Фотоны в упряжке

Приборов и устройств, чутко реагирующих на свет, создано уже великое множество. Но при всем их разнообразии в основе работы любого из них лежит одно и то же явление — открытый в 1887 году немецким физиком Генрихом Герцем фотоэффект, т. е. перераспределение электронов по энергетическим состояниям вследствие поглощения веществом квантов электромагнитного излучения (фотонов).

Первые фундаментальные исследования фотоэффекта были выполнены профессором Московского университета А. Г. Столетовым. Наблюдая за возникновением фототока в цепи, содержащей металлические электроды и источник напряжения, этот талантливый ученый в 1888 году установил, что существенную роль здесь играет освещение именно отрицательного электрода (цинковой пластины). И что сила тока пропорциональна — закон Столетова — интенсивности света (по терминологии тех лет — энергии активных лучей).

На этом, естественно, Столетов не остановился. Экспериментируя с изобретенным им же особым прибором — фотоэлементом, ученый обнаружил зависимость фототока от интенсивности падающего света, а также явление «утомления» фотокатода при продолжительном облучении.

Современный фотоэлемент, действие которого основано на так называемом внешнем фотоэффекте — вырывании (эмиссии) в окружающее пространство электронов под действием электромагнитного излучения (фотонов),— представляет собой электровакуумный прибор (см. рис.) с двумя электродами. Фотокатодом служит фоточувствительный слой (например, цезия), который наносится либо непосредственно на участок стекло-оболочки, либо на предварительно осажденную на стекло металлическую (серебро) подложку, либо на поверхность металлической пластинки, вмонтированной внутри баллона. Анод же имеет вид металлического кольца или сетки.

Падая на фотокатод, световой поток вызывает фотоэлектронную эмиссию. При этом, естественно, соблюдается закон сохранения энергии. Для электрона, получившего дополнительную энергию в результате поглощения фотона (фотоэлектрона), он может быть записан в виде:

Еf — Еi = hv, где

Еi и Еf — энергия электрона до и после возбуждения, h — постоянная Планка, v — частота электромагнитных колебаний. Причем для возникновения эмиссии фотоэлектрона в вакуум или другую среду необходимо, чтобы Еf превышала энергию ионизации атома (молекулы) в газах или работу выхода электронов для конденсированных сред.

При замыкании цепи ВАКУУМНОГО ФОТОЭЛЕМЕНТА в ней потечет фототок, пропорциональный световому потоку. Ведь между числом фотонов Nhv, падающих на поверхность фотокатода, и количеством испускаемых (эмитируемых) и устремляющихся — под действием приложенного к электродам ускоряющего электрического поля — к аноду фотоэлектронов ne существует давно уже установленная закономерность: nе=YNhv, где Y — коэффициент пропорциональности, называемый квантовым выходом и зависящий от физических свойств материала фотокатода, состояния его поверхности и энергии фотонов.

В ГАЗОНАПОЛНЕННЫХ ФОТОЭЛЕМЕНТАХ в результате ионизации газа и возникновения несамостоятельного лавинного электрического разряда фототок усиливается. Например, в ЦГ-3, баллон которого заполнен гелием. А ведь именно такой прибор работает в старых кинопроекторах. В них, как известно, луч света, пересекаемый темными и светлыми местами звуковой дорожки двигающейся кинопленки, попадает на фотоэлемент. В цепи последнего возникают электрические колебания, которые, будучи усиленными, подаются на динамические громкоговорители, где и превращаются в столь желанное «звуковое сопровождение».

Основные параметры наиболее часто встречающихся в радиолюбительских конструкциях фотоэлектронных приборов, действие которых основано на фотоэлектронной эмиссии (внешнем фотоэффекте), будут приведены в таблице (см. «М-К» 8’93).

Другую группу чутко реагирующих на свет приборов составляют элементы с внутренним фотоэффектом. Это прежде всего фоторезисторы, фотодиоды и фототранзисторы. Суть их отражена в самих названиях.

ФОТОРЕЗИСТОР — такой электронный прибор, сопротивление которого изменяется под действием электромагнитного излучения оптического (или близкого к нему) диапазона. Светочувствительный элемент здесь представляет собой тонкий слой полупроводника (или полупроводниковой пленки) на подложке (или без нее) с нанесенными на него электродами, посредством которых фоторезистор подключается к электрической цепи.

