что называется фотоэлектрическим прибором
ФОТОЭЛЕКТРОННЫЕ ПРИБОРЫ
— электровакуумные или полупроводниковые приборы, преобразующие эл.-магн. сигналы оптич. диапазона в электрические токи, напряжения или преобразующие изображения в невидимых (напр., ИК) лучах в видимые изображения. Ф. п. предназначены для преобразования, накопления, хранения, передачи и воспроизведения информации (включая информацию в виде изображения объекта). Действие Ф. п. основано на использовании фотоэффектов: внешнего (фотоэлектронной эмиссии), внутреннего (фотопроводимости) или вентильного. К Ф. п. относятся разл. фотоэлементы, фотоэлектронные умножители, фоторезисторы, фотодиоды, электронно-оптич. преобразователи, усилители яркости изображения, а также передающие электронно-лучевые трубки.
Смотреть что такое «ФОТОЭЛЕКТРОННЫЕ ПРИБОРЫ» в других словарях:
ФОТОЭЛЕКТРОННЫЕ ПРИБОРЫ — электровакуумные или полупроводниковые приборы, преобразующие энергию электромагнитного излучения оптического диапазона в электрическую (фотоэлементы, фотоэлектронные умножители, передающие электронно лучевые приборы и др.) или преобразующие… … Большой Энциклопедический словарь
фотоэлектронные приборы — электровакуумные или полупроводниковые приборы, преобразующие энергию электромагнитного излучения оптического диапазона в электрическую (фотоэлементы, фотоэлектронные умножители, передающие электронно лучевые приборы и др.) или преобразующие… … Энциклопедический словарь
ФОТОЭЛЕКТРОННЫЕ ПРИБОРЫ — электровакуумные или полупроводниковые приборы, преобразующие энергию электромагн. излучения оптич. диапазона в электрическую или изображение в невидимых (напр., инфракрасных) лучах в видимое изображение. Действие Ф. п. осн. на использовании… … Большой энциклопедический политехнический словарь
ФОТОЭЛЕКТРОННЫЕ ПРИБОРЫ — электровакуумные или полупроводн. приборы, преобразующие энергию эл. магн. излучения оптич. диапазона в электрическую (фотоэлементы, фотоэлектронные умножители, передающие электронно лучевые приборы и др.) или преобразующие изображения в… … Естествознание. Энциклопедический словарь
ЭЛЕКТРОВАКУУМНЫЕ И ГАЗОРАЗРЯДНЫЕ ПРИБОРЫ — электронные лампы, используемые для генерации, усиления или стабилизации электрических сигналов. Электронная лампа представляет собой, по существу, герметичную ампулу, в вакууме или газовой среде которой движутся электроны. Ампулу обычно… … Энциклопедия Кольера
Электровакуумные приборы — (ЭВП) приборы для генерации, усиления и преобразования электромагнитной энергии, в которых рабочее пространство освобождено от воздуха и защищено от окружающей атмосферы жёсткой газонепроницаемой оболочкой. К ЭВП относятся лампы… … Большая советская энциклопедия
электровакуумные приборы — (ЭВП), электронные приборы, в которых рабочее пространство освобождено от воздуха и защищено от окружающей среды газонепроницаемой (вакуумно плотной) оболочкой. Служат для различного рода преобразований электромагнитной энергии (генерации,… … Энциклопедия техники
Вакуумные электронные приборы — Вакуумные электронные приборы один из типов электровакуумных приборов. Главная особенность приборов данного типа движение электронов происходит в вакууме. Конструкция Вакуумные электронные приборы обычно представляют собой герметично… … Википедия
ЭЛЕКТРОВАКУУМНЫЕ ПРИБОРЫ — (ЭВП) электронные приборы, в к рых рабочее пространство освобождено от воздуха (давление остаточных газов обычно не выше 100 мкПа) и защищено от окружающей атмосферы газонепроницаемой (вакуумно плотной) оболочкой; работа осн. на взаимодействии… … Большой энциклопедический политехнический словарь
ЭЛЕКТРОВАКУУМНЫЕ ПРИБОРЫ — приборы, принцип действия к рых обусловлен движением эл нов в высоком вакууме. К Э. п. относятся электронные лампы (выпрямительные, генераторные, усилительные, смесительные, индикаторные и др.), электронные приборы СВЧ (клистрон, магнетрон,… … Физическая энциклопедия
ФОТОЭЛЕКТРОННЫЕ ПРИБОРЫ
— электровакуумные или полупроводниковые приборы, преобразующие эл.-магн. сигналы оптич. диапазона в электрические токи, напряжения или преобразующие изображения в невидимых (напр., ИК) лучах в видимые изображения. Ф. п. предназначены для преобразования, накопления, хранения, передачи и воспроизведения информации (включая информацию в виде изображения объекта). Действие Ф. п. основано на использовании фотоэффектов: внешнего (фотоэлектронной эмиссии), внутреннего (фотопроводимости) или вентильного. К Ф. п. относятся разл. фотоэлементы, фотоэлектронные умножители, фоторезисторы, фотодиоды, электронно-оптич. преобразователи, усилители яркости изображения, а также передающие электронно-лучевые трубки.
