6.3. Приемники излучения

Фотоэлектрический приемник(сокращенно фотоприемник) – это оптоэлектронный прибор для преобразования энергии оптического излучения в электрическую энергию. Под действием оптического излучения происходит изменение электрофизических параметров фотоприемника, обусловленное образованием дополнительных свободных носителей заряда в полупроводнике. Этот процесс называется внутренним фотоэлектрическим эффектом или внутренним фотоэффектом. Для того чтобы поглощенный полупроводником фотон излучения создавал носители электрического заряда или фотоносители, его энергияW_ф должна быть достаточной для перевода электрона из валентной зоны (W₁на рис. 6.1) в зону проводимости (W₃на рис. 6.1), т.е. необходимо выполнение соотношения

, (6.3)

где h– постоянная Планка,

– ширина запрещенной зоны.

Из выражения (6.3) следует, что фотоэффект возникает в полупроводнике только при воздействии на него излучения с длиной волны, меньшей некоторого граничного значения

, (6.4)

где с– скорость света в вакууме.

Для широко распространенных полупроводниковых материалов: кремния, германия и арсенида галлия – значение составляет 1,1; 1,8; 0,9 мкм соответственно.

Работа существующих приемников излучения основана на двух формах внутреннего фотоэффекта: фотогальваническом и эффекте фотопроводимости.

Фотогальванический эффект возникает в полупроводниках с внутренним потенциальным барьером, таких как p-n-переход, переход металл-полупроводник и др. В указанных структурах внутреннее электрическое поле перехода разделяет фотоносители, возникшие под действием оптического излучения, создавая фотоЭДС. Это явление лежит в основе работы основноймассы фотоприемников: фотодиодов, фототранзисторов, фототиристоров и др.

Явление фотопроводимости отличается от фотогальванического эффекта тем, что разделения фотоносителей не происходит, а изменение их концентрации влияет на проводимость полупроводника.

Фоторезистор– фотоприемник, использующий для преобразования световой энергии в электрическую явление фотопроводимости. Чувствительным элементомфоторезистора, устройство которого показано на рис. 6.3,а, является тонкий слой полупроводникового материала, расположенный на диэлектрической подложке. При включении фоторезистора в электрическую цепь (рис. 6.3,б) в отсутствии света по цепи течет темновой ток. При воздействии оптического излучения проводимость светочувствительного слоя возрастает и ток увеличивается.

Зависимости тока от светового потокаi_Ф = f(Ф) и зависимость тока от приложенного напряженияi_Ф = f(u) (приведенные на рис. 6.4,аибсоответственно) представляют собой энергетическую и вольт-амперную характеристики фоторезистора.

Несмотря на большой коэффициент преобразования оптического сигнала в электрический ток, простоту, малые габаритные размеры и массу фоторезисторы находят ограниченное применение вследствие низкого быстродействия и значительной температурной нестабильности параметров.

Фотодиод – фотоприемник, использующий для преобразования световой энергии в электрическую фотогальванический эффект. Простейший фотодиод представляет собой обычный полупроводниковый диод, в котором обеспечивается возможность воздействия оптического излучения наp-n-переход. Отличие состоит в том, что его корпус снабжен дополнительной линзой, создающей внешний световой поток, направленный, как правило, перпендикулярно плоскостиp-n-перехода. Упрощенная структура фотодиода и его УГО показаны на рис. 6.5. В равновесном состоянии, когда поток излучения полностью отсутствует, концентрация носителей и распределение объемного заряда фотодиода полностью соответствуют обычнойp-n-структуре (см. рис. 2.6). При воздействии облучения в направлении, перпендикулярном плоскостиp-n-перехода, в результате поглощения фотонов с энергией, большей, чем ширина запрещенной зоны, вn-области возникают электронно-дырочные пары. При диффузии фотоносителей вглубьn-области основная доля электронов и дырок не успевает рекомбинировать и доходит до границыp-n-перехода. Здесь фотоносители разделяются электрическим полемp-n-перехода, причем дырки переходят вp-область, а электроны не могут преодолеть поле перехода и скапливаются у границыp-n-перехода вn-области. Таким образом, ток фотоносителей черезp-n-переход обусловлен дрейфом неосновных носителей – дырок. Дрейфовыйток фотоносителей называется фототоком. Фотоносители-дырки заряжаютp-область положительно относительноn-области, а фотоносители-электроны –n-область отрицательно по отношению кp-области. Возникающая разность потенциалов (Е_Ф) называется фотоЭДС.

