Материал: Физические основы электроники

доли микроампера, и он может быть уменьшен охлаждением. Значением темнового тока ограничивается минимальный световой поток, который можно зарегистрировать с помощью умножителя.

Фотоэлектронные умножители применяются во многих областях науки и техники: в астрономии, для измерения световых потоков, для спектрального анализа и т. п.

6.2. Фотоэлектрические приборы на основе внутреннего фотоэффекта

Внутренний фотоэффект наблюдается в полупроводниковых материалах при облучении их поверхности лучами света. Он заключается в том, что при поглощении энергии фотона атомом полупроводника может возникнуть пара «электрон–дырка», если этой энергии достаточно для перевода электрона из валентной зоны в зону проводимости, т. е. если поглощенная энергия превышает ширину запрещенной зоны. Интенсивность фотоионизации определяется энергией излучения, ее потоком и спектром поглощения полупроводника.

Образование пар «электрон–дырка» обусловливает собственную электропроводность полупроводника, которая в данном случае является фотопроводимостью, причем собственная электропроводность может оказаться значительно больше проводимости примесной.

Внутренний фотоэффект широко применяется в различных фото-

электрических приборах: фоторезисторах, фотодиодах, фототранзисторах и фототиристорах.

6.2.1. Фоторезисторы

Фоторезисторы используют в своей работе эффект фотопроводимости. Фоторезисторы выполняются в самых различных конструктивных вариантах различного назначения, по различным технологиям и с различными параметрами, но в общем виде – это чувствительный к излучению слой полупроводника, прикрепленный к изоляционной подложке, по краям которого смонтированы токоведущие электроды. Принципиально возможны две конструкции фоторезисторов: попереч-

ная и продольная.

В первом случае электрическое поле, прикладываемое к фоторезистору, и возбуждающий свет действуют во взаимно перпендикулярных плоскостях (рис. 6.8, б), во втором – в одной плоскости. В продольном фоторезисторе возбуждение осуществляется через электрод, прозрачный для светового излучения. Поперечный фоторезистор представляет собой почти омическое сопротивление до частот порядка десятков – сотен мегагерц. Продольный фоторезистор из-за конструктивных особен-

186

ностей имеет значительную электрическую емкость, которая не позволяет считать фоторезистор чисто омическим сопротивлением на частотах сотни – тысячи герц.

Рис. 6.8. Фоторезисторы (а), поперечная конструкция фоторезистора (б); условное графическое обозначение (в)

В качестве исходного материала фоторезистора чаще всего используется теллуристый кадмий (CdTe ), селенистый теллур (TeSe), сернистый висмут ( BiS), сернистый кадмий (CdS) и др.

Для защиты от атмосферных воздействий верхняя поверхность фотослоя покрыта прозрачным лаком. Вся сборка может быть помещена в защитный корпус, в котором сделано окно для прохождения излучения. Он может включаться как в цепь постоянного тока, так и переменного (рис. 6.9).

Uвых Rн

U

Рис. 6.9. Схема включения фоторезистора

При облучении фоторезистора возрастает его проводимость и соответственно возрастает ток. Выходное напряжение, пропорциональное потоку излучения, снимается с сопротивления нагрузки Rн.

Основными характеристиками фоторезистора являются:

1. Вольт-амперные характеристики IФ f U Ф const .

Это зависимости тока в фоторезисторе от напряжения источника питания E при постоянном потоке излучения Ф. Эти характеристики

187

практически линейны (рис. 6.10). При Ф 0 через фоторезистор протекает маленький темновой ток; при освещении ток возрастает за счет увеличения фотопроводимости.

2. Световая характеристика IФ f Ф U const .

Это зависимость фототока от потока излучения при постоянном напряжении источника. Существенная нелинейность этих характеристик (рис. 6.11) объясняется не только увеличением количества носителей с увеличением потока излучения Ф, но и процесса их рекомбинации.

Ф1 0

U1 0

Ф 0

3. Спектральная характеристика S* f λ , где λ – длина волны

электромагнитного излучения.

Эта характеристика обусловлена материалом и технологией изготовления фотослоя. Типовой вид этой характеристики представлен на рис. 6.12.

Рис. 6.12. Относительные спектральные характеристики фоторезисторов

188

Основными параметрами фоторезисторов являются:

1. Чувствительность K IФФ Е const .

2. Номинальное значение фототока IФном.

3. Темновое сопротивление Rтемн .

4. Отношение Rтемн .

RФ ном

5. Рабочее напряжение Uраб .

Значительная зависимость сопротивления фоторезистора от температуры, характерная для полупроводников, является их недостатком. Существенным недостатком фоторезисторов также является их инерционность, объясняющаяся большим временем рекомбинации электронов и дырок после прекращения воздействия излучения. На практике фоторезисторы применяются на частотах сотен герц – единиц килогерц. Собственные шумы их довольно значительны. Несмотря на эти недостатки, фоторезисторы широко применяются в различных схемах автоматики и во многих других устройствах.

6.2.2. Фотодиоды

Фотодиод представляет собой полупроводниковый фотоэлектрический прибор, содержащий p–n-переход и использующий явление внутреннего фотоэффекта. Фотодиоды имеют различную конструкцию, различное назначение и различные параметры, но в большинстве случаев структура фотодиода бывает такой, как показано на рис. 6.13, б. На принципиальных схемах фотодиод изображается символом, показанным на рис. 6.13, в.

Ф

Рис. 6.13. Конструкции фотодиодов (а), структура (б) и условное графическое обозначение фотодиода (в)

189

Фотодиод можно использовать в двух различных включениях: фо-

тодиодном и фотогальваническом.

Фотогальваническое включение (рис. 6.14) предполагает использование фотодиода как источника фотоЭДС, поэтому в настоящее время его называют полупроводниковый фотоэлемент.

Rн

Рис. 6.14. Фотогальваническое включение фотодиода

РассмотримпроцессвозникновенияфотоЭДСвфотодиоде(рис. 6.15).

Рис. 6.15. Процесс генерации свободных носителей заряда

В отсутствие освещения фотодиода концентрация носителей в его обеих областях будет равновесной, а следовательно, никакой разности потенциалов между областями не будет. Если же осветить полупроводник лучами света, то в результате поглощения энергии фотонов будут образовываться пары «электрон–дырка». Дырки в области p являются

основными носителями, поэтому поле Ep p–n-перехода будет их оттал-

кивать от границы раздела, а вот образовавшиеся свободные электроны, являясь в области p неосновными носителями, будут переброшены по-

лем через границу раздела в область n , где они являются основными. Аналогично в области n из образовавшихся носителей «электрон– дырка» только дырки, являясь неосновными носителями, будут переброшены через границу раздела в область p , а образовавшиеся свобод-

190