7.4. Приемники оптического излучения, основанные на внутреннем фотоэффекте
Сущность внутреннего фотоэффекта, используемого в работе полупроводниковых приемников оптического излучения, состоит в образовании в полупроводнике свободных носителей заряда (электронов проводимости и свободных дырок) при поглощении ими электромагнитного излучения.
В соответствии с зонной теорией этот эффект объясняется тем, что при поглощении энергии электромагнитного излучения электроны атомов полупроводника совершают переходы на более высокие энергетические уровни — из валентной зоны в зону проводимости. При наличии в полупроводнике специально введенных примесей (такие полупроводники называют примесными) электроны могут совершать переходы с примесного уровня в зону проводимости или из валентной зоны на примесный уровень.При внутреннем фотоэффекте (в отличие от внешнего фотоэффекта) электроны остаются внутри полупроводника. Возникновение в полупроводнике при его излучении свободных зарядов сопровождается изменением его электропроводности (эффект фотопроводимости и фоторезистивный эффект) и, при определенных условиях, появлением разности потенциалов, т. е. фото-ЭДС (фотогальваниче- ский эффект).
Фоторезисторы — полупроводниковые приемники оптического излучения, в которых под действием потока излучения вследствие внутреннего фотоэффекта изменяется электрическое сопротивление.
Фоторезисторы изготовляют из полупроводников с собственной и примесной проводимостью. В качестве материалов для фоторезисторов применяют селен, сернистый таллий, сернистый свинец, сернистый висмут, сернистый кадмий и другие полупроводники.
Конструктивно фоторезисторы обычно представляют собой (рис.
7.4, а) тонкий слой (1—20 мкм) светочувствительного полупроводника, нанесенный на изоляционную (стекло, керамика, слюда) пластину. Слой имеет прямоугольную форму или форму, показанную на рис. 7.4, б. Для защиты от влаги полупроводниковый слой покрывают прозрачным лаком.
Пластину со светочувствительным слоем разме-
ф
К
Дф
Дії)
2 1
| і к *0 «.й 0 ; | ® | |||
| п5хФ; UR — IR„, где Sx — коэффициент пропорциональности, характеризующий спектральную чувствительность фотодиода. Из выражения (7.1) следует, что в режиме короткого замыкания 7?н=0и JJR = 0; ток во внешней цепи (ток короткого замыкания/кз) равен току /ф: /кз = /ф = .ЯФ, т. е. этот ток пропорционален фотопотоку. В режиме холостого хода (при RH —> оо) для напряжения на фотодиоде из выражения (7.1) можно получить или, так как справедливо условие УхО/10» 1, Таким образом, в данном случае напряжение на фотодиоде является логарифмической функцией фотопотока. Схема включения в фотодиодном режиме показана на рис. 7.4, е. Здесь во внешнюю цепь фотодиода помимо резистора RH включен источник питания напряжением U, причем так, что р—«-переходу приложено напряжение в запирающем направлении. При этом поле р—«-перехода возрастает, а значение его определяется приложенным напряжением. Условия проникновения неосновных носителей из освещенного слоя полупроводника через р—и-переход значительно облегчаются. Вследствие этого ток, проходящий через нагрузку, способен создать на ней падение напряжения того же порядка, что и напряжение питания источника. Таким образом, фотодиодный режим позволяет увеличить чувствительность измерений фототока. Вольт-амперная характеристика при фотодиодном режиме работы описывается выражением
(7.2) При U» UR, U»— и /ф »/о, /=/ф = & ф. Из выражения (7.2) следует, что при постоянном обратном напряжении смещения фотодиода изменения его ток пропорционален световому потоку. Материалами для изготовления фотодиодов служат германий, кремний, арсенид галлия, антимонид индия и др. Спектральная чувствительность фотодиодов охватывает диапазон 0,4—20 мкм. Другие характеристики: площадь чувствительного слоя — 1—80 мм2; рабочее напряжение — 3—30 В; интегральная чувствительность — 3—30 мА/лм; постоянная времени — 1(Г3—1(Г7 с. Промышленностью выпускаются охлаждаемые фотодиоды, а также фотодиодные линейки, содержащие от единиц до нескольких сотен фотодиодов. Фототранзисторы — полупроводниковые приемники оптического излучения, действие которых основано на внутреннем фотоэффекте, имеющие два р-п-перехода, один из которых используется для усиления фототока. Фототранзистор состоит из монокристалла германия л-типа (база), в котором с двух сторон созданы сплавные р—«-переходы — эмиттерный и коллекторный (рис. 7.5, а). Монокристалл размещен в корпусе, снабженным окном, прозрачным для измеряемого оптического излучения. Фототранзистор совмещает в себе свойства фотодиода и усилительного триода. Чаще всего его включают по схеме со свободной базой (рис. 7.5, б). При освещении области базы в ней генерируются избыточные пары носителей заряда. Неосновные носители заряда, т. е. дырки, диффундируют под действием контактных полей, существующих на л их переходах, и попадают в коллекторную и эмиттерную области.
