Fotoelementy. Symbole graficzne półprzewodnikowych elementów optoelektronicznych: a) fotoogniwo b) fotorezystor

Transkrypt

1 Fotoelementy Wstęp W wielu dziedzinach techniki zachodzi potrzeba rejestracji, wykrywania i pomiaru natężenia promieniowania elektromagnetycznego o różnych długościach fal, w tym i promieniowania widzialnego, bez udziału człowieka. Stosuje się wtedy czujniki promieniowania. Czujniki przystosowane do pracy w zakresie widzialnym widma promieniowania elektromagnetycznego nazywają się fotoelementami. Fotoelementy (elementy optoelektroniczne) mogą być lampowe i półprzewodnikowe. W fotoelementach lampowych (fotokomórka, fotopowielacz) wykorzystuje się zewnętrzne zjawisko fotoelektryczne, natomiast w półprzewodnikowych- wewnętrzne zjawisko fotoelektryczne. Symbole graficzne elementów optoelektronicznych półprzewodnikowych. Symbole graficzne półprzewodnikowych elementów optoelektronicznych: a) fotoogniwo b) fotorezystor

2 c) fotodioda d) fotodioda typu PIN e) fototranzystory. Elementy optoelektroniczne półprzewodnikowe nie są wrażliwe na różne długości fal. Charakteryzują się one największa czułością dla promieniowania, którego energia odpowiada szerokości przerwy energetycznej między pasmem podstawowym i pasmem przewodnictwa w półprzewodniku, z którego zostały one wykonane. Dla tych elementów maksimum czułości nie pokrywa się z maksimum czułości oka ludzkiego. Rys.1. Zależność względnej czułości widmowej S (λ)rel (stosunek czułości widmowej do czułości maksymalnej) od długości fali λ promieniowania. Elementy optoelektroniczne półprzewodnikowe można podzielić na generacyjne i parametryczne. Do elementów generacyjnych należą fotoogniwa, a do parametrycznych: a) fotorezystory b) fotodiody c) fototranzystory. Osobną grupę stanowią: diody elektroluminescencyjne (świecące) i transoptory.

3 FOTOOGNIWO (ogniwo fotoelektryczne) Rys.2. Budowa fotoogniwa. Fotoogniwo zbudowane jest z elektrody metalowej, na której jest umieszczona warstwa półprzewodnika, powleczona półprzezroczystą cienka powłoką złotą lub platynową, stanowiącą drugą elektrodę fotoogniwa. Fotoogniwo wykorzystuje efekt fotowoltaiczny (zjawisko fotoelektryczne). Siła fotoelektryczna E F powstająca na zaciskach ogniwa rozwartego jest nieliniową funkcja natężenia oświetlenia. Rys.3.Przykładowa charakterystyka oświetleniowa ogniwa fotoelektrycznego nieobciążonego.

4 W przypadku ogniwa zwartego płynie przez to fotoogniwo prąd zwarciowy, który jest równy prądowi fotoelektrycznemu i proporcjonalny do natężenia oświetlenia. Rys.4. Przykładowa charakterystyka oświetleniowa ogniwa fotoelektrycznego obciążonego. FOTOREZYSTOR Fotorezystor stanowi fotoczuła warstwa półprzewodnika umieszczona na izolacyjnym podłożu. Rys.5. Budowa i podstawowy układ pracy fotorezystora.

5 Między elektrodami istnieje rezystancja zależna od wartości strumienia świetlnego Φ ν. Fotorezystor charakteryzuje się nieliniową charakterystyką prądowo-napieciową (rys.6) i nieliniowymi charakterystykami oświetleniowymi (rys.7) Rys.6. Przykładowe charakterystyki prądowo-napieciowe fotorezystora. Rys.7. Przykładowe charakterystyki oświetleniowe fotorezystora: a) zależność prądu fotoelektrycznego od strumienia świetlnego b) zależność rezystancji od natężenia oświetlenia. Wadą jego jest duża wrażliwość temperaturowa.

6 FOTODIODA Fotodioda jest najprostszym półprzewodnikowym elementem optoelektronicznym wykorzystującym złącze PN. W czasie normalnej pracy jest ona spolaryzowana zaporowo. Wartość prądu fotoelektrycznego wzrasta (rys.8) ze wzrostem natężenia oświetlenia. Rys.8. Przykładowa charakterystyka oświetleniowa. Charakterystyka prądowo-napieciowa fotodiody (rys.9) jest zbliżona do charakterystyki zwykłej diody spolaryzowanej w kierunku zaporowym. Rys.9. Przykładowe charakterystyki prądowo-napięciowe fotodiody. Graniczna częstotliwość pracy fotodiody zależy od wielkości powierzchni złącza i dla diod o małych powierzchniach dochodzi do kilkuset megaherców.

7 FOTOTRANZYSTOR Rys.10. Budowa i podstawowy schemat układu pracy fototranzystora. Fotorezystor ma budowę wewnętrzna podobną do zwykłego tranzystora. Rys.11. Przykładowe charakterystyki prądowo-napieciowe fototranzystora w układzie WE.

8 Rys.12. Przykładowa charakterystyka oświetleniowa fototranzystora. DIODY ELEKTROLUMINESCENCYJNE Diody elektroluminescencyjne należą również do grupy optoelektronicznych elementów półprzewodnikowych. Diody te w czasie normalnej pracy są spolaryzowane w kierunku przewodzenia, a typowa charakterystyka prądowo-napięciowa dla tego kierunku jest przedstawiona na rys.13. Charakterystykę świecenia ilustruje rys.14. Rys.13. Przykładowa charakterystyka prądowo-napięciowa diody elektroluminescencyjnej.

9 Rys.14. Charakterystyka świecenia diody elektroluminescencyjnej. Dioda LED zawiera obszar świecący, umieszczony wewnątrz wklęsłej powierzchni odbijającej. Rys.15. Budowa wskaźnika diodowego. Strumień świetlny Ф ν stanowi promieniowanie bezpośrednie i odbite. Kolor światła diody LED jest zależny od rodzaju użytego półprzewodnika, np. złącze PN diody świecącej światłem czerwonym jest wykonane z fosforu-arsenku galu. Diody świecące doskonale nadają się do budowy wskaźników alfanumerycznych i transoptorów.

10 TRANSOPTOR Rys.16. Schemat budowy transoptorów: a) dioda elektroluminescencyjna (dioda LED) fotodioda; b) dioda LED fototranzystor; c) dioda LED fototranzystor z wyprowadzoną bazą; d) dioda LED fotoogniwo; e) dioda LED fotorezystor. Transoptory jest to para elementów optoelektronicznych sprzężonych optycznie, umieszczonych we wspólnej obudowie. Składa się ze źródła promieniowania (najczęściej diody świecącej) i fotodetektora (najczęściej fototranzystora) oraz sprzęgacza optycznego (falowodu). Różne rodzaje transoptorów przedstawiono na rys.16. Za pomocą transoptorów można przetworzyć wejściowy I 1 na prąd wyjściowy I 2, który może występować przy dowolnym potencjale.