• Гідрологія і Гідрометрія
• Господарське право
• Економіка будівництва
• Економіка природокористування
• Економічна теорія
• Земельне право
• Історія України
• Кримінально виконавче право
• Медична радіологія
• Методи аналізу
• Міжнародне приватне право
• Міжнародний маркетинг
• Основи екології
• Предмет Політологія
• Соціальне страхування
• Технічні засоби організації дорожнього руху
• Товарознавство продовольчих товарів

ФОТОПРИЙМАЧІ

Фотоприймачі в системах оптоелектроніки призначені для пере­творення світлових сигналів в електричні. Їх робота базується на фото­електричних явищах (фотоефектах). У напівпровідникових фотоелек­тричних приймачах використовується внутрішній фотоефект, який характеризується тим, що при опроміненні електрони напівпровідни­кового тіла набувають додаткової енергії, що необхідна для вивільнення їх від міжатомних зв'язків. Тому в напівпровідниках з'являються додаткові носії електричного заряду, які збільшують електропровідність.

3в'язок між енергією кванта нν, роботою виходу електрона еφ₀та початковою швидкістю електрона υ визначається формулою Ейн­штейна

нν = еφ₀ + mυ²/2 , (3.6)

де н - стала Планка; ν - частота світлових коливань; е - заряд; т - маса електрона. Отже, для переходу електрона в зону провідності необхідно йому надати енергію, яка дорівнює або перевищує енергію забороненої зони ΔЕ.

Частота коливань оптичного випромінювання ν₀ при якій виконується рівність нν₀= еφ₀, яв­ляв собою граничну частоту фо­тоефекту, а відповідна довжина хвилі λ₀ = с/ν₀називається пороговою. Світловий потік з довжиною хвилі вище порогової не може спричинити фотоефекту. Для кремнію з ΔЕ = 1,12 еВ, межа фото­ефекту лежить в інфрачервоній області (λ₀≈ 1,1 мкм). Вимоги, які ставляться до фотоприймачів оптоелектронних систем: спектральна чутливість, швидкодія, велике відношення сигнал/шум. При цьому важливо, щоб чутливість фотоприймача була максимальною на робо­чій довжині хвилі джерела випромінювання.

Як фотоприймачі найбільш широко використовують фоторезистори, фотодіоди, фототранзистори, фототиристори.

Фоторезистори. Фоторезисторами називають напівпровідникові пристрої, електричний опір яких змінюється під дією світлового потоку або проникаючого випромінювання. При опроміненні світловим потоком в об'ємі напівпровідникового матеріалу з’являється надлишко­ва концентрація носіїв заряду за рахунок переходу електронів у зону провідності, внаслідок чого змінюється електропровідність напівпровідника (фотоефект).

Рис. 3.7

Конструктивно фоторезистор (рис. 3.7, а) складається з діелектри­ка 3, на який нанесено світлочутливий шар напівпровідника 1, і зов­нішніх електродів 2. Для захисту від вологи світлочутливий шар покривається прозорим лаком. Підкладка а напівпровідниковим шаром вміщується в металевий або пластмасовий корпус, який має вікно для проходження світлового потоку. Фоторезистори для інтегральних мікросхем випускаються в безкорпусному варіанті або технологічно су­міщеними з іншими елементами оптичних інтегральних схем. Матеріалом для виготовлення світлочутливого шару служать сульфід свинцю, сульфід кадмію та селенід кадмію.

Схема вмикання фоторезистора в електричне коло показана на рис. 3.7, б. Вмикання джерела Е не залежить від полярності, оскільки фоторезистор не має вентильних властивостей.

При відсутності освітлення (світловий потік Ф = 0) фоторезистор має великий темновий електричний опір R_ТЕMН тому темновий струм І_ТЕMН малий і визначається виразом

І_ТЕMН = Е /( R_ТЕMН + R_Н ).(3.7)

Рис. 3.8

При наявності світлового потоку (Ф > 0) електричний опір його зменшується до величини R_CB, тому

І_СВ = Е /( R_CB+ R_Н), (3.8)

Різниця струмів І_СВ – І_ТЕMН визначає фотострум

. (3.9)

Вольт-амперні характеристики фоторезистора при освітленні (лінія 1) та затемненні (лінія 2), що відповідають рівнянням (3.7) та (3.8), показанi на рис. 3.8, а. В робочому діапазоні напруг вони лінійні.

