Zjawisko fotoelektryczne.doc

Zjawisko fotoelektryczne oraz jego zastosowanie w fotorezystorach, fotodiodach oraz fototranzystorach. Przykłady ich wykorzystań

Zjawisko fotoelektryczne jest to ogół zjawisk które spowodowane są oddziaływaniem jakiegoś materiału z promieniowaniem świetlnym. Powiązane jest to z przekazaniem energii fotonów pojedynczym elektronom. Wyróżniamy fotoelektryczne zjawisko zewnętrzne oraz fotoelektryczne zjawisko wewnętrzne (zmiana energetycznego rozkładu elektronów w stałych oraz ciekłych półprzewodnikach a także w dielektrykach bierze się z oddziaływania światła z materiałem). Zjawiska fotoelektryczne stosowane jest głównie w fotoelementach. Analizy fotoelektrycznego zjawiska zewnętrznego, które potrzebowało wysunięcia postulatu kwantowej natury światła (A. Einstein), posiadało ogromne znaczenie dla postępu fizyki. W zgodzie z zaproponowanym wówczas modelem energia jaka padała była kwantem gamma (wynosiła h, gdzie h - stała Plancka, - częstotliwość fali świetlnej). Energia ta jest przekazywana elektronowi zgodnie ze wzorem h = E+W, gdzie E - energia kinetyczna elektronu, W - tzw. praca wyjścia (energia konieczna do tego by elektron wydostał się z materiału).

Fotorezystory

Fotorezystorem nazywamy element światłoczuły. Jego rezystancja ulega zmianie na skutek padającego promieniowania oraz nie jest ona uzależniona od kierunku napięcia jakie przyłożymy, tak samo jak rezystancja normalnego rezystora.

Oświetlenie fotorezystora spowoduje, że zwiększy się przepływ prądu (pomniejszy się natomiast jego rezystancja). Prąd który jest różnicą całkowitego prądu przepływającego przez fotorezystor oraz prądu ciemnego (prąd przepływający przez fotorezystor gdy nie ma oświetlenia) nazywa się prądem fotoelektrycznym. Jego wartość uzależniona jest od natężenia oświetlenia oraz jest definiuje się o takim o to wzorem:

Parametry fotorezystora:

czułość widmowa – jest to zależność rezystancji od natężenia oświetlenia. Na wartość czułości ma wpływ typ substancji oraz metody jego domieszkowania - dobieranie ze względu na przeznaczenie fotorezystora,

rezystancja fotorezystora,

współczynnik n definiowany jest jako stosunek rezystancji przy jakiejś wartości natężenia oświetlenia

Wartość rezystancji ciemnej uzależniona jest od stopnia czystości półprzewodnika. Rezystancja ciemna jest prawie 1000 razy większa aniżeli rezystancja przy oświetleniu 50 lx oraz jest ona w przedziale od 106 W do 1012 W.

Na podstawie charakterystyki prądowo - napięciowej fotorezystora wybiera się właściwy obszar jego pracy. Charakterystyki te są liniowe w ogromnym zakresie napięć oraz prądów.

Fotorezystory robi się na ogół w formie cieniutkich półprzewodnikowych warstw monokrystalicznych albo polikrystalicznych naniesionych izolacyjne np. szklane podłoże. Substancje światłoczułe rozdziela się na 2 metalowe elektrody które mają wyprowadzenia. Elektrody te bardzo często posiadają formę grzebieniową. Nad powierzchnią światłoczułą kładzie się okienko oraz zamyka się w obudowie, która chroni przed niszczeniem czy uszkodzeniem, a czasami umożliwiającej pracę w obniżonej temperaturze (tzw. naczynie Dewara).

Fotorezystory buduje się z substancji półprzewodnikowych między innymi takich jak: CdS, CdSe, CdTe, PbS, PbSe, ale także z półprzewodników domieszkowanych np. tellurku kadmu domieszkowanego rtęcią CdHgTe. Od substancji półprzewodnikowej uzależniony jest zakres widmowy lS1, lS2 wykrywanego promieniowania, zatem zakres długości fal, gdzie czułość fotorezystora równa jest nie mniej aniżeli dziesięć procent czułości największej.

Minusem fotorezystorów jest wrażliwość temperaturowa.

Ze względu na ogromną czułość oraz nieskomplikowany układ pomiarowy, fotorezystory stosuje się do:

●        mierzenia temperatury oraz ostrzegania w systemach przeciwpożarowych,

●        odkrywania skażeń rzek oraz zbiorników wodnych,

●        detekcji strat ciepła przez izolację termiczną budowli,

●        analizowania zasobów ziemi z samolotów czy satelitów,

●        w wojsku.

FOTODIODA

Fotodioda jest skonstruowana prawie tak samo jak normalna dioda krzemowa.

Jedyna różnicą w obudowie jest to, że jest umieszczona tam soczewka płaska albo wypukła, która umożliwia oświetlenie jednego z obszarów złącza. Fotodiody buduje się z krzemu albo arsenku galu.

Fotodiodę da się również traktować jako źródło prądu o wydajności uzależnionej od natężenia oświetlenia.

Fotodiodę polaryzuje się zaporowo zewnętrznym źródłem napięcia. Na skutek oświetlenia przez fotodiodę przepływa prąd wsteczny, który powoduje zwiększenie wzrostu oświetlenia. Jak nie ma oświetlania 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.

