Фотоелектричні приймачі на основі внутрішнього фотоефекту

Фотоприймачі з внутрішнім фотоефектом. Основу цих приймачів складає напівпровідник, який помітно знижує свій високий електричний опір під дією падаючого випромінювання. Випромінювання, що проникає до середини напівпровідника і поглинається у його об’ємі, звільнює додаткові електрони, які збільшують його провідність.

Приймачі, які використовують явище внутрішнього фотоефекту, носять другу назву — фоторезистори. Пристрій фоторезистора зобра­жено на рис.3.5. На підложку 1 зі слюди або скла наносять напів­провідниковий шар 2, на якому роз­міщені контакти 3 для подачі напруги. Фоторезистор вміщений в металевий або пластмасовий корпус 4 з вікном із матеріалу, що є прозорим, для випромінювання робочого діапазону фоторезистора. За напів­провідниковий матеріал, який наносять на підложку, використовують CdSe, PbSb, InAs та ін.

Природно, що виникаючий внутрішній ефект залежить від довжини хвилі падаючого випромінювання та відповідно показ­ника поглинання. Якщо випромінювання зовсім не поглинається напівпровідником, то внутрішній фотоефект і фотопровідність не виникають. Якщо випромінювання поглинається дуже сильно, то процес, що протікає у

Рис.3.5. Будова фоторезистора

тонкому поверхнево шарі напівпровідника, також не створює достатньої фотопровідності, яка може бути ви­міряна чутливими приладами. Це обумовлено дуже високим опо­ром тонкого шару.

Напівпровідник може бути використаний як фоторезистор на тих ділянках спектру, в яких він не зовсім поглинає випро­мінювання.

Схема підключення фоторезистора ФР в електричний ланцюг приймального пристрою з подальшим посиленням сигналу зобра­жена на рис. 3.6. Фоторезистор ФР та послідовне з’єднання з ним навантаженого опору RH підключається до джерела сталої напруги U.

Зміну різниці потенціалів на кінцях навантаженого опору, яка відбувається при освітленні і затемненні фоторезистора, можна представити у вигляді:

, (3.4)

де і - струм у ланцюзі ФР при освітленні;і1 - темновий струм ФР; R1 - темновий опір ФР; R - опір при освітленні.



Зміна різниці потенціалів і є сигналом приймача на зміну освітлення. Сигнал за допомо­гою посилювача збільшується і передається на вимірювальний прилад. У цьому випадку пот­рібно модулювати потік, який освітлює фоторезистор.

Частота модуляції зменшує інтегральну чутливість фоторезистора як інерційного приймача. Гранична допустима частота модуляції:

,

де τ - стала часу приймача випромінювання.

Фоторезистори, як приймачі, мають такі переваги: широкий спектральний діапазон; високу інтегральну чутливість; більш низь­ку, ніж у фотоелементів зовнішнього ефекту напругу живлення; малі розміри і масу.

До недоліків фоторезисторів відносяться: інерційність, зале­жність параметрів від температури, мала лінійна ділянка характе­ристики.

Для вимірювання поблизу ІЧ області у фотометричних приладах найбільш широко зараз використовуються фоторезистори, виготовлені з сполучень свинцю - PbS, PbSe, PbTe. В ІЧ променях, які примикаютьдо

Рис. 3.6. Схема підключення фото резистора в електричний ланцюг

видимої частини спектра (від 700 до 3000 нм), частіше всього застосовують сірчисто-свинцевий фоторезистор (PbS), що охолоджується твердою вуглекислотою або рідким пові­трям, якщо вимірювання робити у хвильовому інтервалі близько 400 нм.

Відносні спектральні характеристики сірчисто-свинцевого фоторезистора зображені на рис.3.7, з якого видно, що охолодження фоторезисторів впливає на інтегральну чутливість. Це пов’язано зі збільшенням сталої часу фоторезисторів, яке спостерігається при зниженні їхньої температури.

