2072

рок), что приводит к увеличению электропроводности ПП. У металлов это явление незаметно, так как они обладают огромной электропроводностью из-за высокой концетрации свободных электронов (10 22 см 3). Изменение электропроводности металлов под действием света незначительно.

Внекоторых ПП приборах за счет внутреннего фотоэффекта возникает ЭДС, которую принято называть фотоЭДС. Эти приборы используют как источники электрического тока.

Вопределенных условиях при рекомбинации электронов и дырок в ПП возникают фотоны. Такие приборы могут работать как источники светового излучения. Их называют светодиодами.

При совместном использовании светодиодных источников света и фотоприемников (фотодиодов, фототранзисторов, фототиристоров) получают приборы, называемые оптронами. Их часто выполняют в виде интегральных микросхем.

Фоторезисторы

Фоторезистор – это ПП прибор, сопротивление которого изменяется под действием света (рис. 8.3).

Рис. 8.3. Устройство (а) и схема включения фоторезистора (б): 1 – диэлектрическая пластина; 2 – тонкий слой фоточувствительного ПП; 3 – контакты

Если световой поток Ф 0, то фоторезистор обладает довольно боль-

шим (темновым) сопротивлением RT 104 107 Ом. Под действием светового облучения с достаточной энергией фотонов в ПП образуются подвижные «электрон-дырки», а сопротивление прибора уменьшается. Фоторезисторы обладают линейной вольт-амперной характеристикой (рис. 8.4). Кратность изменения сопротивления фоторезисторов под действием света достигает 500.

Основные недостатки: значительная зависимость сопротивления от температуры и сравнительно большая инерционность из-за медленной ре-

101

зисторов используют в основном примесные ПП: сернистый кадмий, сернистый свинец, селенистый кадмий, селенистый теллур и др.

Фотодиоды

Фотодиодом (ФД) называют ПП диод, обратный ток которого изменяется под воздействием света. Он имеет двухслойную структуру, содержащую один p–n-переход (рис. 8.5) и изготовленную на основе германия, кремния, арсенида галлия и др. ФД получили разнообразное применение в измерительной аппаратуре, вычислительной технике, автоматике. Различают два основных режима работы ФД: фотодиодный (с внешним источником питания) и фотогальванический, или фотогенераторный (без внешнего источника питания).

а

Рис. 8.5. Фотодиод: а – устройство; б – условное графическое и позиционное обозначение в схемах

Работа в фотодиодном режиме

При обратном смещении p–n-перехода через неосвещенный ФД протекает небольшой обратный ток, называемый темновым током IT . Этот ток

102

создается движением неосновных носителей, преодолевающих потенциальный барьер при данной температуре. Под воздействием света в n-области ПП образуются пары «электрон – дырка», что приводит к увеличению обратного тока (рис. 8.6).

Рис. 8.6. Работа фотодиода в фотодиодном режиме: а – схема включения ФД;

б– перемещение носителей зарядов в ФД (1 – неосновные носители, 2 – образование пар «электрон – дырка» под действием света)

Семейство вольт-амперных характеристик ФД IФ f Uобр при

Ф const показано на рис. 8.6. При Ф 0 (затемненный режим) характеристика имеет такой же вид, как обратная ветвь ВАХ обычного диода. С ростом Ф растет обратный ток через ФД IФ .

Величина IФ слабо зависит от Uобр , так как количество носителей за-

рядов, проходящих через p–n-переход в обратном направлении, определяется в основном величиной светового потока Ф. Однако увеличение обратного напряжения может привести к пробою фотодиода.

Световая характеристика ФД – это зависимость фототока от светового потока при постоянном напряжении на ФД (см. рис. 8.6).

IФ f Ф при Uобр const.

Темновой ток IT весьма мал, особенно у кремниевых фотодиодов. Световые характеристики ФД практически линейны, причем их наклон мало зависит от приложенного напряжения Uобр.

