Полупроводниковые приемники излучения

Работа полупроводниковых приемников излучения (фотоприемников) основана на использовании свойств внутреннего фотоэффекта, при котором под действием света в полупроводнике появляются дополнительные (неравновесные) электроны и дырки за счет генерации пар электрон-дырка или ионизации донорных атомов. Увеличение концентрации подвижных носителей заряда вызывает увеличение электропроводности в однородных полупроводниках или создание э.д.с. в неоднородных полупроводниках. На внутреннем фотоэффекте основана работа фоторезисторов и других полупроводниковых фотоэлектрических приемников.

 

Фоторезисторы

Фоторезистором называют полупроводниковый фотоэлектронный прибор, сопротивление которого зависит от освещенности.

Устройство фоторезистора показано на рис. 7.3а. Пластинка или пленка полупроводникового материала 1 (фоточувствительный слой) закрепляется на диэлектрической подложке 2 (рис. 5.35а). В качестве фоточувствительного слоя для фоторезисторов используются сульфид кадмия CdS, селенид кадмия CdSe, сульфид свинца PbS и др., а в качестве диэлектрической подложки – стекло, керамика или кварц. На поверхность фоточувствительного слоя наносят металлические электроды, не подвергающиеся коррозии (платина, золото). Поверхность фоточувствительного слоя, расположенная между электродами, называется рабочей площадкой с площадью от десятков долей до десятков квадратных миллиметров и выполненной в виде прямоугольника, меандра или кольца. Для защиты от внешних воздействий фоточувствительный слой покрывают лаком и помещают в пластмассовый или металлический корпус со светопрозрачным окном.

Условное обозначение фоторезистора показано на рис. 5.35б.

 

Рисунок 5.35. Принцип действия и изображение фоторезистора

 

Если к неосвещенному фоторезистору подключить источник питания (рис. 5.35б), то в электрической цепи потечет незначительный ток I_т, называемый темновым. При освещении фоторезистора за счет увеличения концентрации подвижных носителей заряда в фоточувствительном слое ток в цепи значительно возрастет. Этот ток называется световым током I_с. Разность между световым и темновым токами называется фототоком, т. е. I_ф = I_с - I_т.

Одной из основных характеристик фоторезистора является его ВАХ, т. е. зависимость фототока I_ф от приложенного к фоторезистору напряжения Е_п при заданном световом потоке Ф, измеряемом в люменах (рис. 7.4а).При малых значениях Е_п эти характеристики близки к линейным, но с ростом Е_п их линейность нарушается.

Фототок I_ф зависит также от спектрального состава светового потока. На рис. 5.36б приведена спектральная характеристика фоторезистора из сульфида кадмия из которой следует, что данный фоторезистор обладает максимальной чувствительностью к электромагнитному излучению с длиной волны λ = 0,5 мкм.

Рисунок 5.36. Характеристики фоторезистора

 

Фоторезисторы, как и другие типы фотоприемников, не мгновенно откликаются на включение и отключение света, т. е. обладают инерционностью. Эта инерционность характеризуется параметрами, называемыми постоянными времени нарастания τ_н и спада τ_сп фототока. Они определяются интервалами времени, в течение которого фототок изменяется после освещения или после затемнения фотоприемника в е ≈ 2,72 раза (на 63%) по отношению к установившемуся значению. Постоянные времени τ_н и τ_сп могут несколько различаться, но имеют обычно один порядок. Численные значения τ_н и τ_сп находятся в пределах от десятков микросекунд до десятков миллисекунд.

К параметрам фоторезистора относятся также темновое сопротивление и удельная интегральная чувствительность.

Темновое сопротивление R_т – это сопротивление неосвещенного фоторезистора. Для различных типов фоторезисторов его значение составляет от 10² до 10⁹ Ом.

Удельная интегральная чувствительность S_o определяется как отношение фототока I_ф к световому потоку Ф и приложенному напряжению U: S_o = I_ф/(ФU). Интегральной она называется потому, что изменяется при освещении фоторезистора светом сложного спектрального состава. Для различных типов фоторезисторов S_o = 1…600 мА/(В·лм).

Достоинствами фоторезисторов являются их высокая чувствительность, возможность использования в инфракрасной области спектра излучения и для работы в цепях постоянного и переменного токов.