Работу такого прибора помогает понять и объяснить зонная теория, согласно которой в полупроводнике резко выделяются две энергетические зоны: валентная, заполненная при температуре абсолютного нуля электронами целиком, и зона проводимости. Но последняя при абсолютном нуле совершенно пуста. И электропроводность полупроводника в таком «замороженном» состоянии практически равна нулю. Хотя уже при комнатной температуре положение здесь резко меняется.

За счет поступления тепла часть электронов валентной зоны возбуждается и, перескочив в зону проводимости, может перемещаться в веществе, а при наложении внешнего электрического поля — участвовать в электропроводности. Это уже — электроны проводимости.

Но такое превращение сопровождается появлением свободных состояний (дырок) в ранее целиком заполненной валентной зоне. Тогда и остальные валентные электроны получают возможность переходить на освободившийся уровень энергии. Во внешнем электрическом поле такие дырки движутся в направлении, противоположном перемещению электронов проводимости. Да и во многих других отношениях ведут себя как положительно заряженная частица с зарядом, равным заряду электрона.

Возникновение в результате энергетического воздействия (в данном случае за счет повышения температуры) пары — электрон проводимости и дырка — называется генерацией носителей заряда в полупроводнике. Возможен и обратный процесс — возвращение электрона из зоны проводимости в валентную зону,— приводящий к исчезновению свободного электрона и дырки. Это явление называется рекомбинацией носителей заряда.

Так вот: при облучении полупроводника светом может происходить интенсивная генерация носителей заряда. За счет поглощения энергии фотонов. А это уже напрямую связано с электропроводностью.

Что получается в итоге? Да отличнейший фоточувствительный прибор: компактен, удобен и надежен в работе. К тому же и технологичен, сравнительно дешев при массовом его производстве.

Росту популярности фоторезисторов в немалой степени способствовали радиолюбители, удачно встраивая эти поистине неприхотливые полупроводниковые приборы в свои оригинальные разработки. Принципиальная электрическая схема одной из таких конструкций приведена на рисунке. Это фотореле, смастерить которое сможет практически любой, даже новичок. Детали здесь что ни на есть ходовые. Да и подбор их некритичен. Например, емкость у конденсатора может быть любой: от двух до четырех микрофарад. Реле — электромагнитное, с сопротивлением обмотки 2—4 кОм и током срабатывания до 2—7 мА. Вместо ФСК-1 можно использовать аналог (фоторезистор другого типа), лишь бы его темновое сопротивление было порядка 100— 1000 кОм (см. «М-К» 8’93). Естественно, поддается замене и Д7Ж, работающий в схеме как однополупериодный выпрямитель. Возиться с наладкой конструкции в любом случае особо не придется. Включаете в сеть и — пожалуйста!

ФОТОДИОДЫ по сути своей являются разновидностью давно и хорошо зарекомендовавших себя на практике полупроводниковых диодов с p-n переходом — микронной границей между электронной областью, где с помощью специальных донорных примесей создается высокая концентрация электронов, и дырочной, в которой введением акцепторов достигается избыток дырок. Но природа не терпит неравновесных состояний. Вследствие диффузии, стремящейся равномерно разместить заряды по всему объему, электроны тотчас начнут через p-n переход просачиваться в дырочную область, тогда как дырки — в электронную. Однако полного «перемешивания» не происходит: ведь дела идут здесь не с растворами, а с зарядами. Проникшие на «чужую» территорию заряды образуют друг с другом нечто похожее на заряженный конденсатор с сильным встречным полем, прекращающим диффузию. Так как с уходом части носителей концентрация их в этом слое понижается и сопротивление его резко возрастает по сравнению с остальным объемом, то такой слой называется запорным. На p-n переходе образуется потенциальный барьер. Причем высота его, как известно, растет с увеличением концентрации примесей и со снижением температуры полупроводника.

А что же будет происходить при облучении p-n перехода и участка вблизи него? В частности, светом. Конечно же, начнется поглощение энергии фотонов.