Інтегральна чутливість фоторезисторів К_ф = І_ф /Ф. Оскільки фотострум визначається не лише світловим потоком, а і прикладеною на­пругою, то використовують поняття питомої чутливості

. (3.10)

Зі спектральних характеристик, приведених на рис. 3.8, б, видно, що максимальне значення фотострумів для сульфідно-кадмієвих фоторезисторів відповідає видимій області спектра (крива 1) та червоній і інфрачервоній областям відповідно для селенідо-кадмієвих та суль­фідно-свинцевих (криві 2 та 3).

Дискретні фоторезистори мають малі розміри, високу чутливість та практично необмежений строк дії. Вони широко застосовуються в ко­лахпостійного, змінного та імпульсного струму як перетворювачі світлових сигналів автономних джерел випромінювання в електричні. Фоторезистори в 6езкорпусному та інтегральному варіанті з та­кою самою метою застосовуються в оптронах.

Фотодіоди. Фотодіод, що має один p-n-перехід з двома зовнішніми виводами, є фотоелектронним пристроєм, в якому від6уваеться пере­творення світлової енергії в електричну (внутрішній фотоефект). Під дією світла (випромінювання) в області p-n-переходу від6уваетьсяіонізація атомів основної речовини та домішків, в результаті чого ге­неруються пари носіїв заряду­ електрон та дірка. В зовнішньому колі, під'єднаному до p-n-переходу,виникає струм, зумовлений рухом цих носіїв (фотострум І_ф). Промисло­вістю випускаються германієві та кремнієві фотодіоди в дискретному і в інтегральному виконанні. Інтег­ральні фотодіоди оптоелектронних систем виготовляються лише на основі кремнію.

Рис. 3.9

На рис. 3.9, а показано схематичне зображення фотодіода, а на рис. 3.9, б - його конструкцію. Противідбивне покриття 1 на 30 % збільшує випромінювання, що поглинається. Технологія виготовлен­ня фотодіодів по суті не відрізняється від стандартної мікроелектронної технології.

Фотодіоди можуть працювати у вентильному (фотогенераторному) та фотодіодному (фотоперетворювальному) режимах. Від вентильного фотодіодний режим відрізняється тим, що припускає наявність зовніш­нього джерела живлення.

Схема роботи фотодіода у фотогенераторному режимі показана на рис. 3.10, а. На контакті двох напівпровідників n- і p-типів, на їх спільній межі, виникає контактна різниця потенціалів φ_к (див. рис. рис. 1.5, 6). При відсутності світлового потоку (Ф = 0) і навантажен­ня (ключ S розімкнуто) дифузійний струм p-n-переходу І_диф зрівноважується дрейфовою складовою струму І_др, що визначається густи­ною струму неосновних носіїв. Тому І_диф + І_др = 0.

При освітленні напівпровідника в області p-n-переходу генеруються додаткові пари носіїв заряду. Поле об’ємного заряду p-n­-переходу розділяє ці пари: дірки дрейфують в р-область. а елек­трони в n-область. В результаті цього густина дрейфових складових струмів збільшується, і дрейфовий струм І_др набуває деякого приросту, який називають фотострумом І_ф. При цьому повний дрейфовий струм дорівнює І_др + І_ф = І₀+ І_ф(складова повного дрейфового струму І_др являє собою тепловий струм І₀ , обумовлений неосновни­ми носіями при відсутності освітлення). Оскільки в області напів­провідника p-типу накопичуються надлишкові носії з позитивним зарядом, а в області напівпровідника n-типу - з негативним зарядом, то між зовнішніми електродами з’являється різниця потенціалів (див. рис. 3,10, а),тобто фото ЕРС Е_ф. Ця ЕРС зменшує висоту потенціального бар’єра φ_к, збільшуючи дифузійну частину струму: . У стані термодинамічної рівноваги виконується рівність:

, (3.11)

звідки визначається фотоЕРС у режимі холостого ходу

. (3.12)

ФотоЕРС не перевищує значення, яке чисельно дорівнює ширині забороненої зони напівпровідника. При вмиканні навантаження (ключ S замкнуто) тече струм І_н , і напруга на зовнішніх контактах фотодіо­да зменшується до деякого значення U_фд< Е_ф. Струм У навантаженні при цьому дорівнює

(3.13)

звідки видно, що в режимі короткого замикання (U_фд= 0) І₀ = І_ф.

