» Строительство »

Світлодіодний світ нашого століття

Фотоелементи з зовнішнім фотоефектом.

Фотоелементом називається електровакуумний, напівпровідниковий або іонний прилад, в якому вплив променевої енергії оптичного діапазону викликає зміна його електричних властивостей.
Зовнішній фотоефект або фотоелектронна емісія полягає в тому, що джерело випромінювання повідомляє частини електронів додаткову енергію, достатню для виходу їх речовини в навколишнє середовище (в вакуум або розріджений газ). У вакуумних або електронних фотоелементах рух відбувається у вакуумі, в газонаповнених або іонних фотоелементах електрони переміщаються в розрідженому газі і іонізують атоми газу.

У вакуумних або електронних фотоелементах рух відбувається у вакуумі, в газонаповнених або іонних фотоелементах електрони переміщаються в розрідженому газі і іонізують атоми газу

Фотоелемент із зовнішнім фотоефектом (з) має скляну колбу 2, в якій створено вакуум (в вакуумному фотоелементі) або після відкачування повітря колба заповнена розрідженим газом (аргоном при низькому тиску - в іонних фотоелементах).
Внутрішня поверхня колби, за винятком невеликого "вікна" для проходження світлового потоку 1, покрита фотокатодом 3, який являє собою шар срібла (підкладка), на який нанесений напівпровідниковий шар окису цезію.
Анод 4 фотоелемента виготовляють у вигляді кільця, щоб він не перекривав шлях світловому потоку до катода. Колба поміщається в пластмасовому цоколі 5, в нижній частині якого знаходяться контактні штирі 6 з висновками від анода і катода.
Під дією прикладеної напруги U джерела живлення між анодом і катодом фотоелемента створюється електричне поле, і електрони, що вилітають з освітленої поверхні катода, направляються до позитивно зарядженого анода.

Таким чином, в ланцюги встановиться фототок Iф, залежність якого від світлового потоку Ф при постійній напрузі джерела живлення (Ifr = f (Ф)) називається світловий характеристикою. В іонному фотоелементі електрони іонізують атоми газу і збільшують потік електронів т. Е. Збільшують струм фотоелемента, підвищуючи його чутливість.

Фотоелектронна емісія і фототок фотоелемента залежать від довжини хвилі світлового випромінювання, тому крім світлової чутливості фотоелементи характеризуються спектральної чутливістю.

Анодні вольт амперні характеристики фотоелементів показують залежність фотоструму від прикладеної до затискачів фотоелемента напруги при незмінному світловому потоці, що висвітлює фотокатод, т. Е. I ф = f (U) при Ф = const.

Поряд з фотоелементами існують фотоелектронні прилади з посиленням фотоструму, звані фотоелектронними умножителями. Ці прилади із зовнішнім фотоефектом, в яких фототок посилюється під дією вторинної електронної емісії.

Фотоелементи з внутрішнім фотоефектом і з замикаючим шаром.

Внутрішній фотоефект полягає в тому, що джерело випромінювання світлової енергії викликає збільшення енергії у частині електронів речовини, іонізацію атомів і утворення нових носіїв зарядів (електронів і дірок), внаслідок чого зменшується електричний опір освітлюється матеріалу. Якщо при зовнішньому фотоефекті електрони покидають межі освітлюваного речовини, то при внутрішньому фотоефекті вони залишаються всередині речовини, збільшуючи кількість носіїв електричних зарядів.
Фотоелементи з внутрішнім фотоефектом називаються фоторезисторами (фотосопротівленіем). Вони являють собою напівпровідникові прилади, електричний опір яких різко змінюється під дією падаючого на них світлового випромінювання. Як правило напівпровідниками застосовують сірчистий свинець (фоторезистор ФВА), селенід кадмію (фоторезистор ФСД), сірчистий кадмій (фоторезистор ФСК). Фоторезистори ФСА застосовуються в інфрачервоній, а решта - у видимій області світла. Чутливість фоторезисторов значно вище чутливості фотоелементів із зовнішнім фотоефектом, так що в ряді пристроїв фоторезистори замінюють раніше використовувані фотоелементи з зовнішнім фотоефектом. Фоторезистор представляє собою (з, а) скляну пластинку 1, на яку нанесений тонкий шар напівпровідника 2, покриту прозорим лаком для захисту від механічних пошкоджень і вологи. По краях виведені два металеві електроди 3. Фоторезистор поміщений в пластмасовий корпус з двома стрижнями, до яких приєднуються електроди. Умовне позначення і схема включення фоторезистора показані на день, б.