Фотоприймачі з замикаючим шаром. Фотоелементи з зами­каючим шаром або вентильні фотоелементи є такими приладами, які безпосередньо перетворюють енергію падаючого випроміню­вання в електричний струм без зовнішньої ЕРС.

Замикаючий шар створюється у процесі виготовлення еле­мента на межі між напівпровідником та металом або між двома різ­норідними напівпровідниками. Цей шар пропускає через себе зві­льнені світлом електрони та не пропускає позитивні заряди. У нас­лідок цього між різноманітними ділянками фотоелемента з’явля­ється різність потенціалів, яка зникає разом із припиненням освіт­лення. При замиканні електродів освітлюваного фотоелемента у зовнішньому ланцюзі потече струм, сила якого залежить від

Рис. 3.7. Відносна спектральна чутливість сірчисто-свинцевого фоторезистора: 1 - при кімнатній температурі; 2 - при температурі рідкого повітря

пото­ку, що падає на чутливий шар фотоелемента.

Для світлових вимірювань частіше використовуються селено­вий фотоелемент. Пристрій такого фотоелемента і його еквіва­лентна схема зображені на рис.3.8.

Основу фотоелемента складає залізна пластина 1 товщиною 2 мм, на поверхню якої наноситься шар селену 2. Термічним обробленням селен перетворюється в кристалічну світлочутливу модифікацію сірого кольору. На цей шар у вакуумі спочатку напилюється тонким шаром кадмій, потім напівпрозорий шар золота або платини 3, зверху якогонаноситься контактне кільце 4, що є негативним електродом фотоелемента.

В еквівалентній схемі припускаємо, що І1, R1 - опір та струм внутрішнього ланцюга фотоелемента; І2, R2 - опір перехідних кон­тактів та струм зовнішнього ланцюга; Іфе , R - опір зовнішнього ланцюга та повний струм фотоелемента.

Рис. 3.8. Будова селенового фотоелемента (а) та його еквівален­тна схема (б)

З еквівалентного ланцюга знаходимо струм фотоелемента Іфе:

; ; (3.5)

.

Через те, що R1>>R2, то при R=0 Іфе=I2.

Тоді:

, (3.6)

де m - коефіцієнт пропорційності; Фе - потік випромінювання, який падає на поверхню напівпровідникового шару фотоелемента.

Рис. 3.9. Залежність фото­струму від освітленості при різних опорах гальва­нометра

З отриманих співвідношень (3.5), (3.6) видно, що при сталому спектральному складі потоку, який опромінює фотоелемент, сила струму, який тече через гальванометр, включений у зовнішній ланцюг фотоелемента, пропорційна потоку випромінювання тільки якщо опір гальванометра R=0. При інших опорах гальванометра значення струму буде зменшуватися, причому це зменшення тим більше, чим більше омічний опір гальванометра. Залежність фотоструму від освітленості при різних опорахгальванометра зображена на рис.3.9.

Головними перевагами се­ленового фотоелемента є:

1) висока інтегральна чутли­вість - біля 500 мкА/лм із золотим або платиновим електродом. Якщо за верхній електрод узяти оксид кад­мію, чутливість може збільшуватися до 600 мкА/лм;

2) дуже сприятлива форма кривої його спектральної чутливо­сті, яка більша, ніж будь-яка друга наближається до кривої спектральної чутливості ока (рис.3.10).

При використанні селенових фотоелементів для світлових вимірювань необхідно пам’ятати їхні такі особливості:

6) Сила струму зовнішнього ланцюга фотоелемента зале­жить від спектрального складу падаючого випромінювання.

7) Спектральна чутливість фотоелемента часом змінюється.

8) Сила струму зовнішнього ланцюга фотоелемента залежить від температури навколишнього середовища

, (3.7)

де іt - струм при температурі фотоелемента t; С, і0 - струм при ну­льовій температурі фотоелемента; α - температурний коефіцієнт, який може коливатися в межах від 0,001 до 0,1.

