Полупроводниковые приемники излучения

Фотоприемники – это оптоэлектронные приборы, предназначенные для преобразования энергии оптического излучения в электрическую. Функции фотоприемников могут выполнять фоторезисторы, фотодиоды, фототранзисторы, фототиристоры и т.д.

Для получения максимального преобразования оптического излучения в электрический сигнал необходимо иметь согласованные спектральные характеристики фотоизлучателей и фотоприемников.

Работа фотоприемников основана на одном из видов фотоэлектрических явлений:

– внутренний фотоэффект;

– изменение электропроводности вещества при его освещении;

– внешний фотоэффект – испускание веществом электронов под действием света (используется в вакуумных и газонаполненных фотоэлементах);

– фотоэффект в запирающем слое – возникновение ЭДС на границе двух материалов под действием света.

Так как приборы, использующие внешний фотоэффект, трудно сопрягаются с интегральными микросхемами, в данном разделе они не рассматриваются.

При внутреннем фотоэффекте происходит возбуждение электронов вещества, т.е. их переход на более высокий энергетический уровень, что приводит к изменению концентрации свободных носителей заряда и электрических свойств вещества.

Внутренний фотоэффект присущ только полупроводникам, а в металлах не наблюдается.

Фоторезисторы

Фоторезистором называют полупроводниковый фотоэлектрический прибор с внутренним фотоэффектом, в котором используется явление фотопроводимости, т.е. изменение электрической проводимости полупроводника под действием оптического излучения. Впервые явление фотопроводимости было обнаружено у селена У. Смитом в 1873 году.

Фоторезисторы применяются в тех электронных устройствах, где определяющими факторами являются их высокая чувствительность, большие значения фототока, большая рабочая площадь фотоприемника, а инерционность несущественна.

Фоторезистор включают в цепь источника ЭДС любой полярности. Основным элементом фоторезистора является полупроводниковая пластина, сопротивление которой при освещении изменяется. В качестве полупроводникового материала для фоторезисторов обычно используют сульфид кадмия, сернистый таллий, селенистый теллур, сернистый висмут, селенид кадмия или сульфид цинка. На поверхность фоточувствительного слоя наносят металлические электроды, иногда электроды наносят непосредственно на диэлектрическую подложку перед осаждением полупроводникового слоя.

Поверхность полупроводникового фоточувствительного слоя, расположенного между электродами, называют рабочей площадкой. При отсутствии освещенности рабочей площадки фоторезистор имеет максимальное сопротивление, называемое темновым, которое составляет 10⁴…10⁷ Ом. По цепи протекает малый темновой ток I_т, обусловленный наличием в неосвещенном полупроводнике некоторого количества свободных носителей заряда. Фоторезистор обладает начальной проводимостью s₀, которую называют темновой

, (8.1)

где q – заряд электрона; m – подвижность носителей;

n₀, p₀ – концентрация подвижных носителей заряда электронов и дырок в полупроводнике в равновесном состоянии.

Под действием света в полупроводнике генерируются избыточные носители, концентрация подвижных носителей заряда увеличивается на величину Dn, Dp. Проводимость полупроводника изменяется на величину

, (8.2)

называемую фотопроводимостью. При изменении яркости освещения, изменяется фотопроводимость полупроводника. Концентрация неравновесных носителей, определяющих фотопроводимость, зависит от параметров полупроводника (ширины запрещенной зоны, типа проводимости, коэффициента преломления и др.) и механизма поглощения. Полная проводимость полупроводника равна .

В беспримесном полупроводнике концентрации избыточных носителей равны , а фотопроводимость называется биполярной (собственной). В примесных полупроводниках преимущественно возрастает концентрация носителей только одного знака – основных и в меньшей степени – неосновных, а их фотопроводимость называется примесной (униполярной).

Изменение проводимости полупроводника при освещении фоторезистора приводит к возрастанию тока в цепи. Разность токов при наличии и отсутствии освещения называют световым током или фототоком.

8.6. Характеристики фоторезистора