Полупроводниковые фотоэлементы

Фоторезисторы. Полупроводниковые приборы, электрическое со­противление которых изменяется под действием светового по­тока, называются фоторезисторами. Принцип действия фоторе­зисторов основан на использовании явления внутреннего фото­эффекта. Сущность его состоит в том, что под действием световой энергии в полупроводнике возникают дополнительные носители заряда— электроны и дырки, т. е. образуется допол­нительная проводимость, называемая фотопроводимостью полу­проводника. Сопротивление полупроводника при этом уменьша­ется. Для получения свободных электронов внутри полупроводника требуется меньшая энергия, чем для выбивания электронов из полупроводника. Поэтому чувствительность фоторезисторов больше чувствительности вакуумных и газонаполненных фото­элементов.

Схематическое устройство фоторезистора показано на рис. 100. На пластинку из диэлектрика наносится слой фоточувствительного полупроводника — сернистого свинца, селенида кадмия и т. д. По краям фоточувствительного слоя наносятся ме­таллические электроды. Затем пластинка покрывается защит­ным прозрачным слоем и помещается в пластмассовый корпус с окошком для проникновения света.

Фоторезистор имеет оди­наковую проводимость в обоих направлениях и вклю­чается последовательное ис­точником питания.

При отсутствии освеще­ния фоторезистор имеет по­стоянное сопротивление и через него протекает некото­рый очень малый темновой ток. При освещении сопро­тивление фоторезистора уменьшается и ток, проте­кающий через резистор, будет изменяться пропорционально интенсивности светового по­тока.

Рис. 100. Устройство фоторезистора. 1 — подложка; 2 — светочувствительный полу­проводник; 3 — электроды.

Основными параметрами, характеризующими фоторезисторы, являются: интегральная чувствительность, спектральная чувст­вительность, темновое сопротивление, отношение темнового со­противления к световому.

Интегральной чувствительностью фоторезисто­ров называется отношение разности токов при освещении I_св и темнового I т к световому потоку, падающему на фоторезистор.

Интегральная чувствительность измеряется в микроамперах на люмен.

Ввиду того что ток фоторезистора зависит не только от осве­щенности, по и от приложенного напряжения, для оценки свойств фоторезистора пользуются параметром, называемым удельной чувствительностью.

Удельной чувствительностью фоторезистора является отно­шение фототока к величине светового потока при приложенном к фоторезистору напряжении, равном одному вольту:

Ко=I_Ф/ФU

Удельная чувствительность измеряется в микроамперах на люмен-вольт. Для фоторезисторов она достигает 5000 мкА/(лм.В).

Спектральная чувствительность фоторезистора характеризует величину фототока при освещении единицей светового щ тока определенной длины волны.

Основными характеристиками фоторезисторов являются вольтамперная, световая, спектральная и инерционная.

Вольтамперной характеристикой фоторезистора называете зависимость фототока и темнового тока от напряжения, прилoженного к фоторезистору, при постоянной освещенности его поверхности. При небольших напряжениях вольтамперные характеристики большинства фоторезисторов линейны (рис. 101, а)

Рис. 101. Характеристики фоторезисторов: а — вольтамперная;

б — световая.

Световая характеристика фоторезистора — это зависимость фототока от освещенности светочувствительной поверхности фоторезистора при постоянном напряжении

Световая характеристика нелинейна (рис. 101,6).

Спектральная характеристика фоторезистора — это зависимость фототока от длины волны падающего света:

S_λ =f(λ) при Ф_λ = const и U = const.

Фоторезисторы из сернистого кадмия имеют максимум чувствительности в видимой части спектра. Другие фоторезисторы более чувствительны к инфракрасным лучам.

Инерционная (частотная) характеристика —это зависимость фототока от частоты изменения светового потока.

По сравнению с вакуумными фотоэлементами фоторезисторы имеют следующие преимущества: высокую чувствительность, малые габариты, большой срок службы, малую стоимость, просты в изготовлении.

К недостаткам фоторезисторов следует отнести инерцион­ность, нелинейность световой характеристики, низкую темпера­турную стабильность параметров, большой уровень шумов.

В обозначения резисторов входят буквы ФС, что означает фо­тосопротивление, одна из букв А, Б, К, условно обозначающих светочувствительный материал, и одна из цифр 1, 2, 6, указы­вающих на конструктивное исполнение.

ИОННЫЕ ПРИБОРЫ

ЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ РАЗРЯД В ГАЗАХ

Ионными называют электровакуумные приборы с электри­ческим разрядом в газе или парах. Электрическим разрядом в газах называют совокупность явлений, сопровождающих прохождение элек­трического тока через газ (или пар). При таком разряде происходит следующие процессы.

