Характеристики фоторезистора

С

Рис.3. Спектральная характеристика фоторезистора

пектральная характеристика ФР– это зависимость фототока от длины волны падающего на ФР света (рис. 3 ).

Различные полупроводники имеют различную ширину запрещенной зоны от долей до трех электронвольт. Поэтому максимумы спектральных характеристик находятся в инфракрасной, видимой или ультрафиолетовой частях электромагнитного спектра.

Для каждого полупроводника существует пороговая длина волны, (со стороны больших длин волн), когда энергия квантов света мала по сравнению с шириной запрещенной зоны и энергия кванта оказывается недостаточной для переброса электронов из валентной зоны в зону проводимости. Эту длину волны определяют как соответствующую спаду фототока на 50 % со стороны больших длин волн.

Спад спектральной характеристики при малых длинах волн обусловлен увеличением показателя поглощения и, как следствие, уменьшением глубины проникновения квантов света в полупроводник. Основная часть неравновесных носителей заряда возникает вблизи освещаемой поверхности. При этом увеличивается роль поверхностной рекомбинации и уменьшается среднее время жизни неравновесных носителей.

В

Рис.4. Вольт-амперная и световая характеристики фоторезистора

ольт-амперная характеристика ФР представляет собой зависимость светового тока при неизменной величине светового потока, а также темнового тока от приложенного к ФР напряжения (рис.4,а).

В рабочем диапазоне напряжений ВАХ при различных значениях светового потока практически линейны. Нелинейность при малых напряжениях присуща большинству пленочных ФР и ФР с фоточувствительным слоем из поликристаллического полупроводникового материала. Эта нелинейность связана с явлениями на контактах между зернами полупроводника. При дальнейшем увеличении напряжения сопротивление ФР будет определяться уже объемным сопротивлением зерен полупроводника и поэтому будет постоянным, что соответствует линейному участку ВАХ.

Световая характеристика ФР представляет зависимость фототока I_ф от освещенности или от падающего на ФР светового потока Ф (рис.4,б )

При малых Ф зависимость I_ф близка к линейной. При больших значениях Ф зависимость I_ф нелинейная.

3. Устройство, принцип действия, характеристики и параметры фотодиодов, фототранзисторов.

3.1. Фотодиоды

Фотодиоды представляют собой полупроводниковые диоды, в которых используется внутренний фотоэффект. Световой поток управляет обратным током фотодиодов.

В зависимости от схемы включения различают два режима работы фотодиодов:

- фотодиодный ;

- фотогальванический .

П

Рис.5. Схема включения и вольт-амперные характеристики фотодиода для работы в фотодиодном режиме

рифотодиодном режиме (рис5), под воздействием света на электронно-дырочный переход и прилегающие к нему области происходит генерация пар носителей заряда, проводимость диода возрастает и обратный ток увеличивается.

В

Рис.6. Энергетические характеристики фотодиода

ольт-амперные характеристикиI = f(U) при Ф = const для фотодиодного режима (рис.5) напоминают выходные характеристики биполярного транзистора, включенного по схеме с общей базой. Если светового потока нет, то через фотодиод протекает обычный начальный обратный ток I₀ , который называют темновым. А под действием светового потока ток в диоде возрастает, и характеристика располагается выше. Чем больше световой поток, тем больше ток. Повышение обратного напряжения на диоде незначительно увеличивает ток. Но при некотором напряжении возникает электрический пробой (штриховые участки характеристик).

Энергетические характеристики фотодиода I=f(Ф) при U =соnst являются линейными и мало зависят от напряжения (рис.6).

И

Рис.7. Устройство планарного диода

нтегральная чувствительность фотодиода обычно составляет десятки миллиампер на люмен. Она зависит от длины волны световых лучей и имеет максимум при некоторой длине волны, различной для разных полупроводников.

