Материал: Конспект

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 їх електропровідність.

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. а).

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

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

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

Напівпровідникові фотоприймачі

• За відсутності світла (світловий потік Ф=0) фоторезистор має великий темновий опір, і при прикладенні зовнішньої напруги через нього протікає малий темновий струм I_Т. Під дією світла опір фоторезистора зменшується, і через нього проходить струм

I=C + I_Т,

де С - коефіцієнт пропорціональності;

Ф - світловий потік;

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

Залежність I= f(Ф) при Е=const відповідно до формули показана на рис. в.

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

I=C_ФФ + I_Т,,

де C_Ф- інтегральна чутливість фоторезистора.

• Недоліками фоторезисторів є нелінійність характерис­тики I= f(Ф) та мала швидкодія (граничні частоти приладу не перевищують 1 кГц).

• Фоторезистори застосовують як оптоелектронні датчики, а також як фотоприймачі в оптронах.

Фотодіоди

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

• Під дією цієї фото ЕРС у зовнішньому колі фотодіода протікає фотострум I_Ф, що збігається за напрямком зі зворотним струмом p-n – переходу (рис. 2).

• Оскільки фотострум протікає незалежно від струму, який викликається зовнішнім джерелом напруги, то вираз для повного струму може бути записаний у вигляді I=I_S(- 1)

де I_S - струм насичення (екстракції) – переходу; U - зовнішня напруга; I_Ф - фотострум.

• Дія фото ЕРС на p–n перехід еквівалентна додатковому зворотному зміщенню переходу, наслідком чого є збільшення зворотного струму фотодіода на величину I_Ф .

• Сім’я ВАХ фотодіода показана на рис. 3.

До пояснення принципу дії фотодіода

Фотодіоди

• Оскільки фото ЕРС і пряма напруга ввімкнені назустріч одна одній, то при їх рівності струм діода дорівнює нулю, що відповідає режимові холостого ходу. ЕРС холостого ходу при I = 0 можна визначити за формулою: E_Ф=_Тln()

• Цю фото ЕРС знаходять також з ВАХ.

• Фотодіоди використовують у двох режимах: вентиль­ного фотоелемента (рис. 1) та фотодіодному (рис. б). У першому режимі фотодіод використовують як джерело струму, датчик, що генерує ЕРС E_Ф, у чутливому індикаторі випромінювання або сонячній батареї. Фото ЕРС може досягати 1 В. У цьому режимі робоча точка пересувається вздовж осі на ВАХ залежно від інтенсивності світла.

• У другому режимі (рис. 2) фотодіод працює на зворотній гілці ВАХ як фоторезистор, опір якого залежить від світлового потоку. Робоча точка може займати будь-яке положення між осями U_ЗВ, I_ЗВ, залежно від напруги джерела U і світлового потоку Ф.

• Фотострум залежить не тільки від потоку Ф, але і від довжини хвилі світлового випромінювання, яке діє на p–n перехід. Цей факт ілюструє спектральна характеристика рис. 3.

• Параметрами фотодіода є: темновий струм I_Т  струм, що проходить через діод при робочій напрузі і відсутності світла; U_роб - робоча напруга  напруга на діоді у фотодіодному режимі; S_Ф=I_Ф/Ф  інтегральна чутливість.

Спектральна характеристика германієвого фотодіода

Фотоприймачі з внутрішнім підсиленням

• До таких фотоприймачів належать фототранзистори 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 (I_Б=0) (рис. ).

Якщо Ф=0, то через фототранзистор проходить невеликий темновий струм

I_Т=I_КБ0(h_21Е+1).

При освітленні області бази через вікно (Ф>0) 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 I_Ф. 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 h_21Е I_Ф. Тобто фотодірки у базі відіграють роль вхідного струму бази.

Структура і схема вмикання фототранзистора 

(а), статичні вихідні характеристики (б)

• Загальний колекторний струм фототранзистора

I_К=I_Ф+h_21ЕI_Ф+I_Т= (1+h_21Е)I_Ф+I_Т

• Сім’я ВАХ фототранзистора I_К = f(U_КБ)Ф = const пока­зана на рис. Збільшення освітлення фототранзистора приводить, згідно з формулою, до зростання колек­торного струму. Інтегральна чутливість фототранзистора S_Ф в (1+h_21Е) раз більша, ніж у фотодіода. Це пояснюється тим, що у фототранзистора струм I_Ф підсилюється в (1+h_21Е) раз.

• Фототиристори (рис.) є фотоприймачами з ключо­вою пороговою характеристикою, вони застосовуються для перемикання великих струмів і напруги. ВАХ з відкриваю­чою дією світлового потоку показана на рис. 

• Засвічення базової області тиристора зумовлює генерацію надлишкових носіїв заряду, що приводить до перемикання чотиришарової структури із закритого стану у відкритий так само, як це буває у триністорі при перемиканні керувальним струмом.

Структура, схема вмикання (а) та ВАХ (б) фототиристора

Основні параметри фотоприймачів

• До основних параметрів фотоприймачів відносяться:

• 1. Довгохвильова границя ₀ або довжина хвилі, що відповідає максимуму фоточутливості _m;

• 2. Спектральна чутливість R_ - величина вихідного сигналу, що припадає на одиницю потужності монохроматичного випромінювання у даній спектральній області;

• 3 Мінімальна потужність що виявляється P_min - потужність при якій вихідний сигнал дорівнює рівню шуму. Часто використовується еквівалентна потужність шуму.

NEP = P_min()^-1/2

Тобто потужність, віднесена до одиничної полоси пропускання. Тут  - ефективна полоса пропускання підсилювача.

4. Виявна здатність D* - величина обернена P_min віднесена до одиничної полоси пропускання (1 Гц) і одиничної площі поверхні фотоприймача.

5. Квантова ефективність  - число фотогенерованих носіїв, що припадають на один поглинутий фотон

6. Стала часу  - час за який вихідний сигнал детектора досягне 63% максимального значення.

7. Опір приймача R або приведений опір. Звичайно він наводиться при нульовому зміщенні.

8. Гранична частота  - найбільша робоча частота приладу.

Фізичні принципи роботи се

Перетворення енергії у фотоелектричних перетворювачах (ФЕП) засноване на фотовольтаїчному ефекті, який виникає в неоднорідних напівпровідникових структурах при дії на них сонячного випромінювання.

Неоднорідність структури ФЕП може бути отримана шляхом легуванням одного і того ж напівпровідника різними домішками (створення p–n - переходів) або шляхом з'єднання різних напівпровідників з неоднаковою шириною забороненої зони (створення гетеропереходів).

Використовуються також МДП структури.

Конструкція се

Принцип роботи СЕ можна пояснити на прикладі перетворювачів з p-n-переходом, які широко застосовуються у сучасній геліоенергетиці.       а б Конструкція (а) та принцип дії (б) фотоперетворювача

p-n ПЕРЕХІД В СТАНІ РІВНОВАГИ

Поява струму при освітлені

Неосновні носії вводяться через контакт

Кожного разу, коли неосновний носій-електрон рекомбінує на р-стороні, один електрон протікає у зовнішньому колі

Процеси у фотоперетворювачах