В вентильном или вольтаическом режиме, когда во внешней цепи отсутствует источник электропитания, свет, проникая в слой р, выбивает из него электроны. Освобожденные электроны устремляются в слой п, где, естественно, нейтрализуют дырки. А это значит, что создаваемое парами дополнительных носителей зарядов (электронов и дырок) электрическое поле в p-n переходе усилится, а между выводами такого полупроводникового прибора появится фотоЭДС. И что при подключении нагрузки через последнюю потечет ток, полученный благодаря непосредственному преобразованию световой энергии в электрическую.

Хотите получить большие напряжения и токи? Ничего нет проще: берите несколько таких вот фотоэнергетических источников и соединяйте в батареи, как это делают обычно с гальваническими элементами. И по тем же правилам: при последовательном соединении (с соответствующим соблюдением полярности!) напряжения складываются, а при параллельном — складываются токи входящих в батарею элементов. Запараллелили, скажем, 20 фотодиодов КФДМ — и солнечная батарея для питания какой-нибудь конструкции с током потребления 0,5 мА готова.

Фотодиоды зарекомендовали себя как отличные преобразователи энергии светового потока в электрическую. Но их область применения одним лишь получением фотоЭДС не ограничивается. Компактные и надежные, эти полупроводниковые приборы успешно работают и в другом характерном режима, где ведут себя подобно фоторезисторам.

Представим, что произойдет, если подать на p-n переход небольшое постоянное напряжение от внешнего источника электропитания (причем «обратной» полярности, когда плюс подключен к п области, а минус — к р области)? Конечно же, это вызовет «отсасывание» основных носителей из приконтактных слоев. Произойдет расширение участка, обедненного свободными носителями заряда, что равносильно увеличению сопротивления p-n перехода (запертое состояние).

При таком включении внешнее электрическое поле складывается с внутренним полем двойного электрического слоя, что еще более затрудняет проникновение зарядов через переход. Однако все эти утверждения относятся к основным носителям (примесная проводимость), а в каждой области полупроводника за счет разрыва связей образуются ведь также пары электрон — дырка (собственная проводимость). Для одного типа этих зарядов (неосновных) приконтактное поле в каждой области будет не запорным, а, наоборот, ускоряющим. Например, для электронов в р полупроводнике. Такое движение неосновных носителей через p-n переход называется обратным (для фотодиодов — темновым) током.

Но вернемся к фотодиоду. Подав на полупроводниковый переход обратное смещение, мы тем самым переводим прибор в фотодиодный режим. Возникающие под воздействием излучения избыточные носители заряда приводят к снижению сопротивления запирающего слоя. Проходящий через него ток возрастает на величину фототока, который в широких пределах линейно зависит от интенсивности падающего излучения и практически не зависит от величины обратного напряжения. При очень же больших обратных смещениях в результате ударной ионизации в фотодиоде происходит лавинное умножение носителей заряда. Но такой полупроводниковый (лавинный) прибор является уже не чем иным, как фотодетектором с внутренним усилением тока.

Ну а если подать на кристалл поле в прямом направлении (с минусом на электронной и плюсом на дырочной зоне)? Тогда, естественно, потенциальный барьер уменьшится. Более того, он может быть вообще снят. Тогда уже ничто не помешает зарядам двигаться под действием электрического поля, рекомбинируя вблизи p-n перехода. При этом они, переходя с высокого уровня на низкий, будут выделять избыточную энергию в виде кванта света. Приборы, работающие на таком принципе, называются светодиодами. Изображаются на схемах так же, как и фотодиоды, но не с падающим, а с исходящим от них световым потоком.

Фототранзисторы — полупроводниковые приемники оптического излучения с двумя p-n переходами, причем управление коллекторным током здесь осуществляется на основе внутреннего фотоэффекта. От хорошо знакомого всем, обычного биполярного транзистора они отличаются лишь, по сути, наличием входного прозрачного окна в защищающем кристалл от нежелательных воздействий корпусе (см. рис.). Для подключения этих полупроводниковых приборов к внешней цепи используют различные схемы: с так называемой свободной («плавающей») базой, со свободным коллектором, со свободным эмиттером. Причем подачу на базу напряжения смещения рабочей точки применяют либо для получения линейной характеристики, либо для компенсации внешних оптических или температурных воздействий.

Самое предпочтительное включение фототранзистора — с «плавающей» базой. Оно и понятно: ведь в таком случае достигается максимальная чувствительность.