Инерционность фотодиодов невелика. Они могут работать на частотах до нескольких сотен мегагерц. А у фотодиодов со структурой р-i-n граничные частоты повышаются до десятков ГГц.

Рабочее напряжение у фотодиодов обычно бывает 10-30 В.

Темновой ток не превышает 10-20 мкА для германиевых приборов и 1 – 2 мкА – для кремниевых. Ток при освещении составляет сотни микроампер.

В последнее время разработаны фотодиоды из сложных полупроводников, наиболее чувствительные к инфракрасному излучению. Большинство фотодиодов изготовляются по планарной технологии (рис 7).

Имеется несколько разновидностей фотодиодов.

У лавинных фотодиодов происходит лавинное размножение носителей в n-p-переходе и за счет этого в десятки раз возрастает чувствительность.

В фотодиодах с барьером Шотки имеется контакт полупроводника с металлом. Эти диоды имеют повышенное быстродействие.

Улучшенными свойствами обладают фотодиоды с гетеропереходами.

В случае фотогальванического режима, полупроводниковые фотодиоды служат для преобразования энергии излучения в электрическую энергию.

П

Рис.8. Разделение возбужденных светом носителей под действием поля p-nперехода

о существу они представляют собой фотодиоды, работающие без источника внешнего напряжения и создающие собственную ЭДС под действием злучения. Фотоны, воздействуя наn-p-переход и прилегающие к нему области, вызывают генерацию пар носителей заряда. Возникшие в n- и p-областях электроны и дырки диффундируют к переходу, и если они не успели рекомбинировать, то попадают под действие внутреннего электрического поля, имеющегося в переходе. Это поле также действует и на носители заряда, возникающие в самом переходе. Поле разделяет электроны и дырки. Для неосновных носителей, например, для электронов, возникших в р-области, поле перехода является ускоряющим. Оно перебрасывает электроны в n-область. Аналогично дырки перебрасываются полем из n-области в p-область. А для основных носителей, например, дырок в р- области, поле перехода является тормозящим, и эти носители остаются в своей области, т. е. дырки остаются в р-области, а электроны - в n-области (рис. 8).

Рис.9. Зависимость фото-ЭДС от светового потока

Рис.10. Схема включения вентильного фотоэлемента

В результате такого процесса в n- и p-областях накапливаются избыточные основные носители, т. е. создаются соответственно заряды электронов и дырок и возникает разность потенциалов, которую называют фото-ЭДС (Е_ф). С увеличением светового потока фото-ЭДС растет по нелинейному закону (рис.9). Значение ЭДС может достигать нескольких десятых долей вольта. При включении полупроводникового фотоэлемента на нагрузку (рис.10) возникает фототок I_ф, равный Е_ф/(R_н+R_i), где R_i - внутреннее сопротивление самого фотоэлемента. В настоящее время большое значение имеют кремниевые фотоэлементы, используемые в качестве солнечных преобразователей. Они преобразуют энергию солнечных лучей в электрическую энергию, и ЭДС их достигает 0,4-0,5 В. Из таких элементов путем их последовательного и параллельного соединения создаются солнечные батареи, которые обладают сравнительно высоким КПД (до 20 %) и могут развивать мощность до нескольких киловатт. Солнечные батареи из кремниевых фотоэлементов являются основными источниками питания на искусственных спутниках Земли, космических кораблях, автоматических метеостанциях и др. Практическое применение солнечных батарей непрерывно расширяется.

3.2. ФОТОТРАНЗИСТОРЫ

Значительно выше по сравнению с фотодиодами интегральная чувствительность у фототранзисторов. Биполярный фототранзистор представляет собой обычный транзистор, в корпусе которого сделано прозрачное «окно», через которое световой поток может воздействовать на область базы. Схема включения биполярного фототранзистора типа p-n-p со «свободной», т. е. никуда не включенной базой, приведена на рис.11. Как обычно, на эмиттерном переходе напряжение прямое, а на коллекторном - обратное.

