Добавил:
ivanov666
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз:
Предмет:
Файл:Физические основы измерений. Учебное пособие
.pdf
электроны. В другом случае электроны из валентной зоны переходят
на акцепторные уровни в запрещенной зоне (в). При этом в валентной
зоне остаются подвижные дырки. Поскольку разность энергий ED
между дном зоны проводимости и донорным уровнем, а также ЕА
между акцепторным уровнем и потолком валентной зоны
существенно меньше ширины запрещенной зоны Eg, то
соответствующие пороговые энергии квантов тоже будут меньше, чем
в случае собственной фотопроводимости.
В стационарном состоянии скорость генерации свободных
носителей равна скорости их рекомбинации. Плотность носителей
заряда без излучения зависит от температуры. Ее можно понизить,
охлаждая фотосопротивление.
Фотосопротивления используют в интервале от видимого
света до далекой инфракрасной области. В табл. 1 приведены данные
по спектральной чувствительности для некоторых полупроводников, а
также рабочие температуры детекторов. Шум фотосопротивлений
складывается из генерационно-рекомбинационного шума и теплового
шума самого фотосопротивления и сопротивления нагрузки.
Фоторезисторами называют полупроводниковые
конструктивные элементы, изменяющие свою проводимость при
изменении освещенности и не имеющие запирающего слоя. Он
относится к группе широкополосных фотоприемников и представляет
собой полоску полупроводника с двумя контактами, к которым
подключаются измерительная цепь и питание. Темновое
сопротивление высокоомных типов фотоэлементов составляет ~108
м и уменьшается при освещенности в 100 лк до 106 Ом.
О
Сопротивление низкоомных типов фотосопротивлений изменяется в
диапазоне 10-1—101 Ом. В качестве материалов светочувствительного
слоя применяют селен, сульфиды цинка, олова, кадмия, германий,
кремний, оксид меди(I) и др.
131
Таблица 6 - Характеристики фотопроводимости
Материалы с собственной
Материалы с примесной
ная
фотопроводимостью
Материал Спектральная
область, мкм
CdS 0,5—0,9 295 Ge : Au 1—9 77
PbS 0,6—3,0 295 6—29 4.2
PbS 0,7—3,8 77 7—40 4,2
PbSe 0,9—4,6 295 40—140 4,2
InSb 0,5-6,5 195
HgCdTe 2—24 77
Т, К
фотопроводимостью
Материал Спектраль-
область, мкм
Ge : Cu
Ge : Zn
Ge : Sb
Т, К
Для измерения лучше всего подходят селенисто-кадмиевые
фотосопротивления. Стабильность работы фотосопротивлений
повышается с уменьшением приложенного напряжения, т. е. при
уменьшении мощности рассеяния.
Полупроводниковая поликристаллическая или
монокристалличеекая пленка фоторезистора имеет строго заданную
форму, нанесенную на изолятор (рис. 48). В качестве изоляторов
используются ситаллы - стеклокристаллические материалы,
обладающие высокой твердостью, прочностью, химической и
термической стойкостью и низким гемпературным коэффициентом.
На фоточувствительную пленку, изготовленную из селенида кадмия,
или другого полупроводникового материала, наносятся выводящие
электроды специальной формы в виде гребенки (рис. 48 б).
132
Рисунок 48 - Фоторезистор (а) фоторезистор в разрезе, б) форма
электродов)
Фоторезистор хорошо проводит ток в обоих направлениях.
Когда световой поток фиксированной длины волны и с определенной
интенсивностью воздействует на фоточувствительный слой, то при
этом энергия квантов света передается электронам, которые переходят
в свободное состояние. Пропорционально концентрации свободных
электронов растет и электрический ток в цепи фоторезистора.
Сопротивление фоторезистора на свету составляет несколько десятков
Ом, а в темноте его величина возрастает до сопротивления
диэлектрика. Для повышения чувствительности фоторезистор
помещают в так называемую интегрирующую камеру. Световой пучок
проходит через отверстия в камере и многократно отражаясь от ее
стенок, полностью поглощается полупроводником. Являясь
простейшим фотометрическим первичным преобразоватлем,
133
фоторезистор обладает квантовым выходом близким к единице, и
способен выдерживать оптическое излучение большой
интенсивности.
На рис. 49 показан фоторезистор с охлаждением в
герметичном исполнении, в состав которого входит предварительный
усилитель и термостат. В верхней части герметичного корпуса
расположено входное окно 1. На основании 7 закреплены
электрические выводы 6 и терморезистор 8 с теплоотводом 5, на
котором укреплены термоохладитель 9, предусилитель 4 и контактная
колодка 3. Фоточувствительный элемент 2 расположен в верхней
части термоохладителя напротив входного окна.
Рисунок 49 - Охлаждаемый фоторезистор
Высокая чувствительность, малая инерционность и
стабильность фотоэлектрической характеристики обусловили
широкое применение фоторезисторов в приборостроении. Основные
параметры фоторезисторов: темновое сопротивление 103-107 Ом;
длина волны при максимальной чувствительности 0,5-12 мкм;
постоянная времени 10-2-10-9 с;
уровень шумов 0,1-10 мкВ; рабочее
напряжение 5-100 В; мощность рассеяния 0,01-0,1 Вт;
134
обнаружительная способность 108-1012 Вт-1см Гц
1/2
; температурный
коэффициент 0,1-5 % К.
