2. Фотопровідність

Фотопровідність, яка обумовлена освітлюванням напівпровід­ника, визначається рівнянням

, (3.2)

де β — квантовий вихід; η — коефіцієнт поглинання світла; І — інтенсивність світлового потоку; , — рухливість електронів і дірок відповідно; , — час життя електронів і дірок відповідно.

З рівняння (3.2) випливає, що досить високу світлочутливість мають напівпровідники з високими значеннями рухливості й часу життя носіїв заряду.

Рис. 3.2. Спектральна чутливість фотодіодів (1 — теоретична,

2 — реальна)

Слід зазначити, що в опто­електроніці домішкова про­відність проявляється значно слабкіше, ніж власна. При­чина — низька концентрація домішкових атомів у порів­нянні з концентрацією ато­мів основного матеріалу.

Тому λ_гр визначається шири­ною забороненої зони напів­провідника. В області ліво­руч λ_гр (-0,4 мкм для Sі і Gе) більшість напівпровідників має квантовий вихід (число електронно-діркових пар, які генеруються при поглинанні одного кванта енергії) близько одиниці. Спектри власної фоточутливості S_λ однотипні для більшості напівпровідників (рис. 3.2).

2. Класифікація й характеристики фотоприймачів

В оптоелектронних приладах найчастіше використовується пряме детектування оптичного сигналу, хоча існують також фотоприймальиі пристрої з гетеродинуванням. Вони мають дещо вищу чутливість, але дорожчі та складніші за пристрої з прямим детектуванням.

ФП, що виконує декілька перетворень прийнятого ОПТИЧНОГО сигналу, називають фотоприймальним пристроєм (ФПП). ФПП можуть виконувати таке:

• вибір та посилення за допомогою оптичної системи вхідного сигналу;

• детектування оптичного сигналу;

• посилення та обробка (фільтрація, запам’ятовування) сигналу;

• оптимальне електричне узгодження з наступними електрич­ними пристроями.

За необхідністю до ФПП включають елементи охолодження, термостабілізації, стабілізації робочої точки, комутації (в багато­елементних ФПП) тощо.

Розглянемо основні різновиди напівпровідникових фотоприй- мачив:

1. Елементарні пристрої:

• фоторезистори (ФР);

• »фотодіоди (ФД):

а) р-і-п-структури;

б) прилади з бар’єром Шотткі;

в) гетерофотодіоди;

г) лавинні фотодіоди;

• фототранзистори;

• фототиристори.

2. Багатоелементні пристрої:

• лінійки фотоприймачів;

• матричні фотоприймачі (П3З- і КМОН-структури).

Основними характеристиками фотоприймачів є: залежність фотоструму від світлового потоку, спектральна, частотна, вольт- амперна характеристики.

Найважливіші параметри фотоприймачів — чутливість (інте­гральна S₀ та спектральна S_λ), робочий діапазон спектра Δλ , робоча напруга U та струм І, інерційність та рівень шумів.

Оскільки оптоелектронні випромінювачі зазвичай працюють у видимій та ближній ІЧ-області й мають вузькі спектри випро­мінювання, форма кривої спектральної чутливості для фотоприй­мачів не має істотного значення. Важливо, щоб чутливість прила­ду S₀ була максимальною на даній робочій довжині хвилі.

Для спектрального діапазону в оптоелектроніці (видима й близька ІЧ-область) фотоприймачі виготовляються на основі матеріалів Sі, А^IIВ^VІ (Іn, ІnSе, Іп_x С_1-x , Sе, Сd, СdSе, СdТе, СdS_x , CdSe_x Tе_1-x , ZnS, ZnSе, ZnSе_xTе_1-x)

Фотоприймачі на основі матеріалів А^II В^VI добре узгоджуються за спектральними характеристиками з електролюмінофорами. Об­ласть спектральної чутливості фотоприймачів типу СdS, його аналогів (СdТе, CdSe) і твердих розчинів на їхній основі перекриває всю видиму частину спектра від 400 до 900 нм. Інтегральна чутливість на цих матеріалах досить висока й становить 0,1 ... 10 А/лм • В.

У результаті опір при освітленостях 10²... 10³ лк змінюється 7 Я в межах 10⁷ ...10⁸ разів.

Рівень припустимої інерційності для стандартних приладів ха­рактеризується значенням часу перемикання: для стандартних приладів τ = 10^-5... 10^-8 с; швидкодіючих 10^-10... 10^-12 с.

На час перемикання істотно впливає опір навантаження: з його збільшенням визначальними стають процеси перезарядження па­разитних ємностей. У той же час зменшення вхідних опорів під­силювачів не дозволяє реалізувати мінімально можливе відно­шення сигнал/шум. Зокрема, для досягнення порога чутливості типових кремнієвих фотодіодів необхідні підсилювачі з вхідним опором ~10⁷ ...10⁹ Ом і при цьому постійна часу не може бути менш 10^-4... 10^-5 с.