электровакуумные или полупроводниковые приборы, преобразующие энергию электромагн. излучения оптич. диапазона в электрическую или изображение в невидимых (напр., инфракрасных) лучах в видимое изображение. Действие Ф. п. осн. на использовании фотоэффектов: внешнего (фотоэлектронной эмиссии) и внутреннего (фотопроводимости или фотоэдс), К Ф. п. относятся разл. фотоэлементы, фотоэлектронные умножители, фоторезисторы, фотодиоды, электронно-оптические преобразователи, усилители яркости изображения, а также передающие электронно-лучевые приборы.
ФОТОЭЛЕКТРОННЫЕ ПРИБОРЫ, электровакуумные или полупроводниковые приборы, преобразующие энергию электромагнитного излучения оптического диапазона в электрическую (фотоэлементы, фотоэлектронные умножители, передающие электронно-лучевые приборы и др.) или преобразующие изображения в невидимых (инфракрасных, ультрафиолетовых, рентгеновских) лучах в видимые изображения (напр., электронно-оптические преобразователи).
Что называется фотоэлектрическим прибором
Фотоэлектронные (фотоэлектрические) приборы предназначены для преобразования световой энергии в электрическую.
Все полупроводниковые фотоэлектрические приборы основаны на внутреннем фотоэффекте – возбуждении атомов и росте концентрации свободных носителей заряда под воздействием светового излучения. При этом в полупроводнике растет проводимость, а на p-n переходах появляется ЭДС.
К фотоэлектронным приборам относятся фоторезисторы, фотодиоды, фототранзисторы и фототиристоры.
Рисунок 1.7.1 Схема включения фоторезистора (а), световая характеристика (б)
вольт-амперная характеристика (в)
Фоторезисторы могут работать и на переменном токе. Фоторезисторы являются самыми простыми и дешевыми фотоэлектрическими приборами.
Фотодиод — это полупроводниковый фотоэлектрический прибор, основанный на внутреннем фотоэффекте, содержащий один p-n переход и имеющий два вывода.
Фотодиоды могут работать в двух режимах: без внешнего источника электроэнергии (режим фотогенератора) и с внешним источником (режим фотопреобразователя). На рисунке 1.7.2, а, б показаны эти схемы включения.
Рисунок 1.7.2 Схемы включения фотодиода в режиме фотогенератора (а), фотопреобразователя (б), световая характеристика (в), вольтамперная характеристика (г)
При освещении фотодиода в режиме фотогенератора на его выводах появляется фото-ЭДС с полярностью слева «+», справа «–». При подключении сопротивления нагрузки под действием ЭДС по нему идет фототок. Именно в таком режиме работают солнечные батареи.
В режиме фотопреобразователя через p-n переход протекает обратный ток, зависящий от светового потока, определяющего число неосновных носителей. Световая характеристика в режиме фотопреобразователя (рисунке 1.7.2, в) линейна и выражается уравнением
где – чувствительность (до 20 мА/лм),
IФТ – темновой ток (начальный ток в темноте).
ВАХ фотодиода в темноте не отличаются от ВАХ p-n перехода (рисунке 1.7.2 г), а при освещении опускается вниз. Режиму фотопреобразователя соответствуют участки в третьем квадранте, а режиму фотогенератора – в четвертом.
Фотодиоды имеют большее быстродействие, чем фоторезисторы (работоспособны при частоте 1 гГц и выше), но менее чувствительны.
С целью повышения чувствительности вместо фотодиодов применяют фототранзисторы.
Фототранзистор — фотоэлектронный прибор, имеющий трехслойную структуру, как обычный транзистор, в котором ток зависит от освещения базы. Схема включения фототранзистора показана на рисунке 1.7.3
Рисунок 1.7.3 Включения фототранзистора
Они имеют линейную световую характеристику, а выходные ВАХ аналогичны ВАХ обычного транзистора, включенного по схеме с общим эмиттером, но в качестве параметра вместо тока базы выступает световой поток. Чувствительность фототранзисторов достигает 1 А/лм. Параметры фототранзисторов существенно зависят от температуры.