Фотодиоды представляют собой полупроводниковые
конструктивные элементы с запирающим слоем (р - n-переходом),
работающие в зависимости от схемы включения как фотоэлементы (в
вентильном режиме) или как фотосопротивления (в диодном режиме);
чаще в последнем. При освещении области р - n-перехода
пространственный заряд изменяется. Ток через р - n-переход,
созданный приложенным к нему запирающим напряжением,
вследствие поступления дополнительных зарядов увеличивается, что
приводит к снижению сопротивления запорного слоя. Предельная
частота (100 кГц) значительно превышает частоту
фотосопротивлений.
Фотоэлементы и фотодиоды представляют собой с физической
точки зрения один и тот же прибор. Они различаются только режимом
работы. В фотоэлементах и фотодиодах используется внутренний
фотоэффект в p–n-п
ереходе, который возникает на границе между
полупроводниками р- и n- типа.
Электроны под действием градиента концентрации
диффундируют из n-области в р-область, где рекомбинируют с
дырками. В обратном направлении из материала р-типа в
полупроводник n-типа диффундируют дырки, которые
рекомбинируют с электронами. В результате такой диффузии
образуется двойной электрический слой, обедненный подвижными
носителями заряда. Этот слой на границе областей с разным типом
проводимости называют слоем пространственного заряда. Он
образуется, поскольку в полупроводнике n-типа остаются
положительно заряженные донорные ионы, а в полупроводнике ртипа — отрицательно заряженные акцепторные ионы.
Пространственный заряд приводит к появлению контактного
электрического поля, которое вызывает ток, направленный
противоположно диффузионному. В равновесии эти токи на pnпереходе равны. В этом случае энергия Ферми EF в
n- и р-областях
одинакова, а общий скачок потенциала в p–n -переходе называют
контактной разностью потенциала UD. На ри
с. 50 показаны зонная
135
схема р–n-перехода и соответствующая плотность пространственного
заряда р(х).
Рисунок 50 - Зонная модель и
плотность пространственного
заряда вблизи рn-перехода
.
Поглощение кванта света в рn-переходе приводит к
появлению свободных электронно-дырочных пар. Под действием
контактной разности потенциалов электроны движутся в n-область, а
дырки - в р-область. Если замкнуть концы этих полупроводников, то в
таком контуре потечет ток, называемый током короткого замыкания.
Этот ток в большом интервале величин (несколько порядков)
пропорционален количеству падающих фотонов, а, следовательно, и
потоку излучения. При такой схеме измерения сопротивление
регистрирующих приборов должно быть по возможности малым.
Напряжение в разомкнутом контуре логарифмически зависит от
потока излучения. Преимущество такой схемы работы в качестве
фотоэлемента состоит в том, что к прибору не нужно прикладывать
внешнего напряжения.
Такие приборы нашли широкое применение в качестве
преобразователей солнечной энергии в электрическую. Спектральная
характеристика селенового элемента практически совпадает с
характеристикой глаза.
136
Рисунок 51 - Селеновый фотоэлемент (а) схема устройства;
б) токовая характеристика)
Схематическое устройство селенового фотоэлемента показано
на рис. 51(а). На металлической пластине, которая служит
положительным выводом, напылен светочувствительный слой селена
2, а сверху образован запорный слой 3. Непосредственно на запорном
слое нанесен отрицательный кольцевой электрод 5. Запорный слой
покрыт прозрачным защитным лаком 4. Площадь
светочувствительного слоя у таких фотоэлементов от 1 до 30 см2.
Светочувствительность SK порядка 0,5 мкА/лк. На рис. 76 изображена
токовая характеристика селенового фотоэлемента. Сила тока I в
замкнутой цепи прямо пропорциональна освещенности Е в диапазоне
U
до 10000 лк и определяется формулой
I = , где
k
k
R
B
H
R - внутреннее
B
H
сопротивление фотоэлемента.
Характеристики фотоэлементов: входная величина –
освещенность; выходная величина– постоянный ток.
Чувствительность: 0,25 -1 мА/лм. Погрешность: несколько
процентов. Частотный диапазон: 0—500 Гц. Преимущества:
активный чувствительный элемент; возможность подстройки к
спектральной чувствительности глаза. Недостатки: инерционность,
малая точность.
Рассмотрим теперь режим работы прибора в качестве
фотодиода. Если к полупроводнику приложено внешнее напряжение
.0, то потенциальный барьер U
U<
возрастает
D
(положительный полюс
подключен к n-зоне, а отрицательный — к р-зоне). В этом случае
электроны уходят из области рn-перехода к положительному, а дырки
137
— к отрицательному полюсу. Область, обедненная подвижными
носителями заряда, расширяется, а ее электросопротивление
возрастает. Через прибор в этом случае течет очень малый ток
насыщения ID.
