1.3.1. Фоторезисторы

Фоторезистор – это двухэлектродный полупроводниковый фотоэлектронный прибор, в котором в результате внутреннего фотоэффекта под действием светового потока возрастает электропроводность.

Конструктивно он представляет собой тонкую пластинку или пленку из полупроводниковых сернистых или селенистых соединений кадмия, висмута или свинца 1 с двумя токопроводящими контактами 2, и укрепленную на несущей изоляционной подложке 3 (рис. 34,а). Для защиты от влаги поверхность полупроводника покрывают прозрачным лаком, а саму пластинку помещают в пластмассовый корпус с окном для проникновения света.

Фоторезистор включают в цепь источника ЭДС любой полярности (рис. 35). При отсутствии освещённости фоторезистор имеет максимальное (темновое) сопротивление и по цепи протекает малый ток

(40)

Рис. 34. Общий вид и графический символ фоторезистора (а) и его характеристики: световая (б), спектральная (в) и вольтамперная (г)

Рис. 35. Схема включения фоторезистора

При освещении его сопротивление уменьшается до величины , а ток в цепи имеет значение

(41)

Результирующий фототок в нагрузке представляет собой разность

(42)

Интегральная чувствительность фоторезистора определяется формулой

(43)

где – световой поток, лм.

Кратность изменения сопротивлений

(44)

является одним из важных параметров фоторезистора.

Типовые характеристики современных фоторезисторов приведены на рис. 34,б-г.

При освещении в зависимости от светового потока уменьшение сопротивления достигается в 500–1000 раз. Быстродействие их ограничивается частотами от 10Гц до 10кГц. Благодаря небольшим размерам, высокой чувствительности, хорошему согласованию спектральной характеристики со спектром излучения ламп накаливания фоторезисторы удобны в импульсных оптических преобразователях, устройствах считывания. Основное применение фоторезисторов – в качестве датчиков освещённости в измерительных и информационных устройствах автоматики [12].

1.3.2. Фотодиоды

Фотодиод – это двухэлектродный полупроводниковый диод, в котором в результате внутреннего фотоэффекта в p-n переходе возникает односторонняя фотопроводимость при воздействии на него оптического излучения. Конструктивно он представляет собой кристалл с p-n переходом, причём световой поток при освещении прибора направляется перпендикулярно плоскости p-n перехода (рис.36). Различают два режима работы фотодиода: фотогенераторный (или, в различных источниках – запирающий, фотогальванический, фотовольтаический, вентильный) – без внешнего источника питания, и фотодиодный (иногда фотопреобразовательный) – с внешним источником.

В первом случае фотодиод используется как полупроводниковый фотоэлемент, генерирующий под действием света электрическую энергию (фото-ЭДС) – рис. 37,а.

Рис. 36. Структура фотодиода

Рис. 37. Схема включения фотодиода в вентильном (а) и фотодиодном (б) режиме

В этом случае в отсутствие освещения и внешнего источника питания, как и в любом полупроводниковом диоде, в области p-n перехода возникает контактная разность потенциалов (к.р.п.), т. е. потенциальный барьер. При освещении фотоны, проходя в толщу полупроводника, сообщают части валентных электронов энергию, достаточную для их перехода в зону проводимости. Под действием к.р.п. существенно увеличивается концентрация соответствующих зарядов p и n областей, высота потенциального барьера сужается, возникает фото-ЭДС и через нагрузку течёт ток, определяемый выражением

где – напряжение на зажимах фотодиода, В; Кл – заряд электрона (в показателе степени экспоненциального члена). Этот режим соответствует ВАХ в квадранте IV (рис. 38).

Рис. 38. Вольтамперные характеристики фотодиода при различных значениях светового потока

При этом пересечение кривых с осью соответствует режиму холостого хода, а с осью – режиму короткого замыкания выводов фотодиода; кривая, проходящая через начало координат, соответствует отсутствию освещения и называется темновой ВАХ, она ничем не отличается от вольтамперной характеристики обычного полупроводникового диода. Максимальное значение фото-ЭДС достигается равным к.р.п. и находится в пределах В у селеновых и кремниевых фотодиодов и порядка 0.87В – у фотодиодов из арсенида галлия [20].

