1 Принцип работы фотоприборов, основные характеристики и параметры

Полупроводниковые приборы, меняющие электрический режим при воздействии на них лучистой энергии, называются фотоэлектронными.

Действие таких приборов основано на использовании внутреннего фотоэффекта. Под воздействием лучистой энергии электроны полупроводника получают дополнительную энергию, которая достаточна для освобождения их от межатомных связей, что приводит к увеличению количества свободных носителей заряда. В результате проводимость полупроводника увеличивается или возникает эффект внутренней ЭДС.

Фотоэффект возникает в случае, если энергия квантов оптического излучения достаточна для перевода электронов с локального уровня валентной зоны в зону проводимости.

Энергия кванта hvи работа выхода электронаеϕoи начальная скорость вылета электронаvсвязаны уравнением Эйнштейна:

где h -константа Планка;v - частота колебаний оптического излучения;т -масса электрона.

Внутренний фотоэффект может возникнуть и при воздействии квантов с энергией, меньшей ширины запрещенной зоны полупроводника Это возможно при одновременном поглощении электроном энергии кванта лучистого потока и энергии теплового фона Е_г:

Следовательно, фотоэффект также зависит от температуры.

На основе внутреннего фотоэффекта разработан ряд приборов: фоторезисторы, фотодиоды, фототранзисторы, фотоемкости, фотовариаторы, светодиоды, оптопары (оптроны) и т.д.

Основными характеристиками этих фотоприборов являются:

1. Световая - зависимость фотопотока от интенсивности лучистого потока при неизменном спектральном составе и постоянстве напряжений между электродами

2. Вольтамперная характеристика (ВАХ) - зависимость фотопотока от напряжения на электродах фотоприбора при постоянстве светового потока

3. Спектральная характеристика - зависимость относительной чувствительности от длины волны излучения при постоянной величине лучистого потока и постоянном напряжении между электродами

4. Частотная — зависимость относительной чувствительности от частоты изменения интенсивности лучистого потока при постоянстве напряжения и потока

5. Температурная - устанавливающая связь между параметрами фотоприборов и изменением температуры

6. Переходная - устанавливающая реакцию фотоприбора на единичный скачок светового потока

К основным параметрам фотоприборов относятся:

1. Интегральная чувствительность, устанавливающая связь между изменением фотопотока и единичным изменением фотопотока:

   2. Спектральная чувствительность, устанавливающая связь между изменением фотопотока и фотопотоком определенной длины волны:

   

   3. Внутреннее сопротивление фотоприбора постоянному току:

   

5. Темневой ток I,- ток, протекающий через фотоприбор при полном его затемнении.

1. Допустимая мощность рассеяния Р_фmax.

4. Внутреннее сопротивление фотоприбора переменному току:

Максимально допустимое напряжение затемненного фотоприбора Um max .Фотодиод - это полупроводниковый прибор, в котором используется эффект разделения на границе электронно-дырочного перехода неравновесных носителей под воздействием под воздействием энергии оптического излучения. Материалами для таких приборов служит кремний и германий. На рисунке 2.1 показано изображение фотодиода на схемах и его подключение к источнику питания.

Рисунок 2.1 - Фотодиод и его включение в цепь

При отсутствии светового потока и внешнего напряжения возникает равновесие между потоками носителей заряда через переход.

В случае падения светового потока Фнаn-область с энергией фотонов, превышающей ширину запрещенной зоны то в этой области образуются неравновесные дырки и электроны. Они диффундируют вглубь полупроводника со скоростью, определяемой коэффициентом диффузии не основных носителей-дырок. Если ширинаn-области значительно меньше диффузионной длины, то большая часть носителей заряда не успеет рекомбинировать и дойдет до границыn-р-перехода. Дырки беспрепятственно переходят вp-область, а электроны не могут преодолеть потенциальный барьер. Ток через р-n-переходi_fвызван движением дырок. Этот ток нарушает равновесие в р-n-переходе, в результате р-область заряжается положительно относительноn-области. Возникшая разность потенциалов снижает потенциальный барьер р-n-перехода и вызывает ток инжекции, направленный навстречу диффузионному токуi_f.