Рис. 7.5. Схема фототранзистора: / — корпус; 2—окно; 3— эмиттерный переход; 4—коллекторный переход; 5—источник питания Основные носители заряда базы, т. е. электроны, остаются в ней, изменяя ее электрический заряд, а следовательно, и потенциал относительно эмиттера. Коллекторный переход фототранзистора за счет наличия источника питания включен в запирающем направлении (см. рис. 7.5, б), поэтому при освещении базы он работает как фотодиод, однако возникающий во внешней цепи ток усиливается за счет того, что при понижении потенциала базы по отношению эмиттера из нее сильно возрастает инжекция дырок, которые через базу попадают в коллектор. Это приводит к увеличению тока коллектора, т. е. тока, протекающего по внешней цепи. Коэффициент усиления тока при этом может составлять 100—300.Основные характеристики фототранзисторов аналогичны характеристикам фотодиодов, изготовленных из того же материала. Однако их интегральная чувствительность существенно больше. Она составляет 200—500 мА/лм (при рабочем напряжении 3 В), а постоянная времени несколько больше. Она равна примерно КГ4 с. Полупроводниковые фотоэлементы — приемники оптического излучения, действие которых основано на внутреннем фотоэффекте, служат для непосредственного преобразования энергии электромагнитного излучения оптического диапазона в электрическую. В сущности они представляют собой фотодиоды, работающие в вентильном (фотогальваническом) режиме. Эти фотоэлементы получили применение в технике задолго до появления полупроводниковых фотодиодов. Наиболее распространенными вентильными фотоэлементами являются селеновые и кремниевые. Схема селенового фотоэлемента показана на рис. 7.6, а. Он содержит металлическую подложку, на которую нанесен слой селена кристаллической модификации, обладающий дырочной проводимостью. Селеновый слой покрыт очень тонким слоем золота или серебра, нанесенным путем катодного распыления. При этом часть атомов напыленного металла диффундирует в глубь селена. Благодаря этому верхний слой селена приобретает электронную проводимость. Запирающий слой (р—л-переход) в селеновом фотоэлементе находится на границе областей слоя селена с дырочной и электронной проводимостью. Под действием оптического излучения, проникающего через полупрозрачный слой металла и р—я-переход, ионизируются атомы кристаллического селена. Возникающие при этом носители заряда (дырки и электроны) за счет существующей на р—л-переходе контактной разности потенциалов разделяются: электроны перемещаются в л-область слоя селена, а дырки остаются в //-области. В резуль-ф 111 6 5
Рис. 7.6. Схемы полупроводниковых селенового (а) и кремниевого (б) фотоэлементов: / — областьс электронной проводимостью; 2— полупрозрачный слой золота или серебра; 3— контактное кольцо; 4 — прозрачный слой лака; 5 — слой селена с дырочной проводимостью; 6 — подложка (сталь или алюминий); 7—р—п~переход; У— противоотражающее покрытие; 9— слой кремния с дырочной проводимостью; 10 — кремниевая пластина тате между подложкой и кольцом возникает разность потенциалов (фото-ЭДС). При этом подложка приобретает заряд, соответствующий знаку основных носителей основного полупроводника, в данном случае селена. Падение напряжения на нагрузке /?„, подключенной к фотоэлементу, описывается выражением К R ■Я, R„ + R,, U = IR»=I ф где Rlc — сопротивление запирающего слоя фотоэлемента; I — ток, протекающий через нагрузку, равный I,R3j(RH + Я,с). В режиме короткого замыкания (при RH = 0) ток во внешней цепи фотоэлемента будет /= /кз = /ф = 5Ф. В режиме холостого хода (при RH оо) для напряжения на клеммах фотоэлемента получим — /фЛзс = ^зсФ. Световая характеристика селенового фотоэлемента нелинейна из-за того, что ток, протекающий через нагрузку, обратно пропорционален сопротивлению нагрузки, а при увеличении освещенности фотоэлемента сопротивление запирающего слоя заметно уменьшается. Вентильные (селеновые и др.) фотоэлементы могут использоваться только в фотогальваническом режиме, т. е. без подачи напряжения от внешнего источника. Включение их в фотодиодном режиме недопустимо, так как вследствие неоднородности структуры и неравномерности толщины нанесенной пленки, определяемых технологией изготовления, эти фотоэлементы легко пробиваются и выходят из строя. Основные характеристики селеновых фотоэлементов: диапазон спектральной чувствительности — 0,4—1,6 мкм; площадь чувствительного слоя — до 80 см2; интегральная чувствительность — 0,30— 0,75 мА/лм; постоянная времени — 10~3—10“2 с; максимальная фо- то-ЭДС — 0,5—0,6 В; темновое сопротивление — 103—104 Ом. Схема кремниевого фотоэлемента (солнечного фотоэлемента) показана на рис. 7.6, 6. Он состоит из пластины кремния л-типа, в которую в качестве примесей введены атомы мышьяка. На поверхности пластины путем диффузионной обработки треххлористым бором образован тонкий (1—3 мкм) слой кремния /7-типа. Оптическое излучение легко проникает в зону р—л-перехода. В основном работа кремниевого фотоэлемента аналогична работе селенового фотоэлемента. Различие состоит в направлении движения носителей зарядов и знаков потенциалов отводящих электродов. Рабочая поверхность кремниевых фотоэлементов обычно составляет 1,5 х 2 или 2x2 см2. Спектральная чувствительность их охватывает диапазон 0,4—1,5 мкм, а интегральная чувствительность составляет 20—30 мА/лм. Они обладают высоким коэффициентом преобразования электромагнитной энергии в электрическую, поэтому имеют энергетическое применение в качестве элементов солнечных батарей. 7.5.
| ||||