Фоторезистор: а - схема пристрою, б - схема включення і умовне позначення ФР, в - вольт амперна характеристика; 1 - пластинка, 2 - шар напівпровідника, 3 -електрод

Фоторезистор працює тільки від зовнішнього джерела живлення і має однаковий опір в обох напрямках.
Неосвітлений фоторезистор має великий «темновим» опором (від сотень кіло до декількох мегаом) і через нього проходить малий «темнової» ток I т. При освітленому фоторезистори його опір різко зменшується і струм збільшується до деякого значення Iс, залежить від інтенсивності освітлення. Різниця між струмами при освітленні і «темновим» називається фотострумом, т. Е.
Iф = І с - Iт.
Вольт амперна характеристика фоторезистора (з, в), т. Е. Залежність фотоструму від напруги джерела живлення при незмінному світловому потоці Iф = f (U) при
Ф = const лінійна. Видно, що пряма затінених положе, ніж освітленого.
Це говорить про меншу чутливості неосвітлених елемента. До недоліків фоторезисторов відноситься їх інерційність (при освітленні фототок не відразу досягає свого кінцевого значення, а лише через деякий час), нелінійність світловий характеристики (фотострум зростає повільніше, ніж сила світла), залежність електричного опору і фотоструму від температури навколишнього середовища. Фотоелементи з фотоефектом в замикаючому шарі, що називаються вентильними фотоелементами, мають замикаючий шар між напівпровідниками з р- і n- провідності. У цих фотоелементах під впливом світлового випромінювання виникає ЕРС, звана фото-ерс. Для виготовлення вентильних фотоелементів застосовують селен, сірчистий талій, сірчисте срібло, германій і кремній.

Схема пристрою кремнієвого
вентильного фотоелемента 1 - пластина кремнію, 2 - шар напівпровідника

Освітлення поверхні фотоелемента поблизу р-n-переходу викликає іонізацію атомів кристала і утворення нових пар вільних носіїв зарядів - електронів і дірок.
Під дією електричного поля р-n-переходу утворюються в результаті іонізації атомів кристала електрони переходять в шар n, а дірки - в шар р, що призводить до надлишку електронів в шарі n і дірок в шарі р.
Під дією різниці потенціалів (фото-ЕРС) між шарами р і n у зовнішній ланцюга проходить струм I, спрямований від електрода р до електрода n. Цей струм залежить від кількості носіїв зарядів - електронів і дірок, т. Е. Від сили світла.

Чутливість вентильних фотоелементів висока (до 10 мА / лм), вони не вимагають джерела живлення і знаходять широке застосування в різних областях електроніки, автоматики, вимірювальної техніки і т. Д. Принцип пристрою кремнієвого фотоелемента із замикаючим шаром показаний на день.
На пластину кремнію 1 з домішкою, що створює електронну провідність, вводять домішка бору шляхом дифузії в вакуумі, в результаті цього утворюється шар напівпровідника з доречнийпровідністю 2 дуже малої товщини, так що світлові промені вільно проникають в зону переходу. Батареї кремнієвих елементів знаходять застосування для безпосереднього перетворення сонячної енергії в електричну. Такі перетворювачі, звані сонячними батареями, застосовують, наприклад, на штучних супутниках Землі для харчування їх апаратури.
Напівпровідниковий фотоелемент з двома електродами, розділеними р-n-переходу, званий фотодиодом, може працювати як із зовнішнім джерелом живлення (перетворювальний режим), так і без зовнішнього джерела (генераторний режим). При роботі в генераторному режимі фотодіода його освітлення викликає виникнення фото-ерс, під дією якої в зовнішньому колі через навантаження проходить струм, т. Е. Джерелом харчування є фотодіод. При роботі в фотопреобразовательном режимі напруга зовнішнього джерела живлення докладено зустрічно фото-ерс і фотодіод подібний фоторезистору з більш високою чутливістю.
Якщо фотодіод не освітлений, то через нього проходить не великий зворотний струм (темновой ток) під дією зовнішнього джерела живлення. При висвітленні електронної області фотодіода утворюються носії зарядів - електрони і дірки. Дірки доходять до р-n-переходу і під дією електричного поля переходять в р -область, т. Е. Висвітлення викликає збільшення числа перейшли неосновних носіїв з n-області в р -область, і, отже, струм в ланцюзі зростає (виникає фотострум ).

Курс по радіоелектроніці 2012

Посетители рекомендуют:
Полезно знать:
Современные строительные технологии Геология, города и строительство © Все права сохранены.