Светочувствительные устройства

Старейшим из оптоэлектронных устройств явля­ется фоторезистор. Его внутреннее сопротивление изменяется при изменении интенсивности света. Изменение сопротивления не пропорционально ин­тенсивности света. Фоторезисторы изготавливают из светочувствительных материалов, таких как суль­фид кадмия (CdS) или селенид кадмия (CdSe).

Типичный фоторезистор устроен следующим обра­зом. Светочувствительный материал нанесен на изоли­рующую подложку из стекла или керамики в виде S-образной фигуры для увеличения длины фоторезистора. Все это помещено в корпус с окошком, пропускаю­щим свет. Его сопротивление может изменяться от не­скольких сотен МОм до нескольких сотен Ом. Фоторе­зисторы применяются при низких интенсивностях све­та. Они могут выдерживать высокие рабочие напряже­ния до 200-300 В при малом потреблении мощности до 300 мВт. Недостатком фоторезисторов является мед­ленный отклик на изменения света.

На рис. 11.34 показано схематическое обозначе­ние фоторезистора. Стрелки показывают, что это - светочувствительное устройство.

Рис. 11.34

Фоторезисторы используются для измерения ин­тенсивности света в фотографическом оборудовании, в охранных датчиках, в устройствах автоматичес­кого открывания дверей, в различном тестирующем оборудовании для измерения интенсивности света.

Фотогальванический элемент (солнечный эле­мент) преобразует световую энергию непосредствен­но в электрическую энергию. Батареи солнечных элементов применяются главным образом для пре­образования солнечной энергии в электрическую.

Солнечный элемент - это устройство на основе p-n-перехода, сделанное из полупроводниковых ма­териалов. В большинстве случаев их делают их крем­ния. На металлическую подложку, служащую од­ним их контактов, наносятся слои полупроводника р-типа и n-типа, которые образуют p-n-переход. Сверху наносится металлическая пленка, служащая вторым контактом.

Свет, попадая на поверхность солнечного элемен­та, передает большую часть своей энергии атомам полупроводникового материала. Световая энергия выбивает валентные электроны с их орбит, созда­вая свободные электроны- Вблизи обедненного слоя электроны притягиваются материалом n-типа, со­здавая небольшое напряжение вдоль p-n-перехода. При увеличении интенсивности света это напряже­ние увеличивается. Однако не вся световая энергия, попадающая в солнечный элемент, создает свобод­ные электроны. В действительности солнечный эле­мент - это довольно неэффективное устройство с мак­симальной эффективностью порядка 15%.

Солнечные элементы дают низкое выходное на­пряжение порядка 0,45 В при токе 50 мА. Их необ­ходимо соединять в последовательно-параллельные цепи для того, чтобы получить от них желаемое вы­ходное напряжение и ток.

Солнечные элементы применяются для измере­ния интенсивности света в фотографическом обору­довании, для декодирования звуковой дорожки в кинопроекторах и для зарядки батарей на косми­ческих спутниках.

Схематическое обозначение солнечного элемента показано на рис. 11.35. Положительный вывод обо­значается знаком плюс (+).

рис. 11.35

Фотодиод также использует p-n-переход, и его ус­тройство подобно устройству солнечного элемента. Он используется так же, как и фотосопротивление, в качестве резистора, сопротивление которого ме­няется при освещении. Фотодиоды - это полупро­водниковые устройства, которые изготавливаются главным образом из кремния. Их делают двумя спо­собами. Первый способ - это простой p-n-переход. При другом способе между слоями р-типа и n-типа вставляется слой нелегированного полупроводника, образуя p-i-n фотодиод.

Принципы работы фотодиода с p-n-переходом та­кие же, как у солнечного элемента, за исключени­ем того, что он используется для управления током, а не для создания его. К фотодиоду прикладывается обратное напряжение смещения, формирующее ши­рокий обедненный слой. Когда свет попадает в фо­тодиод, он проникает в обедненный слой и создает там свободные электроны. Электроны притягиваются к положительному выводу источника смещения. Че­рез фотодиод в обратном направлении течет малый ток. При увеличении светового потока возрастает число свободных электронов, что приводит к увели­чению тока.

p-i-n фотодиод имеет слой нелегированного мате­риала между областями р и п. Это эффективно рас­ширяет обедненный слой. Более широкий обеднен­ный слой позволяет p-i-n фотодиоду реагировать на свет с более низкими частотами. Свет с более низ­кими частотами имеет меньшую энергию и, следо­вательно, должен глубже проникать в обедненный слой перед созданием свободных электронов. Более широкий обедненный слой дает больше возможнос­тей для создания свободных электронов, p-i-n фото­диоды являются более эффективными во всех отно­шениях.

Благодаря слою нелегированного материала, p-i-n фотодиоды имеют более низкую собственную ем­кость. Это обеспечивает более быстрый отклик на изменения интенсивности света. Кроме того, изме­нение их обратного тока в зависимости от интен­сивности является более линейным.

Преимуществом фотодиода является его быстрый отклик на изменения интенсивности света, самый быстрый из всех фоточувствительных устройств. Не­достатком является низкая выходная мощность по сравнению с другими фоточувствительными устрой­ствами.

Схематическое обозначение фотодиода показано на рис. 11.36. Способ включения фотодиода в цепь показан на рис. 11.37.

Рис. 11.36 Рис. 11.37

Фототранзистор устроен подобно другим тран­зисторам с двумя p-n-переходами. Фототранзисторы могут давать больший выходной ток, чем фотодио­ды. Их отклик на изменения интенсивности света не так быстр, как у фотодиодов. В данном случае за увеличение выходного тока приходится жертвовать скоростью отклика.

Фототранзисторы применяются для измерения ско­рости вращения различных устройств (фототахомет­ры), для управления фотографической экспозицией, в противопожарных датчиках, в счетчиках предметов и в механических позиционерах. На рис. 11.38 изоб­ражено схематическое обозначение фототранзистора.

рис. 11.38