Фотоны вызывают в базе генерацию пар носителей заряда - электронов и дырок. Они диффундируют к коллекторному переходу, в котором происходит их разделение так же, как и в фотодиоде. Дырки под действием поля коллекторного перехода идут из базы в коллектор и увеличивают ток коллектора. А электроны остаются в базе и повышают прямое напряжение эмиттерного перехода, что усиливает инжекцию дырок в этом переходе. За счет этого дополнительно увеличивается ток коллектора. В транзисторе типа п-р-п все происходит аналогично.

Интегральная чувствительность у фототранзистора в десятки раз больше, чем у фотодиода, и может достигать сотен миллиампер на люмен. Фототранзистор со «свободной» базой имеет низкую температурную стабильность. Для устранения этого недостатка применяют схемы стабилизации с использованием вывода базы.

Выходные характеристики фототранзистора показаны на рис.12. Они аналогичны выходным характеристикам для включения транзистора по схеме с общим эмиттером, но различные кривые соответствуют различным значениям светового потока, а не тока базы. Характеристики показывают, что при повышенном напряжении U_кэ возникает электрический пробой (штриховые участки).

Параметрами фототранзисторов являются:

- интегральная чувствительность;

- рабочее напряжение ( 10 -15 В);

- темновой ток (до сотен микроампер);

- рабочий ток (до десятков миллиампер);

- максимальная допустимая рассеиваемая мощность (до десятков милливатт);

-

Рис.13. Структура и схема включения полевого фототранзистора с каналом n-типа

граничная частота (фототранзисторы, изготовленные сплавным методом, имеют граничные частоты нескольких килогерц, а изготовленные диффузионным методом (планарные) могут работать на частотах до нескольких мегагерц).

Недостатком фототранзисторов является сравнительно высокий уровень собственных шумов.

Кроме биполярных фототранзисторов в качестве приемников излучения используются и полевые фототранзисторы. На рис.13 показан полевой фототранзистор с каналом n-типа. При облучении n-канала в нем и в прилегающей к нему p-области (затвора) генерируются электроны и дырки. Переход между n-каналом и p-областью находится под обратным напряжением, и поэтому под действием поля этого перехода происходит разделение носителей заряда. В результате возрастает концентрация электронов в n-канале, уменьшается его сопротивление и увеличивается концентрация дырок в p-области. Ток канала (ток стока) возрастает. Кроме того, возникает фототoк в цепи затвора. Этот ток создает падение напряжения на резисторе Rз, за счет чего уменьшается обратное напряжение на управляющем переходе канал-затвор. Это, в свою очередь, приводит к увеличению толщины канала, а, следовательно, к дополнительному уменьшению его сопротивления и возрастанию тока стока. Таким образом, осуществляется управление током стока с помощью света.

Представляют интерес МДП-фототранзисторы с индуцированным (инверсным) каналом. Они имеют полупрозрачный затвор, через который освещается область полупроводника под затвором. В этой области происходит фотогенерация носителей заряда. За счет этого изменяется значение порогового напряжения, при котором возникает индуцированный канал, а также крутизна, являющаяся основным параметром такого транзистора. На затвор иногда подают постоянное напряжение для установления начального режима.

5. Оптроны.

Оптроном (оптопарой) называют оптоэлектронный прибор, в котором конструктивно объединены в общем корпусе излучатель и фотоприемник, взаимодействующие друг с другом оптически и электрически. Связи между компонентами оптопары могут быть прямыми или обратными, положительными или отрицательными, одна из связей (электрическая или оптическая) может отсутствовать.

В состав единого прибора вместе о оптопарой или несколькими оптопарами могут входить еще и дополнительные микроэлектронные или оптические элементы. И конструктивно, и функционально такие приборы существенно отличаются от элементарной оптопары, поэтому принято использовать для их названия термин оптрон, при этом имеется в виду оптоэлектронный прибор любого произвольного вида с внутренними оптическими связями.

