Zjawisko fotoelektryczne i wykorzystanie go w fotorezystorach, fotodiodach i fototranzystorach. Zastosowanie fotorezystorów, fotodiod, fototranzystorów – przykłady.

Zjawiska fotoelektryczne to ogół zjawisk spowodowanych oddziaływaniem substancji z promieniowaniem świetlnym. Związane jest z przekazywaniem energii fotonów pojedynczym elektronom. Rozróżnia się fotoelektryczne zjawisko zewnętrzne i fotoelektryczne zjawisko wewnętrzne (zmiana energetycznego rozkładu elektronów w stałych i ciekłych półprzewodnikach i dielektrykach spowodowana oddziaływaniem światła z substancją. Zjawiska fotoelektryczne wykorzystywane są w fotoelementach. Badania fotoelektrycznego zjawiska zewnętrznego, którego wyjaśnienie wymagało wysunięcia postulatu kwantowej natury światła (A. Einstein), miało doniosłe znaczenie dla rozwoju fizyki. Zgodnie z zaproponowanym wtedy modelem energia padającego kwantu gamma (równa hν, gdzie h - stała Plancka, ν - częstotliwość fali świetlnej) jest przekazywana elektronowi zgodnie z równaniem hν = E+W, gdzie E - energia kinetyczna elektronu, W - tzw. praca wyjścia (energia potrzebna do wydostania się elektronu z substancji).

Fotorezystory
Fotorezystor jest elementem światłoczułym. Jego rezystancja zmienia się pod wpływem padającego promieniowania i nie zależy od kierunku przyłożonego napięcia, podobnie jak rezystancja zwykłego rezystora.
Oświetlenie fotorezystora powoduje zwiększenie przepływającego prądu (zmniejsza się jego rezystancja). Prąd będący różnicą całkowitego prądu płynącego przez fotorezystor i prądu ciemnego (prąd płynący przez fotorezystor przy braku oświetlenia) nazywamy prądem fotoelektrycznym. Jego wartość zależy od natężenia oświetlenia i jest określona zależnością:

; (9.3)

w której: G,g - wartości stałe zależne od materiału półprzewodnikowego i rodzaju domieszek, EV – natężenie oświetlenia.

Parametry fotorezystora

• czułość widmowa – zależność rezystancji od natężenia oświetlenia. Na wartość czułości wpływa rodzaj materiału i sposób jego domieszkowania – dobieranie ze względu na przeznaczenie fotorezystora.
• rezystancja fotorezystora:

; (9.4)

d – odstęp między elektrodami
l – szerokość elektrod
r -rezystywność półprzewodnika.

• współczynnik n określany jako stosunek rezystancji przy danej wartości natężenia oświetlenia
; (9.5)
gdzie:
RD – rezystancja ciemna
R50 – rezystancja przy natężeniu oświetleniu równym 50 lx.

Wartość rezystancji ciemnej zależy od stopnia czystości półprzewodnika. Rezystancja ciemna jest około tysiąc razy większa niż rezystancja przy oświetleniu 50 lx i zawiera się w przedziale od 106 W do 1012 W.

Na podstawie charakterystyki prądowo – napięciowej fotorezystora (rys.9.5)dobiera się właściwy obszar jego pracy. Charakterystyki te są liniowe w dużym zakresie napięć i prądów.

Rys.9.5. Charakterystyka prądowo – napięciowa fotorezystora.

Fotorezystory wykonuje się najczęściej w postaci cienkich półprzewodnikowych warstw monokrystalicznych lub polikrystalicznych naniesionych izolacyjne np. szklane podłoże (rys.9.6a). Materiał światłoczuły rozdzielają dwie metalowe elektrody mające wyprowadzenia. Elektrody te często mają kształt grzebieniowy (rys.9.6b). Nad powierzchnią światłoczułą umieszcza się okienko i zamyka w obudowie, chroniącej przed uszkodzeniami, a niekiedy umożliwiającej pracę w obniżonej temperaturze (tzw. naczynie Dewara).

Fotorezystory wykonuje się z materiałów półprzewodnikowych takich jak: CdS, CdSe, CdTe, PbS, PbSe, jak również z półprzewodników domieszkowanych np. tellurku kadmu domieszkowanego rtęcią CdHgTe. Od materiału półprzewodnikowego zależy zakres widmowy lS1, lS2 wykrywanego promieniowania, czyli zakres długości fal, dla którego czułość fotorezystora wynosi nie mniej niż 10% czułości maksymalnej.
Wadą fotorezystora jest wrażliwość temperaturowa.

Ze względu na dużą czułość i prosty układ pomiarowy, fotorezystory wykorzystuje się do:

• pomiaru temperatury i ostrzegania w systemach przeciwpożarowych,
• wykrywania zanieczyszczeń rzek i zbiorników wodnych,
• detekcji strat ciepła przez izolację termiczną budynków,
• badania zasobów ziemi z samolotów i satelitów,
• celów wojskowych.


FOTODIODA

Fotodioda jest zbudowana podobnie jak zwykła dioda krzemowa.
Różnica jest w obudowie, gdyż znajduje się tam soczewka płaska lub wypukła, umożliwiająca oświetlenie jednego z obszarów złącza. Fotodiody wykonuje się z krzemu lub arsenku galu.
Fotodiodę można traktować jako źródło prądu o wydajności zależnej od natężenia oświetlenia.
Fotodiodę polaryzuje się zaporowo zewnętrznym źródłem napięcia. Pod wpływem oświetlenia przez fotodiodę płynie prąd wsteczny, który zwiększa się ze wzrostem oświetlenia. Przy braku oświetlenia przez fotodiodę płynie niewielki ciemny prąd wsteczny I0 wywołany generacją termiczną nośników. Prąd ten narasta liniowo wraz ze wzrostem wartości napięcia wstecznego.



