4.15.2. Фотоприемники

Фотоприемники предназначены для преобразования оптического излучения в электрическое. Фотоприемники строятся с использованием внутреннего и внешнего фотоэффекта. В первом случае используется либо изменение электропроводности полупроводника при его освещении, либо возникновение фотоЭДС на границе p-n-перехода (испускание веществом электронов под воздействием света).

Фоторезисторы

В фоторезисторах используется эффект изменения концентрации свободных носителей под воздействием светового потока. Для этого необходимо, чтобы энергия фотона _Фбыла больше ширины запрещенной зоны_З, т. е. собственный фотоэффект возможен при длине волны падающего света

 < .

В этом случае электроны получают дополнительную энергию – переходят в зону проводимости и образуется дополнительная пара свободных носителей (электрон-дырка), электропроводность полупроводника возрастает:

,

гдеq – заряд электрона; _n, _p – подвижности электронов и дырок; n₀, p₀ – начальные концентрации электронов и дырок при отсутствии светового потока (определяют темновое сопротивление фоторезистора); n(Ф), p(Ф) – приращение носителей под воздействием светового потока.

Зависимость фототока от светового потока нелинейная (рис. 4.49), но можно выделить линейный участок (Ф_minФ_max), на котором фоторезистор характеризуют интегральной чувствительностью .

Фоторезисторы имеют практически линейную вольт-амперную характеристику при одном и том же световом потоке (рис. 4.49).

Спектральная характеристика определяет зависимость чувствительности от длины волны падающего света (рис. 4.50) и имеет избирательный характер. Это надо учитывать при использовании фоторезистора. Фоторезисторы обладают довольно большой инерционностью. Их граничные частоты при модулировании светового потока гармоническим сигналом составляют десятки – сотни килогерц. Параметры фоторезистора, как и всех полупроводниковых элементов, зависят от температуры.

Фотодиоды

Если обеспечить доступ оптического излучения Ф на областьp-n-перехода (рис. 4.51), то за счет энергии квантов света, значение которой зависит от длины волны воздействующего светового потока в областиp-n-перехода, возникнут дополнительные пары свободных носителей заряда (электрон-дырки). Под действием собственного поляp-n-перехода эти носители перейдут в соседние области (дырки – вр-слой, электроны – вn-слой), т. е. заряды, образовавшиеся в результате светового воздействия, ведут себя как неосновные носители. В результате обратный токp-n-перехода возрастает на величину фототокаI_ф=F(Ф). Появление дополнительных зарядов на границе раздела (дырок – вр-области, электронов – вn-области) приведет к понижению потенциального барьера и соответственно к увеличению диффузионной составляющей тока. Уравнение вольт-амперной характеристики такогоp-n-перехода примет вид

Рис. 4.53. Вольт-амперная характеристика p-n-перехода при оптическом воздействии

Рис. 4.52. Воздействие оптического излучения на p-n-переход: 1 – светопроницаемое окошко; 2 – герметичный непрозрачный корпус

(4.17)

График зависимости (4.17.) изображен на рис. 4.53.

Из рис. 4.53 хорошо видно, что при обратном смещении такой p-n-переход может выполнятьфункцию оптически управляемого элемента:

I_ф=F(Ф, U_обр),

что широко используется на практике, когда информация передается по оптическим каналам (оптоэлектроника). С другой стороны, если разомкнуть выводы p-n-перехода (I = 0), то согласно (4.17) на разомкнутых концах при воздействии светового потока появляется разность потенциалов (рис. 4.54):

(4.18)

Рис. 4.54. Генерация разности потенциалов под воздействием оптического излучения

Это означает, что p-n-переход в данном случае выполняет функциюпреобразователя энергии светового потока в электрическую энергию.

Если к зажимам освещенного p-n-перехода присоединить нагрузку, то в ней выделится мощность за счет протекания тока (рис. 4.54) Р_н=e_ф i_ф.

а б

Рис. 4.55. Графическое определение фотоЭДС е_ф и вызванного тока i_ф освещенного p-n-перехода: а – схема подключения нагрузки; б – графическое определение фотоЭДС е_ф

На основе рассмотренного явления преобразования в p-n-переходе световой энергии в электрическую строятся элементы солнечных батарей, являющихся основными источниками электроэнергии на борту космических аппаратов. К сожалению, низкий КПД таких элементов не позволяет пока широко использовать их в земных условиях^*.

Эффективность реакции p-n-перехода на оптическое воздействие зависит от длины волны (спектра). Поэтому одной из важнейших характеристик таких приборов является спектральная. Например, зависимость фототока от длины волны () оптического воздействия (рис. 4.56).