В качестве полупроводниковых излучателей света используются светоизлучающие диоды (светодиоды). Принцип действия светодиодов основан на излучении квантов света при прямом токе вследствие рекомбинации носителей заряда. Цвет излучения определяется материалом, из которого сделан фотодиод. Светодиоды работают при напряжении 2. 5В и токе до 40мА на один диод. Они имеют весьма низкий КПД.
Основное применение светодиодов – устройства индикации.
На рисунок 1.7.4 приведена схема включения светодиода и его яркостная характеристика – зависимость яркости B от тока I.
Рисунок 1.7.5 Включение диода (а), яркостная характеристика (б)
ФОТОЭЛЕКТРОННЫЕ ПРИБОРЫ
На рисунке 4.1 показано устролйство одного из типов фоторезистора. Он состоит из тонкого полупроводникового слоя 2 (например, сернистый таллий, сернистый свинец, сернистый кадмий), нанесённого на изолирующую подложку 1, металлических электродов 3, посредством которых фоторезистор включается в цепь, и защитного лакового покрытия 4.
Рис. 4.1 Устройство фоторезистора.
На рисунке 4.2 приведена схема электрическая принципиальная фоторезистора.
Рис.4.2 Схема электрическая принципиальная фоторезистора.
Для характеристики полупроводникового фоторезистора и возможной области его применения используется ряд параметров. Важнейшими из них являются: вольтамперная характеристика, световая характеристика, интегральная и спектральная чувствительности, постоянная времени, кратность изменения сопротивления, пороговый поток.
1. Вольтамперная характеристика фотосопротивления отражает зависимость силы фототока от напряжения, приложенного к фотосопротивлению, при неизменном световом потоке. Для большинства фотосопротивлений вольтамперная характеристика имеет линейный характер, т.е. существует пропорциональная зависимость между фототоком и напряжением при напряжениях, не превышающих допустимое.
2.Световая (люкс-амперная) характеристика фоторезистора выражает зависимость фототока от величины светового потока, падающего на фотосопротивление, при постоянном напряжении. В области малых значений Ф она линейная, а при увеличении Ф рост фототока замедляется из-за возрастания вероятности рекомбинаций носителей заряда через ловушки и уменьшения их времени жизни.
3. Под удельной интегральной чувствительностью Sф инт уд фоторезистора понимают отношение фототока IФ к величине падающего светового потока Ф, если к фоторезистору приложено напряжение U = 1В
4. Спектральная чувствительность характеризует величину фототока монохроматического излучения при действии на фотосопротивление единицы светового потока определенной длины волны при определенном приложенном напряжении. Спектральная чувствительность определяется материалом фоторезистора и введенными в него примесями.
5. Фотоэлектрические процессы в фоторезисторе обладают инерционностью. Поэтому, когда на поверхность фоторезистора начинает падать свет, фототок достигает максимального значения не мгновенно, а через некоторый промежуток времени. Аналогичное явление наблюдается и при прекращении освещения. Процесс освобождения светом новых электронов и дырок сопровождается их рекомбинацией. По мере роста концентрации избыточных носителей заряда скорость рекомбинации также растет, и только по истечении некоторого времени после начала освещения концентрации электронов и дырок достигают равновесных значений, которые сохраняются, пока освещение неизменно.
После прекращения освещения избыточные носители не мгновенно, а в течение некоторого времени рекомбинируют друг с другом до тех пор, пока не установится концентрация носителей заряда, характерная для неосвещенного полупроводника (темновая концентрация). Инерционность фоторезистора характеризуется постоянной времени τ, которая определяется как время, за которое фототок после прекращения освещения уменьшается в е раз. Кроме того динамические свойства фоторезистора могут быть охарактеризованы граничной частотой fгр–это частота синусоидального сигнала, модулирующего световой поток, при котором чувствительность фоторезистора уменьшается в √2 раз по сравнению с чувствительностью при немодулированном потоке. fгр=10 3- 10 5 Гц.
6. Кратность изменения сопротивления определяет, во сколько раз изменяется омическое сопротивление фоторезистора при его освещении:
где RТ — темновое сопротивление фоторезистора,
RСВ — сопротивление фоторезистора при освещении.
7. Пороговый поток – это минимальное значение потока Фп которое может обнаружить фоторезистор на фоне собственных шумов.
