2.3.4. Фотоэлектронные приборы в вентильном режиме

Приборы, работающие в режиме генерации фотоЭДС, находят широкое

применение в системах контроля и управления с использованием световых потоков. При этом рабочей величиной является либо ток короткого замыкания, либо напряжение холостого хода.

Весьма интересной областью использования таких приборов является преобразование световой энергии в электрическую (солнечные элементы).

Важнейшими параметрами солнечного преобразователя являются выходная мощность, коэффициент полезного действия и интервал рабочих температур.

Выходная мощность определяется током короткого замыкания и напряжением холостого хода (рис.2.4). КПД зависит от коэффициента поглощения света, ширины запрещенной зоны полупроводника и других параметров. В

полупроводниках с малой шириной запрещенной зоны полнее используется большая часть спектра излучения Солнца, но напряжение холостого хода и интервал рабочих температур невелики. В широкозонных полупроводниках можно получить малые обратные тепловые токи и высокие значения Uхx, но при малом КПД.

На рис.2.5 приведены расчетные данные по зависимости КПД и выходной мощности от ширины запрещенной зоны в полупроводнике.

Рис.2.5 характеризует участки ВАХ солнечных элементов на основе

кремния и арсенида галлия и оптимальные нагрузочные сопротивления для соответствующих элементов.

Для повышения КПД прибора на фронтальную поверхность наносят просветляющее покрытие из монооксида кремния или оксида титана.

Основным материалом солнечных элементов в настоящее время является кремний. КПД реальных преобразователей на его основе уже приближается к 20%. Особенно перспективны солнечные элементы на аморфном кремнии, исследованию которого посвящено большое количество работ.

72

гетероструктурах, поверхностно-барьерных структурах (диоды Шотки), с лавинным умножением фототока и др.

Рассмотрим некоторые из этих диодов подробней.

Для увеличения чувствительности фотодиода может быть использован эффект лавинного умножения носителей в области объемного заряда n-р перехода (лавинный фотодиод). При напряжении, близком к пробойному, происходит лавинное умножение носителей заряда. Коэффициент умножения

М определяется выражением

К недостаткам лавинных диодов относятся зависимость коэффициента умножения от фототока и жесткие требования к стабильности питающего напряжения (0,01 - 0,02%), так как М сильно зависит от напряжения.

Высокое быстродействие достигается в фотодиодах с р - i - n структурой,

в которых поглощение света осуществляется в области с собственной проводимостью, а создаваемое в ней электрическое поле обеспечивает высокую эффективность собирания зарядов. Аналогичные эффекты достигаются в р+-n-р структурах и фотодиодах на основе гетеропереходов.

Высоким быстродействием и высокой (в ряде случаев избирательной) чувствительностью обладают фотодиоды на основе барьера Шотки. В таком

диоде свет проходит через тонкую металлическую пленку и поглощается в слое полупроводника. Образующиеся при этом дырки, попадая в металл, мгновенно рекомбинируют. Используя металлические пленки с резонансным спектром пропускания, можно создавать фотодиоды, чувствительные в узком диапазоне длин волн.

Все рассмотренные фотодиоды (кроме лавинных) обладают срав- нительно малой чувствительностью, а лавинные диоды отличаются очень жесткими требованиями к стабильности напряжения питания и температуры.

Этих недостатков лишены инжекционные фотодиоды, разработанные в последние годы. Инжекционный фотодиод представляет собой диод с длинной базовой областью из высокоомного полупроводника. Длина базы в несколько раз превышает диффузионную волну неосновных носителей заряда. Переход р- n типа включается в прямом направлении, при этом проводимость базовой области определяется инжектированными р-n переходом носителями.

Освещение приводит к изменению сопротивления базы как за счет непосредственного увеличения концентрации носителей (фоторезистивный

74

эффект), так и за счет изменения параметров, определяющих распределение неравновесных носителей в базовой области, таких как время жизни и биполярная подвижность носителей заряда. Поскольку n-р-переход включен в прямом направлении последовательно с сопротивлением базы, то изменение

последнего приводит к увеличению тока инжекции и дальнейшему снижению сопротивления базы. Таким образом обеспечивается усиление первичного фототока, причем вклад инжектированных носителей в увеличение интегральной проводимости во много раз превышает вклад носителей, генерируемых световым облучением. В качестве базы используются высокоомные скомпенсированные полупроводники (полуизоляторы), например германий, компенсированный золотом, ртутью, медью или кремний, содержащий глубокие уровни цинка, бора и др. Усиление фототока в инжекционных фотодиодах может достигать нескольких порядков величины, а чувствительность 100 А/лм.

2.3.6. Фототранзисторы и фототиристоры

Фототранзистор - это полупроводниковый фотоприбор с двумя или более n-р переходами. Области применения фототранзисторов - чувствительные элементы оптопар и фотоприемников, в том числе элементы приемного модуля волоконно-оптических линий связи и т.д. Различают биполярные и полевые фототранзисторы. Устройство биполярного фототранзистора и его выходные характеристики показаны нa рис 2.6.

Рис 2.6. Устройство (а), схема (б) и выходные характеристики (в) биполярного

фототранзистора

75

Фототранзистор обычно включается по схеме с общим эмиттером, база свободна. Световое облучение вызывает генерацию носителей заряда в области базы коллекторного перехода. Эти носители разделяются полем коллекторного перехода следующим образом: неосновные носители проходят через переход и создают коллекторный фототок, а основные накапливаются в базе, частично компенсируя заряд неподвижных ионов примесей вблизи эмиттерного перехода. При этом потенциальный барьер эмиттерного перехода снижается и происходит инжекция носителей из эмиттера в базу.

Инжектированные носители диффундируют через базу и проходят коллекторный переход, создавая ток, многократно превышающий первичный фототок. Общий ток коллектора - это сумма фототока неосновных носителей заряда и тока, создаваемого инжектированными эмиттером носителями. Общий

коэффициент усиления транзистора соответствует статическому коэффициенту передачи по току в схеме с О.Э. Световые характеристики биполярных фототранзисторов линейны только в ограниченной области световых потоков.

К фототранзисторам может быть отнесен и фототиристор - че- тырехслойная структура, работающая в ключевом режиме и управляемая световым потоком.

Существует много различных структур полевых фототранзисторов с n-р переходом или МДП - типа. Один из вариантов показан на рис.2.7.

-

ЕЭ+

Рис.2.7. МДП-фототранзистор со встроенным затвором

76