Рис. 3.10

Коли ввімкнути зовнішнє джерело (фотоперетворювальний режим, рис. 3.10, б) і немає освітлення, через p-n-перехід дрейфують лише власні неосновні носії заряду, які зумовлюють дрейфовий струм І_др = І_{0 .} Відсутність дифузійної складової струму пояснюється тим, що під дією зовнішнього джерела Е внутрішнє поле, що визначається фо­тоЕРС, компенсується, і потенціальний бар’єр різко зростає. При цьому більша частина напруги джерела Е спадає на великому опорі зво­ротнозміщеного p-n-переходу U_фд.При освітленні p-n-переходувідбувається процес іонізації атомів кристала, генеруються додаткові пари носіїв заряду, які, дрейфуючи через p-n-перехід у тому самому напрямі, що й неосновні носії, зумовлюють фотострум І_ф. Таким чи­ном, через навантаження протікає струм І_фд≈ І₀+ І_ф.

Залежність струму фотодіода від прикладеної до нього напруги І_фд = ƒ (U_фд), тобто вольт-амперну характеристику, показано на рис. 3.11, а.

За світловою характеристикою І_фд = φ(Ф) (рис. 3.11, б)визнача­ється інтегральна чутливість фотодіода

К_д = І_фд/Ф. (3.14)

Фотострум діода залежить також від довжини хвилі світлового випро­мінювання. Максимальна фоточутливість різних типів фотодіодів ле­жить в діапазоні довжин хвиль від 0,63 до 0,92 мкм.

Фотоприймачі з внутрішнім підсиленням. До таких фотоприймачів належать фототранзистори та фототиристори. Фототранзистори, як правило, n-p-n-типу, та фототиристори виготовляються на основі стандартної планарної технології кремнієвих інтегральних структур. Фототранзистором називається фотоелектронний напівпровідниковий пристрій з двома р-n-переходами. Крім перетворення світлової енергії в електричну з утворенням фотоструму, як у фотодіодах, фототранзистор ще й підсилює цей фотострум.

Розглянемо роботу фототранзистора за схемою із заземленим емітером у режимі з відімкнутою базою (І_В = 0). Схема ввімкнення фото­транзистора показана на рис. 3.12, а. Якщо зовнішній світловий потік Ф дорівнює нулю, то через фототранзистор протікає невеликий прохід­ний струм колектора І^*_С , який називають темновим і визначають за формулою

І^*_С = І₀ (н_21Е+ 1). (3.15)

При освітленні області бази (Ф > О) в ній генеруються нерівноважні пари носіїв заряду - електрони та дірки, які дифундують до емітерного та колекторного переходів. При цьому електричне поле колек­торного переходу втягує в колектор електрони, які в області бази є неосновними носіями заряду, але затримує в базі дірки, розділяючи тим самим парні заряди. Електрони, які пішли в колекторне коло, підвищують зворотний струм колектора І’_С = І_ф(режим фотодіода), а дірки, які залишилися, при відімкненій базі створюють в ній пози­тивний заряд, який зміщує емітерний перехід в прямому напрямі. Це створює умов и для інжекції з eмітepa в базу додаткової кількості електронів, як і в звичному біполярному транзисторі, які дифундують через базу до колекторного переходу, де й захоплюються його полем, зумовлюючи приріст колекторного струму І”_С . Оскільки дірки, які з'являються в базі в результаті внутрішнього фотоефекту, відіграють роль керуючого струму бази звичайного транзистора, то цей приріст колекторного струму дорівнює н_21ЕІ_ф.

Переглядів: 3731