7.3. Фотоелектричні напівпровідникові приймачі випромінювання

7.3.1. Внутрішній фотоефект

До фотоелектричних напівпровідникових приймачів випромінювання належать оптоелектронні прилади для перетворення енергії оптичного випромінювання в електричну енергію. Коротка їх назва – фотоприймачі. У таких приладах під дією оптичного віпромінювання змінюються електрофізичні параметри фотоприймача внаслідок утворення додаткових вільних носіїв заряду в напівпровіднику. Як уже відзначалося, такий процес називають внутрішнім фотоефектом або фотоелектричним ефектом. У твердих та рідинних тілах можливий також зовнішній фотоефект, коли поглинання фотонів спричинює виліт електронів за межі тіла (наприклад, у вакуумних фотоелементах).

Оптичне випромінювання, взаємодіючи з кристалом напівпровідника, частково поглинається, частково відбивається від його поверхні або проходить через кристал без поглинання.

Поглинання випромінювання в напівпровідниках оцінюють глибиною поглинання χ, яку визначають як товщину шару напівпровідника, після проходження якого потік випромінювання зменшується в е = 2,718 раза. Залежність глибини поглинання від енергії випромінювання або довжини хвилі випромінювання називають спектром поглинання або спектральною характеристикою поглинання. Величина, зворотна глибині поглинання 1/χ, називається коефіцієнтом поглинання.

Ефективність поглинання оцінюють квантовим виходом напівпровідника – відношенням кількості створених в ньому нерівноважних надлишкових носіїв до кількості поглинутих фотонів.

Для підвищення фотопровідності напівпровідника необхідно збільшувати коефіцієнт поглинання, квантовий вихід, тривалість життя носіїв і зменшувати коефіцієнт відбиття. У фотоприймачах залежно від структури напівпровідника виникають два типи внутрішнього фотоефекту: ефект фотопровідності та фотогальванічний ефект.

Ефект фотопровідності зумовлює створення нерівноважних надлишкових носіїв. Результатом зміни їх концентрації є збільшення провідності напівпровідника. Цей ефект використовують у фоторезисторах. У металах явище фотопровідності майже не спостерігається, оскільки у них величезна концентрація електронів провідності (приблизно 10²² см^–3), яка вже не може помітно змінитися під дією випромінювання.

Фотогальванічний ефект виникає в напівпровідниках із внутрішнім потенціальним бар’єром, який, як відомо, виникає в p-n‑переходах, на контактах метал – напівпровідник, в гетеропереходах. Цей ефект використовується в фотодіодах, фототранзисторах, фототиристорах та інших фотоприймачах з електричними переходами.

7.3.2. Фоторезистори

Фоторезистор – це фотоелектричний напівпровідниковий приймач випромінювання, принцип дії якого ґрунтується на ефекті фотопровідності.

С труктуру фоторезистора показано на рис. 7.6, а, а схему вмикання – на рис. 7.6, б. На діелектричну пластину 1 наносять тонкий шар напівпровідника 2, по краях якого формуються контакти 3.

Якщо немає опромінення (Ф = 0), фоторезистор має деякий великий опір R_т, який називають темновим. Він є одним з параметрів фоторезистора і має значення 10⁴…10⁷ Ом. Відповідний струм через резистор називають темновим струмом (I_т).

Рис. 7.6. Фоторезистор: а – структура; б – варіант схеми вмикання

У такому режимі з підключенням зовнішнього джерела живлення Е спаду напруги на резисторі навантаження R_н майже не буде (U_вих = 0).

Умикання джерела Е не залежить від полярності, оскільки фоторезистор не має вентильних властивостей. Якщо випромінювання діє з достатньою енергією фотонів на фоторезистор, його опір зменшується до значення R_св, струм у навантажені збільшується, досягаючи значення світлового струму I_св. Різницю між світловим і темновим струмами називають фотострумом (I_Ф). На виході формується сигнал, амплітуда якого пропорційна потужності випромінювання. Як і у разі використання транзисторів за допомогою фоторезистора здійснюється керування опором, який вмикається послідовно з навантаженням в коло зовнішнього джерела живлення. Це дозволяє керувати потужністю, що поступає в навантаження, тобто реалізувати принцип реле. Керування потужністю відбувається за допомогою інформаційних сиг­налів, які в цьому випадку представлені модульованим світловим потоком, що і забезпечує переваги оптоелектроніки.

Для побудови фоторезисторів використовують різні напівпровідники, наприклад, сірчаний свинець (найбільш чутливий до інфрачервоних променів), сірчаний кадмій (чутливий до променів видимої частини спектра (рис. 7.7, б)). Фоторезистори характеризуються інтегральною та питомою чутливістю. Інтегральну чутливість визначають відношенням фотоструму до потоку білого (немонохроматичного) світла, питому чутливість – відношенням інтегральної чутливості до 1 В прикладеної напруги.

Зазвичай цей параметр досягає значень від сотень до десятків тисяч мік­роамперів на вольт-люмен. Основними параметрами фоторезистора є: світ­ловий струм I_св, що протікає через прилад за наявності робочої напруги та освітленості 200 лк від еталонного джерела світла; U_ф – робоча напруга, яку можна прикласти до фоторезистора під час експлуатації без зміни його параметрів; кратність зміни опору R_т/R_св – відношення темнового опору до опору, якщо освітленість дорівнює 200 лк; порогова чутливість Ф_н – найменший світловий потік, який викликає появу на фоторезисторі напруги, що вдвічі перевищує рівень його шумів; стала часу τ_Ф – тривалість, протягом якої фотострум змінюється в е разів під час освітлення або затемнення; довжина хвилі, що відповідає максимуму спектральної чутливості λ_max; довгохвильова межа λ₀.

Основними характеристиками фоторезистора є: вольт-амперна I_ф = f₁(U) у разі постійного світлового потоку; світлова або люкс-амперна I_ф = f₂(Ф) при постійній напрузі; спектральна I_ф = f₃(λ) – залежність фотоструму від довжини хвилі падаючого світлового потоку, якщо U_ф = = const; частотна I_ф = f₄(F_Ф) – залежність фотоструму від частоти модуляції світлового потоку, якщо U_ф = const.

До недоліків фоторезисторів слід віднести значну зележність опору від тем­ператури, велику інерційність (0,008 ... 0,2 с), що обмежує їх використання на частотах, вищий від одиниць кілогерців, а також великі власні шуми.

Дискретні фоторезистори мають малі розміри, велику чутливість і необмежений термін дії. Вони широко застосовуються в колах постійного, змінного та імпульсного струмів. Фоторезистори в безкорпусному та інтегральному варіантах з такою самою метою застосовуються в оптронах.