Ток, протекающий через р-n-переход, связан с разностью потенциаловUзависимостью:

где i_s- ток насыщения р-n-перехода;

т -коэффициент неидеальности вольтамперной характеристики (ВАХ). При отсутствии фотопотока и внешнего напряжения и при разомкнутых электродах прибора устанавливается динамическое равновесие между токомif, и инжекционным токомi_s :

Если фотодиод включить в цепь с внешним источником напряжения и сопротивлением R_H(рис, 1) и облучить световым потокомФ,то величина напряженияUна фотодиоде будет зависеть от внешнего напряженияUвн и воздействия излучения. Эти величины будут связаны следующей зависимостью:

Знаки «+» и «-» относятся к прямому и обратному включению внешнего напряжения U_внпо отношению к р-n-переходу.

Фотодиод (ФД) может работать в двух режимах: вентильном (фотогенераторном) и фотодиодном. При работе в фотодиодном режиме к фотодиоду прикладывается обратное напряжение значительно большее фото- ЭДС. В фотодиодном режиме внутреннее сопротивление фотодиода велико (р-n-переход заперт), и ток нагрузки не зависит от величиныRнв широком диапазоне его изменения, что является преимуществом такого режима работы. В вентильном режиме работы фотодиода отсутствует внешний источник напряжения. В этом случае величина токаiбудет связана следующей зависимостью:

При R_H= ∞ (холостой ход), величина напряжения на р-n-переходе равна вентильной фото-ЭДС<р_ϕ

_в.

Если R_H= 0 (режим короткого замыкания), напряжение на выводах фотодиодаU=0,и ток во внешней цепиi-i_f.

В фотодиодном режиме фотодиод заперт, так как внешний источник создает обратное напряжение на р-n-переходе

|U|»ϕ_T и ток i = if + i_s .

- температурный потенциал;

В случае малых напряжений |U|<<ϕ_T, ток

где

соответствует дифференциальному сопротивлению р-n-

перехода в точке U ≈ 0.

На рисунке 2.2 показано семейство ВАХ фотодиода и эквивалентная схема фотодиода.

а) б)

Семейство ВАХ фотодиода (ФД) Эквивалентная электрическая

схема фотодиода (ФД)

Рисунок 2.2

Генератор тока соответствует фототоку i_f, параллельно генератору включен р-n-переход, нагрузка и внешний источник напряжения.

Зависимость тока i, от величины лучистого потока Ф называется люксамперной характеристикой (ЛАХ) фотодиода if = f(Ф).

В фотодиодном режиме ЛАХ линейна в большом диапазоне световых потоков (рисунок 2.3), что является достоинством фотодиода.

а) б)

Зависимость фототока Зависимость вентильной фото-ЭДС

от светового потока от светового потокаВ вентильном режиме короткого замыкания (КЗ) световая характеристика линейна в меньшем диапазоне световых потоков. Причиной нелинейности является увеличение величины тока i_Hнагрузки через сопротивлениеRн,с увеличением уровня фотопотокаФ.В результате наRн повышается падение напряженияU.Значительное отклонение от линейностиi_Hвозникает при таких уровнях светового потока, когдаUнприближается к величине контактной разности потенциалов.

Фотодиодный режим фотодиода имеет ряд преимуществ по сравнению с вентильным режимом:

а) Получение значительных напряжений на нагрузочном сопротивлении R_H, так как его можно выбрать достаточно большим и близким к сопротивлению обратно смещенного р-n-перехода и можно получить полную световую добавку токаi_f.

б) Меньшая инерционность фотодиода в фотодиодном режиме по сравнению с вентильным режимом холостого хода.

В вентильном режиме холостого хода инерционность определяется временем жизни носителей заряда, так как рассасывание неравновесных носителей происходит за счет рекомбинации.

В вентильном режиме полную световую добавку тока можно получить только в режиме короткого замыкания при условии, что R_H = 0.