Фоторезисторы и фотодиоды. Устройство, принцип действия

Фоторезисторами называют полупроводниковые приборы, принцип действия которых основан на изменение сопротивления полупроводника под действием светового излучения.

На рис.7.31 показано устройство фоторезистора, состоящего из диэлектрической подложки 1, выполненной из стекла или керамики, на которую наносится слой полупроводника (сернистый свинец) 2, покрытый защитным лаком. По краям выведены два металлических электрода 3. Фоторезистор крепится в пластмассовом корпусе 4, снабжённым слюдяным или стеклянным окошком 5, через которое проникает световой поток Ф, и выводятся электроды 3.

Рис.7.31. Устройство фоторезистора

 

На рис.7.32 изображена схема подключения фоторезистора ФR к источнику питания E через нагрузочное сопротивление Rн.

Рис.7.32. Схема подключения фоторезистора к источнику питания

 

Вольтамперные характеристики фоторезистора приведены на рис.7.33, из которых видно, что при неосвещённом фоторезисторе (), по цепи проходит темновой ток . При этом фоторезистор имеет большое сопротивление, поэтому на нём падает значительное напряжение . Если на фоторезистор направить световой поток, то, в зависимости от освещения, его сопротивление начнёт уменьшаться. Проходящий по цепи фототок , будет равен разности светового и темнового токов . При светововом потоке , световой ток увеличивается до значения . Падение напряжения фоторезистора уменьшиться до значения . При полном освещении , световой ток достигнет значения , напряжение фоторезистора упадёт до значения . Недостатком такого полупроводникового прибора является его инерционность.

 

Рис.7.33. Вольтамперные характеристики фоторезистора

 

К фотодиодам относятся полупроводниковые приборы, у которых область

р-n-перехода подвергается воздействию световой энергии. Рисунок 7.34 поясняет принцип работы светодиода, который имеет два электрода анод А и катод К.

 

Рис.7.34. Схема фотогенерации свободных зарядов фотодиода под действием фотонов света

 

При отсутствии светового потока Ф р-n-переход П заперт. При освещении запирающего р-n-перехода происходит фотогенерация, фотоны света образуют пары электрон-дырка свободных зарядов, при этом свободные электроны переходят в слой n, свободные дырки - в слой p.

Фотодиоды работают в двух режимах: генераторном и преобразовательном. На рис.7.35 изображён фотодиод, работающий в генераторном режиме.

 

Рис.7.35. Схема фотодиода, работающего в генераторном режиме

 

Под действием светового излучения генерируется фотоЭДС (около одного вольта) с полярностью анода (+), катода (-). В режиме короткого замыкания во нешней цепи и между слоями n и р фотодиода проходит максимальный обратный ток при нагрузке . Если включена нагрузка, то фототок уменьшается. В режиме холостого хода при , фотоЭДС , так как фототок будет равен нулю.

Режим работы фотодиода называется генераторным. Фотоэлементы, не требующие источника питания, находят широкое применение в электротехнике и автоматике. В генераторном режиме работают солнечные кремниевые батареи, в которых происходит преобразование солнечной энергии в электрическую энергию.

В режиме преобразователя в цепь фотодиода последовательно с нагрузкой включается источник ЭДС в запирающем (обратном) направлении. На рис.7.36 изображён преобразовательный режим работы фотодиода.

 

Рис.7.36. Схема фотодиода, работающего в преобразовательном режиме

 

Если фотодиод неосвещен, то через него проходит незначительный темновой ток . При освещении запирающего перехода, фотодиод открывается и через него проходит световой ток , величина которого зависит от значения светового потока.

На рис.7.37 приведены вольтамперные характеристики, поясняющие принцип работы фотодиода в генераторном и преобразовательном режимах.

 

Рис.7.37. Вольтамперные характеристики, поясняющие принцип работы фотодиода в генераторном и преобразовательном режимах