Фотодио?д — приёмник оптического излучения, который преобразует попавший на его фоточувствительную область свет в электрический заряд за счёт процессов в p-n-переходе. Условное обозначение фотодиода и фототранзистора в схемах электрических принципиальных приведено на рис. 4.3.
Рис. 4.3. Условное обозначение фотодиода и фототранзистора в схемах электрических принципиальных
Фотодиод, работа которого основана на фотовольтаическом эффекте (разделение электронов и дырок в p- и n- области, за счёт чего образуется заряд и ЭДС), называется солнечным элементом. Кроме p-n фотодиодов, существуют и p-i-n фотодиоды, в которых между слоями p- и n- находится слой нелегированного полупроводника i. p-n и p-i-n фотодиоды только преобразуют свет в электрический ток, но не усиливают его, в отличие от лавинных фотодиодов и фототранзисторов.
При воздействии квантов излучения в базе происходит генерация свободных носителей, которые устремляются к границе p-n-перехода. Ширина базы (n-область) делается такой, чтобы дырки не успевали рекомбинировать до перехода в p-область. Ток фотодиода определяется током неосновных носителей — дрейфовым током. Быстродействие фотодиода определяется скоростью разделения носителей полем p-n-перехода и ёмкостью p-n-перехода Cp-n
Фотодиод может работать в двух режимах:
· фотогальванический — без внешнего напряжения
· фотодиодный — с внешним обратным напряжением
Особенности:
· простота технологии изготовления и структуры
· сочетание высокой фоточувствительности и быстродействия
· малое сопротивление базы
· чувствительность – отражает изменение электрического состояния на выходе фотодиода при подаче на вход единичного оптического сигнала.
Количественно чувствительность измеряется отношением изменения электрической характеристики, снимаемой на выходе фотоприёмника, к световому потоку или потоку излучения, его вызвавшему.
; 
— токовая чувствительность по световому потоку
; 
— вольтаическая чувствительность по энергетическому потоку
· шумы – помимо полезного сигнала на выходе фотодиода появляется хаотический сигнал со случайной амплитудой и спектром — шум фотодиода. Он не позволяет регистрировать сколь угодно малые полезные сигналы. Шум фотодиода складывается из шумов полупроводникового материала и фотонного шума.
Характеристики:
· вольт-амперная характеристика (ВАХ) – зависимость выходного напряжения от входного тока. 
· спектральные характеристики – зависимость фототока от длины волны падающего света на фотодиод. Она определяется со стороны больших длин волн шириной запрещённой зоны, при малых длинах волн большим показателем поглощения и увеличения влияния поверхностной рекомбинации носителей заряда с уменьшением длины волны квантов света. То есть коротковолновая граница чувствительности зависит от толщины базы и от скорости поверхностной рекомбинации. Положение максимума в спектральной характеристике фотодиода сильно зависит от степени роста коэффициента поглощения.
· световые характеристики – зависимость фототока от освещённости, соответствует прямой пропорциональности фототока от освещённости. Это обусловлено тем, что толщина базы фотодиода значительно меньше диффузионной длины неосновных носителей заряда. То есть практически все неосновные носители заряда, возникшие в базе, принимают участие в образовании фототока.
Фотодиод является наиболее быстродействующим фотоэлектронным прибором.
Фототранзи?стор — оптоэлектронный полупроводниковый прибор, вариант биполярного транзистора. Отличается от классического варианта тем, что область базы доступна для светового облучения, за счёт чего появляется возможность управлять усилением электрического тока с помощью оптического излучения.
Фототранзистор имеет структуру n-p-n или p-n-p транзистора и может усиливать ток. Дырки электронно-дырочных пар, рождённых излучением, находятся в базе, а электроны переходят в эмиттер или коллектор. При увеличении положительного потенциала базы происходит усиление фототока за счёт инжекции электронов из эмиттера в базу.
Биполярный фототранзистор — полупроводниковый прибор с двумя p-n переходами — предназначен для преобразования светового потока в электрический ток. При освещении фототранзистора в его базе генерируется электронно-дырочные пары. Неосновные носители зарядов переходят в область коллектора и частично в область эмиттера. При этом потенциалы эмиттера и коллектора относительно базы изменяются. Эмиттерный переход смещается в прямом направлении, и даже небольшое изменение его потенциала вызывает большое изменение тока коллектора, то есть фототранзистор является усилителем.