Для обеспечения высокой чувствительности к излучению необходимо, чтобы в фотодиоде диффузионная составляющая тока была минимальной. Поэтому фотодиод работает или вообще без внешнего напряжения (фотогальванический режим), или при обратном внешнем напряжении (фотодиодный режим).

При использовании фотодиода в фотогальваническом режиме источник внешнего напряжения отсутствует, и диод работает как генератор фотоЭДС, значение которой пропорционально интенсивности светового потокаФ. Значение фотоЭДС не может превысить контактную разность потенциалов. Типовое значение фотоЭДС кремниевого фотодиода составляет 0,50,55 В, а значение тока короткого замыкания при среднем солнечном освещении равно 2025 мА/см².

В фотодиодном режиме фотодиод работает совместно с внешним источником электрической энергии U_вн, положительный полюс которого подключается кn-слою, а отрицательный – кp-слою (рис. 6.6,а).

Под действием напряжения источника в цепи фотодиода, включенного в непроводящем направлении, при отсутствии освещения протекает небольшой темновой ток I_Т. В этом случае фотодиод ничем не отличается от обычного диода. При освещении фотодиода поток неосновных носителей заряда черезp-n-переход возрастает, причем ток зависит как от величины освещенности, так и от величины внешнего приложенного напряжения. Семейство ВАХ фотодиода при таком включении (в зависимости от величины светового потокаФ₂> Ф₁ > Ф₀ = 0) приведено на рис. 6.6,б. Как следует из принципа работы фотодиода, фототок суммируется с обратным током теплового происхождения:

. (6.5)

Значение фототока (см. обозначения на рис. 6.6, б) в первом приближении можно найти из выражения

, (6.6)

где – интегральная чувствительность.

Одной из главных характеристик фотодиода является его частотная характеристика, которая показывает изменение интегральной чувствительности в зависимости от изменения частоты светового потока. Иногда инерционные свойства фотодиода характеризуют граничной частотой, на которой интегральная чувствительность уменьшается в раз по сравнению со своим статическим значением. Граничная частота быстродействующих кремниевых фотодиодов – порядка 10⁷Гц.

Для повышения быстродействия и увеличения чувствительности разработаны некоторые типы фотодиодов со структурой, отличной от структуры фотодиода с p-n-переходом.

Фотодиоды, выполненные на основе p-i-n-структур, имеют значительно большую толщину области, обедненной основными носителями заряда, так как междуp- иn-областями имеется i-область с собственной электропроводностью. К переходу без риска пробить его можно приложить значительные напряжения. Возникает ситуация, когда световое излучение поглощается непосредственно в области, обедненной основными носителями заряда, в которой создано электрическое поле высокой напряженности. Электроны и дырки, возникающие в области перехода при световом облучении,мгновенно перекидываются в соответствующие области. В результате быстродействие резко возрастает, и граничная частота таких диодов достигает 10⁹10¹⁰ Гц.

Аналогичными по быстродействию являются фотодиоды на основе барьера Шоттки. Они выполняются из кремния, на поверхность которого нанесено прозрачное металлическое покрытие из пленок золота (d= 0,01 мкм) и сернистого цинка (d= 0,05 мкм), создающее барьер Шоттки. Благодаря минимальному сопротивлению базы и отсутствию процессов накопления и рассасывания избыточных зарядов, быстродействие этих структур получается достаточно высоким (граничная частота достигает 10¹⁰Гц).

М

+ R_д +

I_н

U_вх VD U_вых

R_н

I_д

– –

Свет

Стеклянная подложка

Полупроводниковый слой

Выводы

а)

Рис. 6.3. Устройство, УГО и схема включения фоторезистора

i_Ф

R_Ф

аркировка фотодиода содержит буквы ФД (фотодиод) и цифру (порядковый номер разработки), например ФД3.

