Публикации / ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЕ ФОТОЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ ПРИБОРЫ

Общие сведения о фотоэлектрических (оптоэлектронных) приборах.

При облучении полупроводников электромагнитными волнами оптиче­ского диапазона кванты света частично отражаются, а частично поглощаются атомами. Электроны атомов полупроводников, получивших дополнительную энергию при поглощении квантов света, могут перейти из ВЗ(валентной зоны) в ЭП(электронный переход), вследствие чего образуются электронно-дырочные пары. Появление этих зарядов приводит к увеличению электропроводимости полупроводника или к появлению фото ЭДС. Эти два явления широко используются в фотоэлектрических (оптоэлектронных) полупроводниковых приборах (ФЭП). Рассмотрим некото­рые из них.

Оптоэлектронными приборами называют приборы, прин­цип действия которых основан на излучении или преобразовании электромаг­нитных колебаний оптического диапазона волн (λ=1мм ... 1 нм). Шкала элек­тромагнитных волн в области оптического диапазона представлена на рис.1

Рис. 1. Шкала элек­тромагнитных волн в области оптического диапазона

По назначению ФЭП делятся на излучающие, приемные, оптопары и оптоэлектронные интегральные микросхемы.

Излучающие ФЭП преобразуют электрическую энергию в оптическое излучение. Представители: светодиоды, знаковые индикаторы, полупроводниковые лазеры.

Приемные ФЭП делятся на фотодетекторы и фотоэлементы. Фотодетекторы осуществляют преобразование оптических сигналов в электрические. К ним относятся фоторезисторы, фотодиоды, фототранзисторы, фототиристоры. Фотоэлементы осуществляют преобразование световой энергии в электрическую. Типичными представителями их являются солнечные батареи.

Фоторезисторы

Фоторезисторы (ФР) - это полупроводниковые резисторы, принцип действия которых основан на фоторезистивном эффекте, т.е. на изменений сопротивления полупроводника под действием светового облучения.

Устройство ФР: на диэлектрическую подложку (рис.2,а) нанесен слой полупроводника с двумя омическими выводами на концах, покрытый сверху слоем прозрачной эмали. В качестве полупровод­никовых материалов используются сульфиды свинца и кадмия (PIS и CdS) и селенид кадмия (CdSe).

Принцип работы. При световом облучении полу­проводника его атомы по­глощают кванты света. Это значит, что энергия квантов передается   электронам атомов полупровод­ника. Если , то они переходят в зону прово­димости, превращаясь в электроны проводимости и оставляя дырки в валентной зоне. Следовательно, поглощение квантов света предопределяет возникновение электронно-дырочных пар, что повышает концентрацию подвижных НЗ (электронов и дырок), увеличивая проводимость полупроводника . При этом, чем интенсивнее облучение полупроводникового слоя, тем интенсивнее процесс генерации и тем выше его проводимость.

Рис. 2.

При включении ФР в цепь источника питания (рис. 2,б) с напряжением

в ней потечет ток ,

где темновой ток, т.е. ток, протекающий в цепи при отсутст­вии освещения;

R_T - темновое сопротивление - сопротивление ФР при отсутствии осве­щения;

- ток, возникающий только под действием светового облуче­ния (при отсутствии светового облучения =0.

Характеристики ФР. Ток в цепи ФР зависит от светового потока Ф, внешнего напряжения и длины волны λ

В соответствии с этим различают световую, вольт -амперную и спектральную характеристики соответственно. Определения этих характеристик и графи­ки, соответствующие им, представлены на рис. 3.

Рис.3. Характеристики фоторезисторов

Световые характеристики не линейны и это недостаток.Вольт -амперные характеристики линейны - это достоинство. Максимумы спектраль­ных характеристик лежат : для дернистого кадмия в видимой части спектра (ВИ), а для селенистого кадмия и сернистого свинца - в области инфракрасного излучения (ИКИ).

Параметры фоторезисторов.

1. Интегральная чувствительность:мкА/лм.
2. Удельная интегральная чувствительность: мкА/лм·В.
3. Величина темпового сопротивления:
4. Максимальное рабочее напряжение: .

Достоинства фоторезисторов: высокая чувствительность, малые вес и габариты, дешевизна. Недостатки: нелинейность световой характеристики, низкая термостабильность, инерционность.

Фотодиоды

Фотодиод это обратносмещенный полупроводниковый диод, обратный ток которого определяется степенью освещенности.

Фотодиод (ФД) представляет собой обычный полупроводниковый диод (Рис.4.), корпус которого имеет световое окно и линзу. Материалом изготовления служат германий и кремний.

Принцип работы. На Рис.5 изображен осве­щаемый обратносмещенный ЭДП. При по­глощении квантов света атомами полупроводника в самом ЭДП и прилегающих к нему об­ластях происходит генерация электронно-дырочных пар. Неосновные носители заряда, образовавшиеся в n- и p- областях на расстоя­ниях, не превышающих L_n и L_p соответствен­но, диффундируют к ЭДП и проходят через него под воздействием электрического поля Е_Σ.

