Физические основы работы ФП

В фотодиоде без внешнего воздействия (диффузия, рекомбинация):

– уровень Ферми единый для p и n областей;

– возникает "тепловой" ток I₀, вызванный встречным потоком неосновных носителей;

– создается область объемного заряда - слой обедненный носителями зарядов:

где D – коэффициент диффузии, τ – время жизни, Nд – концентрация доноров.

– создается потенциальный барьер eU₀

где: nэл – концентрация электронов,nд – концентрация дырок,n0 – собственная концентрация носителей

– наличие объемного заряда означает, что p-n переход представляет собой конденсатор емкостью:

где: S – площадь p-n перехода

– возникает темновой ток I_T , вызванный встречным диффузионным движением носителей зарядов:

Классификация фотонных детекторов.

Классификация приемников излучения может производится не только по физическому принципу работы, но и по другим признакам:

- по спектральной области чувствительности (работающие в УФ, в видимой или ИК-областях спектра);

- по рабочей температуре фоточувствительного элемента (неохлаждаемые и охлаждаемые)

- по назначению данного вида приемника (для спектральных целей, для измерения слабых оптических сигналов, мощных потоков, для регистрации коротких световых импульсов и т.д.);

- по конструктивному признаку, например, количеству чувствительных элементов в приемнике.

В оптико-электронной аппаратуре наиболее широко применяются две основные группы приемников излучения: фотоэлектрические и тепловые.

Ниже приведены классификация фотоприемников по устройству и назначению и по принципу работы.

Классификация фотоприемников по устройству и назначению

Классификация фотоприемников по принципу работы

Фоторезисторы.

Условное обозначение фоторезистора

На практике находят применение две формы проявления внутреннего фотоэффекта:

– фотовольтаический эффект используется для преобразования световой энергии в электрическую (например, в солнечной энергетике);

– фотопроводимость (увеличение проводимости при появлении фотоносителей в результате внутреннего фотоэффекта).

Принцип работы фоторезисторов основан на изменении проводимости, т.е. на использовании эффекта образования в фоточувствительных материалах электронно-дырочных пар под воздействием падающего оптического излучения.

Схема включения фоторезистора

Выходной сигнал определяется изменением напряжения на сопротивлении нагрузки R_н при изменении сопротивления фотослоя R_Ф.

При ΔR<<rФ</r
Оптимальное согласование при Rн = RФ:

Фоторези́стор — полупроводниковый прибор, изменяющий величину своего сопротивления при облучении светом.

Для изготовления фоторезисторов используют полупроводниковые материалы с шириной запрещенной зоны, оптимальной для решаемой задачи. Так, для регистрации видимого света используются фоторезисторы из селенида и сульфида кадмия, Se. Для регистрации инфракрасного излучения используются Ge (чистый или легированный примесями Au, Cu или Zn), Si, PbS, PbSe, PbTe, InSb, InAs, HgCdTe, часто охлаждаемые до низких температур. Полупроводник наносят в виде тонкого слоя на стеклянную или кварцевую подложку или вырезают в виде тонкой пластинки из монокристалла. Слой или пластинку полупроводника снабжают двумя электродами и помещают в защитный корпус.

Важнейшие параметры фоторезисторов:

· интегральная чувствительность — отношение изменения напряжения на единицу мощности падающего излучения (при номинальном значении напряжения питания);

· порог чувствительности — величина минимального сигнала, регистрируемого фоторезистором, отнесённая к единице полосы рабочих частот.

Фоторезисторы

Фоторезисторами называют полупроводниковые приборы, проводимость которых меняется под действием света.

Конструкция монокристаллического и пленочного фоторезисторов показана на рис. 1, 2 приложения. Основным элементом фоторезистора является в первом случае монокристалл, а во втором – тонкая пленка полупроводникового материала.

Если фоторезистор включен последовательно с источником напряжения (рис.3 приложения) и не освещен, то в его цепи будет протекать темновой ток

Iт = E / (Rт + Rн), (4)

где Е – э. д. с. источника питания; Rт – величина электрического сопротивления фоторезистора в темноте, называемая темновым сопротивлением; Rн – сопротивление нагрузки.