Ток коллектора освещенного фототранзистора оказывается достаточно большим — отношение светового потока к темновому велико (несколько сотен). Фототранзисторы обладают значительной большей, чем фотодиоды, чувствительностью — порядка сотни миллиампер на люмен. Биполярный фототранзистор подобен обычному биполярному транзистору, между выводами коллектора и базы которого включен фотодиод. Таким образом, ток фотодиода оказывается током фототранзистора и создает усиленный в n раз ток в цепи коллектора. Если на фототранзистор подается только электрический сигнал, его параметры почти не отличаются от параметров обычного транзистора.
Недостатком фототранзисторов является большая инерционность, что ограничивает их применение в качестве быстродействующих выключателей.
Кроме биполярных существуют полевые фототранзисторы.
Фотоэлектронный умножитель (ФЭУ) — электровакуумный прибор, в котором поток электронов, излучаемый фотокатодом под действием оптического излучения (фототок), усиливается в умножительной системе в результате вторичной электронной эмиссии; ток в цепи анода (коллектора вторичных электронов) значительно превышает первоначальный фототок (обычно в 10 5 раз и выше). Впервые был предложен и разработан Л. А. Кубецким в 1930-1934 гг.
Рис. 4.4. Схема ФЭУ с присоединённым сцинтиллятором
Фотоэлектронный умножитель состоит из входной (катодной) камеры (образуется поверхностями фотокатода, фокусирующих электродов, первого динода), умножительной динодной системы, анода и дополнительных электродов. Все элементы размещаются в вакуумном корпусе (баллоне). Наиболее распространены ФЭУ, в которых усиление потока электронов осуществляется при помощи нескольких специальных электродов изогнутой формы — «динодов», обладающих коэффициентом вторичной эмиссии больше 1. Для фокусировки и ускорения электронов на анод и диноды подаётся высокое напряжение (600—3000 В). Иногда также применяется магнитная фокусировка, либо фокусировка в скрещенных электрическом и магнитном полях.
Существуют фотоэлектронные умножители с полупроводниковыми умножающими элементами (гибридные), принцип действия которых основан на явлении ионизации атомов полупроводника при его бомбардировке электронами.
В зависимости от конструкции динодной системы ФЭУ разделяются на:
· системы на дискретных динодах с электростатической фокусировкой электронных пучков (наиболее часто используемые диноды коробчатые, ковшеобразной и тороидальной формы),
· системы на дискретных динодах сквозного типа (динодами являются сетки, жалюзи, плёнки),
· системы на распределённых динодах (пластинчатые, щелевые и трубчатые).
· Световая анодная чувствительность (отношение анодного фототока к вызывающему его световому потоку при номинальных потенциалах электродов), составляет 1—10 4 А/лм
· Спектральная чувствительность (равная спектральной чувствительности фотокатода, умноженной на коэффициент усиления умножительной системы, лежащий обычно в пределах 10³—10 8 ) (до 10 11 );
· Темновой ток (ток в анодной цепи в отсутствие светового потока), как правило, не превышает 10 −9 —10 −10 А.
Фотоэлектрические приборы
Фотоэлектрическим прибором называется преобразователь лучистой энергии, благодаря которой изменяются электрические свойства вещества, содержащегося в этом приборе. В большинстве случаев фотоэлектрические приборы являются приёмниками электромагнитных излучений оптического диапазона, к которому относят ультрафиолетовое, видимое и инфракрасное излучение с длиной волны от десятков нанометров до десятых долей миллиметра. Как известно видимое излучение лежит в диапазоне длин волн 0,38-0,78 мкм. Работа фотоэлектрических приборов основана на фотоэлектрических явлениях (фотоэффектах). Различают 2 вида фотоэффекта: внутренний и внешний.
Внутренний фотоэффект – возбуждение электронов вещества, т. е. переход их на более высокий энергетический уровень под действием излучения, благодаря чему изменяются концентрация свободных носителей заряда, а следовательно, и электрические свойства вещества.
Внутренний фотоэффект наблюдается лишь в полупроводниках и диэлектриках. В металлах лучистая энергия оптического диапазона воздействует только на свободные электроны, их концентрация при освещении металла не изменяется, поэтому внутренний фотоэффект отсутствует. При освещении полупроводников и диэлектриков часть валентных электронов увеличивает свою энергию за счёт лучистой энергии, преодолевает запрещенную зону и переходит в зону проводимости. У диэлектриков ширина запрещенной зоны имеет большую величину, поэтому внутренний фотоэффект в них проявляется гораздо слабее, чем в полупроводниках.
Лучистая энергия излучается и поглощается веществом в виде квантов (фотонов) величиной hν, где h = 6,62*10-34Дж·с – постоянная Планка, а ν – частота излучения.
