4 Принцип действия полупроводниковых фотоприемников

Принцип действия большинства полупроводниковых фотоприемников с p–n-переходом (фотодиоды, фоторезисторы и др.) основан на пространственном разделении неравновесных электронов и дырок потенциальным барьером неоднородной полупроводниковой структуры.

Поведение неравновесных носителей зависит от того, где они возникают, т.е. в каком месте структуры поглощается излучение. Для каждой области важным является поведение неосновных носителей, поскольку именно их плотность может изменяться при засветке в широких пределах. Плотность основных носителей с обеих сторон границы раздела полупроводников практически остается неизменной. Если излучение поглощается в p-области, то электроны, находящиеся на расстоянии от p–n-перехода, меньшем длины диффузии Ln, смогут достигнуть его. Потенциальный барьер способствует переходу электронов в n-область. Аналогично, если излучение поглощается в n-полупроводнике, то через переход в p-область перебрасываются только дырки. Если же пары генерируются в области объемного заряда, то после перехода «разводит» носители заряда таким образом, что они оказываются в той области структуры, где являются основными. Таким образом, p – n-переход играет роль стока неосновных носителей заряда.

Результатом пространственного разделения неравновесных носителей заряда является уменьшение потенциального барьера перехода. Это можно представить, как следствие частичной нейтрализации объемного заряда p-n-перехода. Уровни Ферми в объеме полупроводниковой структуры оказываются смещенными друг относительно друга на величину ΔU. Разность потенциалов ΔU, возникающая на контактах диода, зависит от сопротивления внешней цепи и достигает максимального значения при ее разрыве (режим холостого хода).

Фотоэлектрические приборы с p–n-переходом могут работать в фотовентильном и фотодиодном режимах. В приборах с фотовентильным режимом работы (фотоэлементах) возникает фото-ЭДС и фотоэлемент становится источником электрической энергии. В приборах с фотодиодным режимом работы (фотодиодах) электрический переход смещается внешним напряжением в обратном направлении. Световой поток лишь увеличивает обратный ток перехода на величину фототока.

Генерация вентильной фото-ЭДС при засветке p–n-перехода является основой функционирования фотоэлектрических преобразователей энергии, например солнечных батарей и фотоприемников, работающих в вентильном режиме. Однако одним из наиболее широко используемых в фотоприемниках вариантом включения p – n-перехода является фотодиодный режим работы, когда на переход подается запирающее напряжение.

5 Характеристики фотоприемников

Вольт–амперная характеристика отражает зависимость тока, проходящего в цепи фотоприемника, от напряжения на нем.

Спектральная характеристика определяет реакцию фотоприемника на воздействие излучения с различной длиной волны. Она определяет спектральную область применения приемника, а также его спектральную и интегральную чувствительности. Ниже будет рассмотрена экспериментально спектральная характеристика фотодиода.

Энергетическая (световая) характеристика отражает зависимость фотоответа от интенсивности возбуждающего потока излучения (ампер – ваттная, вольт – ваттная, люкс – амперная характеристики). Энергетической характеристикой называют также зависимость интегральной или спектральной чувствительности приемника от интенсивности засветки.

Температурные характеристики определяют зависимость ряда параметров (темновой ток, темновое сопротивление, чувствительность и др.) от температуры окружающей среды.

Пороговые характеристики описывают способность фотоприемника реагировать на световые сигналы слабой интенсивности. В значительной степени эти характеристики определяются собственными шумами прибора.

Частотные характеристики определяют зависимость фоточувствительности от частоты модуляции света. Они являются характеристикой инерционности фотоприемника.