Меню

Сила тока в цепи фотоэлемента

Фотоэлемент, принцип работы и виды фотоэлементов

Фотоэлемент, принцип работы и виды фотоэлементов.

Фотоэлемент — электронный прибор, который преобразует энергию фотонов в электрическую энергию. Уже достигнуты фотоэлементы с КПД порядка 44-45 %.

Фотоэлемент ( фотоэлектрический элемент). Вакуумный фотоэлемент. Полупроводниковый фотоэлемент. Вентильный фотоэлемент:

Фотоэлемент (фотоэлектрический элемент) — электронный прибор, который преобразует энергию фотонов в электрическую энергию.

Фотоэлемент является центральным элементом солнечной батареи .

Фотоэлементы подразделяются на электровакуумные и полупроводниковые фотоэлементы. Их действие основано соответственно либо на фотоэлектронной эмиссии (внешнем фотоэффекте), либо внутреннем фотоэффекте или вентильном (барьерном) фотоэффекте.

Внешним фотоэффектом (фотоэлектронной эмиссией) называется испускание электронов веществом под действием электромагнитных излучений, например, фотонов. Иными словами, при внешнем фотоэффекте поглощение фотонов сопровождается вылетом электронов за пределы тела. Электроны, вылетающие из вещества при внешнем фотоэффекте, называются фотоэлектронами, а электрический ток, образуемый ими при упорядоченном движении во внешнем электрическом поле, называется фототоком. Внешний фотоэффект наблюдается в твёрдых телах (металлах, полупроводниках и диэлектриках), а также газах (фотоионизация).

Первый фотоэлемент, основанный на внешнем фотоэффекте, создал Александр Столетов в конце XIX века.

На основе внешнего фотоэффекта работают электровакуумные фотоэлементы. Электровакуумный фотоэлемент (вакуумный фотоэлемент) представляет собой кварцевую или стеклянную колбу. Часть внутренней поверхности колбы покрывается тончайшим слоем светочувствительного металла, который выступает в качестве катода . Он контактирует с проводом, который соединен с отрицательным источником тока. В середине колбы располагается электрод в форме диска или проволочной петли, называемый анодом . Анод соединен с положительным источником тока. Другая часть колбы прозрачна и пропускает вовнутрь свет. Под действием света (фотонов) из катода вырываются электроны, которые во внешнем электрическом поле устремляются к аноду, создавая в цепи электрический ток.

На основе вакуумных фотоэлементов создаются оптические реле – элементы автоматических устройств, из которых образовываются различные автоматы с электронным зрением. Они широко используются во многих технологических процессах в промышленности.

Внутренним фотоэффектом называется возрастание электропроводности вещества (наблюдается, как правило, у полупроводников и диэлектриков) и уменьшение его сопротивления под действием электромагнитных излучений, например, в результате облучения вещества видимым, инфракрасным или ультрафиолетовым излучением. Внутренний фотоэффект – это вызванные электромагнитным излучением переходы электронов внутри полупроводника или диэлектрика из связанных состояний в свободные, без вылета наружу.

В отличие от внешнего фотоэффекта во внутреннем фотоэффекте электроны, остаются в теле вещества (полупроводника или диэлектрика), но изменяют в нём своё энергетическое состояние и увеличивают концентрацию носителей зарядов в веществе. Так, при поглощении фотона электрон переходит из валентной зоны в зону проводимости. Как следствие образуется пара носителей заряда: электрон в зоне проводимости и дырка в валентной зоне. Концентрация носителей заряда приводит к возникновению фотопроводимости (повышению электропроводности полупроводника или диэлектрика) или возникновению электродвижущей силы.

