14.3 Напівпровідникові фотоприймачі

Фотоприймачі призначені для перетворення світлових сигналів в електричні. В 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.

14.3.1 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 (рисунок 14.5, а).

Рисунок 14.5 – Будова (а), схема ввімкнення (б) та статична характеристика (в) фоторезистора

Схема вмикання фоторезистора до електричного кола показана на рисунку 14.5, б. Увімкнення Е не залежить від полярності, оскільки фоторезистор не має вентильних властивостей.

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

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

= + , (14.1)

де - коефіцієнт пропорційності;

- світловий потік;

- темновий струм (темновий опір фоторезистора – сотні кілоомів).

Залежність = ( ) при = відповідно до формули (14.1) показана на рисунку 14.5, в.

При низьких рівнях освітлення залежність = ( ) можна вважати лінійною

= + (14.2)

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.

14.3.2 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 фотодірка переміщується до області , а фотоелектрони – до області . При цьому створюється фотоЕРС = (0.1 - 1) В, залежність якої від світлового потоку показана на рисунку 14.6.

Рисунок 14.6 – Залежність фотоЕРС від світлового потоку

Під дією цієї фотоЕРС у зовнішньому колі фотодіода проходить фотострум , що збігається за напрямком зі зворотним струмом переходу (рисунок 14.7).

Рисунок 14.7 – До пояснення принципу дії фотодіода

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

= ( ) - , (14.3)

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 зображена на рисунку 14.8.

Рисунок 14.8 – 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 = 0 можна знайти з формули (14.3)

= .

Це фотоЕРС знаходять також з ВАХ рисунка 14.8.

Фотодіоди використовують у двох режимах: вентильного фотоелемента (рисунок 14.9) та фотодіодному (рисунок 14.10).

Рисунок 14.9 – Режим вентильного фотоелемента

Рисунок 14.10 – Фотодіодний режим

У першому режимі фотодіод використовують як джерело струму, датчик, генеруючий ЕРС , в чутливому індикаторі випромінювання або сонячній батареї. Фото ЕРС може досягати 1 В. У цьому режимі робоча точка пересувається вздовж осі на ВАХ рисунку 14.8 залежно від інтенсивності світла.

Рисунок 14.11 – Спектральна характеристика германієвого фотодіода

У другому режимі (рисунок 14.10) фотодіод працює на зворотній 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 .

Фотострум залежить не тільки від потоку , а й від довжини хвилі світлового випромінювання, яке діє на p-n – перехід. Цей факт ілюструє спектральна характеристика рисунку 14.11.

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.