Внутренний фотоэффект может проявляться в виде изменения электрической проводимости в однородных полупроводниках или создания э. д.с. в неоднородных полупроводниках. Его используют в фоторезисторах, в фотодиодах и фототранзисторах.
Внешний фотоэффект – это фотоэлектронная эмиссия, т. е. выход электронов за пределы поверхности вещества под действием излучения. Фотоэлектронная эмиссия в большей или меньшей степени может происходить в любом веществе.
Внешний фотоэффект лежит в основе работы электронных и ионных фотоэлементов, а также фотоэлектронных умножителей.
Фоторезистором называют полупроводниковый фотоэлектрический прибор с внутренним фотоэффектом, в котором используется явление фотопроводимости, т. е. изменения электрической проводимости полупроводника при его освещении. Впервые явление фотопроводимости было обнаружено у селена в 1873 г. У. Смитом.
Хотя внутренний фотоэффект наблюдается во всех полупроводниках, в фоторезисторах используют лишь некоторые из них, обладающие наиболее высокой фотопроводимостью. К ним относятся сульфиды, селениды и теллуриды таких металлов, как кадмий, висмут, свинец и таллий, некоторые окислы, интерметаллические соединения, а также селен, германий и кремний.
Устройство фоторезистора показано на рисунке. Пластинка или пленка полупроводникового материала 1 закреплена на подложке 2 из непроводящего материала – стекла, керамики или кварца. Световой поток падает на фотоактивный материал, через специальное отверстие (окно)в пластмассовом корпусе. В качестве электродов используют металлы, не подвергающиеся коррозии (платина, золото) и образующие хороший контакт с полупроводником. Для защиты от внешних воздействий поверхность фотоактивного материала покрывают слоем прозрачного лака. 
Рисунок. Устройство и схема включения фоторезистора.
Если к неосвещенному фоторезистору подключить источник питания Еа, то в электрической цепи появится небольшой ток, называемый темновым током, обусловленный наличием в неосвещенном полупроводнике некоторого количества свободных носителей заряда.
При освещении фоторезистора ток в цепи сильно возрастает за счет увеличения концентрации свободных носителей заряда. Разность токов при наличии и отсутствии освещения называется фототоком, величина которого зависит от интенсивности освещения, величины приложенного напряжения, а также вида и размеров полупроводника, используемого в фоторезисторе.
Вольт-амперные характеристики большинства фоторезисторов линейны (рисунок), однако в некоторых случаях при повышении напряжения линейность нарушается.
Рисунок. Вольт-амперные характеристики фоторезистора.
Преимущества фоторезисторов: высокая чувствительность, возможность использования в инфракрасной области спектра излучения, небольшие габариты и возможност9ь работы в цепях постоянного и переменного токов.
Рисунок. Устройство фотодиода.
Фотодиоды – полупроводниковые фотоэлектрические приборы с внутренним фотоэффектом, имеющие один электронно – дырочный переход и два вывода. Фотодиоды могут работать в одном из двух режимов:
1. Без внешнего источника питания (режим фотогенератора);
2. С внешним источником питания (режим фотопреобразователя).
В первом режиме используется фотогальванический эффект – разновидность внутреннего фотоэффекта, связанная с образованием разности потенциалов (фото – э. д.с.) при освещении неоднородного полупроводника. В этом случае фотодиод представляет собой фотогальванический элемент, преобразующий лучистую энергию в электрическую. Фотодиоды, как и обычные полупроводниковые диоды, состоят из двух примесных полупроводников с различными типами электропроводимости, на границе между которыми создаётся p-n-переход. Фотодиоды изготовляют из германия, кремния, селена, сернистого серебра, арсенида индия, сульфида кадмия, теллурида кадмия и других полупроводниковых материалов. Обычно устройство фотодиодов таково, что световой поток при освещении прибора направлен перпендикулярно плоскости p-n-перехода. При отсутствии освещения и внешнего источника питания в области p-n-перехода возникает, как и в любом полупроводниковом диоде, потенциальный барьер, обусловленный неподвижными носителями заряда – положительными ионами в n – области и отрицательными ионами в р – области.
Фотодиоды, работающие в режиме фотогенератора, часто применяют в качестве источников питания, преобразующих энергию солнечного излучения в электрическую энергию. Они называются солнечными элементами и входят в состав солнечных батарей, используемых в космических кораблях. Для питания наземных устройств солнечные батареи не находят широкого применения, так как их к. п.д. не высок. Теоретически максимально допустимый к. п.д. солнечных элементов составляет около 30%. Из полупроводниковых материалов, обеспечивающих наиболее высокий к. п.д., в солнечных элементах используют кремний, фосфид индия, арсенид галлия, теллурид кадмия и др. Наиболее широко распространены кремниевые солнечные элементы, их к. п.д. равен 19%.