На основе внутреннего фотоэффекта работают полупроводниковые фотоэлементы, изготавливаемые из полупроводников. Полупроводники характеризуются как свойствами проводников, так и диэлектриков. В полупроводниковых кристаллах атомы имеют устойчивую структуру и прочно связаны ковалентной связью. Так, например, один электрон в кристалле кремния связан двумя атомами. Чтобы электрону освободиться из атома, ему необходимо сообщить необходимый уровень внутренней энергии. Эта энергия появляется в нем при воздействии на полупроводник, например, видимым, инфракрасным или ультрафиолетовым излучением. Если её (энергии) достаточно, то отдельные электроны отрываются от ядра и становятся свободными. Во время разрыва связи между электроном и ядром появляется свободное место в электронной оболочке атома. Место разрыва (свободное место в электронной оболочке атома) именуется дыркой – положительным зарядом, который равен заряду высвободившегося электрона. Если в это время к полупроводнику приложить разность потенциалов (т.е. внешний электрический ток), то в самом полупроводнике появится электрический ток. Представленный электронно-дырочный механизм проводимости проявляется у собственных (то есть без примесей) полупроводников. Он называется собственной электрической проводимостью полупроводников.

Полупроводниковые фотоэлементы также используются для создания оптических реле, применяемых во многих автоматических устройствах в промышленности.

Разновидностью внутреннего фотоэффекта является вентильный (барьерный) фотоэффект. Вентильный (барьерный) фотоэффект или фотоэффект в запирающем слое – это явление, при котором фотоэлектроны покидают пределы тела, переходя через поверхность раздела в другое твёрдое тело (полупроводник) или жидкость (электролит). Вентильный (барьерный) фотоэффект – это возникновение электродвижущей силы под действием света в области pn перехода. Вентильный (барьерный) фотоэффект возникает в неоднородных (по химическому составу или неоднородно легированных примесями) полупроводниках, а также у контакта полупроводник-металл (при отсутствии внешнего электрического поля).

При поглощении полупроводником фотона освобождается дополнительная пара носителей – электрон и дырка, которые движутся в разных направлениях: дырка в сторону полупроводника p-типа, а электрон в сторону полупроводника n-типа. В результате в полупроводнике n-типа образуется избыток электронов, а в полупроводнике p-типа – избыток дырок. Возникает разность потенциалов – фото-ЭДС и электрический ток. По мере увеличения разности потенциалов фототок постепенно возрастает, т.к. все большее число электронов достигает анода.

Вентильные фотоэлементы в отличие от других фотоэлементов не требуют при работе источника тока, т.к. сами являются источником тока. Вентильный фотоэффект открывает пути для прямого преобразования световой энергии в электрическую. На использовании вентильного фотоэффекта – возникновении электродвижущей силы в pn переходе под действием света основан принцип действия солнечных батарей.

Вентильные фотоэлементы являются центральным элементом солнечных батарей . Первую солнечную батарею на основе кремния для получения электрического тока создали Кельвин Соулзер Фуллер, Дэрил Чапин и Геральд Пирсон, все трое – специалисты компании Bell Laboratories. О создании первой солнечной батареи было заявлено 25 марта 1948 года.

Наиболее эффективными, с энергетической точки зрения, устройствами для превращения солнечной энергии в электрическую являются полупроводниковые фотоэлектрические преобразователи (фотоэлементы), имеющие неоднородные полупроводниковые структуры. Неоднородность структуры фотоэлемента может быть получена легированием одного и того же полупроводника различными примесями (создание p-n переходов), или путём соединения различных полупроводников с неодинаковой шириной запрещённой зоны — энергии отрыва электрона из атома (создание гетеропереходов), или же за счёт изменения химического состава полупроводника, приводящего к появлению градиента ширины запрещённой зоны (создание варизонных структур). Возможны также различные комбинации перечисленных способов.

КПД фотоэлементов:

КПД производимых в промышленных масштабах полупроводниковых фотоэлементов в среднем составляет 16-19 %, у лучших образцов – до 25 %. В лабораторных условиях уже достигнуты фотоэлементы с КПД порядка 44-45 %.

Читайте также:  Опыты с магнитами проводником с током

Ниже в таблице приводится КПД некоторых фотоэлектрических элементов , произведенных на основе различных материалов.

