Was ist ein fotoelektrisches Element?
Fotoelektrisches Element ist ein Oberbegriff für elektronische Elemente, die für die Umwandlung von Lichtenergie in elektrische Energie zuständig sind.
Grob gesagt, gibt es lichtemittierende Elemente, die elektrische Signale in optische Signale umwandeln, und lichtempfangende Elemente, die optische Signale in elektrische Signale umwandeln. Lichtemittierende Elemente senden Licht aus, wenn ein elektrischer Strom angelegt wird, wofür Leuchtdioden ein typisches Beispiel sind.
Glühbirnen und Leuchtstofflampen geben ebenfalls Licht ab, wenn sie von elektrischem Strom durchflossen werden, aber lichtemittierende Elemente sind im Allgemeinen auf solche beschränkt, die Halbleiter verwenden, und schließen diese nicht ein. Fotodetektoren empfangen ebenfalls Licht und erzeugen einen elektrischen Strom, wie zum Beispiel Solarzellen.
Anwendungen von fotoelektrischen Elementen
Fotoelektrische Elemente werden in einer Vielzahl von Geräten in Bereichen eingesetzt, in denen Licht verwendet wird. Es gibt verschiedene Beispiele für die Verwendung von lichtemittierenden Elementen, z. B. als lichtemittierender Teil von Beleuchtungsanlagen mit Leuchtdioden, als Lichtquelle für die Objekterkennung in Sensoren wie Lichtschaltern und als Signallichtquelle für Halbleiterlaser im Bereich der optischen Kommunikation.
Beispiele für Fotodetektoren sind neben den oben erwähnten Solarzellen auch Beleuchtungsstärkemesser, Belichtungsmesser in Kameras, CD- und DVD-Tonabnehmer, Bildsensoren in Fotoausrüstungen und Sensoren, die das von Objekten reflektierte Licht in Photointerruptoren erkennen.
Funktionsweise der fotoelektrischen Elemente
Die Prinzipien von lichtemittierenden und lichtempfangenden Elementen sind sehr unterschiedlich.
1. Lichtemittierende Elemente
Die Grundstruktur einer Leuchtdiode als repräsentatives lichtemittierendes Element ist ein PN-Übergang, in dem ein P-Halbleiter (mit der Mehrzahl von Löchern als Ladungsträgern) und ein N-Halbleiter (mit der Mehrzahl von Elektronen als Ladungsträgern) zusammengeschaltet sind.
Wenn an eine Leuchtdiode eine Durchlassspannung angelegt wird, bewegen sich Elektronen und Löcher durch den Chip der Leuchtdiode und es fließt Strom. Wenn die Elektronen und Löcher während ihrer Bewegung zusammenstoßen, rekombinieren sie, aber in diesem Zustand ist die Energie der Elektronen und Löcher geringer als die Energie, die sie ursprünglich zusammen hatten.
Diese verringerte Energie wird in Licht umgewandelt und aus dem Halbleiter ausgestrahlt. Dies ist das Prinzip der Lumineszenz.
2. Fotodetektoren
Fotodetektoren machen sich den fotoelektrischen Effekt zunutze. Der fotoelektrische Effekt bezieht sich auf das, was am PN-Übergang des Halbleiters geschieht. Auch wenn beide Enden der Fotodiode kurzgeschlossen sind, bildet sich am PN-Übergang ein elektrisches Feld, in dem ein Potenzialgradient entsteht.
Wenn Licht in dieses elektrische Feld eingestrahlt wird, erzeugt seine Energie Elektronen und Löcher, aber das Potenzialgefälle bewirkt, dass sich die Elektronen sofort bewegen. Je stärker das Licht ist (je größer die Anzahl der Photonen), desto größer ist der Strom.
Beachten Sie, dass das Anlegen einer Sperrvorspannung an den PN-Übergang das elektrische Feld vergrößert, so dass Elektronen und Löcher in einem größeren Bereich erzeugt werden. Die Steigung des Potenzials wird ebenfalls stärker, wodurch sich die Geschwindigkeit des Ladungsträgertransfers erhöht und eine schnellere Reaktion erwartet werden kann.
Arten von fotoelektrischen Elementen
Zu den als fotoelektrische Elemente eingestuften Halbleiterelementen gehören die folgenden.
1. Licht-emittierende Elemente
Licht-emittierende Diode
Zahlreiche Leuchtdioden mit verschiedenen Emissionswellenlängen vom nahen Infrarot bis zum sichtbaren Bereich sind auf dem Markt, und die Nachfrage nach blauen LEDs ist aufgrund ihrer Verwendung in Beleuchtungskörpern erheblich gestiegen. Leuchtdioden, die Licht im nahen Infrarotbereich emittieren, werden dagegen als Geräte für die optische Kommunikation eingesetzt.
Halbleiterlaser
Diese Laser können Licht emittieren, das stärker und kohärenter ist als das von gewöhnlichen LEDs. Bekannte Anwendungen sind Laserpointer, die ihre Linearität nutzen, und Lichtquellen für Projektoren, die ihre hohe Lichtintensität und eine einzige Wellenlänge nutzen.
OLED (Elektrolumineszenz)
OLED werden für dünne, leichte Displays wie Fernsehgeräte und Sucher für Fotoausrüstungen verwendet.
2. Lichtempfindliche Elemente
Fotodiode
Zu den verschiedenen Anwendungen gehören Sensoren in Messgeräten wie Beleuchtungsstärkemessgeräten, die die Lichtintensität messen, und bei der Erkennung von Objekten mit Licht.
Fototransistor
Diese Sensoren sind empfindlicher als Fotodioden, da sie das Licht im Basisbereich des Transistors empfangen und der dort erzeugte Strom verstärkt und abgeleitet werden kann. Sie werden hauptsächlich im Lichtempfangsteil von Lichtschaltern eingesetzt.
Bildsensor
Ein Sensor, in dem eine große Anzahl von Fotodioden in einem flachen Muster angeordnet ist und auf den ein Bild projiziert wird, um Bilddaten zu erzeugen. Sie werden im Bildgebungsteil von Kameras verwendet, die Stand- und Bewegtbilder aufnehmen.
Obwohl sie als Halbleiterelemente sehr groß und teuer sind, haben sie eine weite Verbreitung gefunden und die früher verwendeten Bildröhren und Fotofilme ersetzt.