Глава 6

Оптоэлектронные приборы

В данной группе приборов находится большое количество полупроводниковых устройств:

− приёмники излучения (фоторезисторы, фотодиоды…);

− излучатели:

а) излучатели когерентного излучения (лазеры);

б) излучатели некогерентного излучения (светодиоды);

- группа приборов для обеспечения гальванической развязки (оптоэлектронные приборы).

6.1 Полупроводниковые приёмники излучения

Работа этих приборов основана на явлении фотоэффекта. В полупроводниковых приборах используется внутренний фотоэффект − электроны не выбиваются с поверхности полупроводника.

6.1.1 Фоторезисторы

Принцип действия фоторезисторов основан на фоторезистивном эффекте. Сопротивление фоторезистора зависит от освещённости. При освещении фоторезистора сопротивление уменьшается.

Основой фоторезистора является полупроводниковый фоточувствительный слой, который выполняется в виде пластинки, нанесённой на диэлектрическую подложку. В качестве полупроводникового материала для фоторезисторов используют сложные соединения: сульфид кадмия, селенид кадмия, сульфид свинца. На поверхность данного фоточувствительного слоя наносятся металлические электроды.

Поверхность полупроводникового фоточувствительного слоя, расположенного между электродами, называют рабочей площадкой. Она может иметь различную форму. Площадь площадки: от десятых долей мм² до нескольких десятков мм².

Для правильности работы ФР нужно освещать всю рабочую площадку. В этом случае фоторезистор будет работать так, как указано в паспортных данных.

1. Вольт-амперная характеристика фоторезисторов.

Представляет собой зависимость тока от приложенного напряжения при неизменном световом потоке. В рабочем диапазоне напряжений Вольт-амперные фоторезисторов при различных значениях светового потока практически линейны. Так что ФР можно считать обычным переменным резистором, сопротивление которого зависит от светового потока.

В начале характеристики нелинейность наблюдается у фоторезисторов, выполненных на базе аморфных полупроводников. Это объясняется тем, что отдельные зёрна связаны между собой. В аморфных полупроводниках при малых напряжениях основное падение напряжения приходится на границу разделов. При повышении напряжения сопротивление этих контактов уменьшается за счёт туннелирования через тонкие плёнки либо за счёт разогрева этих участков. В дальнейшем основной вклад вносят полупроводниковые материалы. Наблюдается линейная характеристика. При больших напряжениях может наблюдаться нелинейность характеристики. Это объясняется повышением температуры, а также другими дефектами.

2. Световая (люкс-амперная) характеристика. /Важная характеристика/

Показывает зависимость фототока от освещённости (от падающего светового потока).

. (6.1)

где Е – освещённость.

Нелинейность характеристики объясняется тем, что при освещении увеличивается концентрация носителей заряда в полупроводнике. В результате происходит расщепление уровня Ферми на квазиуровни. Увеличиваются процессы рекомбинации. В узком диапазоне освещённости люкс-амперную характеристику можно описать уравнением:

, (6.2)

где А и x – константы для отдельного фоторезистора.

3. Спектральная характеристика фоторезистора.

Показывает зависимость фототока от длины падающего светового потока.

При большой длине волны энергии фотонов не хватает для ионизации атомов внутри полупроводника.

При малой длине волны увеличивается коэффициент поглощения светового потока. Большая часть фотонов будет поглощаться в поверхностном слое. При этом увеличивается поверхностная рекомбинация и уменьшается выход носителей заряда. Соответственно, наблюдается высокочастотная граница, которая зависит от ширины запрещённой зоны. Для полупроводников: 0,1 – 3 эВ.

Существуют фоторезисторы, спектральные характеристики которых практически полностью соответствуют спектральной чувствительности глаза. Для этих ФР используют сульфид кадмия и селенид кадмия.

4. Постоянная времени.

Постоянная времени – время, в течение которого фототок фоторезистора изменяется после затемнения или освещения в e раз или на 63 % по сравнению с установившимся значением.

Постоянная времени характеризует скорость реакции фоторезистора на изменение светового потока. При этом реакция на увеличение более быстрая, нежели на уменьшение светового потока.

Различают и.

− время “нарастания” тока при увеличении светового потока.

− время “спада” тока при уменьшении светового потока.

Эти величины имеют большой разброс: от 10 мкс до 10 мс.

При изучении ифоторезистор освещают стандартным световым потоком, мощность которого должна составлять 200 люкс при температуре источника света 2840 К.

Существенная инерционность у фоторезисторов приводит к тому, что, если мы освещаем его модулированным световым потоком, то переменная составляющая будет уменьшаться. Максимальная частота модуляции для ФР: 1-100 кГц.

5. Темновое сопротивление фоторезистора.

Темновое сопротивление фоторезистора – сопротивление фоторезистора при отсутствии светового потока.

Это сопротивление принято измерять через 30 секунд после его полного затемнения. Перед этим его освещают стандартным потоком. После затемнения фоторезистор в течение суток и в течение 30 секунд может измениться на несколько порядков.

6. Удельная интегральная фоточувствительность.

Показывает изменение фототока фоторезистора при изменении напряжения.

, (6.3)

где Ф – мощность светового потока.