Zasada działania fotodiody.
Rys. 9.8. Charakterystyki prądowo – napięciowej fotodiody

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

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

Istotną zaletą fotodiody jest duża częstotliwość pracy. Mogą one przetwarzać sygnały świetlne o częstotliwości do kilkudziesięciu MHz.
Natomiast wadą jest dość silna zależność prądu fotodiody od temperatury.

Zastosowanie fotodiody:

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


FOTOTRANZYSTOR

Fototranzystorem nazywamy element półprzewodnikowy z dwoma złączami p-n. Działa tak samo jak tranzystor z tą różnicą, że prąd kolektora nie zależy od prądu bazy, lecz od natężenia promieniowania oświetlającego obszar bazy. Oświetlenie wpływa na rezystancję obszaru emiter-baza. Wykorzystuje się tu zjawisko fotoelektryczne wewnętrzne, tj. zjawisko fotoprzewodnictwa.

Fotoprzewodnictwo polega na zwiększaniu przewodnictwa elektrycznego pod wpływem energii promienistej powodującej jonizacje atomów w danym ciele, wskutek czego zwiększa się liczba swobodnych elektronów powstających w tym ciele

Fototranzystor jest detektorem o czułości wielokrotnie większej niż czułość fotodiody, ponieważ prąd wytworzony pod wpływem promieniowania ulega dodatkowemu wzmocnieniu.
Fototranzystory wykonuje się najczęściej z krzemu.

Zasada działania fototranzystora

Rys.9.9. Zasada działania fototranzystora.

Oświetlenie fototranzystora powoduje wygenerowanie par elektron-dziura w warstwie typu p. Elektrony jako ujemne nośniki ładunku przechodzą do obszaru kolektora dzięki polaryzacji zaporowej złącza kolektorowego. Dziury nie mogą przejść do obwodu emiterowego z powodu istniejącej bariery potencjału na złączu baza-emiter. Część z nich jednak przechodzi do emitera, gdyż mają dostatecznie dużą energię kinetyczną i tam ulegają rekombinacji. Natomiast dziury, które nie przeszły powiększają nieskompensowany ładunek dodatni, obniżając barierę energetyczną złącza emiterowego. W wyniku czego elektrony z obszaru n pokonują barierę zwiększając strumień elektronów przechodzących z emitera do bazy, a potem do kolektora. Elektrony te zwiększają prąd kolektora w znacznie większym stopniu, niż elektrony które powstały w wyniku generacji par elektron-dziura bezpośrednio w obszarze bazy pod wpływem oświetlenia. W ten sposób zachodzi wewnętrzne wzmocnienie prądu fotoelektrycznego IP. Przez fototranzystor nie oświetlony płynie niewielki prąd ciemny ICEO. Natomiast prąd jasny kolektor-emiter fototranzystora w układzie WE z rozwartą bazą opisany jest zależnością:

; (9.6)

W fototranzystorach końcówka może być wyprowadzona na zewnątrz obudowy lub nie, dlatego też fototranzystor może pracować jako:
• fotoogniwo, wykorzystuje się tu złącze kolektor-baza (rys. 9.10a),
• fotodioda, wykorzystane jest tu złącze kolektor-baza przy polaryzacji zaporowej (rys.9.10b),
• fototranzystor bez wyprowadzonej końcówki bazy w tym przypadku pracuje jako normalny fototranzystor (rys.9.10c),
• fototranzystor z wyprowadzoną końcówką bazy – można go niezależnie sterować optycznie i elektrycznie (rys. 9.10d).


a) b) c) d)

(Baza) (Baza) (Kolektor) (Kolektor

(Kolektor) (Kolektor) (Emiter) (Emiter)
Fotoogniwo Fotodioda Fototranzystor Fototranzystor
bez wyprowa - z wyprpwa -
dzonej końcówki dzoną bazą


Rys. 9.10. Fototranzystor może pracować jako: a) fotoogniwo, b) fotodioda,
c) fototranzystor bez wyprowadzonej końcówki bazy,
d) fototranzystor z wyprowadzoną końcówką bazy.

Charakterystyka prądowo – napięciowa. Jest ona identyczna z kształtem konwencjonalnego tranzystora. Ze wzrostem temperatury złącza zwiększa się prąd ciemny i prąd fotoelektryczny. Wartość prądu ciemnego zależy od napięcia UCE.
Przypatrując się charakterystyce czułości widmowej (rys. 9.11a) zauważamy, że jest bardzo zbliżona do analogicznych charakterystyk fotodiod.
Z charakterystyki odczytujemy, że czułość fototranzystora zwiększa się wraz ze wzrostem napięcia polaryzacji. Istotny wpływ na czułość ma kierunek padającego promieniowania.
Fototranzystory mają w porównaniu z fotodiodami dwie zalety, a mianowicie: znacznie większą czułość dzięki wzmocnieniu wewnętrznemu pierwotnego prądu fotoelektrycznego oraz możliwość jednoczesnego sterowania prądu kolektora za pomocą sygnałów elektrycznych i świetlnych. Wadą fototranzystorów jest ich mała prędkość działania. Częstotliwość graniczna fT jest rzędu kilkudziesięciu kiloherców.

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

Fototranzystory znalazły duże zastosowanie. Głównymi obszarami zastosowania są układy automatyki i zdalnego sterowania, układy pomiarowe wielkości elektrycznych i nieelektrycznych, przetworniki analogowo – cyfrowe, układy łączy optoelektronicznych, czytniki taśm i kart kodowych itp.