Zjawiska fotoelektryczne to zespół zjawisk, które wynikają z oddziaływania materiałów z promieniowaniem świetlnym. Dzieje się tak w związku z przenoszeniem energii fotonów konkretnym elektronom. Wyróżnia się fotoelektryczne zjawisko zewnętrzne oraz fotoelektryczne zjawisko wewnętrzne (zamiana energetycznego rozkładu elektronów w stałych oraz ciekłych półprzewodnikach lub w dielektrykach, dzieje się tak na skutek oddziaływania światła z materiałem). Zjawiska fotoelektryczne stosowane są w fotoelementach. Analizy fotoelektrycznego zjawiska zewnętrznego, gdzie objaśnienie potrzebowało zdefiniowania postulatu kwantowej natury światła (A. Einstein), posiadało ogromne znaczenie dla postępu fizyki. W zgodzie z proponowanym wówczas planem energia padającego kwantu gamma (oznaczana h, gdzie h - stała Plancka, - częstotliwość fali świetlnej) jest przenoszona elektronowi w zgodzie z wzorem h = E+W, gdzie E - energia kinetyczna elektronu, W - praca wyjścia (energia konieczna do wyjścia się elektronu z materiału).
Fotorezystory
Fotorezystor jest to światłoczuły element. Jego rezystancja zamienia się na skutek padającego promieniowania oraz nie uzależniona jest od kierunku przykładanego napięcia, taka sama sytuacja jest w zwykłym rezystorze.
Oświetlenie fotorezystora sprawia, że rośnie przepływ prądu (maleje jego rezystancja). Prąd, który jest różnicą całkowitego prądu, który płynie przez fotorezystor oraz prądu ciemnego (prąd przepływający przez fotorezystor gdy nie me oświetlenia) nazywa się prądem fotoelektrycznym. Jego wartość uzależniona jest od natężenia oświetlenia, przedstawia się następującym wzorem:
(9.3)
gdzie: G,g - wartości stałe uzależnione od substancji półprzewodnikowej oraz od typu domieszek, EV - natężenie oświetlenia.
Parametry fotorezystora
- czułość widmowa - związek rezystancji od natężenia oświetlenia. Rodzaj materiału, oraz metody jego domieszkowania wpływają na wartość czułości - dobierane uwzględniając przeznaczenie fotorezystora.
- rezystancja fotorezystora:
(9.4)
d - odległość 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 tysiąc razy wyższa aniżeli rezystancja przy oświetleniu 50 lx oraz mieści się w przedziale od 106 W do 1012 W.
Patrząc na charakterystykę prądowo - napięciową fotorezystora (rys.9.5)dobieramy odpowiedni obszar jego pracy. Charakterystyki te są liniowe w dużym zakresie prądów oraz napięć.
Rys.9.5. Charakterystyka prądowo - napięciowa fotorezystora.
Fotorezystory buduje się na ogół z cienkich półprzewodnikowych warstw monokrystalicznych albo polikrystalicznych nałożonych izolacyjne np. szklane podłoże (rys.9.6a). Substancje światłoczułe dzielą dwie metalowe elektrody posiadające wyprowadzenia. Elektrody te na ogół posiadają formę grzbietową (rys.9.6b). Nad powierzchnią światłoczułą lokuje się okno oraz zamyka się w obudowie, chroni ona przed defektami, a czasami pozwalającej na pracę w niskiej temperaturze (tzw. naczynie Dewara).
Fotorezystory buduje się z substancji półprzewodnikowych, na przykład: PbS, PbSe, CdS, CdSe, CdTe, lub także z półprzewodników domieszkowanych np. tellurku kadmu domieszkowanego rtęcią CdHgTe. Od substancji półprzewodnikowej uzależniony jest zakres widmowy lS1, lS2 odkrywanego promieniowania, czyli zakres długości fal, gdzie czułość fotorezystora równa jest nie więcej aniżeli 10% czułości największej.
Minusem fotorezystora jest wrażliwość temperaturowa.
Uwzględniając dużą czułość oraz prosty układ pomiarowy, fotorezystory stosuje się do:
- pomiaru temperatury oraz ostrzegania w systemach przeciwpożarowych,
- odkrywania skażeń rzek czy zbiorników wodnych,
- detekcji strat ciepła przez izolację termiczną domów,
- analiza zasobów naszej planety z samolotów oraz satelitów,
- celów wojskowych.