Подбором материала полупроводника можно обеспечить максимум оптической чувствительности в области видимого или инфракрасного излучения.

Рис. 4.57. Инерционность p-n-перехода при оптическом воздействии

Рис. 4.56. Спектральная характеристика светочувствительного p-n-перехода

Естественно, что реакция p-n-перехода на оптическое воздействие является инерционной (рис. 4.57). Характеристики степени инерционности также являются важным параметром фотодиодов.

Фототранзисторы

В качестве фотоприемников получили распространение структуры с несколькими p-n-переходами: биполярные и полевые транзисторы, тиристоры.

В биполярных транзисторах освещается область базы. Возникшие пары носителей разделяются, неосновные для базы уходят к коллекторному переходу и увеличивают ток коллектора. Основные уходят к эмиттерному переходу и понижают его потенциальный барьер, что приводит к дополнительной инжекции носителей из эмиттера в базу и соответственно к возрастанию тока коллектора. Таким образом, в фототранзисторах происходит усиление фототока. По сравнению с фотодиодами фототранзисторы обладают большей чувствительностью. На рис. 4.58 приведены графическое изображение фототранзисторов и их вольт-амперные характеристики.

а б

Рис. 4.58. Графическое изображение фототранзисторов (а) и их вольтамперные характеристики (б)

Оптроны

Сочетание фотоизлучателя и фотоприемника получило название оптоэлектронной пары, а впоследствии – оптрон. На рис. 4.59 представлена структурная схема оптрона, в состав которой входит:1– элемент, преобразующий электрическую энергию в световую;2– световод и3– элемент, преобразующий световую энергию в электрическую. Важным преимуществом оптронов является то, что в них входная и выходная цепь оптически связаны, а электрически изолированы между собой, имеют однонаправленную передачу информации, высокую помехоустойчивость канала передачи сигналов. Изготовление оптронов совместимо с интегральной технологией.

Наибольшее распространение получили пары: светодиод – фоторезистор, светодиод – фотодиод, светодиод – фототранзистор, светодиод – фототиристор. Их условные графические изображения даны на рис. 4.60.

Оптроны выпускаются в интегральном исполнении в виде отдельных микросхем: ОЭП – резисторные оптопары, АОД – диодные, АОТ – транзисторные. В диодном оптроне в качестве фотоприемного элемента используется фотодиод на основе кремния, а излучателем служит инфракрасный светодиод. Такой оптрон может работать в генераторном режиме [на выходе фотоЭДС не более (0,7÷0,8) В] и фотодиодном режиме при обратном смещении p-n-перехода фотодиода. При этом значение фототока практически линейно возрастает при увеличении силы света излучающего диода. Одной из основных характеристик является статический коэффициент передачи

,

где I_вых – выходной ток фотодиода; I_вх – входной ток светодиода.

а б

в г

Рис. 4.60. Условные изображения оптронов:

а – резисторного; б – диодного; в – транзисторного; г – тиристорного

Вид типовой статической передаточной характеристики приведен на рис. 4.61, аи зависимостьK_I = f(U_обр), рис. 4.61,б.

а б

Рис. 4.61. Статические характеристики диодного оптрона

Транзисторная оптопара имеет кремниевый фототранзистор n-p-n-типа и излучатель в инфракрасной области. Для уменьшения темнового тока между выводами базы и эмиттера фототранзистора включается внешний резистор с сопротивлением (0,1÷1) МОм. Соотношение между током базы и коллектором

,

г

Рис. 4.62. Передаточная характеристика транзисторного оптрона

деh_21Э – коэффициент передачи тока базы транзистора; I_БФ – генерируемый излучением фототок в базе транзистора.

Усредненная статическая передаточная характеристика транзисторного оптрона приведена на рис. 4.62:

,

где I_{вых Т} – темновой ток на выходе.

На рис. 4.63 приведены условные графические обозначения элементов, описанных в гл. 4.

	биполярный транзистор р-n-р-типа;		биполярный транзистор n-p-n-типа;
	полевой транзистор с управляющим p-n-переходом и каналом n-типа;		полевой транзистор с управляющим p-n-переходом и каналом р-типа;
	полевой транзистор с изолированным затвором: каналом n-типа с обеднением;		полевой транзистор с изолированным затвором: каналом р-типа с обеднением;
	полевой транзистор с изолированным затвором: каналом n-типа с обогащением;		полевой транзистор с изолированным затвором: каналом р-типа с обогащением;
	динистор;		симистор;
	тиристор с управлением по аноду;		тиристор с управлением по катоду;
	светодиод;		фотодиод.
	фототранзистор;

Рис. 4.63. Примеры условных графических изображений электронных элементов