Фотоэлементы и их характеристики

Фотоэлементы, принцип действия которых основан на явлении внутреннего фотоэффекта, бывают двух видов – фотосопротивления (фоторезисторы) и вентильные фотоэлементы (фотодиоды, солнечные батареи).

Чувствительность фотосопротивлений значительно больше, чем у вакуумных фотоэлементов, в настоящее время они широко используются в устройствах сигнализации и автоматики.

Как известно, сопротивление проводников определяется геометрическими размерами и удельным сопротивлением вещества, проводящего электрический ток. Удельное сопротивление зависит от таких параметров вещества как концентрация и заряд носителей тока, а также их подвижность, определяющих удельную электропроводность:

, (2.2)

где:

q – заряд носителя

n – концентрация носителя

μ – подвижность.

Подвижность носителей заряда определяет скорость их направленного движения (дрейфа) в электрическом поле. Исходя из закона Ома, записанного в дифференциальной форме, получаем выражение для плотности тока в проводнике:

(2.3)

Под воздействием света на полупроводник происходит дополнительная ионизация примесных атомов, приводящая к увеличению концентрации свободных носителей заряда, в n – типе такими носителями являются электроны, в p – типе – дырки. Вследствие этого удельное сопротивление уменьшается, т.е. наблюдается явление фотопроводимости.

К числу основных характеристик фотосопротивлений относятся вольт – амперные, световые и спектральные характеристики. Быстродействие фотосопротивлений описывается зависимостью чувствительности фотосопротивления от частоты прерывания светового потока.

Вольт – амперная характеристика выражает зависимость фототока I _Ф(при постоянном световом потоке) от приложенного напряжения U. Для большинствафотосопротивлений в рабочем режиме эта зависимость линейна. При этом под фототоком понимают разность между световым I _Си темновым I _Ттоком: I _Ф = I _С - I _Т.

Световая характеристика выражает зависимость фототока от падающего на фотосопротивление светового потока постоянного спектрального состава при постоянном приложенном напряжении. Световые характеристики фотосопротивления, как правило, нелинейны.

Спектральная характеристика выражает зависимость чувствительности фотосопротивления от длины волны света при постоянной величине светового потока и при постоянном приложенном напряжении.

Наиболее важным параметром любого фотоэлемента, в том числе и фотосопротивления, является чувствительность. При определении чувствительности фотосопротивления необходимо учитывать зависимость фототока от спектрального состава излучения и величины падающего светового потока, а также от величины приложенного напряжения. При этом различают удельную, спектральную, интегральную чувствительность и кратность изменения фотосопротивления.

Наиболее простой физический смысл имеет интегральная чувствительность. Из первого закона фотоэффекта (закона Столетова) известно, что величина фототока пропорциональна световому потоку.

Если ввести коэффициент пропорциональности γ, то можно записать равенство:

. (2.4)

Этот размерный коэффициент γ и представляет интегральную чувствительность, его размерность равна мкА/лм.

Поскольку, , то:

, (2.5)

т.е. в узком интервале освещенностей величина тока через фотосопротивление описывается выражением вида y = k x +b, представляющим уравнение прямой, заданной с помощью углового коэффициента. Этот коэффициент определяется как частная производная:

, или (2.6)

где:

- изменение тока через фотосопротивление при изменении светового потока на величину ∆Ф. Если задать ∆Ф = 1 лм, то интегральная чувствительность γ будет численно равна ∆ I_С , т.е.изменению тока через фотосопротивление, вызванному световым потоком в 1 лм.

Спектральная чувствительность характеризует силу тока, возникающую под действием излучений в узком интервале длин волн. Спектральные характеристики наиболее распространенных фотосопротивлений приведены на рисунке 2.6.

Рисунок 2.6. Спектральные характеристики фотосопротивлений

на основе полупроводниковых соединений.

К наиболее распространенным типам сопротивлений относятся ФС-А1, ФС-А4 из PbS, ФС-Б2 из BiS, ФС-К1, ФС-К2, ФСК-М1, ФСК-М2 из GdS. Буква М в обозначении указывает на монокристаллическую основу ФС.

Фотосопротивления устанавливают в пластмассовый или металлопластиковый корпус, такой корпусированный фотоэлемент часто называют фоторезистором. Он представляет собой омическое сопротивление, состоящее из слоя полупроводника, нанесенного на изолированную подложку, и содержащее два металлических электрода, соединенных с выводами.

Основу фотоэлементов составляет полупроводниковый слой, содержащий p-n – переход. Наиболее распространенными фотоэлементами до недавнего времени были селеновые, в настоящее время серийно производятся кремниевые фотодиоды и солнечные батареи.

Основными характеристиками вентильных фотоэлементов как и фоторезисторов являются вольт – амперная характеристика, световая характеристика, спектральная характеристика фоточувствительности, интегральная чувствительность фотоэлемента. Кроме того, важнейшими параметрами являются фото – ЭДС элемента и ток короткого замыкания, который рассчитывается по закону Ома для замкнутой цепи:

, (2.7)

где:

– фото-ЭДС при заданной освещенности,

R _Ф – внутреннее сопротивление фотоэлемента.

Внутреннее сопротивление фотоэлемента оказывается различным при различной освещенности фотоэлемента. Его можно определить, используя закон Ома и измерив силу тока в цепи фотоэлемента при различных сопротивлениях нагрузки.

, откуда: (2.8)

где:

I – сила тока в цепи при сопротивлении нагрузки R_Н;

R_Н – сопротивление нагрузки (магазин сопротивлений);

R_A – сопротивление микроамперметра.

Вольт – амперная характеристика (ВАХ) вентильного фотоэлемента (фотодиода) при двух освещенностях приведена на рисунке 2.7.

Рисунок 2.7 – Вольт – амперная характеристика вентильного

фотоэлемента при разных освещенностях

ВАХ p-n – перехода в отсутствии освещения может быть описана следующим выражением:

, (2.9)

где: I_S – ток насыщения неосвещенного p-n – перехода,

k – постоянная Больцмана,

e – заряд электрона,

T – абсолютная температура.

Знак “+” соответствует прямой ветви ВАХ, знак “ – ” относится к

обратной ветви (обратному направлению внешнего поля).

U – напряжение внешнего источника.

При освещении p-n – перехода светом увеличивается темп генерации неосновных носителей за счет дополнительной ионизации примесных атомов. Обратный ток заметно возрастает на величину I_Ф. Величина фото –ЭДС при этом также увеличивается. Таким образом вентильные фотоэлементы позволяют осуществить прямое преобразование лучистой энергии в электрическую, поэтому их иначе называют фотогальваническими элементами. Участок ВАХ, расположенный в IV квадранте наиболее информативен. Для снятия этого участка ВАХ не требуется внешнего источника тока. Фотоэлемент освещают постоянным световым потоком и подключают к сопротивлению нагрузки, которая меняется от 0 до ∞, измеряют падение напряжения на сопротивлении нагрузки и силу тока в замкнутой цепи. Такой режим измерений называется фотогальваническим. ВАХ вентильного элемента в фотогальваническом режиме можно построить по точкам, зная фото – ЭДС и силу тока в замкнутой цепи. Напряжение на сопротивлении нагрузки в рассчитывается по закону Ома:

(2.10)

Сила тока при этом измеряется при разных сопротивлениях нагрузки. Примерный вид ВАХ приведен на рисунке 2.8.

Рисунок 2.8