При попадании излучения на базу (или коллектор) там образуются парные носители зарядов (электроны и дырки), которые разделяются электрическим полем коллекторного перехода. В результате в базовой области накапливаются основные носители заряда. А это приводит к снижению потенциального барьера эмиттерного перехода и увеличению тока через фототранзистор по сравнению с током, обусловленным переносом только тех носителей, которые образовались непосредственно под действием света.

Фототок в этом случае играет роль тока через область базы транзистора. А хорошо знакомое даже для начинающих радиолюбителей выражение

α0/(1-α0)

в данном случае называется коэффициентом усиления фототока Куда, при том, что α0 здесь — коэффициент усиления прибора в отсутствие излучения.

Надежность, чувствительность и временная стабильность параметров фототранзисторов, а также малые габариты в сочетании с относительной простотой конструкции позволяют широко использовать эти полупроводниковые приемники оптического излучения в различных устройствах автоматики, контроля и управления технологическими процессами, системах дистанционного управления радиоаппаратурой, оптической связи и т. д.— в качестве датчиков освещенности и элементов гальванической развязки. А благодаря исключительно высокой эффективности преобразования фотосигнала— подключать непосредственно к выходу столь безотказных приборов исполнительные устройства. Например, реле. Причем в качестве последних нередко применяют поляризованные двухобмоточные. Ведь в таком случае проще простого достигается компенсация темнового тока фототранзистора.

Принципиальная электрическая схема работы фототранзистора в паре с РП7 может быть рекомендована для массового «тиражирования» даже начинающим радиолюбителям (см. иллюстрации). Как говорится, при минимуме деталей — максимум эффективности. Ток срабатывания подмагничивающей обмотки устанавливают здесь равным току фототранзистора с помощью подстроечного резистора, и схема тотчас начинает исправно работать.

Среди приборов, действие которых основано на фотоэффекте, в особый класс выделяются передающие электронно-лучевые трубки. Простейшей из таких телевизионных трубок является предложенный нашим соотечественником С. И. Катаевым в 1931 году иконоскоп. Устоявшееся в мировой практике название этого прибора можно перевести на русский язык как «изображение-смотритель».

Иконоскоп представляет собой большой стеклянный баллон, из которого удален воздух. Внутри баллона помещена тонкая слюдяная пластинка. Причем одна сторона ее покрыта сплошным металлическим слоем, а на другую нанесены десятки миллионов микроскопических зерен серебра, нечто вроде мелкой серебряной пыли. Причем зернышки эти не соприкасаются друг с другом. Каждое из них представляет собой крошечный фотоэлемент и в то же время вместе со сплошным металлическим слоем образует мельчайший конденсатор.

Слюдяную пластинку с фотоэлементиками-конденсаторами называют мозаикой. На нее, как на матовое стекло фотоаппарата, проецируется передаваемое изображение. При этом каждая крупинка мозаики получает свою порцию света. И как полагается фотоэлементу, создает свою электродвижущую силу, пропорциональную освещенности: чем больше света падает, тем большая ЭДС вырабатывается. В итоге на мозаике создается невидимая электрическая картинка из заряженных микроконденсаторов, повторяющая картинку световую. А напротив — впаянная в колбу стеклянная трубка с системой электродов, так называемая электронная пушка, назначение которой — создать тонко сфокусированный электронный луч и направить его мимо отклоняющих катушек на мозаичную мишень.

При помощи электромагнитов, получающих ток специальной формы от особых генераторов, электронный луч с огромной скоростью передвигается по пластинке — мозаичной мишени — и строка за строкой, кадр за кадром прочерчивает всю ее поверхность. Пробегая по фотоэлементикам-конденсаторам, электронный луч разряжает их. А в результате во внешней цепи на резисторе, стоящем на входе усилителя, создается последовательность электрических сигналов, которая содержит всю полноту видеоинформации, подлежащую передаче. Естественно, после соответствующего усиления.

