ФОТОЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛИ.

1. Общие сведения

Фотоэлектрические преобразователи предназначены для преобразования светового излучения в электрический сигнал.

Работа их основана на том, что при падении на поверхность некоторых тел световые лучи сообщают часть своей энергии электронам, переводя их с одних электронных уровней на другие, следствием чего является выход электронов на поверхность тела или переход их из состояния, связанного с атомами, в свободное состояние.

Явление выхода электронов на поверхность металлов под действием световых лучей называется фотоэлектронной эмиссией. Если сообщить эмитируемым электронам упорядоченное движение, поместив эмитирующую поверхность в электрическое поле, то получим электрический ток, называемый фототоком. Очевидно, фототок может возникать не только за счет эмитируемых на поверхность электронов, но также за счет электронов, выбитых квантами света из электронных орбит атома и остающихся свободными внутри вещества.

Известно три вида фотоэффекта: внешний, внутренний и в запирающем слое.

Внешний фотоэффект заключается в возникновении фотоэлектронной эмиссии на поверхности металлического электрода, освещаемого световыми лучами. Упорядоченное движение фотоэлектронам сообщается при помощи электрического поля, создаваемого между электродами. Поверхность одного из них является эмитирующей. Она покрывается металлом, обладающим повышенным фотоэффектом. К числу таких металлов относятся цезий, рубидий, торий, натрий и т.д. На рис. 6.1 показано принципиальное устройство фотоэлемента и его включение в измерительную схему. Тонкий эмитирующий слой 1 металла, например цезия, наносят на пленку 2 окисла этого металла, которая, в свою очередь покрывает серебряное зеркало 3, находящееся на внутренней поверхности стеклянного баллона 4. Световой луч 5 попадает на эмитирующую поверхность через окно в стеклянном баллоне. Положительный заряд батареи присоединяется к аноду 6, а отрицательный – к эмитирующему слою металла 1, являющемуся катодом.

 

Рис. 6.1. Принципиальная схема фотоэлемента:

1-эмитирующий слой металла (катод); 2-пленка окисла; 3-зеркало;

4 – стеклянный баллон; 5 – световой луч; 6-анод.

 

Фотоэлементы с внешними фотоэффектом бывают вакуумные и газонаполненные. В первом случае фототок обусловлен только фотоэлектронами, тогда как во втором случае фотоэлектроны вызывают ионизацию газа (обычно аргон при давлении, равном сотым долям миллиметра ртутного столба), вследствие чего общий фототок возрастает (см. рис. 6.2а)

Столетов установил, что фотоэлектрический ток при постоянном спектральном составе пропорционален интенсивности света. Другими словами, если I_ф-сила фототока, а Ф - световой поток, падающий на фотоэлемент, что при постоянном приложенном напряжении (см. рис. 6.1) получим:

(6.1)

где k – коэффициент, характеризующий чувствительность фотоэлемента.

На рис. 6.2а показана зависимость силы фототока I_ф от светового потока Ф при различных значения напряжения, подтверждающие установленную Столетовым зависимость (6.1).

Дальнейшие исследования показали большую зависимость фототока от спектрального состава света, причем было установлено, что световые лучи некоторых длин волн вовсе не вызывают фотоэффекта.

 

Рис. 6.2: а - световые характеристики фотоэлементов при различных значениях напряжения. б – вольтамперные характеристики фотоэлементов при различной величине светового потока.

Эйнштейн установил закон, по которому энергия фотоэлектронов пропорциональна частоте падающих лучей, т.е.

(6.2)

где - масса электрона;

- скорость электрона;

- постоянная Планка ( =6,62·10-27 эрг.)

- частота падающих лучей;

- граничная частота лучей, при которой фотоэффект отсутствует.

Формулу (6.2) может записать следующим образом:

(6.3)

где -работа выхода электронов.

Если внешний фотоэффект невозможен.

-граничная частота внешнего фотоэффекта.

Другой характеристикой важной при практическом использовании фотоэлементов является вольт-амперная характеристика (см.рис.6.2 б). Вольтамперная характеристика фотоэлементов – это зависимость величины фототока I_ф от величины приложенного напряжения Uф.

Из рис. 6.2б видно, что при малых напряжениях чувствительность вакуумных фотоэлементов выше за счет отсутствия потерь на соударение с молекулами инертного газа. При увеличении напряжения Uф резко возрастает чувствительность газонаполненных фотоэлементов за счет появления дополнительных носителей от ударной ионизации. При больших напряжениях Uф вакуумные фотоэлементы некритичны к колебаниям питающего напряжения.

