Материал: Tverdotila_elektronika

6.3 Напівпровідникові фотоприймачі

Фотоприймачі призначені для перетворення світлових сигналів в електричні. У напівпровідникових фотоприладах використовується внутрішній фотоефект, який полягає в тому, що при опроміненні електрони напівпровідникового кристала набирають додаткової енергії, що необхідна для вивільнення їх з ковалентних зв’язків. Тому в напівпровідниках з’являються додаткові носії електричного заряду, які збільшують електропровідність.

6.3.1 Фоторезистори

Фоторезисторами називають напівпровідникові прилади, електричний опір яких змінюється під дією світла. Конструктивно фоторезистор складається з діелектрика 3, на який нанесено світлочутливий шар напівпровідника 1, і зовнішніх електродів 2 (рис. 6.5 а).

а) б) в)

Рисунок 6.5 – Будова (а), схема вмикання (б) та статична характеристика (в) фоторезистора

Схема вмикання фоторезистора до електричного кола показана на рис. 6.5 б. Увімкнення джерела Е не залежить від полярності, оскільки фоторезистор не має вентильних властивостей.

Вихідним матеріалом виготовлення світлочутливого шару фоторезистора є PbS, CdSe або CdS.

За відсутності світла (світловий потік ) фоторезистор має великий темновий опір, і при прикладенні зовнішньої напруги через нього протікає малий темновий струм . Під дією світла опір фоторезистора зменшується, і через нього проходить струм

=+, (6.1)

де - коефіцієнт пропорціональності;

- світловий потік;

- темновий струм (темновий опір фото резистора – сотні кілоомів).

Залежність =() при =відповідно до формули (6.1) показана на рис. 6.5 в.

При низьких рівнях освітлення залежність =() можна вважати лінійною:

=+, (6.2)

де - інтегральна чутливість фоторезистора.

Недоліками фоторезисторів є нелінійність характерис­тики та мала швидкодія (граничні частоти приладу не перевищують 1 кГц). Фоторезистори застосовують як оптоелектронні датчики, а також як фотоприймачі в оптронах.

6.3.2 Фотодіоди

У фотодіодах кристал НП обернений до скляного вікна, через яке надходить світловий потік. Під дією світла на – перехід фотодіода внаслідок явища внутрішнього фотоефекту в областях біля переходу відбувається додат­кова генерація пар “електрон-дірка”. Під дією дифузійного поля – переходу фотодірки переміщуються до області , а фотоелектрони – до області . При цьому створюється фотоЕРС = (0,1  1) В, залежність якої від світлового потоку показана на рис. 6.6.

Рисунок 6.6 – Залежність фотоЕРС від світлового потоку

Під дією цієї фотоЕРС у зовнішньому колі фотодіода протікає фотострум , що збігається за напрямком зі зворотним струмом p-n – переходу (рис. 6.7).

Рисунок 6.7 – До пояснення принципу дії фотодіода

Оскільки фотострум протікає незалежно від струму, який викликається зовнішнім джерелом напруги, то вираз для повного струму може бути записаний у вигляді

, (6.3)

де - струм насичення (екстракції) – переходу;

- зовнішня напруга;

- фотострум.

Дія фотоЕРС на – перехід еквівалентна додатковому зворотному зміщенню переходу, наслідком чого є збільшення зворотного струму фотодіода на величину .

Сім’я ВАХ фотодіода показана на рис. 6.8.

Рисунок 6.8 – Сім’я ВАХ фотодіода

Оскільки фотоЕРС і пряма напруга ввімкнені назустріч одна одній, то при їх рівності струм діода дорівнює нулю, що відповідає режимові холостого ходу. ЕРС холостого ходу при можна визначити за формулою (6.3):

=.

Цю фотоЕРС знаходять також з ВАХ рис. 6.8.

Фотодіоди використовують у двох режимах: вентиль­ного фотоелемента (рис. 6.9) та фотодіодному (рис. 6.10).

Рисунок 6.9 – Режим вентильного фотоелемента

У першому режимі фотодіод використовують як джерело струму, датчик, що генерує ЕРС , у чутливому індикаторі випромінювання або сонячній батареї. ФотоЕРС може досягати 1 В. У цьому режимі робоча точка пересувається вздовж осі на ВАХ рис. 6.8 залежно від інтенсивності світла.

У другому режимі (рис. 6.10) фотодіод працює на зворотній гілці ВАХ як фоторезистор, опір якого залежить від світлового потоку. Робоча точка може займати будь-яке положення між осями , залежно від напруги джерела і світлового потоку .

Рисунок 6.10 – Фотодіодний режим

Фотострум залежить не тільки від потоку , але й від довжини хвилі світлового випромінювання, яке діє на – перехід. Цей факт ілюструє спектральна характеристика рис. 6.11.

Рисунок 6.11 – Спектральна характеристика германієвого фотодіода

Параметрами фотодіода є:

- темновий струм  струм, що проходить через діод при робочій напрузі і відсутності світла;

- робоча напруга  напруга на діоді у фотодіодному режимі;

 інтегральна чутливість.

6.3.3 Фотоприймачі з внутрішнім підсиленням

До таких фотоприймачів належать фоторезистори та фототиристори.

Крім перетворення світлової енергії в електричну з утворенням фотоструму, як у фотодіодах, фототранзистор ще й підсилює цей фотострум.

Розглянемо роботу фототранзистора у ССЕ в режимі з вимкненою базою () (рис. 6.12).

a) б)

Рисунок 6.12 – Структура і схема вмикання фототранзистора (а), статичні вихідні характеристики (б)

Якщо , то через фототранзистор проходить невеликий темновий струм

=(+1). (6.4)

При освітленні області бази через вікно () в ній генеруються нерівноважні пари носіїв заряду – фотоелектрони та фотодірки, які дифундують до ЕП та КП. При цьому поле КП розділяє заряди: електрони рухаються до n - колектора, дірки – до p- бази. У колі колектора під дією цих електронів зростає струм на величину . Дірки створюють у базі позитивний заряд, який зміщує ЕП у прямому напрямі і викликає інжекцію електронів. Унаслідок інжекції електронів через ЕП, їх дифузії через базу та екстракції через КП струм колектора додатково зростає на величину . Тобто фотодірки у базі відіграють роль вхідного струму бази.

Загальний колекторний струм фототранзистора

=++= (1+)+. (6.5)