Если к неосвещенному фотодиоду подключить источник напряжения, величину и полярность которого можно изменять, то снятые при этом вольт-амперные характеристики будут иметь такой же вид, как и у обычного полупроводникового диода.
Режим фотопреобразователя соответствует подаче напряжения на фотодиод в запирающем направлении (участок ав на рисунке.).
Рисунок. Вольт-амперные Вольт-амперные
фотодиоада характеристики фотодиода
в режиме фотогенератора.
Существенным недостатком фотодиодов является зависимость значений из параметров от температуры. В частности, темновой ток возрастает почти вдвое при повышении температуры на 10С, что ограничивает в ряде случаев применение фотодиодов. При этом следует иметь в виду, что кремниевые фотодиоды более стабильны.
По сравнению с фоторезисторами фотодиоды являются более быстродействующими, но имеют меньшую чувствительность.
Фототранзистор – полупроводниковый фотоэлектрический прибор с двумя p-n-переходами. Чаще всего фототранзистор изготовляют как обычный плоскостной транзистор из германия или кремния, но лишь с двумя выводами – коллекторным и эмиттерным. Устройство и схема включения фототранзистора приведены на рисунке.
Рисунок. Устройство и схема включения фототранзистора.
В фототранзисторе типа p-n-р используют источник коллекторного напряжения, который включают так, чтобы коллектор имел отрицательный относительно эмиттера потенциал. Световой поток Ф падает на базовую область, поэтому эмиттер делают тонким и небольших размеров. Под действием фотонов в базе образуются новые пары носителей заряда – электроны и дырки. В фототранзисторе типа p-n-р неосновные носители заряда в базе (дырки) движутся через коллекторный переход, поле которого является для них ускоряющим, на коллектор, создавая фототок Iф. Электроны, остающиеся в базе, воздействуют на эмиттерный переход, уменьшая высоту потенциального барьера, что способствует переходу дырок из эмиттера в базу. Эти дырки движутся через базу на коллектор, вызывая усиление фототока фототранзистора.
Чувствительность фототранзистора значительно выше чувствительности фотодиода и составляет 0,5-1,0 А/лм. Параметры фототранзисторов, так же как и фотодиодов, сильно зависят от температуры.
Фототиристор – полупроводниковый фотоэлектрический прибор с тремя p-n-переходами, в вольт-амперной характеристике которого имеется участок, соответствующий отрицательному дифференциальному сопротивлению.
Рисунок. Схема включения Вольт-амперные характеристики
Источник напряжения подключают к фототиристору таким образом, чтобы напряжение на переходы П1 и П3 подавалось в прямом направлении, а на переход П2 – в обратном. При отсутствии освещения работа фототиристора не отличается от работы обычного тиристора. Вольт-амперная характеристика фототиристора при световом потоке Ф=0 соответствует характеристике тиристора при управляющем токе Iy = 0. Если напряжение, подведенное к фототиристору, не превышает напряжения Uвкл, при котором происходит резкое увеличение тока тиристора за счёт лавинного умножения, то ток фототиристора, обусловленный движением неосновных носителей заряда через переход П2, имеет очень небольшую величину и представляет собой темновой ток.
При освещении фототиристора за счёт энергии фотонов в освещаемой области полупроводника возникают новые свободные носители заряда (электроны и дырки). Электроны, возникшие в р2-области базы и являющиеся для неё неосновными носителями заряда, диффундируют к переходу П2, поле которого является ускоряющим, и попадают в n1-область базы. Часть электронов проходит через переход П1 и попадает на анод, увеличивая ток фототиристора. Другая часть электронов, приближаясь к переходу П1, рекомбинирует с неподвижными положительными ионами, уменьшая тем самым толщину р-n-перехода и высоту потенциального барьера. Благодаря этому облегчаются условия для инжекции дырок из р1-области базы в n1-область базы, что приводит к увеличению тока фототиристора. В то же время дырки, образованные в р2-области базы за счет ее освещения, уменьшают высоту потенциального барьера перехода П3, что также способствует увеличению тока фототиристора.
Составляющая тока, обусловленная процессами, вызванными освещением полупроводниковых слоев, представляет собой фототок фототиристора. При увеличении светового потока Ф напряжение Uвкл уменьшается. Таким образом, световой поток Ф при работе фототиристора играет такую же роль, как управляющий ток Iy при работе обычного тиристора.