FOTODIODA
Fotodioda jest skonstruowana tak samo prawie jak normalna dioda krzemowa.
Różnica jest jedynie w obudowie, ponieważ ulokowana jest tam soczewka płaska albo wypukła, umożliwia ona również oświetlenie jednego z obszarów złącza. Fotodiody buduje się z krzemu albo arsenku galu.
Fotodiodę da się wykorzystywać jako źródło prądu, gdzie wydajność uzależniona jest od natężenia oświetlenia.
Fotodiodę polaryzuje się zaporowo zewnętrznym źródłem napięcia. Na skutek oświetlenia przez fotodiodę przepływa prąd wsteczny, który powoduje wzrost oświetlenia. Przy nie będzie puszczane oświetlenie przez fotodiodę popłynie mały ciemny prąd wsteczny I0 spowodowany generacją termiczną nośników. Prąd ten rośnie liniowo wtedy gdy rośnie wartość napięcia wstecznego.
Zasada działania fotodiody.
Rys. 9.8. Charakterystyki prądowo - napięciowej fotodiody
Przy oświetleniu fotodiody niedaleko jej powierzchni generowane są pary nośników dziura-elektron. Obszar ładunku przestrzennego oraz powiązana z nim bariera potencjału powodują, że możliwy jest przepływ nośników większościowych. Jeżeli chodzi o nośniki mniejszościowe (tzw. dziury w obszarze n oraz elektrony w obszarze p) dyfundują do obszaru ładunku przestrzennego, pokonują one złącze gdy będą przyspieszane (rys.9.7a). Przez złącze popłynie dodatkowy prąd fotoelektryczny IP. Jest on proporcjonalny do mocy promieniowania padającego na jej powierzchnię, nie uzależniony jest od napięcia wstecznej polaryzacji oraz od wartości obciążenia.
.
Parametry fotodiody
- największe napięcie wsteczne URmax = 10 - 500V,
- największy prąd ciemny IR0max = 1 - 100nA,
- czułość na moc promieniowania Spe = 0,3 - 1A/W,
- czułość na natężenie oświetlenia SEV = 10 - 100nA/lx
Głównym plusem fotodiody jest jej ogromna częstotliwość pracy. Są one w stanie przetwarzać sygnały świetlne o częstotliwości nawet do kilkudziesięciu MHz.
Mają niestety także wadę. Jest nią bardzo mocna zależność prądu fotodiody od temperatury.
Wykorzystanie fotodiody:
- w maszynach komutacji optycznej,
- w maszynach zdalnego sterowania,
- w szybkich przetwornikach analogowo - cyfrowych,
- w pomiarowych układach wielkości elektrycznych oraz nieelektrycznych np. do pomiaru wymiarów, skażeń oraz stężeń roztworów, odległości, amplitudy i częstotliwości naprężeń, drgań itp.
FOTOTRANZYSTOR
Fototranzystorem nazywa się fragment półprzewodnikowy składający się z dwóch złączy p-n. Zasada działania jest taka sama jak w tranzystorach z jedną tylko różnicą. Polega ona na tym, iż prąd kolektora nie uzależniony jest od prądu bazy, ale od natężenia promieniowania oświetlającego obszar bazy. Oświetlenie działa na rezystancję obszaru emiter-baza. Stosuje się tutaj zjawisko fotoelektryczne wewnętrzne, tj. zjawisko fotoprzewodnictwa.
Fotoprzewodnictwo opiera się na powiększaniu przewodnictwa elektrycznego na skutek energii promienistej, która powoduje jonizacje atomów w konkretnym ciele, co powoduje wzrost liczby swobodnych elektronów, które tworzy się w tym ciele.
Fototranzystor jest to detektor o czułości kilkakrotnie wyższej aniżeli czułość fotodiody, gdyż prąd wyprodukowany na skutek promieniowania ulega dodatkowemu wzmocnieniu.
Fototranzystory buduje się na ogół z krzemu.
Zasada działania fototranzystora
Rys.9.9. Zasada działania fototranzystora.
