17.1. Приемники излучения.
К числу полупроводниковых приемников излучения (детекторов) относятся фоторезисторы, фотодиоды, фототранзисторы, и другие приборы.
В основе работы приемников излучения лежит явление внутреннего фотоэффекта, при котором кванты света выбивают электроны из атомов полупроводника. Ставшие свободными электроны создают дополнительный ток в материале при подаче на него напряжения.
В фотодетекторах на p-n-переход подается обратное напряжение. В темноте обратный ток через диод достаточно мал. При освещении перехода увеличивается число «выбитых» квантами света электронов и образовавшихся на их месте дырок. Увеличивается обратный ток перехода, причем его величина зависит от освещенности перехода: Iобр=f(Ф), где Ф – световой поток. На этом основана работа фотодиода, к которому подключается источник обратного напряжения через сопротивление нагрузки. При увеличении светового потока увеличивается обратный ток и растет падение напряжения на нагрузке. Обозначение фотодиода на схемах и схема с фотодиодом приведены на рис.17.1 (а,б).
Рисунок
17.1 - Схемное обозначение фотодиода-приёмника
излучения (фотодетектора)
Технология изготовления фотодиодов почти не отличается от технологии изготовления обычных полупроводниковых диодов. На кристалле полупроводника создают слои с р и n проводимостями. Один вывод образует контакт с подложкой, а другой – тонкий, прозрачный слой металла. Разработаны более чувствительные и быстродействующие фотодиоды с четырехслойными гетеропереходами, с барьером Шотки, кремниевые p-i-n-диоды, которые все более вытесняют фотодиоды с p-n-переходом. Структура p-i-n-диода(см.рис.17.2) содержит слои полупроводника с р и n проводимостями, разделенные очень тонким i-слоем окиси кремния – изолятором. Обратный ток перехода в p-i-n-структуре чрезвычайно мал, что увеличивает чувствительность к слабым световым потокам. Энергия носителей заряда, возбужденных квантами падающего света, оказывается вполне достаточной, чтобы преодолеть тонкий слой изолятора и создать фототок.
Рисунок
17.2 - Упрощённая структура p
i
n
фотодиода
Ниже приводятся наиболее распространённые структуры фотодетекторов.
Рисунок
17.3 - структура p
i
n
фотодиода с просветляющим покрытием
()
Также широко используются фотодетекторы, работающие в предпробойном напряжении. У такого прибора, работающего при высоких напряжениях, электрическое поле достигает такой величины, что рождённая фотоном электронно-дырочная пара, приобретает в поле энергию, достаточную для создания новой пары и т.д. (эффект лавины). Исходный фототок усиливается (обычно в сотню раз) и таким прибором можно регистрировать очень малые интенсивности света. Типовая структура лавинного фотодиода приведена на рис.17.4
Рисунок
17.4 - структура лавинного фотоприёмника
Работа фототранзистора также основана на фотопроводимости. В транзисторе с «оторванной» базой (IБ=0) коллекторный ток равен
При облучении базы или области коллекторного перехода изменяется обратный ток IКБ0, и следовательно и коллекторный ток. Мощность сигнала в транзисторе с ОЭ из-за большей величины обратного тока (в β+1 раз) , чем в фотодиоде, при том же уровне напряжений источника питания. Таким образом, чувствительность фототранзистора выше.
Примерная и обозначение структура фототранзистора приведены на рис. 17.5.
Рисунок
17.5 - структура npn
фототранзистора и его схемное изображение
От обычного биполярного транзистора фототранзистор отличается только тем, что у него в области эмиттерного перехода имеется прозрачное окно, пройдя которое свет попадает в базу. Образовавшиеся благодаря квантам света носители заряда создают ток базы.
К пассивным типам фотоприемников можно отнести фоторезисторы. Они изготавливаются из полупроводника, но без p-n-перехода, то есть фоторезисторы ведут себя как обычные омические сопротивления. Темновое сопротивление фоторезистора обычно велико и может достигать нескольких мегаом. Под действием света в толще полупроводника появляются свободные носители заряда, резко снижающие сопротивление фоторезистора (см. рис.17.6).
Рисунок
17.6 - схематичное изображение фоторезистора