Zjawiska fotoelektryczne to zespół zjawisk, które wynikają z oddziaływania substancji z promieniowaniem świetlnym. Powiązane jest to z przekazywaniem energii fotonów pojedynczym elektronom. Wyróżniamy fotoelektryczne zjawisko wewnętrzne(zmiana energetycznego rozkładu elektronów w ciekłych oraz stałych półprzewodnikach a także dielektrykach spowodowana jest oddziaływaniem światła z substancją) oraz fotoelektryczne zjawisko zewnętrzne. Zjawiska fotoelektryczne stosowane są przede wszystkim w fotoelementach. Analizy fotoelektrycznego zjawiska zewnętrznego, którego objaśnienie potrzebowało napisania postulatu kwantowej natury światła (A. Einstein), miało ogromne znaczenie dla postępu fizyki. W zgodzie z wysuniętym wówczas modelem energia padającego kwantu gamma (wynosząca hν, gdzie h - stała Plancka, ν - częstotliwość fali świetlnej) jest zgodnie z równaniem hν = E+W przenoszona elektronowi, gdzie E - jest to energia kinetyczna elektronu, W - tzw. praca wyjścia (energia konieczna do wyjścia się elektronu z substancji).

Fotorezystory

Fotorezystor jest światłoczułym elementem. Jego rezystancja zmienia się na skutek padającego promieniowania oraz nie jest uzależniona od kierunku przykładanego napięcia, tak samo jak rezystancja normalnego rezystora.

Oświetlenie fotorezystora sprawia powiększenie przepływającego prądu (maleje jego rezystancja). Prąd, który jest różnicą całego prądu płynącego przez fotorezystor oraz prądu ciemnego (prąd przepływający przez fotorezystor bez oświetlenia) nazywa się prądem fotoelektrycznym. Jego wartość uzależniona jest od natężenia oświetlenia oraz jest wyrażona następującym wzorem:

; (9.3)

gdzie: G,g - stałe wartości uzależnione od materiału półprzewodnikowego oraz typu domieszek,

EV - natężenie oświetlenia.

Parametry fotorezystora

  • czułość widmowa - zależność rezystancji od natężenia oświetlenia. Na wartość czułości ma wpływ typ materiału oraz metody jego domieszkowania - dobieranie na skutek na przeznaczenie fotorezystora.
  • rezystancja fotorezystora:

; (9.4)

d - odstęp pomiędzy elektrodami

l - szerokość elektrod

r -rezystywność półprzewodnika.

  • współczynnik n zdefiniowany jako stosunek rezystancji przy konkretnej wartości natężenia oświetlenia

; (9.5)

gdzie:

RD - rezystancja ciemna

R50 - rezystancja przy natężeniu oświetleniu wynoszącym 50 lx.

Wartość rezystancji ciemnej uzależniona jest od stopnia czystości półprzewodnika. Rezystancja ciemna jest w przybliżeniu około tysiąc razy większa aniżeli rezystancja przy oświetleniu 50 lx oraz mieści się w przedziale od 106 W do 1012 W.

Na podstawie charakterystyki prądowo - napięciowej fotorezystora (rys.9.5)dobieramy właściwy obszar jego pracy. Charakterystyki te są liniowe w ogromnym zakresie napięć oraz prądów.

Rys.9.5. Charakterystyka prądowo - napięciowa fotorezystora.

Fotorezystory buduje się bardzo często w formie cienkich półprzewodnikowych warstw monokrystalicznych albo polikrystalicznych nałożonych izolacyjne np. szklane podłoże (rys.9.6a). Substancje światłoczułe dzielą dwie metalowe elektrody posiadające wyprowadzenia. Elektrody te najczęściej posiadają formę grzebieniową (rys.9.6b). Nad powierzchnią światłoczułą lokuje się okno oraz zamyka w obudowie, chroniącej przed uszkodzeniami, niekiedy pozwalającej na pracę w niskiej temperaturze (tzw. naczynie Dewara).

Fotorezystory buduje się z substancji półprzewodnikowych takich jak: PbS, PbSe, CdS, CdTe,CdSe, a także z półprzewodników domieszkowanych np. tellurku kadmu domieszkowanego rtęcią CdHgTe. Od substancji półprzewodnikowej uzależniony jest zakres widmowy lS1, lS2 odkrywanego promieniowania, zatem zakres długości fal, dla którego czułość fotorezystora równa jest nie mniej aniżeli 10% czułości największej.