Рисунок 52 - Вольт-амперные
характеристики фото-диода
.
Поглощение фотонов с соответствующей длиной волны в зоне,
обедненной носителями заряда, приводит к генерации электроннодырочных пар. Образовавшиеся свободные носители перемещаются
под действием поля пространственного заряда, и к току насыщения
добавляется фототок /, пропорциональный потоку падающего
излучения Р:
I = – еηP/hv
Квантовый выход η определяется как количество электронно-
дырочных пар на один поглощенный фотон. Преимущество работы
прибора в режиме фотодиода становится очевидным, если мы
рассмотрим вольт-амперные характеристики фотодиода. На рис. 52
приведены такие характеристики для различных значений потока
излучения Р. Видно, что ток не зависит от запирающего напряжения,
приложенного к диоду, если оно достаточно велико. Поэтому
нагрузочное сопротивление во внешней измерительной цепи может
быть (в отличие от фотоэлемента) относительно большим.
Частотные характеристики фотодиода определяются в
основном емкостью запирающего слоя и значением нагрузочного
сопротивления. При увеличении запирающего напряжения зона
пространственного заряда становится шире, а соответствующая
емкость рn - п
ерехода понижается, высокочастотный предел работы
138
прибора можно повысить, увеличивая рабочее напряжение.
Быстродействующие фотодиоды могут работать в области частот
порядка нескольких гигагерц. Максимально достижимая частота
работы ограничивается диффузией носителя заряда.
Фотодиоды подразделяются на три типа: точечные,
плоскостные и поверхностно-барьерные. Темновое сопротивление у
фотодиодов порядка 1 МОм.
Точечный фотодиод имеет очень малый активный объем
полупроводника и конструктивно выполнен в виде куба с высотой,
грани в 5 мкм, заключенного в стеклянный баллон. Время дрейфа
носителей через обедненный слой у точечных диодов очень мало, и
они хорошо работают только на высоких частотах, выше 10 ГГц.
Применение таких фотодиодов в измерительной технике ограничено
необходимостью концентрировать световое излучение в очень малое
пятно. Диапазон длин волн 0,4 - 1,0 мкм. Коэффициент усиления не
более 10.
Плоскостной фотодиод имеет большую площадь
полупроводника. Благодаря большой площади контакта двух
полупроводников р и n типов, каждый поглощенный фотон образует
пару «электрон - дырка», поэтому его квантовый выход близок к
единице. Диапазон длин волн 0,4 - 1,6; коэффициент усиления 25,
диаметр активной области 40 мкм.
Поверхностно-барьерный фотодиод имеет обедненный слой за
счет контакта «металл - полупроводник». При этом металлический
контакт выполняется в виде очень тонкого слоя и имеет
неотражающее покрытие во избежание потерь на отражение и
поглощение при освещении. Диапазон длин волн 0,4 - 1,0 мкм,
коэффициент усиления 1, диаметр активной зоны 140 мкм.
Фоточувствительные приборы с р-n переходом используются в
качестве оптоэлектронных преобразователей, когда требуется очень
высокая чувствительность и хорошее быстродействие.
В фотодиодах получают усиление по току умножением
носителей заряда так же, как в приемниках с внешним фотоэффектом.
Это умножение обусловлено лавинным пробоем в обедненном слое. В
фотодиодах с p-i-n структурой в обедненный слой i вводятся как
электроны, так и дырки. При воздействии света образуются
139
дополнительные электронно-дырочные пары, что дает еще большее
усиление по току.
Так называемый pin-фотодиод содержит между областями р- и
n-типа широкую высокоомную зону с собственной проводимостью, в
которой под действием падающего излучения генерируются
электронно-дырочные пары.
Рисунок 53 - Устройство pin-
фотодиод
Электрическое поле, возникшее в этой зоне под действием
запирающего напряжения, практически постоянно, а в объеме этой
зоны отсутствует пространственный заряд. Такой дополнительный
слой с собственной проводимостью существенно понижает емкость
запирающего слоя, которая при этом не зависит от приложенного
напряжения, что существенно расширяет рабочую полосу частот
таких диодов. Высокое сопротивление слоя с собственной
проводимостью сильно понижает и темновой ток. На рис. 53
схематически изображено устройство pin-фотодиода. Падающее
излучение должно проникнуть сквозь слой р-типа, который поэтому
не должен быть слишком толстым.
Существенным недостатком кремниевых pin-фотодиодов
является низкая чувствительность при длинах волн >1 мкм.
Лавинные фотодиоды работают при очень высоких
запирающих напряжениях (сотни вольт). При этом носители заряда
ускоряются под действием электрического поля и приобретают
большую энергию. Эта энергия позволяет им за счет ударной
ионизации освобождать новые носители заряда. Таким образом,
первичные электроны и дырки, образовавшиеся в результате
фотогенерации, лавинообразно размножаются в полупроводнике.
Величиной, которая характеризует такой диод, является произведение
ширины зоны vg на у
силение М. Для особо быстродействующих дио-
дов достигнуто значение vgM = 200 ГГц.
140
Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]