Что такое фотоэлектрический элемент?

Что такое фотоэлектрический элемент?

Фотоэлектрический элемент — это общий термин для электронных элементов, отвечающих за преобразование световой энергии в электрическую.

В широком смысле, существуют светоизлучающие элементы, которые преобразуют электрические сигналы в оптические сигналы, и светоприемные элементы, которые преобразуют оптические сигналы в электрические сигналы. Светоизлучающие элементы излучают свет при подаче электрического тока, и светодиоды являются типичным примером.

Светоизлучающие диоды являются типичным примером. Лампочки и люминесцентные лампы также излучают свет при подаче электрического тока, но светоизлучающие элементы ограничиваются теми, которые используют полупроводники, и не включают их. Фотодетекторы принимают свет и генерируют электрический ток, примером чего являются солнечные элементы.

Использование фотоэлектрических элементов

Фотоэлектрические элементы используются во многих устройствах в областях, где используется свет. В случае светоизлучающих элементов светодиоды могут использоваться в светоизлучающих частях осветительного оборудования, фотопрерывателях и других датчиках в качестве источников света для обнаружения объектов, полупроводниковые лазеры в качестве источников сигнального света в области оптической связи, и можно привести множество других примеров их использования.

Помимо упомянутых выше солнечных элементов, примерами фотодетекторов являются измерители освещенности, экспонометры для камер, датчики для компакт-дисков и DVD-дисков, датчики изображений для фотооборудования и датчики, которые обнаруживают отраженный от объектов свет в фотопрерывателях.

Принцип работы фотоэлектрических элементов

Принцип работы излучателя света и приемника света сильно различается.

1. Светящийся элемент

Базовая структура светодиода как типичного светоизлучающего устройства представляет собой PN-переход, состоящий из полупроводника P-типа (с большинством дырок в качестве носителей) и полупроводника N-типа (с большинством электронов в качестве носителей).

Когда прямое напряжение подается на светодиод, электроны и дырки движутся через чип светодиода, вызывая электрический ток. Когда электроны и дырки сталкиваются во время переноса, они рекомбинируют, но в этом состоянии энергия электронов и дырок меньше, чем их изначально объединенная энергия.

Эта уменьшенная энергия преобразуется в свет и излучается за пределы полупроводника. Это принцип люминесценции.

2. Светоприемный элемент

Фотодетекторы основаны на фотоэлектрическом эффекте. Фотоэлектрический эффект относится к тому, что происходит в PN-переходе полупроводника. Даже если оба конца фотодиода закорочены, в PN-переходе образуется электрическое поле, и внутри него создается градиент потенциала.

Когда свет излучается в этом электрическом поле, его энергия генерирует электроны и дырки, но градиент потенциала заставляет электроны двигаться немедленно. Чем сильнее свет (чем больше число фотонов), тем больше ток.

Приложение обратного напряжения смещения к PN-переходу расширяет электрическое поле, что приводит к генерации электронов и дырок в более широкой области. Кроме того, поскольку наклон потенциала становится сильнее, носители движутся быстрее и можно ожидать более быстрого отклика.

Типы фотоэлектрических элементов

К полупроводниковым элементам, классифицируемым как фотоэлектрические элементы, относятся следующие:

1. Светящийся элемент

Светоизлучающий диод
Многие светодиоды с различными длинами волн излучения от ближнего инфракрасного до видимого диапазона были коммерциализированы, и спрос на синие светодиоды, в частности, растет очень быстро, поскольку они используются в осветительных приборах. С другой стороны, светодиоды, излучающие ближний инфракрасный свет, используются в качестве устройств для оптической связи.

Полупроводниковый лазер
Он может излучать свет, который сильнее и когерентнее обычных светодиодов. Знакомые приложения включают лазерные указки, которые используют его линейность, и источники света для проекторов, которые используют его высокий световой поток и одну длину волны.

OLED (электролюминесценция)
Он используется для тонких и легких дисплеев, таких как телевизоры и видоискатели для фотографического оборудования.

2. Элемент приема света

Фотодиод
Существуют различные приложения, такие как датчики для измерителей освещенности и других измерительных приборов, которые измеряют интенсивность света, а также датчики для обнаружения объектов с помощью света.

Фототранзистор
Это датчик с более высокой чувствительностью, чем фотодиод, поскольку он принимает свет в базовой области транзистора, и генерируемый там ток может быть усилен и извлечен. Он в основном используется в светоприемной части фотопрерывателей.

Датчики изображения
Датчик, используемый для создания данных изображения путем проецирования изображения на многочисленные фотодиоды, расположенные в плоской схеме. Они используются в секции формирования изображения камер, которые снимают неподвижные и движущиеся изображения.

Хотя они очень большие и дорогие как полупроводниковые приборы, они получили широкое распространение, заменив трубки формирования изображения и фотопленки, которые использовались когда-то.