Wadą fotorezystora jest wrażliwość temperaturowa.

Na skutek ogromnej czułości oraz prosty układ pomiarowy, fotorezystory stosuje się do:

  • odkrywania skażeń rzek oraz zbiorników wodnych,
  • celów wojskowych,
  • detekcji strat ciepła przez izolację termiczną budynków,
  • pomiaru temperatury oraz ostrzegania w systemach przeciwpożarowych,
  • analizowanie zasobów ziemi z samolotów oraz satelitów.

FOTODIODA

Fotodioda jest skonstruowana tak samo jak zwykła dioda krzemowa.

Różnica wynika z obudowy, ponieważ umieszczona jest tam soczewka płaska albo wypukła, pozwalająca na oświetlenie jednego z obszarów złącza. Fotodiody buduje się z krzemu albo arsenku galu.

Fotodiodę możemy również wykorzystywać jako źródło prądu o wydajności uzależnionej od natężenia oświetlenia.

Fotodiodę polaryzuje się zaporowo zewnętrznym źródłem napięcia. Na skutek oświetlenia przez fotodiodę płynie prąd wsteczny, który wzrasta raz ze wzrostem oświetlenia. Przy braku oświetlenia przez fotodiodę przepływa mały ciemny prąd wsteczny I0, który wywołany jest generacją termiczną nośników. Prąd ten rośnie liniowo razem ze wzrostem wartości napięcia wstecznego.

Zasada działania fotodiody.

Rys. 9.8. Charakterystyki prądowo - napięciowej fotodiody

Przy oświetleniu fotodiody niedaleko jej powierzchni są generowane pary nośników dziura-elektron. Obszar ładunku przestrzennego oraz powiązana z nim bariera potencjału pozwalają na przepływ nośników większościowych, natomiast nośniki mniejszościowe (tj. dziury w obszarze n oraz elektrony w obszarze p) przedostają się do obszaru ładunku przestrzennego, są przyspieszane, pokonują złącze (rys.9.7a). Przez złącze przepływa dodatkowy prąd fotoelektryczny IP. Prąd ten jest proporcjonalny do mocy promieniowania padającego na jej powierzchnię, nie uzależniony jest od wartości obciążenia oraz napięcia wstecznej polaryzacji.

Parametry fotodiody

  • największy prąd ciemny IR0max = 1 - 100nA,
  • największe napięcie wsteczne URmax = 10 - 500V,
  • czułość na natężenie oświetlenia SEV = 10 - 100nA/lx
  • czułość na moc promieniowania Spe = 0,3 - 1A/W,

Istotną zaletą fotodiody jest jej ogromna częstotliwość pracy. Są w stanie przetwarzać one sygnały świetlne o częstotliwości do kilkudziesięciu MHz.

Posiadają one również wady, podstawową jest mocna zależność prądu fotodiody od temperatury.

Wykorzystanie fotodiody:

  • w układach zdalnego sterowania,
  • w układach pomiarowych wielkości elektrycznych oraz nieelektrycznych np. do pomiaru wymiarów, odległości, skażeń oraz stężeń roztworów, częstotliwości i amplitudy drgań, naprężeń itp.
  • w szybkich przetwornikach analogowo - cyfrowych,
  • w przyrządach komutacji optycznej,

FOTOTRANZYSTOR

Fototranzystorem nazywa się element półprzewodnikowy składający się z dwóch złączy p-n. Pracuje w ten sam sposób jak tranzystor tylko z jedną różnicą taką, że prąd kolektora nie jest uzależniony od prądu bazy, ale od natężenia promieniowania, które oświetla obszar bazy. Oświetlenie ma wpływ na rezystancję obszaru emiter-baza. Stosuje się tutaj zjawisko fotoelektryczne wewnętrzne, tj. zjawisko fotoprzewodnictwa.

Fotoprzewodnictwo pojawia się na powiększeniu przewodnictwa elektrycznego na skutek energii promienistej, która sprawia jonizacje atomów w konkretnym ciele, z powodu którego wzrasta ilość swobodnych elektronów, które tworzą się w tym ciele.

