m12

порог фотоприемника в единичной полосе частот (Фп1 ) как минималь-

ное среднеквадратичное значение синусоидально модулированного потока с заданным спектром, взятое по отношению к полосе пропускания частот.

Уровень шумов фотоприемника зависит от площади фоточувствительного элемента. Для характеристики этой зависимости введен пара-

метр Фп.уд – удельный пороговый поток фотоприемника:

где Фп1 – порог в единичной полосе частот; S – площадь фоточувстви-

тельного элемента фотоприемника.

Таким образом, удельный пороговый поток – это пороговый поток фотоприемника в единичной полосе частот, отнесенный к единичному по площади фоточувствительному элементу.

Основными характеристиками фотоприемников являются: световая, вольтамперная, спектральная, температурная и частотная.

Световая характеристика выражает зависимость фототока от потока излучения, падающего на фотоприемник при неизменном напряжении на электродах прибора. Световую характеристику иногда называют энергетической или люксамперной.

Вольтамперная характеристика – зависимость величины тока через фотоприемник от приложенного к нему напряжения при постоянном световом потоке.

Спектральная характеристика – зависимость чувствительности фотоприемника от длины волны падающего на фотоприемник монохроматического излучения при постоянной величине питающего напряжения и постоянном световом потоке.

Температурная характеристика – это, как правило, ряд зависимостей, указывающих, как изменяются различные параметры фотоприемника, например, чувствительность, уровень шумов при изменении температуры.

Частотная характеристика – это зависимость чувствительности фотоприемника от частоты модуляции потока излучения падающего на фотоприемник.

Фоторезисторы

Фоторезистором называется полупроводниковый прибор, обладающий внутренним фотоэффектом и увеличивающий свою электропроводность под действием светового излучения.

131

При изготовлении фоторезисторов используют полупроводники, которые обладают наиболее высокой фотопроводимостью. К ним относятся сульфиды, селениды и теллуриты некоторых металлов, а также селен, германий и кремний.

Устройство фоторезистора и схема его включения показаны на рис. 2.1.

Слой полупроводника 2 с контактами 3 на концах, нанесен на диэлектрическую подложку – 1. Для защиты от влаги поверхность полупроводника покрывают прозрачным лаком. Полупроводниковая пластина с диэлектрическим основанием помещается в пластмассовый или металлический корпус с окном для проникновения света.

Фоторезистор включают в электрическую цепь без учета полярности, так как ток через него может протекать в обоих направлениях. При отсутствии освещенности и при приложенном напряжении через фото-

резистор протекает темновой ток IТ, обусловленный наличием некоторого количества свободных носителей заряда.

где E – напряжение источника питания;

RТ – темновое сопротивление, т. е. сопротивление фоторезистора при световом потоке равным нулю;

Rн – сопротивление нагрузки.

При освещении фоторезистора ток в цепи сильно возрастает за счет увеличения концентрации свободных носителей заряда. Разность токов при наличии и отсутствии освещенности называется фототоком, величина которого зависит от интенсивности освещения, величины приложенного напряжения, вида и размера полупроводника.

132

Энергетическая, или световая, характеристика фоторезистора представляет собой зависимость величины фототока от светового потока, приведена на рис. 2.2, а. Энергетические характеристики линейны лишь при малых световых потоках.

Вольтамперные характеристики фоторезистора линейны (рис. 2.2, б), но в пределах допустимой мощности рассеивания. При больших напряжениях вследствие перегрева может разрушиться светочувствительный слой.

Типичная спектральная характеристика фотоприемника изображена на рис. 2.2, в. Длинноволновая граница спектра гр определяет максимальную длину волны падающего на фотоприемник излучения; ко-

ротковолновая граница к обусловлена возрастанием поглощения из-

лучения в пассивных областях структуры при уменьшении длины волны.

Кпараметрам фоторезисторов кроме темнового сопротивления RТ

иудельной чувствительности Sо, следует еще отнести максимально

допустимое рабочее напряжение, кратность изменения сопротивления, температурный коэффициент фототока (ТКФ = dIФ / IФdT ).

Фоторезисторы нашли широкое применение в системах автоматики и многих других устройствах благодаря высокой чувствительности, простоте конструкции, малым габаритам и весу и большому сроку службы.

К недостаткам фоторезисторов следует отнести значительную зависимость параметров от температуры и их большую инерционность, объясняющуюся довольно большим временем рекомбинации электронов и дырок после прекращения облучения.

133

внешнем напряжении (фотодиодный режим или фотопреобразовательный).

Фотогальванический режим характеризуется отсутствием источника внешнего напряжения в цепи фотодиода (рис. 2.4, а), т. е. фотодиод работает генератором фото-ЭДС. Ток фотодиода в фотогальваническом режиме:

где Iф – ток фотоносителей (фототок); R – сопротивление нагруз-

ки; Ipn. – диффузионный ток через переход; Uа – напряжение на диоде; I0 – тепловой ток p-n-перехода; T – температурный потенциал;

I0(eU/ T 1) – уравнение ВАХ p–n-перехода.

При разомкнутой внешней цепи (R ) (Iфд 0): Iф Ipn.. Тогда из

выражения (2.7) можно получить напряжение на переходе при холостом ходе, которое равно фото-ЭДС:

При коротком замыкании в нагрузке (R 0) напряжение на фотодиоде Uа 0, а ток фотодиода Iфд Iф.

В фотодиодном режиме работы последовательно с фотодиодом включается источник обратного напряжения Eобр (рис. 2.4, б). В этом

режиме потенциальный барьер возрастает, и диффузионный ток через переход будет равен нулю.