То же происходит и с НЗ, образовавши­мися в самом ЭДП.

Рис.4. Полупроводниковый диод

Поток рассмотренных НОНЗ порождается освещением и перебрасывается через ЭДП электрическим полем . Он создает ток, называемый фототоком . Этот ток совпадает по направлению с обратным током ЭДП и отличается от него только характером происхождения носителей заряда: НОНЗ, образующие ток , возникают от поглощения квантов света, а НОНЗ, обра­зующие ток , - от термогенерации. При этом, чем интенсивнее световое облучение, тем больше фотопоток.

Рис.5                                                               Рис.6

К основным характеристикам ФД относятся вольт -амперная , световая и спектральная характеристики.

1. ВАХ фотодиода определяется, исходя из следующих соображений. В общем случае в цепи ФД могут протекать три тока (рис. 10.5): инжекционный - при прямом смещении неосвещенного диода ; тепловой и фототок - при обратном смещении. С учетом этого

Семейство   ВАХ,   определяемое   этим   выражением,   представлено   на рис.6. Однако ФД работает только при обратном смещении, поэтому:

Это выражение и является уравнением ВАХ ФД.

При отсутствии освещения (ф=0) ток =0 и Iфд= - Iо. При наличии освещения (Ф>0) ток Iф > 0, он суммируется с током Iо и , поэтому характеристики сдвигается вниз (рис.7). Причем сдвиг тем больше, чем больше Ф: в этом и прояв­ляется зависимость тока  от светового потока. В фоторежиме ток Iфд практически не зависит от напряжения Uобр, и почти линейно зависит от Ф.

2. Световые харак­теристики ФД (рис.8) линейны, начинаются из точки . Линейность объясняется тонкой ба­зой, вследствие чего вес, образованные под дейст­вием света, НОНЗ дохо­дят до ЭДП и создают ток .

Рис.7.                             Рис.8.                     Рис.9.

3.Спектральные характеристики определяются шириной полупроводника со стороны больших значений длины волн λ и показателем поглощения со стороны малых значений λ. На рис.9 приведена спектральная характеристика германиевого диода.

Одним из основных параметров ФД является интегральная чувствительность: К числу других параметров относятся рабочее напряжение, пороговый снеговой поток, граничная частота.

Достоинства ФД: большая интегральная чувствительность (до 20 мА/лм) и малая инерционность. Недостаток: большая зависимость тока от температуры.

Применяются ФД в качестве детекторов излучений света, датчиков коор­динат в РЛС, в устройствах ввода и вывода информации в ЭВМ, в качестве фо­тореле в автоматике и т.п.Кроме ФД с ЭДП ныне применяются ФД с р- i-n- структурой и с диодами Шотки, имеющие более высокие чувствительность, быстродействие, меньшие рабочие напряжения и другие особенности.

Фотоэлементы

Фотоэлементом (ФЭ)  называют полупроводниковый при­бор с выпрямляющим переходом, предназначенный для непосредственного преобразования световой энергии в электрическую. Такие приборы являются источниками электрической энергии и широко применяются в солнечных батареях и фотометрии.

Конструктивно полупроводниковые ФЭ представля­ют собой фотодиоды, работающие без источников Питания. Материалами для изготовления их являют­ся кремний, селен, сер­нистое серебро, фосфор, сурьма.

Для рассмотрения принципа работы вос­пользуемся рис. 10, на котором изображен ос­вещаемый ЭДН, нагру­женный на резистор R_H и не имеющий источника смещения.

Рис. 10.

При облучении светом p - n - перехода и прилегающих к нему областей в них генерируются электронно-дырочные пары. Образовавшиеся НЗ разделяются полем Е_К. НОНЗ перебрасываются через пере­ход, а ОНЗ задерживаются в "своих" областях, т. к. не могут преодолеть потен­циальный барьер. В результате этого происходит накопление ОНЗ: дырок в р - области, а электронов в n- области.

Накопившиеся электроны и дырки образуют объемные заряды: положительный в р - области и отрицательный в n – области. Разность потенциалов между зарядами называется фото-ЭДС (U_Ф). Фото-ЭДС направлена навстречу контактной разности потенциалов, вследствие чего снижается потенциальный барьер ЭДП от U_К до U_К-U_Ф:  U_ПБ=U_K-U_Ф.

Если цепь p-n - перехода замкнута на нагрузку R_H, то в ней потечет ток, уже известный нам как ток: . Величина фото-ЭДС определяется из данного выражения при условии . С   учетом   этого   условия   получаем , откуда .

Воспользовавшись определением  получаем . Подставив это в выражение для U_Ф, получим окончательно

Отсюда видно, что чем больше световой поток Ф ,тем больше U_Ф, которая достигает 0,5 В и даже больше (у кремниевых ФЭ ).

Характеристики фотоэлемента.

1)  Световые характеристики фотоэлемента представлены на рис.11 а. Сублинейность этих характеристик объясняется уменьшением высоты потенциального барьера ЭДП при накоплении избыточных зарядов в р- и n- областях за счет поглощения квантов света.