Значения параметров фототиристоров существенно зависят от температуры.
Рисунок. Устройство и условное графическое обозначение электронного фотоэлемента.
Электронный фотоэлемент – электровакуумный прибор, два электрода которого –катод и анод – помещены в стеклянную колбу. В колбе фотоэлемента создаётся такой же вакуум, как и в электронных электровакуумных приборах.
Катодом К фотоэлемента (рисунок) является тонкий слой светочувствительного материала (с малой величиной работы выхода), нанесенного на внутреннюю поверхность колбы. Площадь катода достигает нескольких квадратных сантиметров. Фотокатоды изготавляют из материалов, являющихся эффективными эмиттерами электронов при освещении их потоками излучения соответствующей длины волны.
Под действием электромагнитного излучения, в том числе светового, электроны вещества, поглощающего это излучение, могут получить дополнительную, достаточную для преодоления потенциального барьера на границе между веществом и окружающей средой. Энергия, необходимая для преодоления сил, удерживающих электроны в веществе, характеризуется работой выхода Авых, величина которой для многих материалов составляет единицы электронвольт.
Аналитическое выражение закона Энштейна имеет вид
обычно в фотоэлементах применяют серебряно-кислородно-цезиевые, сурьмяно-цезиевые и многощелочные фотокатоды. Серебряно-кислородно-цезиевые фотокатоды изготовляют из окиси цезия с примесью свободного цезия и свкраплениями серебра. Сурьмяноцезиевые фотокатоды получают при взаимодействии пленки сурьмы с парами цезия, а многощелочные фотокатоды – путём обработки слоя сурьмы парами калия, натрия и цезия. В фотоэлементах, предназначенных для работы в области ультрафиолетового излучения, иногда применяются сурьмяно-калиевые фотокатоды.
Анод А фотоэлемента выполняют из никеля в виде проволочного кольца, петли или тонкой металлической сетки, что позволяет свободно пропускать световой поток на катод. Выводы катода и анода оформляют в одном или в двух разнесенных цоколях.
Условное графическое обозначение электронных фотоэлементов приведено на рисунке.
Если к фотоэлементу, на катод которого падает световой поток Ф, приложено анодное напряжение Ua, то в цепи появится фототок Iф через нагрузочный резистор Rн. величина фототока, как следует из закона Столетова, при определенных условиях пропорциональна световому потоку. Таким образом, энергетическая характеристика фототока электронного фотоэлемента практически линейна в большом диапазоне изменения световых потоков.
Рисунок. Схема включения электронного фотоэлемента.
Вольт-амперные характеристики электронных фотоэлементов имеют вид, показанный на рисунке.
Рисунок. Вольт-амперные характеристики электронных фотоэлементов.
При малых анодного напряжения Ua характеристики имеют крутой подъём. Это объясняется тем, что при низких напряжениях Ua только небольшая часть эмитированных фотокатодом электронов попадает на анод, площадь которого очень мала по сравнению с катодом. С повышением анодного напряжения все большее число свободных электронов, находящихся в колбе, стягивается к аноду. По мере нарастания анодного напряжения этот процесс происходит очень интенсивно, что и обуславливает крутой подъем характеристик. В режиме работы фотоэлемента, соответствующем точке перегиба характеристики, все электроны, находящиеся в его колбе, достигают анода. В результате этого натсупает режим насыщения, который является рабочим режимом фотоэлемента. Величины рабочих напряжений, соответствующих этим участкам, для разных типов электронных фотоэлементов лежат в диапазоне 90-240 В.
Электронные фотоэлементы являются быстродействующими фотоэлектронными приборами.
Рисунок. Устройство фотоэлектронного умножителя.
Фотоэлектронным умножителем (ФЭУ) называют электровакуумный прибор, в котором ток фотоэлектронной эмиссии. Фотоэлектронный умножитель помимо фотокатода и анода содержит один или несколько электродов, являющихся эмиттерами вторичных электронов и называемых динодами. Число диодов в современных ФЭУ может достигать 14. Наличие динодов позволяет создавать многократное внутреннее усиление фототока. В колбе фотоэлектронного умножителя создается такая же разреженность, как и в электронном фотоэлементе.
Промышленностью выпускается множество различных типов фотоэлектронных умножителей. Наибольшее распространение получили фотоэлектронные умножители с электростатическим управлением и фокусировкой потоков электронов. Устройство фотоэлектронного умножителя такого типа показано на рисунке.
С помощью фотоэлектронного умножителя можно измерять световые потоки до 10-9лм.