Фототранзисторимеет структуру, аналогичную структуре биполярного транзистора (рис. 6. 7,а). Как и у обычного биполярного транзистора, здесь есть дваp-n-перехода: эмиттерный и коллекторный. Напряжение питания на транзистор подают так же, как и на обычный биполярный транзистор, т.е. эмиттерный переход смещают в прямом направлении, а коллекторный – в обратном. Часто применяют включение, когда напряжение прикладывается только между коллектором и эмиттером, а вывод базы остается оторванным (рис. 6.7,б). На этом же рисунке использовано стандартное УГО фототранзистора. Такое включение называютвключением с плавающей базой, и оно характерно только для фоторезисторов. При включении с плавающей базой фототранзистор всегда находится в активном режиме, однако приФ= 0 (и невысокой температуре) протекающий через него ток невелик. Это темновой ток коллектора транзистора при заданной температуре.

Рассмотрим явления в фототранзисторе на примере n-p-n-структуры. Конструктивно фототранзистор выполнен так, что световой поток облучает область базы. В результате поглощения энергии в ней генерируются электронно-дырочные пары. Неосновные носители заряда в базе (электроны) диффундируют к коллекторному переходу и перебрасываются электрическим полем перехода в коллектор, увеличивая ток последнего. Этот процесс аналогичен процессу в фотодиоде. Если база разомкнута, то основные носители заряда (дырки), образовавшиеся в процессе облучения, не могут покинуть базу и накапливаются в ней. Объемный заряд этих дырок снижает потенциальный барьер эмиттерного перехода, в результате чего увеличивается диффузионное движение электронов через эмиттерный переход. Дырочный ток из базы в эмиттер равноценен обычному базовому току биполярного транзистора, поэтому он вызывает встречный поток (ток) электронов из эмиттера в базу, по величине превышающий базовый ток враз. Инжектированные электроны, попав в базу, движутся, как и в обычном транзисторе, к коллекторному переходу и, переходя в область коллектора, увеличивают его ток. Таким образом, носители заряда, генерируемые в результате облучения светом, непосредственно участвуют в создании фототока. Особенностью фототранзистора является то, что относительно малые значения фототока базы за счет усиления транзистора по току приводят к значительно большему (враз) изменению коллекторного тока.

Режим работы фототранзистора с плавающей базой является достаточно нестабильным, поэтому в ряде случаев на базу фототранзистора подают внешнее напряжение, спрямляющее его ВАХ и частично компенсирующее зависимость режима от температуры.

К основным параметрам фототранзисторов, приводимым в технической документации и справочной литературе, относятся:

вольт-амперные характеристики(рис. 6.7,в) – напоминают выходные характеристики биполярного транзистора в схеме с общим эмиттером, только параметром служит не ток базыI_б, а световой потокФ;

токовая чувствительность– это отношение изменения тока коллектора фототранзистора к вызвавшему его изменению «входного» светового потока при холостом ходе на входе и коротком замыкании на выходе;

коэффициент усиления по фототокуК_уф = (1+h_21Э).В промышленных фототранзисторах он достигает (15)10²и определяется как отношение фототока коллектора транзистора со свободной базой к фототоку коллекторного переходаp-n-перехода, измеренному в диодном режиме (при отключенном эмиттере) при том же значении светового потока.

Ширина полосы пропускания у биполярных фототранзисторов достигает 10⁴10⁵Гц.

Внутренний фотоэффект в полупроводнике может быть использован для построения и других полупроводниковых приборов: фототиристора, однопереходного фототранзистора и др. Следует отметить, что широкого самостоятельного применения приборы с внутренним фотоэффектом не получили. Объясняется это тем, что значение фототока зависит не только от интенсивности светового потока, но и от его спектрального состава. Изменение спектрального состава приводит к неоднозначным результатам в работе устройств, содержащих указанные приборы. Этого недостатка лишены оптоэлектронные приборы – оптроны.