Чувствительность вакуумных фотоэлементов характеризуется удельной интегральной чувствительностью которая определяется отношением:

(6.4)

где -величина фототока;

-величина приложения напряжения;

-величина падающего светового потока.

Вакуумные двухэлектродные фотоэлементы являются практически безинертными приборами с весьма малым темновым током. Темновой ток вакуумного фотоэлемента составляет примерно одну тысячную долю от максимально допустимого выходного тока.

Основной недостаток вакуумных фотоэлементов – их низкая чувствительность с (единицы или десятки мкА/лм) при небольшом внутреннем сопротивлении. Допустимые выходные токи вакуумных фотоэлементов не превышают 10-20 мкА. Это требует применение чувствительных электронных усилителей.

В качестве примера рассмотрим схемы на рис. 6.3 а,б.

Схемы на рис. 6.3 представляют собой фотореле. В первой схеме при отсутствии засветки на сетке триода Л1 будет запирающий отрицательный потенциал. Ток анода Л1 стремится к нулю, реле отключено. При засветке, за счет появления тока через фотоэлемент, потенциал сетки становится более положительным. Триод открывается, и при достижении тока в цепи анода равного току срабатывания реле, последнее включается замыкая контакты К1.1. Смена мест включения фотоэлемента и Rс во второй схеме позволяет получить фотореле работающее на затемнение.

Внутренний фотоэффект заключается в изменении электрического сопротивления некоторых полупроводниковых материалов при облучении их световыми лучами. К таким материалам относятся селен, сера, сплав сульфида таллия с окисью таллия и сернистый свинец.

 

Рис. 6.3. а - схема включения фотоэлемента при работе на засветку.

б - схема включения фотоэлемента при работе на затемнение.

 

При освещении полупроводниковых материалов энергия световых квантов затрачивается на освобождение связанных с атомами электронов и на перевод их в свободное состояние. Увеличение количества свободных электронов эквивалентно уменьшению электрического сопротивления полупроводников. Фотоэлементы с внутренним фотоэффектом получили название фоторезисторов.

Изменение сопротивления фоторезисторов пропорционально интенсивности падающего светового потока. Зависимость силы фототока от светового потока Ф, называемая световой характеристикой фоторезистора, определяется выражением:

(6.5)

где -постоянный коэффициент, зависящий от материала фоторезистора.

return false">ссылка скрыта

-освещенность.

-коэффициент нелинейности.

Световая характеристика фоторезистора показана на рис. 4

Вольт-амперная характеристика фоторезистора это зависимость фототока от величины приложенного напряжения при постоянном значении светового потока.

В общем случае вольт-амперная характеристика нелинейна, но за счет того, что конструкция фоторезисторов обеспечивает хороший отвод тепла с тонкого фоточувтвительного слоя, рабочее тело не разогревается, а рабочая точка не выходит за пределы линейного участка. (см.рис. 6.5)

 

Рис. 6.4 Световая характеристика фоторезистора.

 

 

 

Рис.6.5 Вольт-амперная характеристика фоторезистора.

 

Чувствительность фоторезисторов выше, чем у фотоэлементов с внешним фотоэффектом и достигает нескольких миллиампер на люмен.

Удельная чувствительность фоторезисторов определяется выражением.

(6.6)

где -изменение величины фототока.

-изменение величины светового потока.

величина приложенного напряжения.

Одной из основных характеристик фоторезисторов является темновая кратность сопротивления, которая определяется выражением.

(6.7)

где - темновое сопротивление фоторезистора.

-световое сопротивление фоторезистора.

Фоторезисторы, как и фотоэлементы с внешним фотоэффектом, имеют различные спектральные характеристики. Так, например селеновые фоторезисторы имеют максимум спектральной чувствительности в красной области спектра, таллофидные – в инфракрасной области и т.д.

Фоторезисторы обладают значительной инерцией вследствие влияния положительных ионов, возникающих при вторичной эмиссии. Они не стабильны во времени и подвержены влиянию температуры, потому не находят широкого применения в измерительной технике. Однако в качестве чувствительных элементов автоматических устройств они незаменимы.

Зависимость фототока от времени имеет следующий вид (рис. 6.6)

Рис. 6.6. Временная характеристика фоторезистора.

 

Из рис.6.6 видно, что для уменьшения инерционности фоторезистора выгоднее работать на затемнение, т.к. > .

Устройство фоторезистора показано на рис.6.7

Рис.6.7 Фоторезистор

а)-устройство; б)-обозначение на схеме; в) – конструкция.

Схемы включения фоторезистора (см.рис. 6.8)

Первые две схемы представляют собой фотореле работающее на засветку. При нулевом световом потоке ток в цепи реле меньше тока срабатывания. При засветке сопротивление фоторезистора падает, ток в цепи реле растете до значения большего тока срабатывания.

