3. Фоторезистори

Фоторезистори (ФР) являють собою двополюсник, змінним па­раметром якого є його опір R . При цьому опір може залежати від декількох параметрів (яскравості В, довжини хвилі λ , частоти ім­пульсів часу і, температури Т ).

Ці прилади, незважаючи; на швидкий прогрес фотоприймачів з р-n-переходом, залишаються важливим елементом приймачів оптоелектроніки, що обумовлено їх простотою, значним коефіці­єнтом підсилення G .

Найважливішими параметрами ФР є коефіцієнт підсилення G, опір у темповому R_t і засвіченому R_ф станах.

Коефіцієнт підсилення G обумовлений відношенням числа електронів у зовнішньому ланцюзі до числа збуджених фотоелек­тронів:

де — час прольоту електрона через ФР; — час життя елек­трона; — ефективне значення рухливості; l — довжина актив­ної області; U — прикладена напруга.

Параметр G може досягати 10⁴... 10⁶.

Конструктивно ФР — це об’єм напівпровідника, замкнений між двома електродами 1 і 2, провідність якого змінюється під дією падаючого випромінювання (рис. 3.3).

Рис. 3.3. Поперечна (а) і поздовжня (б) конструкції фоторезисторів та їх позначення на схемах (в)

Можливі поперечна й поздовжня конструкції фоторезисторів. У першому випадку електричне поле Е, що прикладається, і на­прям падаючого світла В взаємноперпендикулярні, у другому — паралельні.

У поздовжньому варіанті необхідно мати оптично прозорі кон­такти.

Поперечний ФР до частот порядку десятків і сотень мегагерц являє собою омічний опір.

Спектральні характеристики фоторезисторів визначаються ти­пом напівпровідника й уведеними в нього домішками. Максимум спектральної чутливості перебуває в межах 500... 1000 нм.

Ширина спектральної характеристики по половинних рівнях змінюється в широких межах залежно від домішок.

Характерний недолік фоторезисторів — значна інерційність.

Способи виготовлення фоторезисторів зводяться до вирощуван­ня монокристалів, одержання об’ємних порошкових зразків, на­пилювання плівок у вакуумі.

Тонкоплівковий спосіб може забезпечити більшу швидкодію, однак відтворюваність і часова стабільність кращі при товстоплів- ковій технології.

3.4. Фотодіоди

1. Принцип дії фотодіодів, характеристики, параметри

Фотодіоди являють собою р-п-перехід, робота якого описується співвідношенням

, (3.3)

де — щільність відповідно фотострумів і зворотного струму p-n-переходу, що обумовлена неосновними носіями струму в напів­провіднику; j₀ = А ехр (-ΔW / kТ ) —щільність зворотного струму насичення; ΔW — ширина забороненої зони напівпровідника; е — заряд електрона; U — напруга на «.-переході.

Режим роботи фотодіода залежить від напруги (зсуву) й опору навантаження R_н. У першому випадку розрізняють вольтаїчний (фотовентильний) при нульовому й фотодіодний при зворотному зсувах режими роботи.

У другому — можливі лінійний ( R_н багато менший диференці­ального опору фотодіода) і логарифмічний (R_н ~ 10¹¹ Ом) режими.

У фотодіодному режимі спостерігаються більш висока швидко­дія, краща стабільність, більший динамічний діапазон. Недоліком цього режиму є темповий струм, значення якого змінюється при коливаннях температури. При цьому може спостерігатися й над­лишковий шум, що зникає при нульовому зсуві.

Вольтамперна характеристика фотодіодів (3.4) схожа на ВАХ звичайного діода, але робочою є ділянка з від’ємним зміщенням. Залежно від освітленості зворотній струм фотодіода буде малий (темновий струм — за відсутності освітлення), або пропорційний світловому потоку.

Світлова характеристика фотодіода лінійна в широкому діапа­зоні освітленості.

Основні параметри фотодіодів:

1. Поріг чутливості (рівень мінімального сигналу, який реєструється фотодіод ом, віднесений до одиниці полоси робочих частот) досягає 10^-14 Вт/Гц^1/2.

2. Рівень шумів зазвичай не вищий 10^-9 А.

3. Діапазон спектральної чутливості — від 0,3 до 15 мкм.

4. Спектральна чутливість (фотострум, віднесений до потока падаючого монохроматичного випромінювання із заданою довжи­ною хвилі) — 0,5 ... 1 А/Вт.

5. Інерційність (час установлення фотоструму) — 10^-7 ... 10^-9 с (р-і-n-структури — до 10^-10 с).

6. Електричні параметри: робоча напруга U, граничний струм І, максимальна потужність Р тощо.

Основний недолік фото діода — малий коефіцієнт підсилення.

Швидкодія фотодіода визначається процесами, пов’язаними з поділом пари електрон — дірка, що виникла при поглинанні випромінювання полем р-?г-переходу, та переміщенням носіїв че­рез р-n-перехід до контактів. Термін цього руху досить малий (10^-7 ... 10^-10 с), що значно краще, ніж у фоторезисторів.

Для ефективної роботи фотодіода необхідно, щоб основна части­на фотонів поглиналася в збідненому шарі. Глибина проникнення фотона в напівпровідник тим більша, чим більша довжина хвилі. Тому для забезпечення широкої спектральної характеристики не­обхідно мати тонкий р-шар і товстий збіднений шар для одержання фотоструму від довгохвильових фотонів. Для зменшення послі­довного опору при збереженні максимальної ширини збідненої області одна область легується значно сильніше за іншу. Тоді збід­нений шар формується практично на менш легованій стороні пере­ходу. У результаті створюється асиметричний різкий перехід. У структурах на основі GaAs і його трикомпонентних сплавах p-об­ласть робиться тоншою й легується сильніше, ніж n-область, так що пристрій формується в основному в матеріалі д-типу, а р-шар є фактично контактним шаром.

Для такого асиметричного переходу повна щільність струму

, (3.4)

де α — коефіцієнт оптичного міжзонного поглинання; d — ширина збідненого шару; — довжина дифузії дірок; — рівноважна концентрація дірок; D_р — коефіцієнт дифузії дірок.

Перша складова відповідає фотоструму із квантовою ефектив­ністю (кількість носіїв, що генерує один фотон):

. (3.5)

Друга складова являє собою зворотний струм діода (темповий струм) у результаті термічної генерації дірок у n-області.

В оптоелектроніці особливо поширені кремнієві фото діоди. їхні характеристики наведено в табл. 3.1.

Параметр	Значення
Спектральний діапазон, мкм	0, 2 ... 1,1
Час фотовідповіді, мс	Менш 5 (детектор),
	50 ... 1000 (схема з підсилювачем)
Поріг чутливості, Вт/см2	10-13
Напруга живлення, В	±6 ... ±20