Максимальные значения эффективности фотоэлементов и модулей, достигнутые в лабораторных условиях

Тип Коэффициент фотоэлектрического преобразования, %
Кремниевые 24,7
Si (кристаллический)
Si (поликристаллический)
Si (тонкопленочная передача)
Si (тонкопленочный субмодуль) 10,4
Si (аморфный) 9,5
Si (нанокристаллический) 10,1
На основе арсенида галлия и т.п.
GaAs (кристаллический) 25,1
GaAs (тонкопленочный) 24,5
GaAs (поликристаллический) 18,2
InP (кристаллический) 21,9
Тонкие плёнки халькогенидов
CIGS (фотоэлемент) 19,9
CIGS (субмодуль) 16,6
CdTe (фотоэлемент) 16,5
Фотохимические
На базе органических красителей 10,4
На базе органических красителей (субмодуль) 7,9
Органические
Органический полимер 5,15
Многослойные
GaInP/GaAs/Ge 32,0
GaInP/GaAs 30,3
GaAs/CIS (тонкопленочный) 25,8
a-Si/mc-Si (тонкий субмодуль) 11,7

Такие огромные потери полупроводниковых фотоэлементов (невысокий КПД преобразования солнечного света в электрическую энергию) вызваны отражением солнечного излучения от поверхности фотоэлектрического преобразователя; прохождением части солнечного излучения через фотоэлемент без поглощения в нём; рассеянием избыточной энергии фотонов на тепловые колебания кристаллической решётки; рекомбинацией образовавшихся пар носителей зарядов; внутренним сопротивлением самого фотоэлемента и другими физическими процессами.

Наиболее вероятными материалами для фотоэлементов, используемых в солнечных электростанциях и солнечных батареях, считаются кремний , селенид меди-индия-галлия (Cu(In,Ga)Se2) и арсенид галлия (GaAs).

Повышение КПД фотоэлементов возможно за счет:

– использования полупроводников с оптимальной для солнечного излучения шириной запрещённой зоны (например, полупроводников из иных материалов нежели кремний: материалов на основе комплексных галогенидов сурьмы и висмута и пр.);

– направленного улучшения свойств полупроводниковой структуры путём её оптимального легирования и создания встроенных электрических полей;

– перехода от гомогенных к гетерогенным и варизонным полупроводниковым структурам;

– оптимизации конструктивных параметров фотоэлектрического преобразователя (глубины залегания p-n перехода, толщины базового слоя, частоты контактной сетки и др.);

– применения многофункциональных оптических покрытий, обеспечивающих просветление, терморегулирование и защиту фотоэлемента от космической радиации;

– разработки фотоэлементов, прозрачных в длинноволновой области солнечного спектра за краем основной полосы поглощения;

– создания каскадных фотоэлементов из специально подобранных по ширине запрещённой зоны полупроводников, позволяющих преобразовывать в каждом каскаде излучение, прошедшее через предыдущий каскад, и пр.;

– создания фотоэлектрических преобразователей с двухсторонней чувствительностью (добавляют дополнительные 80 % к уже имеющемуся КПД одной стороны);

– применения люминесцентно-переизлучающих структур;

– предварительного разложения солнечного спектра на две или более спектральные области с помощью многослойных плёночных светоделителей (дихроичных зеркал) с последующим преобразованием каждого участка спектра отдельным фотоэлементами;

– использования различных нанослоев и нанопокрытий фотоэлементов и т.д.

Применение фотоэлементов:

Фотоэлементы используются:

– в солнечных батареях и электростанциях,

– в защитных устройствах,

– в системах управления производственными процессами,

– в химических анализаторах,

– в системах контроля за сгоранием топлива, за температурой,

– для контроля качества продукции массового производства,

Источник

Фотоэлемент – определение (понятие)э

Фотоэлемент — электронный прибор, который преобразует энергию фотонов в электрическую энергию. Первый фотоэлемент, основанный на внешнем фотоэффекте, создал Александр Столетов в конце XIX века.

