Материал: 2072

Главное достоинство ФД – высокое быстродействие. Они могут работать при частотах изменения светового потока до сотен мегагерц. ФотоЭДС EФ имеет величину около нескольких долей вольта, а величина тока

– сотни микроампер на люмен.

Кремниевые фотодиоды, фотоЭДС которых достигает 0,5 В, используют в качестве преобразователей солнечной энергии в электрическую. Применяя последовательно-параллельное соединение ФД, создают солнечные батареи, КПД которых 20 %, а мощность в настоящее время достигает нескольких киловатт. Солнечные батареи – основные источники энергии на спутниках Земли, космических кораблях, автоматических метеостанциях. Область их применения непрерывно расширяется.

На рис. 8.8, в показано семейство ВАХ ФД и изображена нагрузочная линия ФД при работе в фотогальваническом режиме. Для передачи максимальной мощности в нагрузку необходимо выполнять условие Rн Ri ФД ,

где Ri ФД EФ Iкз – внутреннее сопротивление ФД в фотогальваническом

режиме.

Вольт-амперная характеристика фотодиода приближенно может быть определена следующим выражением:

где I – ток во внешней цепи; IS – ток насыщения через неосвещенный р–п-переход; e – заряд электрона; U – внешняя разность потенциалов на р–п-переходе; k – постоянная Больцмана; T – абсолютная температура; IL – ток, созданный возбужденными светом носителями.

На рис. 8.8 показано семейство кривых, отражающих зависимость тока от напряжения. При отсутствии освещения IL 0 вольт-амперная характеристика аналогично обычному диоду проходит через начало координат. Кривые, показанные на рисунке, соответствуют определенным значениям освещенности, а следовательно, IL. Точки пересечения каждой вольтамперной характеристики с осью токов соответствуют режиму короткого замыкания rн 0 , а точки пересечения с осью напряжений – режиму холостого хода rн . Приняв I 0, можно найти напряжение холостого хода:

106

Мощность Р, выделяющаяся на нагрузке вентильного фотоэлемента, определяется произведением IнUн . Наибольшая мощность определяется на нагрузке при некотором ее оптимальном значении, которое соответствует наибольшему КПД, достигающем 10 %. Около 30 % энергии падающего светового потока теряется бесполезно в результате отражения падающего излучения от поверхности преобразователя и поглощается в полупроводнике, не вызывая образования пар «электрон – дырка». Остальная часть энергии светового потока превращается в потенциальную энергию носителей тока. При движении электронов и дырок внутри преобразователя происходят потери энергии за счет рекомбинации созданных пар, а также за счет утечки фотоэлектронов и фотодырок через поверхностное сопротивление. В результате всех потерь только небольшая часть энергии излучения идет на создание ЭДС, которая вызывает ток при подключении к преобразователю внешней нагрузки.

Фототранзисторы

Фототранзистор (ФТ) – это фотоэлектрический прибор, имеющий структуру транзистора, ток которого зависит от светового потока. ФТ устроен подобно биполярному транзистору и содержит области эмиттера, базы, коллектора, причем вывод от базы может отсутствовать. Конструкция, условное графическое и позиционное обозначение, схемы включения ФТ показаны на рис. 8.9, ФТ может иметь как п–р–п-, так и р–п–р-структуру. Кристалл ПП помещают в корпус, имеющий прозрачное окно для облучения светом.

Рис. 8.9. Фототранзистор: а – структура ФТ; б – условное графическое обозначение ФТ типа р–п–р; в – схема включения ФТ с общим эмиттером и свободной базой; г – схема включения ФТ с общим эмиттером и источником смещения в базовой цепи

Рассмотрим принцип действия ФТ р–п–р-типа в схеме со свободной базой. В части «база – коллектор» ФТ можно рассматривать как фотодиод,

107