При освещении фоторезистора энергия фотонов расходуется на перевод электронов в зону проводимости. Количество свободных электронно-дырочных пар возрастает, сопротивление фоторезистора падает и через него течет световой ток

Iс = E / (Rс + Rн). (5)

Разность между световым и темновым током дает значение тока Iф, получившего название первичного фототока проводимости

Iф = Iс – Iт. (6)

Когда лучистый поток мал, первичный фототок проводимости практически безынерционен и изменяется прямо пропорционально величине лучистого потока, падающего на фоторезистор. По мере возрастания величины лучистого потока увеличивается число электронов проводимости. Двигаясь внутри вещества,

электроны сталкиваются с атомами, ионизируют их и создают дополнительный поток электрических зарядов, получивший название вторичного фототока проводимости. Увеличение числа ионизированных атомов тормозит движение электронов проводимости. В результате этого изменения фототока запаздывают

во времени относительно изменений светового потока, что определяет некоторую инерционность фоторезистора.

Параметры фоторезисторов

Рабочее напряжение Uр – постоянное напряжение, приложенное к фоторезистору, при котором обеспечиваются номинальные параметры при длительной его работе в заданных эксплуатационных условиях (как правило, от 1 до 1000 в).

Максимально допустимое напряжение фоторезистора Umax – максимальное значение постоянного напряжения, приложенного к фоторезистору, при котором отклонение его параметров от номинальных значений не превышает указанных пределов при длительной работе в заданных эксплуатационных условиях.

Темновое сопротивление Rт – сопротивление фоторезистора в отсутствие падающего на него излучения в диапазоне его спектральной чувствительности (варьирует в обычных приборах от 1000 до 100000000 ом).

Световое сопротивление Rс – сопротивление фоторезистора, измеренное через определенный интервал времени после начала воздействия излучения, создающего на нем освещенность заданного значения.

Кратность изменения сопротивления KR – отношение темнового сопротивления фоторезистора к сопротивлению при определенном уровне освещенности (световому сопротивлению).

Допустимая мощность рассеяния – мощность, при которой не наступает необратимых изменений параметров фоторезистора в процессе его эксплуатации.

Общий ток фоторезистора – ток, состоящий из темнового тока и фототока.

Фототок – ток, протекающий через фоторезистор при указанном напряжении на нем, обусловленный только воздействием потока излучения с заданнымспектральным распределением.

Удельная чувствительность – отношение фототока к произведению величины падающего на фоторезистор светового потока на приложенное к нему напряжение, мкА / (лм ( В)

К0 = Iф / (ФU), (7)

где Iф – фототок, равный разности токов, протекающих по фоторезистору в темноте и при определенной (200 лк) освещенности, мкА; Ф – падающий световой поток, лм; U – напряжение, приложенное к фоторезистору, В.

Интегральная чувствительность – произведение удельной чувствительности на предельное рабочее напряжение Sинт = К0Umax.

Постоянная времени (ф – время, в течение которого фототок изменяется на 63%, т. е. в e раз. Постоянная времени характеризует инерционность прибора и влияет на вид его частотной характеристики.

При включении и выключении света фототок возрастает до максимума (рис. 8 приложения) и спадает до минимума не мгновенно. Характер и длительность кривых нарастания и спада фототока во времени существенно зависят от механизма рекомбинации неравновесных носителей в данном материале, а также

от величины интенсивности света. При малом уровне инжекции нарастание и спад фототока во времени можно представить экспонентами с постоянной времени (, равной времени жизни носителей в полупроводнике. В этом случае при включении света фототок iф будет нарастать и спадать во времени по

закону

iф = Iф (1 – e – t / (); iф = Iф e – t / (, (8)

где Iф – стационарное значение фототока при освещении.

По кривым спада фототока во времени можно определить время жизни (неравновесных носителей.

Изготовление фоторезисторов

В качестве материалов для фоторезисторов широко используются сульфиды, селениды и теллуриды различных элементов, а также соединения типа AIIIBV. В инфракрасной области могут быть использованы фоторезисторы на основе PbS, PbSe, PbTe, InSb, в области видимого света и ближнего ультрафиолета – CdS.

Применение фоторезисторов

В последние годы фоторезисторы широко применяются во многих отраслях науки и техники. Это объясняется их высокой чувствительностью, простотой конструкции, малыми габаритами и значительной допустимой мощностью рассеяния. Значительный интерес представляет использование фоторезисторов в

оптоэлектронике.

Фотодиоды.

Фотодиод, полупроводниковый диод, обладающий свойством односторонней фотопроводимости при воздействии на него оптического излучения. Ф. представляет собой полупроводниковый кристалл обычно с электронно-дырочным переходом (р–n-переходом), снабженный 2 металлическими выводами (один от р-, другой от n-области) и вмонтированный в металлический или пластмассовый защитный корпус.

