В большинстве случаев их делают из кремния. На рис. 26-3 показано устройство солнечного элемента.
Рис. 26-3. Устройство солнечного элемента.
Слои p-типа и n-типа образуют р-n-переход. Металлическая подложка и металлический контакт являются электрическими контактами. Они проектируются с большой площадью поверхности. Свет, попадая на поверхность солнечного элемента, передает большую часть своей энергии атомам полупроводникового материала. Световая энергия выбивает валентные электроны с их орбит, создавая свободные электроны.
Вблизи обедненного слоя электроны притягиваются материалом n-типа, создавая небольшое напряжение вдоль р-n-перехода. При увеличении интенсивности света это напряжение увеличивается. Однако не вся световая энергия, попадающая в солнечный элемент, создает свободные электроны. В действительности, при сравнении получаемой от него электрической мощности с мощностью падающей световой энергии легко увидеть, что солнечный элемент — это довольно неэффективное устройство с максимальным коэффициентом полезного действия порядка 15 %.
Солнечные элементы дают низкое выходное напряжение 0,45 вольта при токе 50 миллиампер. Их необходимо соединять в последовательно- параллельные цепи для того, чтобы получить желаемое выходное напряжение и ток.
Солнечные элементы применяются для измерения интенсивности света в фотографическом оборудовании, для декодирования звуковой дорожки в кинопроекторах и для зарядки батарей на космических спутниках.
Схематические обозначения солнечных элементов показаны на рис. 26-4. Положительный вывод обозначается знаком плюс (+).
Рис. 26-4. Схематические обозначения солнечного элемента.
Фотодиод также использует р-n-переход и его устройство подобно устройству солнечного элемента. Он используется так же, как и фотосопротивление в качестве резистора, сопротивление которого меняется при освещении. Фотодиоды — это полупроводниковые устройства, которые изготовляются главным образом из кремния. Это делается двумя способами. Первый способ — создание простого р-n-перехода (рис. 26-5).
Рис. 26-5. Фотодиод с р-n-переходом.
При другом способе между слоями p-типа и n-типа вставляется слой нелегированного полупроводника, образуя p-i-n фотодиод (рис. 26-6).
Принципы работы фотодиода с р-n-переходом такие же как у солнечного элемента, за исключением того, что он используется для управления током, а не для создания его.
К фотодиоду прикладывается обратное напряжение смещения, формирующее широкий обедненный электронами слой. Когда свет попадает в фотодиод, он попадает в обедненный слой и создает там свободные электроны. Электроны притягиваются к положительному выводу источника смещения. Через фотодиод в обратном направлении течет малый ток. При увеличении светового потока увеличивается число свободных электронов, что приводит к росту тока.
P-i-n фотодиод имеет слой нелегированного материала между областями р и n. Это эффективно расширяет обедненный слой. Более широкий обедненный слой позволяет p-i-n фотодиоду реагировать на свет с более низкими частотами. Свет с более низкими частотами имеет меньшую энергию и, следовательно, должен глубже проникать в обедненный слой перед созданием свободных электронов. Более широкий обедненный слой дает больше возможностей для создания свободных электронов, p-i-n фотодиоды являются более эффективными во всех отношениях.
Благодаря слою нелегированного материала, p-i-n фотодиоды имеют более низкую собственную емкость. Это обеспечивает быстрый отклик на изменения интенсивности света. Кроме того, изменение их обратного тока в зависимости от интенсивности является более линейным.
Преимущество фотодиода — его быстрый отклик на изменения интенсивности света, самый быстрый из всех фоточувствительных устройств. Недостаток — низкая выходная мощность по сравнению с другими фоточувствительными устройствами.
На рис. 26-7 изображен типичный корпус фотодиода. Стеклянное окошко позволяет свету попадать в фотодиод. Схематическое обозначение фотодиода показано на рис. 26-8. Типичная цепь изображена на рис. 26-9.