18-3. Полупроводниковые фотоэлементы

Полупроводниковым фотоэлементом называется полупроводниковый прибор, в котором под действием падающего на него излучения возникает э. д. с., называемая фото-э. д. с. Работа фотоэлемента с запирающим слоем, или, что то же, вентильного фотоэлемента, основана на использовании запирающего слоя между полупроводниками с различными проводимостями ().

Поглощение лучистой энергии при освещении поверхности фотоэлемента вблизи -перехода вызывает ионизацию атомов кристалла и образование новых пар свободных носителей заряда электронов и дырок. Образующиеся электроны под действием электрического поля -перехода уходят в слой , дырки — в слой . Это приводит к избытку дырок в слое и электронов в слое . Возникающая разность потенциалов (фото-э. д. с.) между слоями вызывает ток во внешней цепи от электрода к электроду . Величина этого тока зависит от количества электронов и дырок, а следовательно, от светового потока.

Схема устройства германиевого, фотоэлемента с запирающим слоем показана на рис. 18-10.

Рис. 18-10. Германиевый фотоэлемент и условный знак полупроводникового фотоэлемента.

Рис. 18-11. Кремниевый фотоэлемент.

Он состоит из пластинки германия 1 с -проводимостью, в которую вплавлен индий 2. В процессе изготовления в пластинке германия, расположенной над индием, образуется область с -проводимостью, на границе которой с германием и создается -переход. Слой германия, расположенный над индием, настолько тонок, что световые лучи свободна проникают в гзону -перехода. Корпус фотоэлемента из органического стекла залит изолирующим компаундом 3, через который проходят два проводниковых вывода.

Кремниевый фотоэлемент (рис. 18-11) состоит из пластины кремния с примесью, имеющей -проводимость. На поверхность пластины путем диффузии в вакууме вводят примесь бора, образуя слой с -проводимостью толщиной порядка 2 мкм. Батареи кремниевых элементов называются солнечными батареями и применяются для непосредственного преобразования солнечной энергии в электрическую, имея к. п. д. около 11%.

Они, в частности, применяются на искусственных спутниках Земли для питания их радиостанций.

Фотоэлементы с запирающим слоем имеют высокую чувствительность (до ). Преимущество их перед другими фотоэлементами заключается в том, что они не требуют источника питания. Фотоэлементы нашли широкое применение в различных областях электроники, автоматики, измерительной техники и т. д.

Фотодиодом называется полупроводниковый фотоэлемент с двумя электродами, разделенными -переходом.

Рис. 18-12. Фотодиод: а — схема; б — условное обозначение; в — схема соединения при работе его в генераторном режиме.

Фотодиоды могут работать как с внешним источником питания — фотопреобразовательный режим, так и без внешнего источника — генераторный режим.

На рис. 18-12 показано устройство диода, его условное обозначение и схема включения в генераторном режиме.

При освещении фотодиода создаются дополнительные пары электрон — дырка, часть которых, перемещаясь, достигают --перехода. Здесь под действием электрического поля - -перехода дырки перехйдят в -область, а электроны остаются в -области, так как они не могут преодолеть потенциального барьеру. Происходит накопление дырок в ласти и электронов в -области, при этом между электродами устанавливается некоторая разность потенциалов, представляющая собой фото-э. д. с., которая может достигнуть значения 1 В. При наличии сопротивления нагрузки через лего будет протекать ток (рис. 18-12, в).

В фогопреобразовательном режиме (рис. 18-13) напряжение источника питания приложено в обратном направлении. При отсутствии освещения через фотодиод проходит небольшой обратный ток — темновой ток.

При освещении электронной области фотодиода возникают пары электрон — дырка. Дырки, доходят до -перехода, под действием его электрического поля переходят в -область. Следовательно, свет вызывает рост, тока неосновных носителей из -области в -область, ток в цепи возрастает, т. е. появляется световой ток. Изменение тока в цепи, зависящее от освещенности диода, вызывает в нагрузке падение напряжения, пропорциональное величине светового потока, действующего на фотодиод. Фотодиод, работающий в режиме фотопреобразователя, подобен фоторезистору, обладающему большей интегральной чувствительностью. Например, у кремниевых диодов типа она имеет значение а у германиевых типа Темповой ток первого из указанных фотодиодов составляет 1—3 мкА, а второго 10 мкА.

Рис. 18-13. Схема соединения фотодиода при работе его в фотопреобразовательном режиме.