21.4 Фотоэлектрические преобразователи. Фоторезисторы. Материалы фоторезисторов. Кремниевые и германиевые фотодиоды. P–I–n, лавинный и гетерофотодиоды. Фототранзисторы.

ФП назначению осн. на пр-пе преобразования излуч. оптич. диапазона в эл. сигнал. Оптический диап. занимает область спектра электром. излуч. от УФ (от 0,01 мкм) до ИК изл. (до 1000 мкм). Это излучение м.б как собственным излуч. исследуемого объекта, так и отраженным или рассеиваемым его пов-ю, или частично поглощенным, если тело полупрозрачно. Ряд ФП исп. принцип прерывания. Преобр-ли собственного излуч. исследуемых объектов принято называть пассивными. Они позвол. оценивать энергетические, спектральные, фазовые, поляризационные х-ки изучаемого излучения.

Преобраз., построенные на пр-пе преобразования изл. от внешнего источника, взаимод. с исследуемым объектом, называют активными. В качестве внеш.ист. в активных преобраз. используются светодиоды, твердотельные и п/п-ые лазеры, волоконно–оптические лазеры. Функцией ФП явл. преобразование оптич. излучения в эл. сигнал. Эта функция вып. разнообразными приемниками излучения, которые относятся к двум группам – собственно фотоэлектрическим и тепловым.

К фотоэл. относятся приемники с внеш. и внутр. фотоэффектами. Группу приемников с внеш. фотоэффектом сост. вакуумные и газонаполненные фотоэлементы и фотоумножители. Представителем группы с внутренним фотоэффектом являются фоторезисторы, действие кот. основано на зависимости их фотопроводимости от интенс. и спектрального состава падающего на них излучения. Технологически фоторезисторы формир. в виде поликрист. пластинок. Большой селективностью и избирательной чувствительностью х-ся монокрист. фоторезисторы. Охлаждение фоторез. повышает их чувствительность в сторону длинноволнового излучения.

Зависимость фототока в цепи ФР нелинейна, причем нелинейность зав. от освещенности. Постоянная времени прессованных резисторов наибольшая, у монокрист. – наименьшая. С ростом освещенности инерционность ум-ся. Достоинством ФР является простота их устройства и низкая стоимость, главным недост. – заметная инерционность и темп. и временная нестабильность. Варианты конструктивного вып. ФР – герметизированный металлостекл. корпус, пластмассовый корпус, бескорпусное исполнение. Материалы ФР: сульфид кадмия, селенид кадмия, сульфид свинца, селенид свинца.

Ф отоэл. приемники, в кот. под д. излучения возникает фото–ЭДС, называются вентильными фотоэл., или фотоэлементами с запорным слоем. Они вып. на основе п/п-ых p-n переходов и могут исп. не только в вентильном, но и в диодном режиме – с внешним источником обр. напряжения, поданного на фотодиод. Стр-ра фотодиода предст. на рис. 1.12. На 1.13 предст. спектральные хар-ки германиевого (1) и кремниевого (2) фотодиодов. Кремний и германий являются основными материалами для изготовления фотодиодов.

Обратный ток кремн. p-n переходов существенно меньше, чем герм. Поэтому порог чувствительности кремниевых фотодиодов порядка 10^-13 … 10^-14 Вт/Гц^1/2, германиевых – порядка 10^-12 Вт/Гц^1/2. Кремн. фотодиоды работают в более широком интервале тем-р.

В диодном режиме фотоприемники имеют преимущества по сравнению с вентильным режимом (большее быстродействие, лучшая стабильность, больший дин. диапазон, большая чувствительность в ИК–области). “-” диодного режима является наличие темнового тока.

Разнов. фотодиодов: p-i-n диоды – а, лавинные – б, гетерофотодиоды –в (рис. 1.16) и др.

В p-i-n имеются три области – сильнолег. n⁺-область, область с малой концентр. примеси (i-область) и сильнолег. р⁺-область. В лавинных фотодиодах реализуется усиление тока, обусл. умножением числа носителей за счет ионизации атомов крист. решетки. Гетерофотодиоды исп. слоистую стр-ру из разных п/п-ых материалов.

“+” этих трех реализаций: достиг. высокая чувствительность при высоком быстрод. Лавинные фотод. на основе кремния облад. внутр. усилением до 10³, высокой чувствительностью до 1 А/Вт на длине волны λ = 0,9 мкм, малой инерционностью–до 0,5 нс.

Бип. фототр. имеет два p-n перехода. Фотовоспринимающей частью явл. освещаемая часть перехода база – коллектор (рис. 1.18). Во столько же раз, во столько фоторезистор усиливает фототок и во сколько увел. интегральная чувствительность по сравнению с аналогичным фотодиодом, ум. предельная частота, т.е. произведение коэфф. усиления на ширину полосы остается неизменным и соотв. этой величине для фотодиода.

Стр-ра полевого фототр. предст рис.1.19. Такие транзисторы х-ся высоким входным сопрот. (до 10⁶ Ом) и имеют хорошие пороговые х-ки, высокое быстрод. (вследствие отсутствия инжекции и диффузионной емкости на входе). Эти фототр. имеют лучшую темп. стабильность и повыш. радиац. стойкость по сравнению с бип. Фототр.. Они имеют металлост. корпус с входным окном базы.