Фотодиоды могут работать в одном из двух режимов: 1) без внешнего источника электрической энергии (режим фотогенератора); 2). с внешним источником электрической энергии (режим фотопреобразователя).

При увеличении освещенности фототок возрастает.

Фотодиодами называют фотоэлектрические полупроводниковые приборы, в которых при воздействии световой энергии возникают электронно-дырочные пары, разделяемые p-n-переходом и образующие фототок.

В системах связи используются главным образом:

– p-i-n – фотодиоды, обладающие наиболее высоким быстродействием при высокой чувствительности;

– лавинные фотодиоды – характеризуются наиболее высокой чувствительностью при высоком быстродействии.

Фотодиоды при облучении

Фототок: где g – часть нерекомбинировавших зарядов, дошедших до перехода;

h – квантовый выход; Ф – освещенность;

– при hv>Eg образуются электрон - дырочные пары фотоносителей;

– фотоэлектроны и фотодырки разделяются (дрейфуют) полем p-n – перехода;

– дрейфовый ток преобладает над диффузионным;

– диффузионный ток в фотодиоде является паразитным;

– снижается внутренний потенциальный барьер;

– уровень Ферми смещается;

– во внешней цепи образуется ток:

Вольт–амперная характеристика фотодиода

Квадранты: I – область работы выпрямительного диода и нерабочая область для фотодиода. III – фотодиодная область работы фотодиода (фотодиодный режим работы фотодиода). IV – соответствует фотогальваническому режиму работы фотодиода (область работы фотодиода для гелиоэнергетики).

Принцип работы:

При воздействии квантов излучения в базе происходит генерация свободных носителей, которые устремляются к границе p-n-перехода. Ширина базы (n-область) делается такой, чтобы дырки не успевали рекомбинировать до перехода в p-область. Ток фотодиода определяется током неосновных носителей — дрейфовым током. Быстродействие фотодиода определяется скоростью разделения носителей полем p-n-перехода и ёмкостью p-n-перехода C_p-n

Фотодиод может работать в двух режимах:

· фотогальванический — без внешнего напряжения

· фотодиодный — с внешним обратным напряжением

Особенности:

· простота технологии изготовления и структуры

· сочетание высокой фоточувствительности и быстродействия

· малое сопротивление базы

· малая инерционность

• p-i-n фотодиод. В p-i-n структуре средняя i-область заключена между двумя областями противоположной проводимости. При достаточно большом напряжении оно пронизывает i-область, и свободные носители, появившееся за счет фотонов при облучении, ускоряются электрическим полем p-n переходов. Это дает выигрыш в быстродействии и чувствительности. Повышение быстродействия в p-i-n фотодиоде обусловлено тем, что процесс диффузии заменяется дрейфом электрических зарядов в сильном электрическом поле. Уже при U_обр≈0.1В p-i-n фотодиод имеет преимущество в быстродействии.
• Фотодиод Шоттки (фотодиод с барьером Шоттки)

Структура металл-полупроводник. При образовании структуры часть электронов перейдет из металла в полупроводник p-типа.

· Лавинный фд. В структуре используется лавинный пробой. Он возникает тогда, когда энергия фотоносителей превышает энергию образования электронно-дырочных пар. Очень чувствительны. Для оценки существует коэффициент лавинного умножения:

· Фотодиод с гетероструктурой

Гетеропереходом называют слой, возникающий на границе двух полупроводников с разной шириной запрещённой зоны. Один слой р+ играет роль «приёмного окна». Заряды генерируются в центральной области. За счет подбора полупроводников с различной шириной запрещённой зоны можно перекрыть весь диапазон длин волн. Недостаток — сложность изготовления.

ВАХ ФР.

Вольт–амперная характеристика фотодиода

Рис. 2.6. ВАХ фоторезистора

Световая (люкс-амперная), характеризующая зависимость фототока от падающего светового потока постоянного спектрального состава. Полупроводниковые фоторезисторы имеют нелинейную люкс-амперную характеристику (рис. 2.7). Наибольшая чувствительность получается при малых освещенностях. Это позволяет использовать фоторезисторы для измерения очень малых интенсивностей излучения. При увеличении освещенности световой ток растет примерно пропорционально корню квадратному из освещенности. Наклон люкс-амперной характеристики зависит от приложенного к фоторезистору напряжения.