§ 22. ОПТОЭЛЕКТРОННЫЕ ЭЛЕМЕНТЫ

Фоторезисторы (рис. 103, а) — это полупроводниковые приборы, действие которых основывается на внутреннем фотоэффекте (генерации пары «электрон—дырка» в освещенном полупроводниковом материале).

Сила тока фоторезистора прямо пропорциональна освещенности и приложенному напряжению. Вольт-амперная характеристика (рис. 103, б) фоторезистора линейная. При отсутствии освещенности через прибор проходит небольшой темновой ток I_т, создаваемый свободными носителями заряда; при наличии светового потока Ф≠0 возникает световой ток I_св. Разница между этими двумя токами называется фототоком I_ф = I_св—I_т.

Фоторезисторы характеризуются темновым сопротивлением (от 10 кОм до 1 МОм), темповым током, максимально допустимой рассеиваемой мощностью и др. Их включают в цепь так, как показано на рис. 103, в. С резистора R нагрузки снимают выходное напряжение U_вых. Оно имеет небольшое значение, поэтому необходимо применять электронный усилитель.

Фотодиоды (рис. 104, а) имеют структуру обычного р-n-перехода.

Рис. 103. Условные обозначения (а), вольт-амперная характеристика (б) и схема включения (в) фоторезистора

Освещают обычно только одну область (р или n). Напряжение от внешнего источника обратно переходу (рис. 104, б), темновой ток незначителен. При освещении фотодиода генерируются дырки n-области, они переходят в область р. Через фотодиод проходит сильный ток.

На рис. 104, в показано включение р-n-перехода без внешнего источника. При облучении светом в нем генерируются дополнительные носители заряда, которые переходят в область с другим типом электропроводности и частично компенсируют заряды в запирающем слое; через R_т проходит ток. Таким образом, р-n-переход стал источником эдс (фотоэлектродвижущей силы). Такой р-n-переход называется фотоэлементом. При подключении ряда фотоэлементов друг к другу получают фотобатареи (солнечные батареи).

Рис. 104. Условное обозначение (а) фотодиода и схемы его включения в цепь совместно с внешним источником Е (б) и без него (в)

Рис. 105. Условное обозначение фототранзистора (а) и схема его включения (б)

Фотодиоды обладают большими значениями обратного напряжения (порядка десятков вольт), I_т достигает значений от нескольких до десятков микроампер. Их интегральная чувствительность колеблется от 2 до 20 мА/лм.

Фототранзистор (рис. 105, а) — прибор с двумя р-n-переходами и выводами от эмиттера и коллектора.

На базу прибора падает поток света. Из-за того, что коллекторный переход (рис. 105, б) смещен в обратном направлении, через неосвещенный прибор проходит слабый темновой ток I_т. При облучении светом базы в ней вследствие внутреннего фотоэффекта образуются электроны и дырки. Дырки переходят в коллектор. Оставшиеся в базе электроны снижают потенциальный барьер эмиттерного перехода, в результате чего увеличивается диффузионное движение дырок через эмиттерный переход. При этом возрастает обратный ток.

Для температурной стабилизации предусматривают вывод от базы. Фототранзистор чувствительнее фотодиода, так как обладает свойствами усилителя. Его интегральная чувствительность колеблется от 100 до 500 мА/лм.

Светодиоды — приборы, излучающие свет при интенсивной реком бинации электронов и дырок в узком слое перед р-n-переходом (рис. 106).

В зависимости от используемого полупроводникового материала излучение бывает в разных диапазонах инфракрасного и видимого света.

Оптроны — это сочетание в общем корпусе светоизлучающего и фотоприемного приборов. Связь между ними осуществляется только светом.

Рис. 106. Схемы (а, в) и условное обозначение (б) светодиода

В зависимости от вида используемого прибора оптроны бывают разными: диодными (рис. 107, а), резисторными (рис. 107, б), транзисторными (рис. 107, в), тиристорными (рис. 107, г).

Рис. 107. Условные обозначения диодного (а), резисторного (б), транзисторного (в) и тиристорного (г) оптронов

Применение оптоэлектронных приборов. Фотоэлементы являются «глазами» многих автоматических устройств. Наиболее часто используют их в схемах включения и отключения уличного освещения. Они управляют интенсивностью освещения: при достаточном солнечном освещении от фотоэлемента проходит ток, который после усиления отключает питание осветительных ламп. Такие схемы должны работать с большим запаздыванием, чтобы не было срабатывания под действием кратковременных изменений освещенности (молния, тень и др.).

►   Световой поток часто используют как промежуточную величину управления неэлектрическими величинами.

Интенсивность света может быть показателем температуры излучателя теплоты (дымовых газов, масла, угольной пыли и др.). Так, потухание горящего факела в топке паровых котлов может привести к взрыву, поэтому непрерывно следят за интенсивностью факела и при его затухании автоматически отключают подачу топлива.

Фотоприборы применяют для наблюдения в опасных для человека местах. При попадании тени на них они отключают механизм. При появлении тени фотоприборы, охраняя объекты, включают аварийную сигнализацию. Вход в метро, например, охраняется такими «сторожами». Если монета не опущена в автомат входа, тень проходящего человека включает устройство, закрывающее вход. Это может сопровождаться звуковым сигналом, записанным по краю (звуковой дорожке) киноленты. Запись воспринимается фотоприбором. Сигнал усиливается и подается на громкоговоритель.

Для получения качественных фотоснимков используют экспонометры, основной частью которых является фотодиод. Солнечные батареи питают электронные калькуляторы, радиоприемники, измерительные приборы и др.