Фотоэлемент — фотоэлектрический электронный прибор с внешним фотоэффектом, предназначенный для преобразования световой энергии в электрическую. В фотоэлементах используется явление фотоэлектронной эмиссии, заключающееся в том, что при попадании света от постороннего источника на катод последний начинает излучать электроны, которые затем попадают на анод с положительным потенциалом. Фотоэлементы работают только в цепях постоянного тока. Для питания фотоэлемента необходим источник тока постоянного напряжения, величина которого указывается в справочнике. На практике в большинстве случаев в цепь фотоэлемента включается нагрузочное сопротивление. В зависимости от протекающего в цепи фотоэлемента тока (зависящего от интенсивности светового потока) на нагрузочном сопротивлении падает напряжение. Это напряжение подается во внешнюю цепь для дальнейшего усиления.
Свойства, параметры и характеристики фотоэлементов зависят от свойств применяемого катода. В современных фотоэлементах применяются в основном два типа катодов — кислородно-цезиевый и сурьмяно-цезиевый.
Фотоэлементы выпускаются двух типов — вакуумные и газонаполненные. В вакуумных фотоэлементах ток образуется только фотоэлектронами, а в газонаполненных фотоэлектронный ток еще и усиливается за счет ионизации газа, производимой фототоком. Газонаполненные фотоэлементы обладают большей чувствительностью, чем вакуумные, но менее стабильны в работе и обладают некоторой инерционностью. Основным параметром фотоэлемента является его чувствительность, определяемая отношением величины фототока к величине светового потока, вызвавшего его. Чувствительность измеряется в мкA/лм. Фотоэлемент реагирует на интенсивность светового потока и его частоту, поэтому чувствительность его разделяется на интегральную (по интенсивности) и спектральную (по частоте). Интегральная чувствительность характеризует способность фотоэлемента реагировать на воздействие всего светового потока, содержащего световые колебания различных частот от ультрафиолетовых до инфракрасных. Спектральная чувствительность фотоэлемента характеризует его способность реагировать на световые колебания одной частоты.

Незначительные сотрясения фотоэлемента приводят к возникновению микрофонного эффекта, поэтому во всех схемах и в особенности при большом усилении фотоэлементы необходимо амортизировать.
В процессе эксплуатации фотоэлементов наблюдается явление утомляемости, выражающееся в том, что в фотоэлементах, обладающих относительно большой чувствительностью при малых и очень больших световых потоках, чувствительность быстро уменьшается во времени, доходя до 25% первоначальной величины. Для устранения утомляемости фотоэлемент необходимо поместить в темноту на некоторое время, в течение которого чувствительность восстанавливается почти до 100%.

Фотоэлемент., действие которого основано на фотоэлектронной эмиссии, представляет собой (рис., а) электровакуумный прибор с 2 электродами – фотокатодом и анодом (коллектором электронов), помещенными в вакуумированную либо газонаполненную стеклянную или кварцевую колбу. Световой поток, падающий на фотокатод, вызывает фотоэлектронную эмиссию с его поверхности; при замыкании цепи Фотоэлемента в ней протекает фототок, пропорциональный световому потоку. В газонаполненных Фотоэлементах в результате ионизации газа и возникновения несамостоятельного лавинного электрического разряда в газах фототок усиливается. Наиболее распространены Ф. с сурьмяно-цезиевым и кислородно-серебряно-цезиевым фотокатодами.

Фотоэлемент, действие которого основано на внутреннем фотоэффекте, – полупроводниковый прибор с гомогенным электронно-дырочным переходом (р–n-переходом)

б), полупроводниковым гетеропереходом или контактом металл-полупроводник (см. Шотки диод). Поглощение оптического излучения в таких Ф. приводит к увеличению числа свободных носителей внутри полупроводника. Под действием электрического поля перехода (контакта) носители заряда пространственно разделяются (например, в Ф.с р–n-переходом электроны накапливаются в n-oбласти, а дырки – в р-области), в результате между слоями возникает фотоэдс; при замыкании внешней цепи Ф. через нагрузку начинает протекать электрический ток. Материалами, из которых выполняют полупроводниковые Ф., служат Se, GaAs, CdS, Ge, Si и др.

Читайте также:  Определите какого направление линий магнитного поля проводника с током рис 19

Фотоэлемент, фототок, виды фото…метров

Фотоэлемент — электронный прибор, который преобразует энергию фотонов в электрическую энергию. Преобразование энергии в ФЭП основано на фотоэлектрическом эффекте, который возникает в неоднородных полупроводниковых структурах при воздействии на них солнечного излучения.

Источник

Фотоэлементы. Виды и устройство. Работа и применение

Сегодня в промышленности работают десятки тысяч автоматов, оснащенных электронным зрением. Электронным глазом у них служат фотоэлементы. В основе работы этих приборов лежит фотоэффект. История открытия этого явления началась 100 лет назад.

