2.5. Фотоприемники

Фотоприемники – это ОЭПП для преобразования энергии оптического излучения в электрическую.

Два типа внутреннего фотоэффекта, - фоторезистивный и фотогальванический, - определяют и два типа фотоприемников. Первый из них используется в фоторезисторах, второй - в фотодиодах, фототранзисторах и фототиристорах, содержащих внутренние потенциальные барьеры.

2.5.1. Фоторезисторы

Фоторезисторами называют полупроводниковые резисторы, работа которых основана на фоторезистивном эффекте.

При облучении полупроводника фоторезистора фотонами в его фоточувствительном слое возникает избыточная концентрация носителей заряда. Если к фоторезистору приложено напряжение, то через него проходит дополнительный ток – фототок, обусловленный избыточной концентрацией носителей. Электронная составляющая фототока:

,

где: а – толщина фоточувствительного слоя полупроводника; b – его ширина; - расстояние между электродами;R – коэффициент отражения;  - показатель поглощения;  - квантовая эффективность генерации; N_ф – число фотонов, падающих на единичную поверхность полупроводника в единицу времени.

Фототок создается прохождением через фоторезистор и внешнюю цепь электронов. Число электронов, созданных в объеме фоточувствительного слоя поглощенными им фотонами, равно. Отношение числа прошедших во внешней цепи электронов к числу возникших в полупроводнике электронов называетсякоэффициентом усиления фоторезистора:

Произведение подвижности электронов _n на напряженность электрического поля Е есть скорость дрейфа электронов, которую можно представить отношением (расстояния между электродамик времени пролетаt_прол носителей между электродами). Тогда

При наличии в фоточувствительном слое некоторых примесей, являющихся ловушками захвата для не основных носителей, эффективное время жизни неравновесных основных носителей _n может значительно превышать t_прол. В этом случае поглощение одного фотона станет причиной прохождения через фоторезистор многих электронов.

Основная часть фоторезистора – полупроводниковый фоточувствительный слой, выполненный в виде моно- или поликристаллической пластинки или пленки полупроводника нанесенной на диэлектрическую подложку. Материалом для фоторезисторов служат сульфид кадмия, селенид кадмия, сульфид свинца. На поверхность фоточувствительного слоя наносят металлические электроды.

Поверхность полупроводникового фоточувствительного слоя между электродами называют рабочей площадкой. Площадь рабочей площадки различных фоторезисторов может составлять от десятых долей до десятков квадратных миллиметров. Подложку вместе с фоточувствительным слоем и электродами помещают в пластмассовый или металлический корпус.

2.5.2. Фотодиоды

Фотодиодом называется фотоприемник, работающий на основе фотогальванического эффекта и фоточувствительный элемент которого имеет обратно смещенный p – n переход.

При поглощении квантов света в p – n переходе или в прилегающих к нему областях образуются электронно – дырочные пары носителей. Неосновные носители в каждой из областей p – n структуры диффундируют к p – n переходу и проходят через него, если они возникли на расстоянии, меньшем диффузионной длины пробега от перехода. Поэтому обратный ток через фотодиод возрастает при освещении. Аналогичный процесс происходит при поглощении света в самом p – n переходе. Приращение обратного тока диода при его освещении называют фототоком I_ф. Он имеет две составляющие: дырки, возникшие в n – области, пройдя p – n переход попадают в p – область и «заряжают» ее положительно относительно n – области, и электроны из p – области аналогично «заряжают» n – область отрицательно относительно p – области (рис.11).

Поэтому на первоначально созданное поле запертогоp – n перехода Е₀ накладывается поле избыточных фотоносителей Е_ф, которое называют также фото ЭДС. Очевидно, что Е_ф должно быть меньше Е₀, так как разделение носителей возможно только при наличии некоторого потенциального барьера Е = Е₀ - Е_ф. Уменьшение высоты потенциального барьера ухудшает “разделительные свойства” p – n перехода.

Существует два режима работы фотодиода. В фотогальваническом режиме не используется источник внешнего напряжения (рис.12а), т.е. фотодиод является генератором фото ЭДС.

Выражение для тока фотодиода получается из схемы замещения фотодиода в фотогальваническом режиме рис.12б:

, (2.9)

где: I_ф – фототок; R – сопротивление нагрузки; I_pn – ток p – n перехода; U – напряжение на диоде; I₀ – тепловой ток p – n перехода; _Т – температурный потенциал; I₀(e^U/T - 1) – уравнение ВАХ p – n перехода.

При разомкнутой внешней цепи (R=, I_фд = 0) из (2.9) и схемы замещения имеем I_ф = I_pn. А из (2.9) легко получить напряжение на переходе при холостом ходе, равное фото ЭДС:

(2.10)

При коротком замыкании в нагрузке (R = 0) напряжение на фотодиоде U = 0, а ток фотодиода I_фд= I_к = I_ф.

В фотодиодном режиме (рис.12в) последовательно с фотодиодом включен источник обратного напряжения Е_обр. Потенциальный барьер при этом возрастает и ток через переход I_pn будет определятся током I₀, протекающем через переход, когда излучения нет. Ток фотодиода при этом

(2.11)