О

Рис.14. Электрические и оптические связи в оптронах

сновные функциональные разновидности этих приборов представлены на рис. 14. Оптопара с прямой оптической и оборванной электрической связью (рис.14,а) используется как элемент развязки, она получила очень широкое распространение. Оптрон с прямой электрической и оборванной оптической связью (рис. 14,б), т. е. оптрон с оптическими входом и выходом, представляет собой преобразователь световых сигналов, это может быть простое усиление (ослабление) интенсивности света, преобразование спектра или направления поляризации, преобразование некогерентного излучения в когерентное и т. п. Если в таком оптроне фотоприемник и излучатель

многоэлементные, то он может выполнять функцию преобразователя изображений. В оптроне с электрической и оптической связями (рис.14,в) при определенных условиях может осуществляться частичная или полная регенерация (восстановление) входного сигнала за счет энергии обратной связи, в силу чего на вольт-амперной характеристике появляется падающий участок или несколько участков – такой прибор получил название регенеративного оптрона. В регенеративном оптроне могут реализоваться любые комбинации видов входных и выходных сигналов (электрических или оптических).

Важным элементом оптопары является оптический канал между излучателем и фотоприемником. Существуют три его разновидности. Прежде всего это простой светопровод, предназначенный для передачи энергии излучения на фотоприемник; чаще всего он выполняется в виде прозрачной иммерсионной среды,. Возможно и такое конструктивное решение, при котором в зазор между излучателем и приемником имеется доступ извне, в этом случае мы имеем оптопару с открытым, оптическим каналом. Наконец, иммерсионная среда может быть выполнена из материала, светопропускание которого изменяется при внешних воздействиях; такой прибор называют оптопарой с управляемым оптическим каналом.

Оптопары - элементы электрической развязки.

В

Рис.16. Основные виды оптопар

качестве элементов электрической развязки оптопары (см. рис.14,а) получили широкое промышленное распространение благодаря тому, что для их успешного функционирования высокий КПД не является обязательным, а также из-за многочисленных принципиальных достоинств этих приборов, таких как идеальная электрическая развязка, высокое напряжение изоляции, однонаправленность распространения информации, широкополосность. К этому следует добавить совместимость оптопар с изделиями микроэлектроники – технологическую, эксплуатационную, по уровням входных и выходных сигналов. Среди оптопар, используемых для развязки, наиболее широко представлены такие, у которых в качестве фотоприемника применены фототранзистор, фотодиод, фототиристор, фоторезистор (рис . 15). Диодные и транзисторные оптопары применяются главным образом в цепях передачи цифровых информационных сигналов; критерием качества служит комбинированный параметрК_i / t_зд (t_зд -время задержки распространения сигнала). По этому параметру диодные оптопары значительно опережают транзисторные, достигая 10⁷ с^-1; теоретически предельное значение К_i / t_зд = комбинированный параметр К_i / t_зд (t_зд -время задержки распространения сигнала). По этому параметру диодные оптопары значительно опережают транзисторные, достигая 10⁷ с^-1; теоретически предельное значение К_i / t_зд = 10⁹ с^-1. Этим и обусловлено доминирование диодных оптопар в ЭВМ, в технике обработки и передачи цифровой информации. Следует отметить, что диодные оптопары имеют низкий коэффициент передачи тока (К_i = 1…3%) и требуют обязательного усиления выходного сигнала: поэтому они используются либо в составе оптоэлектронных микросхем, либо с дополнительным электронным обрамлением.

Важной разновидностью диодных оптопар являются так называемые дифференциальные оптопары, (рис.15,е) - приборы, в которых один излучатель воздействует на два идентичных фотодиода. Подобие выходных характеристик двух каналов дифференциальной оптопары позволяет использовать эти приборы для неискаженной передачи аналоговых сигналов: непосредственно для передачи применяется один канал, а другой служит для организации цепи отрицательной обратной связи, корректирующей температурные, деградационные и другие изменения мощности излучателя.