Классификация фотоэлементов

Эффекты фотоэлементов можно разделить на несколько видов, которые зависят от свойств и производимых функций:

  • Внешний фотоэффект. Его другое название – фотоэлектронная эмиссия. Электроны, вылетающие за границы вещества при возникновении внешнего фотоэффекта, называются фотоэлектронами. Образующийся фотоэлектронами при этом электрический ток, при упорядоченном движении по внешнему электрическому полю, называется фототоком.
  • Внутренний фотоэффект. Он влияет на фотопроводимость материала. Этот эффект появляется при перераспределении электронов по диэлектрикам и полупроводникам, в зависимости от их агрегатного (жидкого или твердого) и энергетического состояния. Перераспределяющее явление возникает под действием светового потока. Только при таком действии повышается электропроводимость вещества, то есть, возникает эффект фотопроводности.
  • Вентильный фотоэффект. Таким эффектом называется переход фотоэлектронов из собственных тел в другие тела (твердые полупроводники) или электролиты (жидкие).

На основе внешнего фотоэффекта работают вакуумные элементы. Они производятся в виде колб из стекла. Часть их внутренней поверхности покрывается тончайшим слоем напыления металла. Такая малая толщина позволяет получить незначительный рабочий ток. Окошко в колбе имеет прозрачность, и пропускает свет вовнутрь.

Расположенный внутри колбы анод из диска, либо проволочной петли, улавливает фотоэлектроны. При соединении анода с положительным выводом питания, цепь замкнется, и по ней будет протекать электрический ток. То есть, вакуумные элементы могут коммутировать реле.

Путем комбинации реле и фотоэлементов можно образовать разные автоматы с электронным зрением, например, на входе в метро. Внешний фотоэффект заложен во многих технологических процессах в промышленности, и является важным физическим открытием, залогом успешного развития автоматики на производстве.

Устройство и принцип действия

Хорошо очищенная цинковая пластина, медная сетка, чувствительный гальванометр включены в электрическую цепь батареи.

Fotoelement printsip deistviia 1

При освещении пластины ультрафиолетовыми лучами в цепи возникает электрический ток. Значит, свет выбивает электроны из металла. Это явление и называют фотоэффектом.

Fotoelementy printsip deistviia 2

Поставим на пути лучей стекло, задерживающее ультрафиолетовые лучи. Ток в цепи прекращается.

Fotoelement printsip deistviia 3

Вакуумный баллон. Часть его внутренней поверхности покрыта тонким слоем щелочного металла. Это катод. Анодом служит металлическое кольцо.

Подадим напряжение. Тока в цепи нет. Теперь осветим элемент, появляется ток. После снятия напряжения ток уменьшается, но не до нуля. По мере увеличения напряжения, фототок возрастает и достигает насыщения.

Fotoelement printsip deistviia 4

При отсутствии напряжения ток в цепи есть. Для прекращения фототока необходимо подать на анод отрицательный задерживающий потенциал.

Fotoelement printsip deistviia 5

Электрическое поле тормозит фотоэлектроны и возвращает их на катод. По мере приближения источника света величина светового потока увеличивается. Возрастает и фототок насыщения. Величина фототока насыщения прямо пропорциональна световому потоку. Это первый закон фотоэффекта.

Fotoelement printsip deistviia 6

Выясним, какую роль в фотоэффекте играет длина волны света. Установим синий светофильтр. При этом ток есть. С зеленым светофильтром ток уменьшается. С желтым светофильтром тока нет. Для каждого вещества есть определенная пороговая частота, ниже которой фотоэффекта нет. Это длинноволновая граница фотоэффекта.

Если увеличивать световой поток на более низких частотах, фотоэффекта не произойдет. Как объяснить это явление? Ученые изучили распределение энергии в спектре излучения нагретых тел.

Fotoelement printsip deistviia 7

Ученые также пришли к выводу, что свет излучается, распространяется и поглощается порциями – квантами энергии, фотонами. Валентные электроны в металле свободны. При поглощении фотона энергия идет на работу выхода электрона и его кинетическую энергию. Уравнение Эйнштейна раскрывает смысл 2-го закона фотоэффекта.