По старой системе обозначений для маркировки фоторезисторов использованы три элемента. Первый элемент – буквы ФС (фотосопротивление). Второй элемент – буква, указывающая на тип светочувствительного материала: А – сернистый свинец, К – сернистый кадмий, Д – селенид кадмия. Третий элемент – цифра, обозначающая тип конструкторского исполнения. В новой системе обозначений буквы ФС первого элемента заменены на СФ, а тип светочувствительного материала обозначается цифрой.

 

Фотодиоды

В качестве фотодиода используется полупроводниковый диод с ЭДП, смещенном в обратном направлении внешним источником питания. В отличие от обычного в корпусе фотодиода имеется специальная линза, через которую внешний световой поток направляется перпендикулярно плоскости p-n-перехода (рис.5.37а). При отсутствии освещения на границе p - и n- областей возникает диффузионное электрическое поле, создаваемое неподвижными положительными (в n -области) и отрицательными (в p-области) ионами. В результате между p- и n- областями образуется контактная разность потенциалов U_к (потенциальный барьер), уравновешивающая ток дрейфа и ток диффузии подвижных носителей заряда, благодаря чему при отсутствии внешнего напряжения ток через ЭДП равен нулю, а p - и n- области остаются электрически нейтральными.

Условное обозначение фотодиода показано на рис. 5.37б.

Если к диоду приложить обратное напряжение от внешнего источника питания, то произойдет увеличение объемного заряда на границе p - и n- областей, в результате чего увеличивается разность потенциалов между p - и n- областями и через диод будет протекать незначительный обратный ток, обусловленный дрейфом неосновных носителей. При освещении диода часть валентных электронов p - и n- областей а также области объемного заряда (запирающего слоя, или p-n -перехода) приобретает энергию, достаточную для их перехода в зону проводимости. В результате концентрация неосновных (а также и основных) подвижных носителей заряда в обеих областях фотодиода и в областях объемного заряда увеличится, что приведет к увеличению обратного тока, протекающего через фотодиод (рис. 5.37в). Чем больше световой поток Ф, тем большее значение будет иметь обратный ток. Если в электрическую цепь с фотодиодом включить резистор нагрузки R_н (рис. 5.37г), то изменение освещенности фотодиода будет приводить к изменению напряжения на этом резисторе.

Такой режим фотодиода называют режимом фотопреобразователя.

В отличие от обычных диодов фотодиод может работать также и в режиме фотогенератора, в котором фотодиод является источником электрической энергии. Сущность этого режима заключается в следующем.

В неосвещенном фотодиоде, как было отмечено, процессы дрейфа неосновных носителей и диффузии основных носителей заряда

уравновешиваются контактной разностью потенциалов, образованной на границе p- и n - областей, благодаря чему эти области остаются электрически

 

Рисунок 5.37. Принцип действия фотодиода

 

нейтральными. При освещении фотодиода фотоны света, воздействуя на валентные электроны полупроводника, сообщают им дополнительную энергию, благодаря которой часть валентных электронов отрывается от атомов и становятся свободными, т. е. переходят в зону проводимости. Иными словами, происходит «дополнительная» генерация пар электрон-дырка и ионизация примесных атомов в p - и n - областях.

 

На рис. 5.37д показана энергетическая диаграмма фотодиода. Электроны обозначены жирными точками, дырки – маленькими кружками, а положительные и отрицательные ионы – большими кружками со знаками «+» и «-» соответственно. Середины запрещенных зон имеют энергетический уровень W_i, а уровни Ферми областей p и n обозначены соответственно как W_фp и W_фn.

Образовавшиеся дополнительные электроны в области объемного заряда под действием диффузионного поля Е_диф, созданного контактной разностью потенциалов, переходят в n -область, а дырки – в p -область. Кроме того происходит переход дополнительно образовавшихся дырок (неосновных носителей) n -области, попавших в зону действия диффузионного поля, в p- область, и дополнительно образовавшихся электронов из р-области в n-область. В результате n -область получает дополнительный отрицательный заряд, а p -область – дополнительный положительный заряд, т.е. между p - и n- областями образуется разность потенциалов, называемая фото-э.д.с. Значение фото-э.д.с. составляет десятые доли вольта. Так, у селеновых и кремниевых фотодиодов фото-э.д.с. достигает 0,5…0,6 В, у фотодиодов из арсенида галлия – 0,87 В.