Gdy będziemy oświetlać fotodiodę niedaleko jej powierzchni są generowane pary nośników dziura-elektron. Obszar ładunku przestrzennego oraz powiązana z nim bariera potencjału dają możliwość na przepływanie nośników większościowych, za to nośniki mniejszościowe (czyli dziury w obszarze n oraz elektrony w obszarze p) dyfundują do obszaru ładunku przestrzennego, są przyspieszane oraz pokonują złącze (rys.9.7a). Przez złącze przepłynie wówczas dodatkowy prąd fotoelektryczny IP. Prąd ten jest proporcjonalny do mocy promieniowania jakie pada na jej powierzchnię, nie jest on uzależniony od napięcia wstecznej polaryzacji oraz 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

Ogromnym plusem fotodiody jest ogromna częstotliwość pracy. Są w stanie one przetwarzać sygnały świetlne o częstotliwości do paruset MHz.

Za to minusem ich jest dość duża zależność prądu fotodiody od temperatury.

Wykorzystanie fotodiody:

w maszynach komutacji optycznej,

w układach zdalnego sterowania,

w szybkich przetwornikach analogowo - cyfrowych,

w układach pomiarowych wielkości elektrycznych oraz nieelektrycznych m. in. do mierzenia wymiarów, odległości, stężeń czy skażeń roztworów, częstotliwości oraz amplitudy drgań, naprężeń itp.

FOTOTRANZYSTOR

Fototranzystor jest to element półprzewodnikowy z 2 złączami p-n. Funkcjonuje identycznie jak tranzystor z tą różnicą tylko, iż prąd kolektora nie jest uzależniony od prądu bazy, ale od natężenia promieniowania oświetlającego obszar bazy. Oświetlenie wpływa na rezystancję obszaru emiter-baza. Stosuje się tutaj zjawisko fotoelektryczne wewnętrzne, czyli zjawisko fotoprzewodnictwa.

Fotoprzewodnictwo polega na powiększaniu przewodnictwa elektrycznego na skutek energii promienistej która powoduje jonizacje atomów w konkretnym ciele, na skutek czego następuje zwiększenie liczby swobodnych elektronów jakie powstają w tym ciele.

Fototranzystory są detektorami o czułości kilkakrotne większej aniżeli czułość fotodiody, gdyż prąd jaki zostanie utworzony na skutek promieniowania ulega dodatkowemu wzmocnieniu.

Fototranzystory buduje się bardzo często z krzemu.

Zasada działania fototranzystora

Gdy oświetlimy fototranzystor spowoduje to wygenerowanie się par elektron-dziura w warstwie typu p. Elektrony jako ujemne nośniki ładunku przejdą do obszaru kolektora na skutek polaryzacji zaporowej złącza kolektorowego. Dziury nie są w stanie przejść do obwodu emiterowego na skutek występującej bariery potencjału na złączu baza-emiter. Pewna ilość z nich przechodzi do emitera, ponieważ posiadają dostatecznie dużą energię kinetyczną oraz tam dochodzi do rekombinacji. Natomiast dziury, które nie przeszły zwiększają nieskompensowany ładunek dodatni, obniżają w związku z tym barierę energetyczną złącza emiterowego. W związku z czym elektrony z obszaru n mogą pokonać barierę powodując zwiększenie strumienia elektronów jakie przechodzą z emitera do bazy, a później do kolektora. Elektrony te powiększają prąd kolektora o wiele bardziej aniżeli elektrony które utworzyły się na skutek generacji par elektron-dziura od razu w obszarze bazy na skutek oświetlenia. W taki właśnie sposób dochodzi do wewnętrznego wzmocnienie prądu fotoelektrycznego IP. Przez fototranzystor, który nie jest oświetlony przepływa mały prąd ciemny ICEO. Natomiast prąd jasny kolektor-emiter fototranzystora w układzie WE z rozwartą bazą zdefiniowany jest następującym worem:

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

fotoogniwo, stosuje się tu złącze kolektor-baza

fotodioda, stosowane jest tu złącze kolektor-baza przy polaryzacji zaporowej

fototranzystor bez wyprowadzonej końcówki bazy w takim przypadku działa jako normalny fototranzystor

fototranzystor z wyprowadzoną końcówką bazy – da się go niezależnie sterować optycznie oraz elektrycznie

a)                            b)                            c)                                          d)

(Baza) (Baza)              (Kolektor) (Kolektor

(Kolektor)              (Kolektor)              (Emiter)                                          (Emiter)

Fotoogniwo              Fotodioda              Fototranzystor                                          Fototranzystor

                                          bez wyprowadzonej końcówki              z wyprowadzoną bazą

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. Kształtem przypomina kształt konwencjonalnego tranzystora. Kiedy rośnie temperatura złącza powiększa się prąd ciemny oraz prąd fotoelektryczny. Wartość prądu ciemnego uzależniona jest od napięcia UCE.

Gdy się będziemy przypatrywać czułości widmowej (rys. 9.11a) zaobserwujemy, iż jest bardzo podobna do analogicznych charakterystyk fotodiod.

Z charakterystyki możemy odczytać, iż czułość fototranzystora powiększa się razem ze wzrostem napięcia polaryzacji. Ogromny wpływ na czułość ma kierunek padającego promieniowania.

Fototranzystory posiadają, w przeciwieństwie, do fotodiod 2 plusy, a mianowicie: znacznie większą czułość dzięki wzmocnieniu wewnętrznemu pierwotnego prądu fotoelektrycznego i możliwość równoczesnego sterowania prądu kolektora przy pomocy sygnałów elektrycznych oraz świetlnych. Minusem fototranzystorów jest ich niewielka szybkość działania. Częstotliwość graniczna fT jest rzędu paru dziesięciu kiloherców.

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

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