Кинетическая энергия фотоэлектрона определяется частотой света. При взаимодействии света с металлом мы наблюдали внешний фотоэффект. Схема опыта ученых послужила прототипом приборов на внешнем фотоэффекте.

Светочувствительный слой вещества и кольцевой анод находятся в вакуумной или газонаполненной колбе. По этому принципу устроены фотоэлементы, выпускаемые промышленностью.

Существует большая группа элементов, свойства которых меняются под воздействием света. Это полупроводники. На их основе созданы фоточувствительные приборы с так называемым внутренним фотоэффектом.

Фоторезистор

Возьмем проволочный резистор из полупроводника. Включим его в электрическую цепь. Под действием света происходят очень сильные изменения электрического сопротивления, и ток возрастает. Изменение проводимости не зависит от направления тока в фоторезисторе. Как возникает внутренний фотоэффект?

Рассмотрим элемент германий. Он четырехвалентный. На схеме изображена устойчивая структура полупроводника. Атомы прочно связаны ковалентной связью. Если энергия кванта света достаточна, чтобы разорвать связь электрона с атомом, он становится свободным, и блуждает по кристаллу. На его месте возникает так называемая дырка. Это положительный заряд, равный заряду электрона. Дырка может быть снова занята электроном.

Fotoelementy printsip deistviia 8

Приложим разность потенциалов. Возникнет направленное движение электронов и дырок – электрический ток. Так устроен фоторезистор.

Fotoelementy printsip deistviia 9

При воздействии света появляются носители, резко увеличивается проводимость, и возрастает ток в цепи.

Проводимость очень чистых полупроводников мала. Ее можно увеличить, если добавить примесь другого элемента. Добавим, например, атомы мышьяка. Они имеют большую валентность. При этом часть электронов оказывается свободной. Благодаря ним и увеличивается проводимость. Эта примесь дает материал n-типа. У индия валентность меньше. Он захватывает электроны кремния, увеличивая число дырок. Проводимость становится дырочной. Эта примесь дает материал р-типа.

Соединим два полупроводника n-типа и р-типа. На границе произойдет перераспределение зарядов. Дырки входят в р-область, а электроны в n-область до тех пор, пока на границе не возникнет электрическое поле, которое препятствует дальнейшему перераспределению. Так возникает двойной слой заряда, который называют р-n переходом.

Fotoelementy printsip deistviia 10

Благодаря фотоэффекту при воздействии света появляются электроны и дырки. Возникает разность потенциалов.

Fotoelementy printsip deistviia 11

Если цепь замкнуть, появится электрический ток. Этот эффект можно использовать для прямого преобразования световой энергии в электрическую. По этому принципу работают преобразователи световой энергии в электрическую, в экспонометрах, люксметрах, солнечных батареях.

Читайте также:  Как снять нагрузочную характеристику генератора постоянного тока
Фотодиод

Простой фотодиод – это обычный полупроводниковый диод с переходом р-n, на который может воздействовать световой поток. В итоге материал меняет свои свойства, и дает возможность исполнять разные функции в цепи электрического тока. При отсутствии света диод имеет обычные свойства.

Fotoelementy printsip deistviia 12

Комбинируя структуры, можно получить фототранзистор. Световой луч управляет его работой.

Источник



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:

q – заряд носителя

n – концентрация носителя

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:

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 IФ(при постоянном световом потоке) от приложенного напряжения U.Для большинствафотосопротивлений в рабочем режиме эта зависимость линейна. При этом под фототоком понимают разность между световым IСи темновым IТтоком: IФ = IС— IТ.

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 :

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

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:

— изменение тока через фотосопротивление при изменении светового потока на величину ∆Ф. Если задать ∆Ф = 1 лм, то интегральная чувствительность γ будет численно равна ∆IС ,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:

– фото-ЭДС при заданной освещенности,

RФ – 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.

I – сила тока в цепи при сопротивлении нагрузки RН;

RН – сопротивление нагрузки (магазин сопротивлений);

RA – 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:

где: IS – 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 IФ.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 :

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

Источник