Конечно же, все сказанное о работе иконоскопа — весьма упрощенная картина. Действительность здесь сложнее и гораздо интереснее. Взять хотя бы поочередное подключение фотоэлементиков-конденсаторов к сопротивлению нагрузки. При более внимательном рассмотрении нетрудно убедиться, что главную роль тут играют… вторичные электроны. Их выбивает из фотокатода электронный луч, а собирает кольцо-коллектор. Количество вторичных электронов, выбитых с какого-либо участка фотокатода, зависит от того, насколько интенсивно этот участок освещен. А потому именно вторичные электроны, частично ответвляясь на сопротивление нагрузки, создают в нем ток, пропорциональный освещенности той или иной точки мозаики.

Современные передающие электронно-лучевые трубки намного совершенней иконоскопов тридцатых годов (см. иллюстрации). И по совокупности характерных признаков они разделяются на следующие классы. Это прежде всего суперортиконы — приборы, работающие на внешнем фотоэффекте. В столь распространенный класс входят собственно суперортиконы, изоконы и антиизоконы. Для них характерно наличие секции переноса изображения, двусторонней мишени и вывода сигнала с помощью обратного луча, усиленного вторично-электронным умножителем.

Видиконы (в том числе сатиконы, ньювиконы, плюмбиконы, кремниконы) объединяют передающие телевизионные трубки с накоплением заряда, действие которых основано на внутреннем фотоэффекте. В них светочувствительный элемент и элемент, несущий потенциальный рельеф, совмещены в фотопроводящей мишени.

Супервидиконы как класс приборов включают секоны и супер-кремниконы. От видиконов отличаются наличием секции переноса изображения. Следовательно, и разделением функций фотокатода и носителя потенциального рельефа (высокопористой мишени с вторично-электронной проводимостью в секонах или кремниевой мозаичной мишени в суперкремниконах).

Пировидиконы отличаются от видиконов главным образом мишенью, физические свойства которой изменяются в зависимости от температуры, сообщаемой последней тепловым излучением от различных частей передаваемого изображения.

Диссекторы — приборы прямого действия с внешним фотоэффектом. Отличаются от передающих электронно-лучевых трубок других типов разверткой электронных потоков с фотокатода в секции переноса изображения с последующим усилением их с помощью вторично-электронного умножителя.

Как видим, приборов, в основе работы которых лежит рассмотренный нами выше фотоэффект, существует действительно немало. Несравнимо больше типовых, а также оригинальных технических решений, где эти изумительные приборы находят достойное применение. Описание некоторых из числа наиболее доступных для самостоятельного «воплощения в металл» начинающими радиолюбителями нами уже были предложены. А в заключение рекомендуем испытать силы в изготовлении еще одной самоделки, которая окажется весьма полезной в дальнейшей практической деятельности. Особенно в ситуациях, когда «в полевых условиях» требуется оперативно «прозвонить» элементы какого-либо устройства для выявления его работоспособности, проверки целостности электрической цепи и пр.

Предлагаемая самоделка — фотоэлектрический пробник, разработанный инженером-электриком А. Уваровым из г. Волчанска. А так как интересные идеи «носятся в воздухе», к числу авторов этого технического решения с полным на то основанием относят себя подчас и другие изобретатели-рационализаторы.

От аналогов данный пробник отличается отсутствием гальванического источника электропитания. Ведь работает самоделка от встроенных преобразователей лучистой энергии в электрическую, в качестве которых могут быть применены любые фотодиоды или фототранзисторы в диодном включении (см. схему). Причем для уменьшения внутреннего сопротивления такой солнечной батареи входящие в нее элементы необходимо запараллелить.

Если под руками готовых фотодиодов или фототранзисторов не оказалось, можно воспользоваться и самодельными элементами «солнечной батареи»,— из мощных кремниевых транзисторов типа КТ802…КТ808. Для этого у них аккуратно спиливают верхнюю часть шляпки, а на ее место устанавливают прозрачный материал. Более того, можно с успехом использовать здесь и непригодные для иных целей транзисторы. Правда, допускается пробой только перехода база-эмиттер.

Переменный резистор согласно схеме служит для установки на «нуль» стрелки индикатора при разных уровнях освещенности. Его номинал может находиться в пределах 1,5…10 кОм. В качестве индикатора применен стрелочный прибор типа М4762 от старого транзисторного магнитофона.

Как показала практика, данный фотоэлектрический пробник отлично работает при уровне освещенности 70 лк. А это условие обеспечивается ведь даже в ненастную, пасмурную погоду.

Н. КОЧЕТОВ