2.Полупроводниковый фотодетектор

Схема полупроводникового фотодетектора приведена на (рис.9).

Рис.9 Типовая схема включения детектора с фотосопротивлением.

Полупроводниковый кристалл последовательно соединен с резистором R и источником постоянного напряжения V. Оптическая волна, которую нужно зарегистрировать, падает на кристалл и поглощается им, возбуждая при этом электроны в зону проводимости (или в полупроводниках p-типа – дырки в валентную зону). Такое возбуждение приводит к уменьшению сопротивления R_d полупроводникового кристалла и, следовательно, к увеличению падения напряжения на сопротивлении R, которое при R_d / R_d << 1 пропорционально плотности падающего потока. В качестве примера рассмотрим энергетические уровни одного из наиболее распространенных полупроводников – германия, легированного атомами ртути. Атомы Hg в германии являются акцепторами с энергией ионизации 0.09 эВ. Следовательно, для того, чтобы поднять электрон с верхнего уровня валентной зоны и чтобы атом Hg (акцептор) сумел захватить его, необходим фотон с энергией, по крайней мере, 0.09 эВ (т. е. фотон с длиной волны короче 14 мкм). Обычно кристалл германия содержит небольшое количество N_D донорных атомов, которым при низких температурах энергетически выгодно отдавать свои валентные электроны большому количеству N_A акцепторных атомов. При этом возникает равное количество положительно ионизированных донорных и отрицательно ионизированных акцепторных атомов. Так как концентрация акцепторов N_A >> N_D, большинство атомов-акцепторов остается незаряженным.

Падающий фотон поглощается и переводит электрон из валентной зоны на уровень атома-акцептора, как это показано на рис. 10 (процесс А).

Рис.10 Схема донорных и акцепторных примесных уровней участвующих в

работе проводящих полупроводников.

Возникающая при этом дырка движется под действием электрического поля, что приводит к появлению электрического тока. Как только электрон с акцепторного уровня возвращается обратно в валентную зону, уничтожая тем самым дырку (процесс B), ток исчезает. Этот процесс называется электронно-дырочной рекомбинацией или захватом дырки атомом акцептора.

Выбирая примеси с меньшей энергией ионизации, можно обнаружить фотоны с более низкой энергией. Существующие полупроводниковые фотодетекторы обычно работают на длинах волн вплоть до  ­­ 32 мкм.

Из сказанного следует, что главным преимуществом полупроводниковых фотодетекторов по сравнению с фото умножителями является их способность регистрировать длинноволновое излучение, поскольку создание подвижных носителей в них не связано с преодолением значительного поверхностного потенциального барьера. Недостатком же их является небольшое усиление по току. Кроме того, для того чтобы фото возбуждение носителей не маскировалось тепловым возбуждением, полупроводниковые фотодетекторы приходится охлаждать.[2]

3. Изготовление фоторезисторов

В качестве материалов для фоторезисторов широко используются сульфиды, селениды и теллуриды различных элементов, а также соединения типа A_IIIB_V. Для

изготовления серийных фоторезисторов используются различные типы материалов: сернистый кадмий (CdS), селенис­тый кадмий (CdSe), сернистый свинец (PbS) и селенид свинца (PbSe). В инфракрасной области могут быть использованы фоторезисторы на основе PbS, PbSe, PbTe, InSb, в области видимого света и ближнего ультрафиолета – CdS. Фоторезисторы чувствительные к инфракрасному излу­чению длинноволнового диапазона изготавливают на основе со­единения кадмий-ртуть-теллур и антимонида индия (InSb).

Для каждого типа фоторезисторов в справочных данных ука­зываются область спектральной чувствительности и максимум спектрального распределения фото чувствительности. Фоторези­сторы, изготовленные из кадмиевых соединений (CdS или CdSe), имеют чувствительность в видимой области спектра от 0,3 до 1,1 мкм. Приборы на основе соединений свинца (PbS, PbSe) обла­дают чувствительностью к инфракрасному излучению в диапазо­не от 0,5 до 4,6 мкм.

Промышленные типы фоторезисторов достаточно стабильны при хранении в темноте. В процессе эксплуатации стабильность параметров фоторезисторов, в основном, определяется выделяемой мощностью рассеивания и значением освещенности. При незначительной освещенности и мощности рассеивания фотопроводимость мало изменяется. При больших значениях освещенности и мощности рассеивания, близкой к допустимой, фотопроводимость уменьшается, в основном в начальный период работы. Уменьшение может достигать 20-30%. Изменение фотопроводимости вызвано двумя причинами: разогревом светочувствительного слоя – усталостью и происходящими необратимыми физико-химическими процессами – старением. После длительного пребывания фоторезисторов в темноте в нерабочем состоянии фотопроводимость обычно возрастает. Восстанавливается та часть, которая была вызвана усталостью.

Для стабилизации работы фоторезисторов применяют искусственное старение, которое осуществляется на предельной допустимой мощности рассеивания. Для ускорения этого процесса можно проводить старение при повышенной мощности рассеивания. Режимы старения для каждого типа фоторезисторов подбираются экспериментальным путем. При искусственном старении токовая чувствительность фоторезисторов практически полностью стабилизируется, но резко уменьшается.

Светочувствительная площадка фоторезистора может быть освещена световым пятном не полностью. В этом случае параметры фоторезистора зависят то того, как перемещается световое пятно.

При частичном освещении световым пятном, перемещающимся параллельно электродам фоторезистора, постоянные времени не изменяются, а значение фототока теоретически должно быть пропорционально освещенной части площади фоторезистора. Однако у ряда серийно выпускаемых прессованных фоторезисторов и у фоторезисторов, имеющих линзу, наблюдается заметное отклонение от пропорциональности. Такое отклонение у прессованных фоторезисторов объясняется неравномерностью и неоднородностью структуры светочувствительного слоя и покрытия.

При частичном освещении световым пятном, перемещающимся последовательно электродам, постоянные времени меняются и зависят от сопротивления неосвещенной части фоторезистора. При этом фототок нарастает сначала медленно, а в конце освещения почти скачкообразно.

Фоторезисторам присущи собственные шумы. Они зависят от напряжения, освещенности, температуры и конструкции фоторезистора. Фоторезисторы с электродами, выполненными из индия и золота, имеют наименьший уровень шума. [2]