9) Коефіцієнт поглинання залежить від кута падіння потоку випромінювання на поверхню фотоелемента. Із зростанням кута падіння на поверхню фотоелемента зменшується доля поглинаючого потоку випромінювання.

10) Різні частини площини одного фотоелемента можуть мати різну спектральну чутливість.

Рис. 3.10. Відносна спектральна чутливість селенового фотоелемента (У),

середнього ока (2) та фотоелемента з коригуючим фільтром (5)

Селенові фотоелементи не вільні від “втоми”, яка полягає у тому, що струм, який виникає у зовнішньому ланцюзі фотоеле­мента в перші секунди після замкнення, не зберігається незмінним при сталому освітленні, а зменшується. Як правило, зменшення по­чаткового фотоструму не перевищує декількох відсотків. Через де­кілька хвилин значення струму практично стає сталим. На цей фактор слід зважати при проведенні вимірювань.

Велике поширення серед фотоелементів із замикаючим ша­ром у теперішній час мають кремнієві фотоелементи. Вони вигото­вляються з монокристала кремнію високого ступеня чистоти, в який за легируючі домішки додають незначну кількість арсену або алюмінію.

Основною частиною фотоелемента є тонка (0,3 ... 0,4 мм) пластина, яка вирізана з тіла монокристала площею від долі квад­ратного сантиметра до 4 ... 5 см2. Замикаючий шар з’являється на поверхні пластинки шляхом прогрівання її в атмосфері газу, який вміщує з’єднання бора, при температурі 1200 °С. Одну сторону обробленої пластини шліфують, знімаючи з неї замикаючий шар, по­тім її покривають тонким шаром олова, який є одним з електродів фотоелемента. На другу, освітлену сторону пластинки, на поверх­ні якої розташовується замикаючий шар, методом напилення наносять вузьку полоску металу, утворюючи другий електрод фо­тоелемента.

При освітленні між електродами виникає ЕРС, яка дорівнює десятим долям вольта. При замиканні в ланцюзі потече фотострум, значення якого пропорційне освітленню поверхні фотоелемента.

Кремнієвий фотоелемент має високу інтегральну чутливість, яка складає 4500 ... 6500 мкА/лм і високу спектральну чутливість в області ІЧ випромінювання S(λ) = 0,4 А/Вт. Спектральна чутливість кремнієвого фотоелемента зображена на рис.3.11.

Рис.3.11. Спектральна чутливість кремнієвого фотоелемента з замикаючим шаром

Кремнієвий фотоелемент характеризується майже повною відсутністю “втоми” і малим температурним коефіцієнтом струму короткого замикання. Разом з тим, його внутрішній опір набагато більший, ніж у селенового фотоелемента. Внаслідок цього для збе­рігання пропорційності між струмом і освітленням, особливо при високих освітленнях (близько 1000 лк), використовують вимірю­вальний прилад із малим опором (близько 5 Ом).

При малому освітленні (200...300 лк) застосовують вимірю­вальний прилад із внутрішнім опором близько 100 Ом.

На спектральну область чутливості кремнієвого фотоеле­мента ( 400 ... 1200 нм) припадає близько 70% потужності соняч­ного випромінювання, з якого половина попадає до області, де від­носна чутливість фотоелемента більше за 0,5. За сукупністю своїхвластивостей кремнієвий фотоелемент є найкращим приладом перетворення енергії сонячного випромінювання в електричну енергію.

Разоміз тим, високий показник заломлення кремнію призводить довеликих втрат випромінювання при відбиванні від її поверхні,що помітно знижує ККД фотоелемента. Для зменшення цих втратповерхню фотоелемента покривають тонкою плівкою двоок­сидукремнію, що призводить до збільшення ККД фотоелемента до 14... 16 %. Усі космічні апарати та ряд наземних пристроїв оснащують батареями кремнієвих фотоелементів, які поповнюють запаси енергії за рахунок використання сонячного випромінювання.


3056043561358854.html
3056108806776707.html
    PR.RU™