3.3. Фотоэлектронные приборы

3.3.1. Термины и определения

Фотоэлектронный прибор – это полупроводниковый прибор, чувствительный к электромагнитному излучению в видимой, инфракрасной или ультрафиолетовой областях. К фотоэлектронным приборам относятся:

1. оптоизлучатели, т.е. преобразователи электрической энергии в световую;

2. фотоэлектрические приемники излучения (фотоприемники), т.е. преобразователи световой энергии в электрическую;

3. приборы для электрической изоляции при передаче энергии и информации по световому каналу – оптопары;

4) световоды.

3.3.2. Оптоизлучатели

Наиболее распространенными излучателями являются светодиоды (СИД – светоизлучающий диод), которые представлены на рис.3.14.

Светодиодом называют излучающий полупроводниковый прибор с одним р-п-переходом, предназначенный для непосредственного преобразования электрической энергии в энергию светового излучения.

Рис. 3.14. Светодиод: цилиндрической конструкции(а); сферической конструкции(б);

УГО(в); схема включения(г)

При подаче прямого напряжения на р-n-переход происходит инжекция носителя заряда: электронов в р-область и дырок в n-область (т.е. ввод туда, где эти носители становятся неосновными). Инжектированные неосновные носители рекомбинируют с основными носителями данной области полупроводника, и их концентрация быстро уменьшается по мере удаления от p-n-перехода. При встрече электрона и дырки их заряды компенсируются, и данные носители заряда исчезают. Поэтому при рекомбинации выделяется энергия. У многих полупроводников рекомбинация носит безызлучательный характер, т.е. превращается в теплоту. Однако у полупроводников типа SiC (карбид кремния) и GaAs (арсенид галлия) рекомбинация является излучательной – энергия выделяется в виде квантов некогерентного изучения – фотонов. Поэтому у таких полупроводников прохождение тока в прямом направлении через p-n-переход сопровождается оптическим излучением определенного спектрального состава. Электронно–дырочный переход светодиодов выполняют несимметричным. Концентрация дырок в p-слое много больше, чем концентрация электронов в n-слое. Тем самым ток в СИД создается преимущественно дырками, переходящими под действием инжекции в n-область, где они и рекомбинируют с электронами. Свет в СИД генерируется вблизи p-n-перехода, откуда и распространяется во всех направлениях прямолинейно.

Вольтамперная характеристика (ВАХ) светодиодов подобна характеристикам обычных кремниевых и германиевых диодов (рис. 3.15).

Рис. 3.15. Вольтамперная характеристика светодиода

Отличие проявляется в большем падении напряжения при протекании прямого тока. Это связано с большей шириной запрещённой зоны полупроводников, используемых для изготовления светодиодов. С увеличением прямого тока их яркость свечения возрастает.

3.3.3. Фотоприемники

К числу фотоприёмников относят фотодиоды, фототранзисторы, фототиристоры и др.

Принцип действия этих приборов основан на использовании явлений фотоэффекта, возникающих под воздействием лучистой энергии. Сущность процесса фотоэффекта заключается в том, что под действием излучения происходит изменение электрофизических параметров. При воздействовии света на слой полупроводника осуществляется переход электрона из валентной зоны в зону проводимости. В результате образования дополнительных свободных неосновных носителей заряда увеличивается проводимость вещества (явление фотопроводимости). А при облучении светом p-n-перехода увеличивается ток неосновных носителей, т.е. увеличивается обратный ток этого перехода.

Описанные выше явления относятся к внутреннему фотоэффекту, который еще называется фотогальваническим. Внутреннее электрическое поле разделяет возникшие под воздействием оптического излучения фотоносители (дырки и электроны), которые затем под действием приложенного внешнего напряжения начинают упорядоченно двигаться.

Фотогальванический эффект используется в фотодиодах, фототранзисторах и фототиристорах. А эффект фотопроводимости – в фоторезисторах.

Фотодиодом называется фотоприемник без внутреннего усиления (в отличие от фототранзистора и фототиристора), фоточувствительный элемент которого имеет структуру полупроводникового диода (рис. 3.16).

Рис. 3.16. Устройство фотодиода (а) и схемы его включения: б – как фотогенератора (в фотогальваническом режиме), в – как фотопреобразователя (в диодном режиме)

Фотодиод конструктивно выполнен так, что его p-n- переход одной стороной обращен к стеклянному окну, через которое поступает свет, и защищен от воздействия света с другой стороны (рис. 3.16, а). P-n-переход выполнен сплавлением таблетки с р-проводимостью с кремниевой пластиной n-типа.

На рис. 3.17 показана p-n-структура фотодиода.

Рис. 3.17. P-n-структура фотодиода с приведёнными обозначениями:

ОПЗ – область пространственного заряда, Е_Ф – фотоЭДС (Е_Ф<Е₀)

Если облучения нет, то диффузионный и дрейфовый токи p-n-перехода уравновешиваются. При освещении n-области появляется дополнительное число носителей заряда – пары электрон – дырка. Ширина n-области такова, что фотоносители не успевают рекомбинировать и доходят до границы p-n-перехода и разделяются его электрическим полем (Е₀). Подхваченные полем дырки переходят в p-область, а электроны остаются в n-области и скапливаются у границы перехода (т.к. поле перехода является тормозящим для них). Вместе с ростом концентрации фотоносителей возрастает создаваемое ими электрическое поле, направленное против поля диффузии p-n-перехода. На контактах p- и n‑областей возникает ЭДС соответственно положительного и отрицательного знаков (фотоЭДС). Направление тока совпадает с направлением движения дырок. Это ток неосновных носителей, т.е. обратный ток p-n-перехода (обусловлен дрейфом неосновных носителей – дырок).

Характеристики фотодиода.

Рис. 3.18. Вольт-амперные характеристики I = f(U) при Ф = const

На рис. 3.18 обозначены следующие области:

I – область прямого тока через р-п-переход – нерабочая;

III – фотодиодный режим (фотопреобразовательный);

IV – фотогальванический режим (фотогенераторный).

ВАХ подобны характеристикам р-п-перехода, включенного в обратном направлении. С ростом светового потока Ф они сдвигаются по оси обратного тока (-I_Д) пропорционально потоку Ф.

Область его применения такова: фотодиоды используются как датчики световых сигналов; в электроизмерительных приборах; в солнечных батареях (фотоэлементы).

Фототранзистором называется полупроводниковый прибор с двумя p-n-переходами, предназначенный для преобразования потока излучения и усиления фототока (рис. 3.19).

Фототранзисторы могут применяться в качестве чувствительных элементов в электронных устройствах, в вычислительной технике, системах телеконтроля (см.рис. 3.19, в).

Рис. 3.19. Устройство транзистора (а) и схемы его включения:

б - как диод с одним свободным электродом, в - как обычный транзистор

Фототиристором называется фотоэлектрический прибор с тремя p-n-переходами. Структура фототиристора аналогична структуре обычного тиристора, с той лишь разницей, что у фототиристоров управляющей величиной является не ток, а световой поток. Под воздействием светового потока в p-n-p-n-структуре происходит генерация новых носителей заряда – пар электрон – дырка. С ростом их концентрации возрастает суммарный ток, протекающий через структуру.