2)  Вольт- амперные характеристики фотоэлемента - это ветви ВАХ, облучаемого светом р- n  - перехода, расположенные в  четвертом квадранте -рис.6. Для большей наглядности они представлены на рис. 11 ,б отдельно.

Рис. 11.

Точки пересечения ВАХ с осью напряжений соответствуют режиму , при котором , а с осью токов (U=0) - режиму К3(R_H=0), при котором .

ВАХ позволяет выбирать оптимальный режим работы ФЭ, т.е. оптимальное значение R_H, которому соответствует наибольшая площадь прямоугольника с вершиной на ВАХ при данном значении светового потока Ф. Для кремниевых фотоэлементов при оптимальной нагрузке U_Ф=(0,35...0,4)В, а плотность тока (15...20)мА/см².

3)    Спектральные    характеристики    фотоэлемента    представлены    на ряс. 10.11,в. Максимум спектральной характеристики кремниевых фотоэлементов почти совпадает с максимумом спектрального распределения солнечного света, именно поэтому кремниевые фотоэлементы широко используются в сол­нечных батареях.

4)  Важнейшим параметром полупроводниковых фотоэлементов является КПД, представляющий собой отношение максимальной мощности электроэнер­гии, получаемой от фотоэлемента, к полной мощности лучевого потока Р_Л, па­дающего на его рабочую поверхность .

КПД кремниевых фотоэлементов не превышает 12%, однако он может быть существенно повышен, если применять в качестве исходных полупроводники с большой шириной запрещенной зоны (теллурид кадмия, арсенид галлия и др.)

Совокупность последовательно и параллельно электрически соединенных фотоэлементов образует солнечную батарею, напряжение которой измеряется сотнями вольт, а удельная мощность - сотнями и более Вт/кг.

Кроме солнечных батарей фотоэлементы находят практическое применение в фотоэкспонометрах, а также в фотоэлектрических и релейных схемах.

Фототранзисторы

Фототранзисторы (ФТ_Р)- это фотогальванические приемники светового излучения, обеспечивающие преобразование световой энер­гии в электрический ток и усиление его.

Структура и схема включения. ФТ_Р имеют структуру биполярного или полевого транзистора с окном для освещения базы или затвора (n - канала). Биполярный ФТ_Р включают по схеме с ОЭ со свободной (оборванной) базой ( рис. 12, а).

Работу ФТ_Р рассмотрим, пользуясь рис.12,в, на котором представлен фототранзистор типа p-n-p и действующее в нем электрическое поле E_КЭ смещающее ЭП в прямом, а КП - в обратом направлении.

При отсутствии освещения ФТ_Р ведет себя как обычный БПТ в СОЭ при : через него протекает сквозной ток  - рис.12,в.

Рис. 12.

При облучении базы светом в ней генерируются электронно-дырочные пары. Неосновные НЗ (в данном случае дырки) диффундируют к КП и экстрагируют через него под действием поля, создавая фотопоток . Основные НЗ (в данном случае электроны) остаются в базе и снижают ее потенциал (повы­шают ее отрицательный потенциал относительно эмиттера). Вследствие этого снижается потенциальный барьер ЭП и увеличивается инжекция дырок из эмиттера в базу. Эти дырки диффундируют через базу к КП и втягиваются его полем в коллектор, создавая дополнительный ток .

Таким образом, ток , Он создается:

-  дырками, образованными в базе в результате генерации электронно - дырочных пар под воздействием света (как в фотодиоде);

- дырками, инжектированными из эмиттера в базу из-за снижения потенциального барьера ЭП электронами, возникающими в базе при генерации элек­тронно-дырочных пар под воздействием света.

Часть тока , создаваемая инжектированными из эмиттера в базу дыр­ками, многократно превышает ту часть тока , которая создается оптически генерируемыми дырками (). Именно в этом и состоит сущность усиления фототока.

Токи и  имеют одинаковое направление, поэтому они суммируются, вследствие чего суммарный обратный ток через КП будет равен:

Так как ФТр включен по СОЭ при оборванной базе, то

Первое слагаемое - неуправляемый (темновой) ток, а второе - управляемый световым потоком ток -  .

В управляемой части тока Iк сомножитель представляет собой интегральную чувствительность, которая в раз выше, чем у ФД:

Реально она достигает 0,5 А/лм и более. В этом главное достоинство фототранзисторов. Недостатками их являются низкая термостабильность и боль­шие собственные шумы.

Спектральные и световые характеристики аналогичны подобным характеристикам фотодиода. Вольт- амперные (выходные) характе­ристики (рис.13) имеют такой же вид, как у обычного БПГ в СОЭ, с той лишь разни­цей, что в качестве параметра используется не ток Iб, а световой поток Ф.

Рис.13.

Параметры Ф_ТР: интегральная чувст­вительность, рабочее напряжение U_кэ -(10..15В), темновой ток (до сотен мкА), рабочий ток (десятки мА), допустимая мощность рассеяния (десятки МВт), гра­ничная частота.