В устройствах бесконтактного управления удобны транзисторные оптопары, а для оптической коммутации высоковольтных сильноточных цепей - тиристорные. Критерий качества таких управляющих оптопар, определяемый отношением коммутируемой мощности в выходной цепи к мощности на входе, достигает 10⁶..10⁷. Быстродействие транзисторных и тиристорных оптопар характеризуется временами переключения, типичные значения 5 ...50 мкс, в лучших образцах удается получить 1 мкс. Очевидная перспектива развития транзисторных оптопар связана с использованием в качестве фотоприемника гетеротранзисторов на основе твердых растворов А³В⁵-при этом вполне реально снижение времен переключения до 1 ... 10 нс.

Транзисторные оптопары - наиболее массовый тип элементов электрической развязки.

Резисторные оптопары также получили широкое распространение. Фоторезисторы в отличие от всех фотоприемников с p-n-переходами характеризуются высокой линейностью и симметричностью вольт-амперной характеристики, отсутствием внутренних ЭДС, низким уровнем шумов. В резисторных оптопарах выходное сопротивление при изменении режима входной цепи может изменяться в 10⁷… 10⁸ раз. Все это и обусловливает удобство и незаменимость резисторных оптопар в аналоговых устройствах. Недостатки резисторных оптопар - низкое быстродействие (0,01 ... 1 с) и сильная температурная нестабильность параметров – ограничивают проникновение этих приборов в технику обработки информации.

Кроме рассмотренных оптопар известный интерес представляют или могут представить и другие, у которых в качестве фотоприемника используются МДП-фототранзисторы, фотоварикапы, лавинные фотодиоды, однопереходные транзисторы, функциональные фоторезисторы и т. д. Эти оптопары имеют отличия, свойственные используемому фотоприемнику.

Широкое распространение получили также оптоэлектронные микросхемы - главным образом переключатели, состоящие из быстродействующей диодной оптопары и ключевого усилителя на выходе. Этим обеспечивается полное согласование по уровням входных, выходных сигналов со стандартными логическими микросхемами. Удобство применения окупает некоторые потери быстродействия, обусловленные необходимостью значительного усиления сигнала, снимаемого с фотодиода.

Перспективны также оптоэлектронные коммутаторы силовой нагрузки - микросхемы или устройства, выполняющие функции реле переменного и постоянного тока и содержащие оптическое звено в цепи управления. В них обычно применяются транзисторные и тиристорные оптопары.

Итак, в качестве обобщения,следует отметить.

Важнейшими достоинствами оптронов являются следующие их свойства:

1. Отсутствие электрической связи между входом и выходом и обратной связи между фотоприемником и излучателем. Сопротивление изоляции между входом и выходом может достигать 10¹² – 10¹⁴ Ом, а проходная емкость не превышает 2 пФ и в некоторых оптронах снижается до малых долей пикофарада.

2. Широкая полоса частот колебаний, пропускаемых оптроном. Возможность передачи сигналов с частотой от нуля до 10¹³ – 10¹⁴ Гц.

3. Возможность управления выходными сигналами путем воздействия на оптическую часть прибора.

4. Высокая помехозащищенность оптического канала, т. е. его невосприимчивость к воздействию внешних электромагнитных полей.

5. Возможность совмещения оптронов в РЭА с другими полупроводниковыми и микроэлектронными приборами.

Недостатки оптронов следующие:

1. Относительно большая потребляемая мощность, из-за того, что дважды происходит преобразование энергии, причем КПД этих преобразований невысок.

2. Значительное влияние температуры и радиации на свойства оптронов.

3. Заметное “старение”, т. е. ухудшение параметров с течением времени.

4. Сравнительно высокий уровень собственных шумов.

5. Необходимость применения гибридной технологии вместо более удобной и совершенной планарной (в одном приборе объединены источник и приемник излучения, сделанные из разных полупроводников).