В любом режиме нагрузочный ток во внешней цепи фотогенератора равен разности прямого тока фотогенератора (возбуждаемого световым потоком) и встречного Тока через p-n-переход. Чем меньше нагрузочное сопротивление RH, тем меньше встречный ток, больше нагрузочный (световые характеристики рис. 4.10, в). В пределе, когда нагрузочное сопротивление уменьшается до нуля (фотогенератор коротко замкнут), внешний ток фотогенератора равен прямому току, генерируемому квантами света. Встречный внутренний ток снижается при этом до нуля. Световая характеристика при коротком замыкании RH = 0 представляет собой прямую линию. При конечных значениях RH световые характеристики имеют участок насыщения.

Малое внутреннее сопротивление фотогенераторов обеспечивает их продуктивное использование лишь в цепях с малым нагрузочным сопротивлением (измерительные приборы, малые входные сопротивления у специально выбранных усилителей).

Фотопреобразовательные диоды (называемые часто фотодиодами) обеспечивают благодаря значительному внутреннему сопротивлению их применение в цепях с большими нагрузочными сопротивлениями, в частности, с усилителями, имеющими большое входное сопротивление.

Современные типы полупроводниковых фотопреобразователей и фотогенераторов изготовляются преимущественно из германия и кремния. Применяются также фотогенераторы, изготовляемые из селена, что стимулируется, как указывалось, близостью их спектральной характеристики к кривой чувствительности человеческого глаза.

Конструктивное выполнение кремниевого фотодиода (тип ФДК-1), применяемого в качестве индикатора ближнего инфракрасного излучения, иллюстрирует рис. 4.11, а. Кремниевая пластинка /, содержащая слои с р- и n-проводимостями, припаяна с помощью оловянного кольца 2 к никелевому кристаллодержа-телю .?. Активная облучаемая площадь фотодиода равна 2 мм2. Поток лучистой энергии проникает к этой площадке через стеклянную линзу 4, сваренную в целях герметичности с коваровым корпусом 5. Снизу к корпусу приварено кольцо 6, плотно охватывающее стеклянную шайбу, через которую проходят вводы 7 и 8 к прибору. Для герметичности и прочности вводы залиты снизу эпоксидной смолой.

Фотодиод ФДК-1 может работать и в качестве фотопреобразователя и в качестве фотогенератора. При работе в качестве фотопреобразователя к нему подводится напряжение порядка 20 в. Селективный максимум его спектральной характеристики лежит в границах 0,8-0,85 мкм (рис. 4.11, б).

Длинноволновая граница его чувствительности К = 1,2 мкм. Интегральная чувствительность К = 4 ма/лм. У германиевых фото-Диодов она еще выше, достигая значения 20-25 ма/лм. Это почти

на три порядка выше чувствительности вакуумных фотоэлементов.

Темновой ток кремниевых фотодиодов не превышает 1 мка, а германиевых - 10 мка.

Кремниевые фотодиоды могут работать при изменении температуры окружающей среды в пределах от -60 до +80° С. Температурный диапазон германиевых фотодиодов более ограничен (от -50 до +40° С). Кремниевые фотогенераторы применяются, в частности, для преобразования солнечной энергии в электрическую.

Рис. 4.11. Структурная схема фотопреобразователя (я) и его спектральная характеристика (б)

При этом их к. п. д. достигает 8-10%. Селеновые фотодиоды, как указывалось, работают только в фотогенераторном режиме.

К новейшим типам фотогенераторов относят серно-таллиевые и сернисто-серебряные. Они имеют высокую светочувствительность и высокий коэффициент преобразования.

Выходные токи и чувствительность полупроводниковых фотопреобразователей могут быть значительно повышены, если вместо фотодиода применить фототриод. Его структурная схема и включение в цепь показаны на рис. 4.12, а. Здесь три слоя при с двумя промежуточными р-я-переходами: эмиттерным и коллекторным. Один из наружных слоев выполняется малых размеров с тем, чтобы открыть доступ световому потоку к промежуточному слою - базе. Последняя выполняется достаточно тонкой в целях приближения слоя, поглощающего световые кванты, к р-п-переходу.

Внутреннее усиление фототока в фототриоде достигается благодаря тому, что созданный с помощью световых квантов ток в одном

из переходов является управляющим. Другой переход является усиливающим, как и в полупроводниковых триодах, применяемых в усилительных устройствах (см. § 2.3).

Конструктивное выполнение германиевого триода (типа ФТ-1) иллюстрирует рис. 4.12, б. У трехслойного кристалла только два вывода: эмиттерный и коллекторный. База не имеет наружного вывода. В других исполнениях триодов база имеет также само- б) стоятельный вывод. *~

Интегральная чувствительность фототриода типа ФТ-1 при й) С8ет

А

1><

Рис. 4.12. Схема действия (а) и устройства (б) фототриода

освещаемой поверхности в 2 мм2 превышает 500 ма/лм. Одновременно со световым током в фототриоде возрастает и темновой ток. У рассматриваемого типа фототриода его значение достигает десятых долей миллиампера.

Фототриоды могут работать только в фотопреобразовательном режиме, когда к ним приложено внешнее напряжение. Значение этого напряжения выбирается достаточно малым - порядка 3-5 в.

§ 4,6. ПРИМЕНЕНИЕ ФОТОЭЛЕМЕНТОВ

Фотоэлементы широко применяются в устройствах промышленной электроники для контроля состояния освещения, положения нагретых тел в пространстве, прозрачности сред, размеров тел, качества обработки их поверхностей и т. д.

В одних случаях устройство контролирует только граничные значения величин (фоторелейное действие), а в других оно используется как непрерывный измеритель светового состояния объекта (фотоизмерительные устройства). В тех режимах, когда фототоки недостаточны для непосредственного приведения в действие измерительного или исполнительного органов, в устройство вводятся усилители.

Рассмотрим несколько простейших видов фотореле и фотоизмерительных устройств. Фоторелейные схемы, в которых используются фотоэлементы с внешним фотоэффектом, приведены на