Спектральная характеристика показывает зависимость спектральной чувствительности S от длины волны светового излучения (рис. 8.7). Кремниевый ФД имеет максимум чувствительности в области красного и

103

а вместе с эмиттером он получает дополнительные свойства, значительно увеличивающие его чувствительность к световому потоку.

При Ф 0 протекает очень малый ток коллектора. Это обусловлено тем, что лишь небольшое число дырок преодолевает барьер перехода «эмиттер – база», частично доходит до перехода «база – коллектор» и за счет экстракции попадает в область коллектора, образуя темновой ток IT (рис. 8.10). Этот ток тем больше, чем выше температура. Другие дырки накапливаются в области базы, образуя объемный положительный заряд. Это увеличивает потенциальный барьер эмиттерного перехода и препятствует дальнейшему росту темнового тока через транзистор.

Рис. 8.10. Физические процессы в фототранзисторе

При облучении базовой области в ней за счет световой энергии разрушаются ковалентные связи и образуются электронно-дырочные пары. Дырки за счет экстракции втягиваются полем коллекторного перехода, создавая ток IФ , как в фотодиоде. Однако этим процесс не ограничивается. Электроны, освобожденные фотонами света из ковалентных связей, накапливаются в базе n-типа около эмиттерного перехода и понижают его потенциальный барьер. В результате увеличивается количество дырок, инжектируемых из эмиттера в базу. Их экстракция из базы в коллектор вызывает дополнительный ток I'K , который много больше тока IФ . В схеме с общим эмиттером общий ток коллектора фототранзистора со свободной базой:

108

IK I'K IФ IT IФ IФ IT IФ 1 IT ,

где – коэффициент усиления по току.

Вольт-амперная характеристика ФТ – это зависимость тока коллек-

тора IK от напряжения Uкэ при Ф const (рис. 8.11). Световые характе-

Фототиристоры

Фототиристор – ПП прибор, имеющий четырехслойную структуру с выводами (рис. 8.12). Фототиристор, как и обычный тиристор, имеет структуру р–п–р–п и три p–n-перехода. При указанной полярности источника постоянного напряжения Ea, подключаемого к тиристору через резистор нагрузки, два крайних перехода (П1, П3) оказываются под прямым напряжением, а средний (П2) – под обратным.

Величина рабочего напряжения Uак выбирается так, чтобы неосвещенный тиристор был закрыт. Включение тиристора осуществляется световым потоком Ф.

Фототиристор устроен так, что свет падает на внутренние слои p2 и n1, в которых за счет энергии фотонов происходит образование пар «электрон – дырка». Дырки из области n1 переходят за счет экстракции в область p2 , а электроны из области p2 переходят в область n1.

При этом с ростом Ф возрастает ток во внешней цепи.

При определенной величине светового потока тиристор включается. Вольт-амперные характеристики фототиристора I f Uак при Ф const аналогичны ВАХ обычного тиристора (рис. 8.13), но каждая из них соответствует определенной величине светового потока Ф.

109

Рис. 8.12. Фототиристор: а – структура и схема включения; б – условное графическое и позиционное обозначение в схемах

Светоизлучающие диоды

Светоизлучающий диод или светодиод (СД) – ПП прибор с одним p–n-

переходом, в котором осуществляется непосредственное преобразование электрической энергии в энергию светового излучения. Принцип действия СД основан на излучении света p–n-переходом некоторых полупроводников. Излучение возникает в связи с рекомбинацией электронов и дырок, инжектируемых через p–n-переход при прямом напряжении на диоде. СД имеет двухслойную структуру (рис. 8.14). При отсутствии напряжения на p–n-переходе так же, как в обычном диоде, образуется потенциальный барьер за счет диффузии подвижных носителей зарядов.

В чистых и примесных ПП наряду с генерацией электронно-дырочных пар происходит и обратный процесс – рекомбинация электронов и дырок с

110