Фоторезисторы

П ри освещении однородного полупроводника его электропроводность увеличивается. Это явление называют фотопроводимостью, а соответствующий прибор - фоторезистором. Общий вид и схема подключения фоторезистора показаны на рис. 5.6.

Если под действием света электроны возникают только в зоне проводимости, то добавочный ток (фототок)

,

где q - заряд электрона; n_ф - концентрация неравновесных (избыточных) электронов; v_d = μE - скорость дрейфа; μ - подвижность электронов; Е - напряженность поля; S - площадь сечения образца. Если свет создает электронно-дырочные пары, то возникает и дырочная составляющая фототока.

В большинстве случаев добавочная концентрация дырок (или электронов) по сравнению с их темновой концентрацией или подвижность носителей заряда определенного знака мала в данном веществе, поэтому достаточно рассматривать фототок, связанный с носителями только одного типа. Зависимость фототока в фоторезисторе от светового потока приведена на рис. 5.7.

Ф оторезисторы изготавливают из беспримесных и примесных полупроводников. Они могут иметь в качестве чувствительного элемента монокристалл полупроводника, пленку полупроводника на диэлектрике или таблетку прессованного порошкообразного материала. Последний способ применяют, например, при изготовлении промышленных фоторезисторов из сульфида или селенида кадмия.

Фоторезисторы на основе селенида кадмия имеют темновое сопротивление 10⁶ Ом, максимум спектральной характеристики в области 0,7 мкм, работают при напряжении 20 В и имеют постоянные времени роста и спада фототока τ₁=40 мс и τ₂=20 мс. При использовании общего излучения теплового источника света с цветовой температурой 2840 К их интегральная чувствительность S_I = 600 мА/лм (при освещенности 200 лк).

Фоторезисторы на основе сульфида свинца менее инерционны (τ = 0,1 мс) и обладают высокой обнаружительной способностью D*(например, при λ_тах=2,4 мкм, F =780 Гц, ΔF =1 Гц, Т=295 К D*= 1,5∙10¹¹ см∙Гц^1/2∙Вт^-1). Понижение температуры приводит к увеличению D*.

Работают фоторезисторы от рентгеновской и УФ- до дальней ИК-области спектра. Область спектральной чувствительности определяется материалом. Фоторезисторы широко применяется в оптоэлектронных приборах. На их основе выпускаются оптронные элементы (заключенные в одном корпусе светодиод и приемник излучения). Оптроны используются в радиоэлектронной аппаратуре в качестве активных элементов, для связи отдельных частей электронных устройств в вычислительной и измерительной технике, в автоматике.

Фотогальванические элементы

Фотогальванические элементы (фотоэлементы с запорным слоем) – приемники, в которых под действием подающего излучения возникает фото-ЭДС. Они выполняются на основе полупроводниковых структур с p-n переходом. Могут работать в 2-х режимах: фотовольтаическом (источник внешнего напряжения отсутствует) и фотодиодном.

Фотовольтаический режим

Фотоэлемент с запорным слоем показан на рис. 5.8.

При падении света на p-n переход и прилегающие области возникают дополнительные пары носителей. Они движутся к переходу, попадают под действие электрического поля перехода (рис. 5.8, а).

Д ля неосновных носителей (электрон в p-области, дырка в n-области) поле перехода - ускоряющее. Для основных – поле перехода тормозящее, поэтому дырки остаются в p-области, электроны - в n-области, следовательно, в p- и n- области накапливаются избыточные основные носители. При этом возникает фото-ЭДС. С увеличением светового потока – фото-ЭДС растет не линейно.

П ри включении фотоэлемента на нагрузку возникает фототок (рис. 5.8, в). Первые такие элементы выполняли из закиси меди. В настоящее время широко применяются селеновые фотоэлементы; серноталлиевые, кремневые (преобразователи солнечного излучения в электрическую энергию – солнечные батареи). Зависимость фототока I_ф и фото-ЭДС U_ф от светового потока Ф показана на рис. 5.9.

Фото-ЭДС таких фотоэлементов составляет несколько десятых долей вольта, поэтому их часто соединяют последовательно для получения напряжения в несколько вольт (солнечные батареи для космических аппаратов и других целей).