Рис. 6.8. Схемы включения фоторезистора.

а - простейшая схема фотореле;

б - фотореле с каскадом усиления;

в - дифференциальная схема включения.

 

Порог срабатывания в схеме рис.6.8а, регулируется подбором параметров фоторезистора и реле. В схеме рис.6.8б, кроме того, порог срабатывания можно изменять подбором параметров усилительного каскада. Схема изображенная на рис. 6.8в позволяет вырабатывать выходной сигнал пропорциональный величине перемещения источника излучения, а фаза направлению перемещения. При одинаковой освещенности нижнего и верхнего фоторезисторов схема находится в равновесии и выходное напряжение равно нулю, если источник света смещается возникает сигнал рассогласования.

Фотоэффект в запирающем слое рассмотрим на примере фотодиода.

Фотодиод представляет собой открытую для доступа света пластинку полупроводника, внутри которой имеются области электронной и дырочной проводимости, разделенные р-n переходом. Электронная и дырочная области снабжены невыпрямляющими контактами, к которым присоединены выводы, необходимые для подключения фотодиода в схему (рис.6.9а)

Затемненый фотодиод (световой поток Ф=0) не отличается от обычного полупроводниковго диода и его вольт-амперная характеристика описывается выражением.

(6.8)

 

Рис.6.9 Фотодиод.

а-принципиальная схема; б,г-вольт-амперная характеристика; в-обозначение на схеме; д-схема замещения.

 

где -ток насыщения

-заряд электрона;

-внешнее напряжение;

-температура;

-постоянная Больцмана.

Очевидно, что обратный ток затемненного фотодиода (его называют темновым током) является функцией температуры. Эта зависимость описывается выражением:

(6.9)

Под действием света, падающего на поверхность полупроводника, в последнем образуются пары электрон – дырка. Не основные носители диффундируют в область р-п перехода, втягиваются его полем и выбрасываются в область, расположенную за переходом, образуя в ней заряд.

Вольт-амперная характеристика фотодиода может быть описана выражением.

(6.10)

где -фототок, то есть ток, созданный носителями, возбужденными светом:

-ток во внешней цепи.

Различают два режима работы фотодиода.

1. Режим класса А - вентильный режим (диод работает в режиме фотогенератора) это работы в четвертом квадранте (рис. 6.9б).

Когда ток во внешней цепи I=0, напряжение на освещенном фотодиоде U_хх (напряжение холостого хода) согласно уравнению (6.10) имеет величину

(6.11)

Значение тока короткого замыкания можно найти, приняв в выражении (10) U=0

(6.12)

Фототок I_ф связан линейной зависимостью с величиной светового потока Ф:

(6.13)

где K-чувствительность фотодиода. (K=20-30 мА/лм)

Для максимальной передачи мощности в нагрузку, сопротивление нагрузки определяется выражением

(6.14)

2. Режим класса В (фотодиодный режим) – диод работает в третьем квадранте при обратном смещении.

При U<0 и Ф 0 экспоненциальный член в скобках (6.10) значительно меньше единицы, следовательно:

(6.15)

а вольт-амперная характеристика фотодиода, включенного в направлении запирания, сместится паралельно темновой вольт-амперной характеристике, как это показано на рис. 6.9б в третьем квадранте. Однако вольт-амперные характеристики реального фотодиода при увеличении светового потока не остаются параллельными друг другу; чем больше световой поток, тем больший угол образует вольт-амперная характеристика с осью напряжений (см.рис. 6.9г). Если измерить величину установившегося тока через освещенный фотодиод при некотором фиксированном напряжении на нем, то окажется, что приращение тока, вызванное действием света, превышает значение I_Ф на некоторую величину с учетом выше сказанного вместо формулы (6.15) получим

(6.16)

Возникновение обусловлено дополнительным разогревом фотодиода протекающим через него фототоком I_Ф. Это значит что схема замещения фотодиода должна представлять собой цепь из включенных параллельно генератора тока насыщения Г и подогреваемого терморезистора R_т, роль подогревателя в котором играет нелинейное сопротивление (варистор R_в), не зависящее от температуры, с вольт-амперной характеристикой, описываемой выражением (6.13). Такая схема замещения приведена на рис. 6.9д.

Основное применение фотодиоды нашли в качестве высокочувствительных датчиков светового потока. Их несомненным достоинством является высокая чувствительность, малая инерционности (менее одной микросекунды) и малые габариты. Недостатком фотодиодов является температурная чувствительность и нелинейность характеристик.