6.1.2.3 Фотодиоды на основе гетероперехода

Гетеропереход– переход между полупроводниками с различной шириной запрещённой зоны.

Если гетеропереход освещается со стороны полупроводника с более широкой запрещённой зоной, причём энергия квантов света меньше ширины запрещённой зоны первого полупроводника и больше ширины запрещённой зоны второго полупроводника с более узкой зоной, то эти кванты будут поглощаться в полупроводнике с более узкой зоной, а первый полупроводник будет прозрачным для этих квантов. В результате будет возникать фототок. С уменьшением длины волны падающего на полупроводник света увеличивается коэффициент поглощения вторым полупроводником, за счёт чего увеличивается фототок. При дальнейшем увеличении длины волны фотоны будут поглощаться и первым полупроводником.

6.1.3 Полупроводниковые фотоэлементы

Если осветить фотодиод, не включенный в электрическую цепь, то в p-n-переходе и в областях, прилегающих кp-n-переходу, происходит генерация носителей заряда. За счёт диффузионного электрического поля происходит разделение заряда: дырки – вp-область, а электроны – вn-область. В результате на границеp-n-перехода создаётся неравновесная концентрация неосновных носителей заряда. Если закоротить, то на выводах фотодиода возникает фотоэлектродвижущая сила (ФЭДС). Величина ФЭДС определяется высотой потенциального барьера, т. к. накопление основных носителей заряда приводит к уменьшению потенциального барьера. Наиболее выгодно использовать фотоэлементы с максимально большой высотой потенциального барьера. Наиболее часто используют кремниевые пластины. В среднем ФЭДС на один кремниевый элемент составляет 0,5 – 0,7 В (это в режиме холостого хода).

Важной характеристикой фотоэлементов является квантовый выход, который показывает, какая доля падающего светового потока преобразуется в ток. Для обычных кремниевых фотоэлементов квантовый выход составляет 12 %. Соответственно и КПД – приблизительно 12 %.

Наиболее эффективно в качестве фотоэлементов использовать полупроводники с более широкой запрещённой зоной, т. к. в этом случае и высота потенциального барьера больше, а также на базе гетероперехода – в этом случае в энергию превращается весь спектр солнечного излучения.

6.1.4 Фототранзисторы

Фототранзистор– фоточувствительный полупроводниковый приёмник излучения.

По структуре подобен транзистору: биполярному, полевому, однопереходному. Обеспечивает внутреннее усиление сигнала.

Наиболее распространены биполярные фототранзисторы (БФТ). С помощью БФТ можно получит более высокие коэффициенты усиления. Поэтому мы рассмотрим БФТ. Принцип действия остальных транзисторов подобен.

В БФТ делают выводы от коллектора и эмиттера. Базовый вывод либо вообще не формируют, либо закорачивается внутри структуры на какое-то сопротивление.

При освещении БФТ в базовой области возникает пар носителей заряда. При этом неосновные носители заряда в области базы вытягиваются в область коллектора. Основные носители понижают потенциал базы. При этом на эмиттерном переходе создаётся положительное смещение, вызывающее инжекцию неосновных носителей заряда в область коллектора, увеличивая ток коллектора.

Выходные характеристики:

(световые потоки).

Для фототранзисторов световой поток можно рассматривать как ток базы:

, (6.5)

где − фототок, возникающий в аналогичном фотодиоде при том же световом потоке.

Коэффициент передачи тока в БФТ в раз больше, чем в обычном фотодиоде.

Величина этого фототока зависит от сопротивления R. Максимально возможный коэффициент передачи может быть получен при полном отключении базы. Однако при этом очень сильно ухудшаются частотные свойства фототранзистора, т. к. неравновесный заряд в базе может измениться за счёт рекомбинации. Если включено сопротивление, то неравновесный заряд в базе будет в основном уменьшаться за счёт ухода неравновесных носителей заряда через базовый вывод. В этом случае уменьшается чувствительность фототранзистора, однако улучшаются частотные свойства.

Чем выше коэффициент усиления, тем хуже частотные свойства.

Для большинства фототранзисторов время задержки колеблется от сотен наносекунд до сотен микросекунд.

Существуют фототранзисторы на базе однопереходных транзисторов. Эти устройства являются устройствами-ключами. Могут находиться или во включенном, или в выключенном состоянии.