Вопрос 17: Фотоприемники. Фотоэлектрические явления.

Ф отоприемники преобразовывают световое излучение в электрические сигналы.

Р азличают:

• ф отодиоды

• ф оторезисторы

• ф ототранзисторы

• ф ототеристоры

При подборе фотоизлучений и фотоприемников нужно согласовать их спектральные ха­рактеристики. Фотоэлектрические явления, на основе которых они строятся, следующие:

1. внутренний фотоэффект (изменение электропроводности вещества при его освещении)

2. фотоэффект в запирающем слое (возникновение ЭДС на границе двух материалов под действием света)

Подробно (типы фотоприемников):

1. фоторезистор – используется внутренний фотоэффект под воздействием инфракрас­ного, видимого, ультрафиолетового излучения. Основной элемент – полупроводнико­вая пластина, изменяющая проводимость под действием освещения. В затемненном полупроводнике под действием тепловой энергии имеется некоторое количество под­вижных носителей заряда под действием тепловой энергии. Темновая (начальная про­водимость): α₀ = q * (n₀ * μ_э + p₀ * μ_p), где n₀ и p₀ – концентрация, μ – подвижность. Под действием света n₀ и p₀ возрастают. Увеличивается α на Δр и достигает значения: α_ф = α – α₀ – фотопроводимость

Сменяя яркость, меняют проводимость.

Конструктивно: это пластина полупроводника, на поверхность которого нанесены электроды.

П оперечная конструкция: Продольная конструкция:

Исходный материал: сернистый талий, сернистый теллур и др.

Основный параметр – ВАХ.

I (А) φ_i

φ = 2

φ = 1 разность

U I_об

I_т φ = 0

U (В)

г де φ – световой поток (в люменах)

ВАХ – зависимость U (I) при различных φ.

I_т – темновой ток.

I_об – I_т = I_{фототок}

Ещё одна характеристика – энергетическая (зависимость I_ф от потока φ).

I _ф

Показывает зависимость при каком-то постоянном на­пряжении.

U

Третья характеристика – чувствительность S. S = I_ф / ф. Если это приведено к 1 В, то есть ещ1 удельная интегральная чувствительность: S = I_ф / фU [мА / В* люм]. Составляет десятки долей.

Четвертая характеристика – граничная частота f_гр (10³ – 10⁴ Гц)

Пятая характеристика – температурный коэффициент фототока (10^-3 – 10^-4 на каждый гра­дус Цельсия)

2. Фотодиоды. Структура обычного p – n – перехода. Читать в учебнике.

Неосновные носители перебрасываются через переход, где они являются основными. Этот эффект называется полный фототок. Т.е. при освещении полупроводника по обе стороны перехода увеличивается концентрация неосновных носителей. Снижается потенциальный барьер, возникает, следовательно, ЭДС, на величину которой снижается потенциальный барьер, называется фотоЭДС. ФотоЭДС используется для создания тока в нагрузочном сопротивлении.

– +

R_u Ток пропорционален освещенности.

При отсутствии освещения темновой ток. При освещении возрастает ток неосновных но­сителей, и возрастает ток. Характеризуется ВАХ для фототока.

Материал: германий, кремний, селен, сернистое серебро, сернистый таллий.

I

p

n

U

Основная энергетическая характеристика:

I _р R = 0

R₁

R₂

ф

Спектральная характеристика S_λ зависит от длины волны. Охватывает всю видимую часть спектра 300 -750 нм ультракрасный спектр. Частотная характеристика:

S_ф

0.75 f_гр = 10⁷ Гц.

f_гр f

В настоящее время разработаны быстродействующие и чувствительные светодиоды, со встроенным электрическим полем на основе н – и – п – слоев, на основе диода Шоттки; лавинные фотодиоды – под действием светового облучения носителей заряда лавинно размножаются в области p – n – перехода, и ток в цепи возрастает по сравнению с обыч­ным током в М раз, где М – коэффициент лавинного умножения носителя. М = 10 – 10⁴, граничная частота до 10¹² Гц.

3. Ф ототранзистор – комбинация фотодиода и обычного транзистора. Характеристика аналогична диоду, но токи очень усиленные.

I_ф

Н апряжение питания как на обычном транзисторе, база оторвана. Это нужно для того, чтобы при освещенности нулевой ток был очень мал. В базе диффундируются дырки. Коэффициент усиления по фототоку k_у.ф. = (1 + h₂₁). Полоса пропускания 10⁵ Гц. И зготавливают полевые фототранзисторы, которые по своим характеристикам ближе к фоторезисторам, чем биполярным транзисторам. Ограниченная частота 10⁸ Гц. Между источником излучения и фотоприемником имеется среда, которая выполняет функции световода. Чтобы уменьшить потери на отражение от границы раздела светоиз­лучателя и проводящей среды, эта среда должна обладать большими коэффициентами преломления. Такие среды называются инверсионными. Кроме того, вещество должно быть прозрачным в рабочей области. Применяются свинцовые и селеновые стекла.

И

Арсенид галлия (Ga, ASn)

нверсионная среда

Селеновое стекло

р

n

n

Ф отоприемник

Волоконная оптика основана на передачи света с помощью тонких нитей стекла или спе­циальной пластмассы. След передается по отдельному волокну, не выходя за его пределы из-за полного внутреннего отражения.

отражатель

n₂

n₁

Распространяясь вдоль волокна, луч света многократно отражается, поэтому эффективная светопередача зависит от качества изготовления волокон, неровностей поверхности, от коэффициента поглощения материала. Удельное сопротивление от 10¹⁴ (прекрасный изо­лятор). Можно использовать для передачи электрического сигнала. Длина световода лю­бая, ограничена лишь ……………светового потока. На каждые 10 м. приблизительно 3 – 4 % потери света. Диаметр от долей до сотен микрометров. Для интегральных опто – электрических схем – пленочные Световоды, выполненные на стеклянной подложке. Из­готавливаются при помощи вытравливания подложек канала и т.д. В простейших оптро­нах – прямая оптическая связь. В качестве источника излучения –инжекционные свето­диоды. Оптрон:

В закрытом состоянии не менее 10¹⁰ Ом, а в открытом – сотни Ом, а R_связи > 10¹⁴ Ом.

30Д101А – оптрон диодный.

– ключ

Т ранзисторный оптрон:

– коммутатор

Оптрон заменяет громоздкие трансформаторы. Изготавлива­ются оптроны со встроенными преобразователями на одной подложке:

249 ЛП 1 А (В)

R 262 КП 1 А