Возбуждение атомов. В случае возбуждения атома под ударом электрона один ия внешних электронов атома переходит на более уда­ленную от ядра орбиту, т. е. на более высокий энергетический уровень. Такое возбужденное состояние атома длится обычно 10^-7—10^-8 сек, после чего электрон возвращается на свою нормальную орбиту. При этом он отдает в виде излучения энергию, которую атом получил при возбуж­дении от ударившего электрона, Излучение сопровождается свечением газа, если испускаемые лучи относятся к видимой части электромагнит­ного спектра.

Для того чтобы произошло возбуждение атома, ударяющий элект­рон должен иметь определенную энергию. В таблице указаны вели­чины этой энергии для некоторых газов.

Таблица

Вместо величин Wвоз и Wион можно пользоваться соответственно значениями потенциалов возбуждения φ_воз и потенциалов ионизации φ_ион которые численно равны энергии и выряжаются в вольтах.

Ионизация атомов (или молекул) газа происходит при энергии ударяющего электрона больше той, которой достаточно для возбужде­ния (см. табл.). В результате ионизации из атома выбивается элек трон. Следовательно, п пространстве будут два свободных электрона,а сам агам превратится в положительный ион. Если эти два свободных электрона при движении в ускоряющем пола наберут достаточную энергию, то каждый из ттих может ионизировать новый атом. Тогда число свободных э лектроновбудет уже четыре, a ионов — три. Эти элек­троны снова могут произвестиионизацию. Таким образом,происходит лавинообразное нарастание количества электронови ионов.

Возможна также ступенчатая ионизация. От удара одного элект­рона атом переходит и возбужденно е состояние и, не успев вернуться в нормальное состояние, от удара второго электрона ионизируется.

Увеличение в газе количества заряженных частиц за счет иониза­цииназывают электризацией газа. Иногда при соединении нейтраль­ных атомов с одним или несколькими электронами в газах образуются отрицательные ионы.

Рекомбинация. Наряду с ионизацией в газе происходит и обратный процесс нейтрализации противоположных но знаку зарядов. Такая нейтрализация происходит на поверхности электродов. Кроме того, положительные ионы и электроны совершают в газе беспорядочное (тепловое) движение и, приближаясь друг кдругу, могут соединиться, образуя нейтральный атом. Этому способствует взаимное притяжение между разноименно заряженными частицами. Восстановление нейтраль­ных атомов называют рекомбинацией. При низких давлениях газа рекомбинируют главным образом ионы и электроны, оседающие на стенки баллона. Полученный в результате рекомбинации нейтральный атом может снова ионизироваться, а затем его составные части — положи­тельный ион и электрон — опять могут рекомбинировать ит.д.

Рекомбинация приводит к уменьшению количества заряженных частиц, т. е. к деэлектризации (или деионизацаи ) газа. В зависимости от перевеса ионизации или рекомбинации происходит увеличение илиуменьшение количества заряженных частиц. В установившемся режиме количество электронов(или ионов), возникающих за 1 сек вследствие ионизации, равно количеству нейтральных атомов,получающихся за то же время в результате рекомбинации.

При возникновении электрического разряда в газе ионизация имеет перевес над рекомбинацией. Наоборот, при уменьшении интенсивности электрического разряда рекомбинация имеет перевес над ионизацией.А при прекращении разряда ионизация исчезает, и вследствие реком­бинации восстанавливается нейтральное состояние газа.

Поскольку па ионизацию затрачивается энергия, то положительный ион и электрон, получившиеся после ионизации, имеют в сумме энергию, большую, чем нейтральный атом. Поэтому рекомбинация сопрово­ждается выделением лучистой энергии. Обычно при этой наблюдаетсясвечение газа.

Для рекомбинации требуется некоторый промежуток времени и поэтому деионизация в зависимостиот рода газа иего давления совер­шается за время 10^-5 – 10^-3 сек. Таким образом, по сравнению с электрон­ными приборами ионные приборы значительно более инерционны и, как правило, не могут работать на высоких частотах. Основной причиной инерционности является сравнительно малая скорость процесса деионизации, так как время возникновения разряда составляет 10^-7—10^-6 сек. Поскольку рекомбинация на поверхности электродов играет значитель­ную роль, то с уменьшением расстояниямежду электродами время деионизации сокращается, так как электронам нужно меньше времени, чтобы дойти до электродов.