Na początek fototranzystor oświetla się. To sprawia wygenerowanie się par elektron-dziura w warstwie typu p. Elektrony jako ujemne nośniki ładunku przenoszą się do obszaru kolektora na skutek polaryzacji zaporowej złącza kolektorowego. Dziury nie są w stanie przedostać się do obwodu emiterowego na skutek będącej bariery potencjału na złączu baza-emiter. Pewna ilość z nich przedostaje się do emitera, ponieważ posiadają odpowiednio dużą energię kinetyczną oraz tam ulegają rekombinacji. Jeżeli chodzi o dziury, które nie przedostały się, to zwiększają nieskompensowany ładunek dodatni, zaniżając barierę energetyczną złącza emiterowego. W związku z tym elektrony z obszaru n pokonują barierę powiększając strumień elektronów, które pochodzą z emitera do bazy, a następnie do kolektora. Elektrony powodują wzrost prądu kolektora w dużym stopniu, w porównaniu z elektronami które utworzyły się na skutek generacji par elektron-dziura zaraz w obszarze bazy na skutek oświetlenia. Tak właśnie powstaje wewnętrzne wzmocnienie prądu fotoelektrycznego IP. Przez fototranzystor, który nie jest oświetlony przepływa mały prąd ciemny ICEO. Jeżeli chodzi o prąd jasny kolektor-emiter fototranzystora w układzie WE z rozwartą bazą zdefiniowany jest w następujący sposób:
; (9.6)
W fototranzystorach końcówkę da się wyprowadzić na zewnątrz obudowy albo nie, dlatego też fototranzystor działać może jako:
-fotoogniwo, stosuje się tu złącze kolektor-baza (rys. 9.10a),
-fotodioda, zastosowane jest tutaj złącze kolektor-baza przy polaryzacji zaporowej (rys.9.10b),
-fototranzystor bez wyprowadzonej końcówki bazy, przy takiej możliwości działa on jak normalny fototranzystor (rys.9.10c),
-fototranzystor z wyprowadzoną końcówką bazy - jesteśmy w stanie sterować nim niezależnie optycznie albo elektrycznie (rys. 9.10d).
a) b) c) d)
(Baza) (Baza) (Kolektor) (Kolektor
(Kolektor) (Kolektor) (Emiter) (Emiter)
Fotoogniwo Fotodioda Fototranzystor Fototranzystor
bez wyprowa - z wyprowa -
dzonej końcówki dzoną bazą
Rys. 9.10. Fototranzystor jest w stanie działać jako: a) fotoogniwo, b) fotodioda,
c) fototranzystor bez wyprowadzonej końcówki bazy,
d) fototranzystor z wyprowadzoną końcówką bazy.
Charakterystyka prądowo - napięciowa. Jest ona taka sama z formą konwencjonalnego tranzystora. Wraz gdy rośnie temperatura złącza rośnie prąd ciemny oraz prąd fotoelektryczny. Wartość prądu ciemnego uzależniona jest od napięcia UCE.
Patrząc na charakterystykę czułości widmowej (rys. 9.11a) zauważyć możemy, iż jest ona bardzo podobna do analogicznych charakterystyk fotodiod.
Z charakterystyki odczytać możemy, iż czułość fototranzystora jest większa w miarę wzrostu napięcia polaryzacji. Ma ona ogromny wpływ na czułość kierunek padającego promieniowania.
Fototranzystory posiadają porównując z fotodiodami dwie zalety: dużo większą czułość na skutek wzmocnienia wewnętrznego pierwotnego prądu fotoelektrycznego a także ewentualność równoczesnego sterowania prądu kolektora przy pomocy sygnałów elektrycznych czy świetlnych. Natomiast wadą fototranzystorów jest ich niewielka prędkość pracy. Częstotliwość graniczna fT jest równa nawet kilkudziesięciu kiloherców.
Rys. 9.11. Fototranzystor: a) charakterystyka prądowo - napięciowa, b)charakterystyka czułości widmowej.
Fototranzystory mają duże wykorzystanie. Podstawowymi dziedzinami wykorzystania są układy automatyki oraz zdalnego sterowania, układy łączy optoelektronicznych, przetworniki analogowo - cyfrowe, czytniki taśm oraz kart kodowych, układy pomiarowe wielkości elektrycznych czy nieelektrycznych, itp.
