА/(лм^.В) при максимальном рабочем напряжении (от 15 до 400 В              в зависимости от типа фоторезистора).

К недостаткам фоторезисторов относится их инерционность (при освещении фототок не сразу достигает своего конечного значения, а лишь через некоторое время), нелинейность световой характерис­тики (фототок возрастает медленнее, чем сила света), зависимость электрического сопротивления и фототока от температуры окружа­ющей среды.

 

Фотодиоды.

Фотоэлементы с фотоэффектом в запирающем слое, называющиеся вентильными фотоэлементами, имеют запирающий слой между полупроводниками с р - и п - проводимостями. В этих фотоэлементах под воздействием светового излучения возникает эдс, называемая фото-эдс. Для изготовления вентильных фотоэлементов применяют селен, сернистый таллий, сернистое серебро, германий и кремний. Освещение поверхности фотоэлемента вблизи р-п - перехода вызы­вает ионизацию атомов кристалла и образование новых пар свободных носителей зарядов — электронов и дырок. Под действием электри­ческого поля р-п - перехода образующиеся в результате ионизации атомов кристалла электроны переходят в слой п, а дырки — в слой р, что приводит к избытку электронов в слое п и дырок в слое р. Под действием разности потенциалов (фо­то-эдс) между слоями р и п во вне­шней цепи проходит ток I, направ­ленный от электрода р к электроду п. Этот ток зависит от количества но­сителей зарядов — электронов и ды­рок, т. е. от силы света. Чувстви­тельность вентильных фотоэлементов высока (до 10 мА/лм), они не требу­ют источника питания и находят широкое применение в различных областях электроники, автоматики, измерительной технике и т. д.

Принцип устройства кремниево­го фотоэлемента с запирающим сло­ем показан на рисунке.

 

                               1

 

                               2

 

 

                                                      

1- пластина кремния

2- слой полупроводника

                                                              R_н

                                                       +                   -

 

 

На пластину кремния 1 с примесью, соз­дающей электронную проводимость, вводят примесь бора путем диф­фузии в вакууме, в результате этого образуется слой полупроводника с дырочной проводимостью 2очень малой толщины, так что световые лучи свободно проникают в зону перехода. Батареи кремниевых эле­ментов находят применение для непосредственного преобразования солнечной энергии в электрическую. Такие преобразователи, назы­ваемые солнечными батареями, применяют, например, на искусст­венных спутниках Земли для питания их аппаратуры.

Полупроводниковый фотоэлемент с двумя электродами, разделен­ными р-п - переходом, называемый фотодиодом, может работать как с внешним источником питания (преобразовательный режим), так и без внешнего источника (генераторный режим).

При работе в генераторном режиме фотодиода его освещение вы­зывает возникновение фото-эдс, под действием которой во внешней цепи через нагрузку проходит ток, т. е. источником питания является фотодиод. При работе в фотопреобразовательном режиме напряжение внешнего источника питания приложено встречно фото-эдс и фотодиод подобен фоторезистору с более высокой чувствительностью. Если фотодиод не освещен, то через него проходит небольшой обратный ток (темновой ток) под действием внешнего источника питания. При освещении электронной области фотодиода образуются носители зарядов — электроны и дырки. Дырки доходят до р-п - перехода и под действием электрического поля переходят в р – область, т.е. освещение вызывает увеличение числа перешедших неосновных носителей из п - области в р – область, и, следовательно, ток в цепи возрастает (возникает фототок).

 

     Дисциплина  Электротехника и электронная техника

     Тема 19          Фотоэлементы

Закрепляющий материал

Вопрос	Ответ
1. Продолжите фразу	Фотоэлементом называется прибор, в котором:__________________________ ____________________________________
2. Продолжите фразу	Внешний фотоэффект заключается в том, что_______________________________ __________________________________ __________________________________
3. Продолжите фразу	Внутренний фотоэффект заключается в том, что_______________________________ __________________________________ __________________________________
4. Выполните обозначения деталей фотоэлемента	1._____________________________ 2._____________________________ 3._____________________________ 4._____________________________ 5._____________________________ 6._____________________________
5. Впишите название фотоэлемента в предложение	__________________________помимо световой обладает спектральной чувствительностью
6. Фотоумножитель использует в своей работе два вида электронной эмиссии. Назовите их:	1. __________________________ 2. __________________________
7. Продолжите фразу	К недостаткам фоторезисторов относится ____________________________________ ____________________________________
8. Вставьте название фотоэлемента	______________ может работать как с внешним источником питания (преобразовательный режим), так и без внешнего источника (генераторный режим).
9. Перечислите материалы, применяемые для изготовления фоторезисторов	1.____________________________ 2.____________________________ 3.____________________________ 4.____________________________
10. Вставьте название фотоэлемента	______________________имеет одинаковое сопротив­ление в обоих направлениях.

ЗАДАНИЕ НА: 13-18.04

Дисциплина Электротехника с основами электроники

Тема              Выпрямление переменного тока

 

УЧЕБНЫЙ МАТЕРИАЛ