Фото-э.д.с. можно определить по характеристикам, приведенным на рис. 5.37в. Например, при освещении фотодиода световым потоком Ф₂ фото-э.д.с. будет соответствовать отрезку 0а.

Если освещенный фотодиод подключить к резистору нагрузки (рис. 7.5е), то в цепи появится электрический ток, значение которого зависит от фото-э.д.с. и сопротивления резистора.

Фотодиоды, работающие в режиме фотогенератора, используются в качестве источников питания, преобразующих энергию солнечного излучения в электрическую (солнечные элементы). Для увеличения напряжения и тока солнечные элементы объединяются в батареи. Важным технологическим параметром солнечных батарей является отношение их выходной мощности к массе и площади, занимаемой солнечной батареей. Эти параметры достигают значений 200 Вт/кг и 1 кВт/м² соответственно.

Свойства фотодиодов можно характеризовать параметрами и характеристиками, аналогичными параметрам и характеристикам фоторезисторов. В отличие от фоторезисторов интегральная чувствительность фотодиодов не зависит от приложенного обратного напряжения и определяется как отношение S = I_ф/Ф. У селеновых фотодиодов S = (0,3…0,75) мА/лм, у кремниевых – 3 мА/лм, у германиевых – до 20 мА/лм, у серно-серебряных – S = (10…15) мА/лм.

Другой особенностью фотодиодов является малая инерционность, что обеспечивает их преимущество перед фоторезисторами.

Темновой ток фотодиодов, так же как и фоторезисторов, ограничивает минимальное значение измеряемого светового потока.

У германиевых фотодиодов I_т = (10…30) мкА, у кремниевых – (1…3) мкА.

Спектральные характеристики фотодиодов зависят от используемого в них материала.

У селеновых фотодиодов она близка к спектральной зависимости чувствительности человеческого глаза, а у германиевых и кремниевых располагается как в видимой, так и в инфракрасной частях спектра излучения.

Существенным недостатком фотодиодов является зависимость их параметров от температуры: при повышении температуры на 10^ОС темновой ток возрастает почти в два раза.

Помимо фотодиодов с p-n-переходом имеются фотодиоды с поверхностным барьером Шотки, образуемым при контакте металла с полупроводником, а также лавинные фотодиоды, имеющие очень малую инерционность и способные работать в диапазоне СВЧ.

Фотодиоды имеют буквенный код ФД и цифру, определяющую

 

Рисунок 5.38. Принцип действия фототранзистора

 

порядковый номер разработки (например, ФД-3).

 

Фототранзисторы

Структура фототранзистора подобна структуре обычного биполярного транзистора и состоит из чередующихся слоев n-p-n (рис. 5.38а).

Под действием внешнего напряжения Е_п, прикладываемого плюсом к коллектору и минусом к эмиттеру (рис. 5.38б), эмиттерный переход смещается в прямом направлении, а коллекторный – в обратном.

При отсутствии освещения практически все напряжение Е_п падает на коллекторном переходе.

При освещении базы Б в ней, а также в обоих ЭДП, генерируются дополнительные пары электрон-дырка. Электрические поля коллекторного и эмиттерного ЭДП являются ускоряющими для электронов, образовавшихся в базе, и они втягиваются в коллекторную и эмиттерную области. Для дырок эти поля, наоборот, являются тормозящими, и они накапливаются в области базы, сообщая ей положительный заряд, уменьшающий потенциальный барьер эмиттерного ЭДП.

Это приводит к увеличению потока основных носителей (электронов) из эмиттера в базу, что вызывает увеличение коллекторного и эмиттерного токов.

Таким образом первоначальный фототок, возникающий в результате генерации пар электрон-дырка под действием светового потока, усиливается примерно в 100 раз благодаря инжекции электронов из эмиттера в базу.

Из рассмотренного принципа работы фототранзистора видно, что вывод базы

является не обязательным. При этом выходные характеристики фоторезистора подобны выходным характеристикам обычного биполярного транзистора, включенного по схеме с общим эмиттером с той лишь разницей, что у них управляющим параметром является световой поток, а не ток базы (рис 5.38в). Однако наличие вывода базы у фототранзисторов позволяет использовать как оптическое, так и электрическое управление, осуществлять компенсаципосторонних внешних воздействий (например, уменьшить влияние температуры на изменение параметров). Для обозначения фототранзисторов используются буквы ФТ и цифра, указывающая на порядковый номер разработки, например ФТ-1.