Fototranzystor jest detektorem o czułości znacznie większej aniżeli czułość fotodiody, gdyż prąd wyprodukowany na skutek promieniowania ulega dodatkowemu wzmocnieniu.

Fototranzystory buduje się bardzo często z krzemu.

Zasada działania fototranzystora

Oświetlenie fototranzystora sprawia wygenerowanie par elektron-dziura w warstwie typu p. Elektrony jako ujemne nośniki ładunku przedostają się do obszaru kolektora na skutek polaryzacji zaporowej złącza kolektorowego. Dziury nie są w stanie przedostać się do obwodu emiterowego na skutek istniejącej bariery potencjału na złączu baza-emiter. Pewnej części z nich udaje się przejść do emitera, ponieważ posiadają wystarczająco ogromna energię kinetyczną i tam ulegają rekombinacji. Jeżeli chodzi o dziury, które nie przeszły zwiększają nieskompensowany ładunek dodatni, obniżając w ten sposób barierę energetyczną złącza emiterowego. W związku z tym elektrony z obszaru n pokonują barierę powiększając strumień elektronów przechodzących z emitera do bazy, natomiast później do kolektora. Elektrony te powodują, że wzrasta prąd kolektora w dużym stopniu, aniżeli elektrony które utworzyły się n skutek generacji par elektron-dziura od razu w obszarze bazy pod wpływem oświetlenia. Właśnie tak zachodzi wewnętrzne wzmocnienie prądu fotoelektrycznego IP. Przez fototranzystor nie oświetlony przepływa mały prąd ciemny ICEO. Jeżeli chodzi o prąd jasny kolektor-emiter fototranzystora w układzie WE z rozwartą bazą wyrażony jest następującym wzorem:

; (9.6)

W fototranzystorach końcówka może być wyprowadzona na zewnątrz obudowy albo nie, w związku z tym także fototranzystor może działać jako:

  • fototranzystor bez wyprowadzonej końcówki bazy w tym momencie działa jako normalny fototranzystor (rys.9.10c),
  • fotodioda, stosowane jest tu złącze kolektor-baza przy polaryzacji zaporowej (rys.9.10b),
  • fototranzystor z wyprowadzoną końcówką bazy - można go niezależnie sterować optycznie oraz elektrycznie (rys. 9.10d).
  • fotoogniwo, stosuje się tu złącze kolektor-baza (rys. 9.10a),

Charakterystyka prądowo - napięciowa. Jest ona taka sama, jeżeli chodzi o z kształt konwencjonalnego tranzystora. W momencie gdy rośnie temperatura złącza następuje wzrost prądu ciemnego oraz prądu fotoelektrycznego. Wartość prądu ciemnego uzależniona jest od napięcia UCE.

Analizując dokładanie charakterystykę czułości widmowej (rys. 9.11a) zauważyć można, iż jest ona ogromnie podobna do analogicznych charakterystyk fotodiod.

Z charakterystyki odczytać możemy, iż czułość fototranzystora wzrasta wraz ze wzrostem napięcia polaryzacji. Ważny wpływ na czułość ma kierunek promieniowania, które pada.

Fototranzystory posiadają porównując z fotodiodami dwie podstawowe zalety: o wiele większą czułość na skutek wzmocnienia wewnętrznego pierwotnego prądu fotoelektrycznego i możliwość równoczesnego sterowania prądu kolektora przy pomocy sygnałów elektrycznych oraz świetlnych. Fototranzystory posiadają również wady, na szczęście jest ich mało. Podstawową wadą jest niewielka prędkość działania. Częstotliwość graniczna fT jest rzędu kilkudziesięciu kiloherców.

Rys. 9.11. Fototranzystor: a) charakterystyka prądowo - napięciowa, b)charakterystyka czułości widmowej.

Fototranzystory posiadają ogromne wykorzystanie. Podstawowymi obszarami wykorzystania są przetworniki analogowo - cyfrowe, układy łączy optoelektronicznych, czytniki taśm oraz kart kodowych, układy automatyki i zdalnego sterowania, układy pomiarowe wielkości elektrycznych oraz nieelektrycznych, itp.