14.4.3. Фоторезисторы

Фоторезистор – полупроводниковый резистор, сопротивле­ние которого изменяется под действием излучения. Схема фото­резистора приведена на рис. 14.21,а. Фоточувствительный слой 2 с контактами 3 наносится на диэлектрическую пластину 1. Если фо­торезистор не освещен, то он обладает большим (10⁴...10⁷ Ом) темповым сопротивлением. Соответствующий ток через фото­резистор называется темновым. При достаточной энергии фо­тонов в фоторезисторе происходит генерация пар носителей, приводящая к уменьшению сопротивления. При включении в цепь внешнего рези­стора (рис. 14.21,б) ток, протекающий в цепи, будет являть­ся функцией свето­вого потока Ф и на­пряжения U.

Основные харак­теристики фоторезистора: вольт-амперная I= f(U) при Ф = const (рис. 14.22,а); световая (энергетическая) I = f(Ф) при U = const (рис. 14.22,6). Для аппроксимации световой характеристики используют зависимость

I=+=+b,

где – темновой ток фоторезистора; b и n – постоянные коэффици­енты, зависящие от типа фоторезистора; – фототок.

Спектральная характеристика фоторезистора – зависи­мость фототока от длины волны падающего света (рис. 14.22,8). Для каждого фоторезистора существует свой максимум спект­ральной характеристики . Это связано с различной шириной запрещенной зоны используемых материалов. Максимум спект­ральной характеристики может находиться в инфракрасной, ви­димой или ультрафиолетовой частях спектра. Фоторезисторы ха­рактеризуют также интегральной чувствительностью К, т.е. отношением фототока к световому потоку Ф при номинальном значении напряжения: К= /Ф.

Существенный недостаток фоторезисторов – значительная за­висимость сопротивления от температуры и большая инерцион­ность, связанная с большим временем жизни электронов и дырок после прекращения облучения. Переходные процессы в фоторези­сторе происходят с постоянной времени, примерно равной време­ни жизни электронов и дырок в полупроводнике.

14.4.4. Фотодиоды

Полупроводниковым фотодиодом называют полупроводни­ковый диод, обратный ток которого зависит от освещенности (светового потока). Фотодиоды изготовляются на основе элект­ронно-дырочных переходов, контактов металл-полупроводник и гетеропереходов.

Рассмотрим процессы в конкретной структуре фотодиода (рис. 14.23,а). Пусть р-область через прозрачное защитное окно и тонкий n-слой освещается потоком фотонов, энергия которых боль­ше ширины запрещенной зоны полупроводника. Тогда в n-области будут образовываться пары носителей электрон-дырка. Появив­шиеся неравновесные электроны являются основными носителями для n-области. Поэтому относительное увеличение концентрации электронов из-за освещения будет очень малым, и им в первом приближении можно пренебречь. Незначительная доля неравно­весных электронов может преодолеть имеющийся для них в n-р-переходе потенциальный барьер, создаваемый контактной разно­стью потенциалов и обратным напряжением от источника питания. Вследствие малости исходной концентрации неосновных носите­лей в n-области относительное увеличение концентрации дырок (из-за неравновесных дырок, появившихся за счет освещения) бу­дет значительным. Если пара носителей электрон-дырка возника­ет на таком расстоянии от границы р-n-перехода, что время пролета (диффузии) дырок до этой границы меньше времени ее жизни в n-полупроводнике (или, другими словами, путь меньше диффузион­ной длины дырок), то дырка, являясь неосновным носителем, будет захвачена ускоряющим электрическим полем перехода. Переход дырки в р-область означает увеличение обратного тока перехода. Добавка к обратному току, связанная с освещением, называется фототоком . Полная величина обратного тока=+, где– темновой ток (при нулевом световом потокеФ = 0), т.е. это обратный ток обычного диода.

Фототок обычно представляют выражением =Ф, а коэф­фициент пропорциональности называютинтегральной токовой чувствительностью фо­тодиода. Темновой ток фото­диода (Ф = 0) представляется уравнением

, U<0,

а семейство вольт-амперных характеристик при Ф0

.

Это семейство характеристик

изображено в III квадранте на рис. 14.24. На рис. 14.23,б показана схема включения фотодиода с резистором . Изменение напряже­ния на резистореи есть полезный эффект, связанный с освеще­нием. Если= 0 (режим короткого замыкания), то в цепи течет так называемый фототек короткого замыкания, соответствующий на рис. 14.24 значению приU= 0.