Во втором случае фотодиод подобен действию фоторезистора. В этом (фотодиодном) режиме диод включается с помощью внешнего источника в запорном (обратном) направлении. Семейство ВАХ при этом соответствует квадранту III. Рабочим участком характеристик является область насыщения обратных напряжений в пределах от десятых долей до единиц вольт [8]. Из рис.38 видно, что при увеличении светового потока возрастает фототок, равный разности встречных токов, текущих через p-n переход:

(45)

Рис. 39. Конструкции фотодиодов: а – ФД-2; б – ФД-3

Рис. 40. Характеристики фотодиода: а – световая; б – спектральные (1 – германиевый фотодиод; 2 – кремниевый фотодиод)

Это основное уравнение, определяющее работу фотодиода при внешнем напряжении. Увеличение освещённости от до увеличивает обратный ток неосновных носителей заряда, так как возрастает число вновь возникающих носителей за счёт ионизации атомов полупроводника квантами света. Фотодиод в этом режиме работает как полупроводниковый диод, обратный ток которого управляется освещением [19]. Темновой ток фотодиодов, как и фоторезисторов, для германиевых образцов равен мкА, кремниевых – мкА. К недостаткам фотодиодов следует отнести разброс параметров, сильную температурную зависимость и значительный уровень шумов. По сравнению с фоторезисторами фотодиоды являются более быстродействующими, но имеют меньшую чувствительность. Спектральный диапазон у фотодиодов более узкий, чем у фоторезисторов (см. спектральные характеристики рис. 40).

В настоящее время фотодиоды имеют разнообразное конструктивное оформление: плоскостные торцевые фотодиоды, плоскостные лицевые и др. На рис. 39 представлены конструкции отечественных фотодиодов ФД-2 и ФД-3

Применение фотодиодов. Фотодиоды применяют в различных областях науки и техники. Это обусловлено чувствительностью фотодиодов в видимой, ультрафиолетовой и инфракрасной областях спектра, возможностью работы при небольшом напряжении и малом токе, слабыми шумами, большим сроком службы, а также простотой схемы применения. Так, в вычислительной технике фотодиоды используют в устройствах ввода и вывода информации. Скорость считывания информации достигает 2000 знаков в секунду. Широко используют фотодиоды в регистрирующих и измерительных приборах фотометрии, в киноаппаратуре и фототелеграфии.

В последние годы фотодиоды стали применять для автоматизации производственных процессов. Широкое применение фотодиоды должны найти в быстро развивающейся оптоэлектронике. В основном фотодиоды используют в фотодиодном режиме, т. е. при обратном смещении p-n перехода. Однако в некоторых случаях целесообразно применять вентильный режим, в котором шумы значительно меньше, например, при регистрации малых световых потоков, когда сигнал сравним с уровнем шумов и изменения темнового тока сравнимы с фототоком [8].

Фотодиоды, работающие в режиме фотогенератора, часто применяют в качестве источников питания, преобразующих энергию солнечного излучения в электрическую. Они называются солнечными элементами и входят в состав солнечных батарей, используемых на космических кораблях. В настоящее время ведутся разработки наземных солнечных батарей. Из полупроводниковых материалов, обеспечивающих наиболее высокий к. п. д., в солнечных элементах используют кремний, фосфид индия, арсенид галлия, сульфид кадмия, теллурид кадмия и др. К.п.д. кремниевых солнечных элементов составляет около 20 %, а плёночные солнечные элементы могут иметь значительно больший к. п. д. Важными техническими параметрами солнечных батарей являются отношения их выходной мощности к массе и площади, занимаемой солнечной батареей. Эти параметры достигают значений 200 Вт/кг и 1 кВт/м² соответственно [20].

Внутренний фотоэффект используется также в более сложных фотоэлектронных приборах для увеличения их фоточувствительности – фототранзисторах и фототиристорах, рассмотренных, например, в [8].