Тогда выражение для тока фотодиода можно записать в следующем

Вольтамперная характеристика фотодиода описывается выражением (2.7) и представляет собой зависимость тока Iфд от напряжения на

фотодиоде Uа при разных значениях потока излучения Ф, т. е. является уравнением семейства ВАХ фотодиода. Графики ВАХ приведены на рис. 2.5. При отсутствии освещения (Ф = 0) в фотодиоде протекает лишь темновой ток I0, являющийся обратным током p–n-перехода, и

ВАХ подобна обычной диодной характеристике. Семейство ВАХ фотодиода расположено в квадрантах I, III и IV.

135

Квадрант I – это не рабочая область для фотодиода: в этом квадранте к p–n-переходу прикладывается прямое напряжение и диффузи-

онная составляющая тока полностью подавляет фототок (I pn Iф ) . Фотоуправление током через диод здесь становится невозможным.

Рис. 2.5

Квадрант III – это фотодиодная область работы фотодиода. К p–n- переходу прикладывается обратное напряжение.

Следует заметить, что в рабочем диапазоне обратных напряжений фототок практически не зависит от обратного напряжения и сопротив-

ления нагрузки. ВАХ нагрузочного резистора R (нагрузочная прямая) представляет собой прямую линию, уравнение которой имеет вид:

Фотодиод и нагрузочный резистор соединены последовательно, т. е. через них протекает один и тот же ток Iф. Этот ток можно опреде-

лить по точке пересечения ВАХ фотодиода и нагрузочного резистора (рис. 2.5, квадрант III). Таким образом, в фотодиодном режиме при за-

136

данном потоке излучения Ф фотодиод является источником тока Iф по отношению к внешней цепи. Значение тока Iф от параметров внешней цепи ( Eобр, R) практически не зависит.

Квадрант IV семейства ВАХ фотодиода соответствует фотогальваническому режиму работы фотодиода. По точкам пересечения ВАХ с осью напряжения можно определить значения фото-ЭДС (напряжения холостого хода R ) при разных значениях светового потока. У кремниевых фотодиодов значение фото-ЭДС равно 0,5–0,55 В, а для фотодиодов из арсенида галлия 0,85 В. Точка пересечения ВАХ с осью

токов соответствует значениям токов короткого замыкания (R 0). Промежуточные значения сопротивления нагрузки определяются

линиями нагрузки, которые при разных значениях R выходят из начала координат под разными углами. При заданном значении светового по-

тока Ф по ВАХ фотодиода можно выбрать оптимальный режим работы фотодиода в фотогальваническом режиме. Под оптимальным режимом в данном случае понимают выбор такого сопротивления нагрузки, при котором в нагрузку будет передаваться наибольшая электрическая мощность. Для кремниевых фотодиодов при оптимальной нагрузке напряжение на фотодиоде и, следовательно, на нагрузке достигает значений порядка 0,35–0,4 В.

Фотодиоды, работающие в фотогальваническом режиме, часто используют в качестве источников питания – солнечных батарей. Теоретически достижимый КПД солнечных батарей составляет 30 %, а в реальных условиях при использовании кремниевых фотодиодов – 19 %. Для использования в качестве солнечных элементов нужно, чтобы их спектральная характеристика захватывала область видимого спектра.

Зависимость фототока от светового потока называется энергетической характеристикой (рис. 2.6), а зависимость фототока от освещенности – световой характеристикой. В фотодиодном режиме энергетическая характеристика линейна (в рабочем диапазоне значений потока излучения). Это говорит о том, что практически все фотоносители доходят до p–n-перехода и принимают участие в образовании фототока.

В фотогальваническом режиме энергетические характеристики представляются зависимостями либо тока короткого замыкания Iк, либо фото-ЭДС (Uхх) от потока излучения. При больших световых потоках закон изменения этих зависимостей существенно отклоняется от линейного. Для функции Iк f(Ф) появление нелинейности связано, прежде всего, с ростом падения напряжения на объемном сопротивлении базы

137

фотодиода. Замедление роста фото-ЭДС при увеличении потока излучения объясняется уменьшением высоты потенциального барьера при накоплении избыточного заряда электронов в n-области и дырок в p- области, и как следствие этого процесса – поле перехода уже значительно в меньшей степени разделяет фотоносители.

Быстродействие или частотные свойства фотодиодов определяются, с одной стороны, процессами разделения носителей, возникающих при поглощении излучения, полем перехода, с другой стороны – емкостью p–n-перехода. Следовательно, инерционность фотодиодов зависит от времени диффузии или дрейфа неосновных носителей заряда через базу, времени их пролета через p–n-переход и времени перезаряда барьерной емкости. Таким образом, частотные свойства фотодиодов зависят от материала полупроводника, толщины базы и площади p–n-перехода.

Светодиоды

Светодиодами называются полупроводниковые источники света, представляющие собой излучающие p–n-переходы, свечение которых вызвано рекомбинацией носителей заряда в базе при прямом смещении диода.

В светодиодах генерация оптического излучения обеспечивается с помощью инжекционной электролюминесценции.

Как ясно из самого названия, инжекционная электролюминесценция, т. е. генерация оптического излучения в p–n-переходе, объединяет два процесса: инжекцию носителей и собственно электролюминесценцию. С помощью инжекции обеспечивается создание неравновесных носителей заряда, которые непрерывно рекомбинируют, и происходит выделение энергии в виде квантов света.

Основные материалы полупроводниковых излучателей – это арсенид галлия и различные соединения на его основе, которые относятся к прямозонным полупроводникам, т. е. к таким, в которых разрешены прямые оптические переходы зона–зона. Каждая рекомбинация носителя заряда при таком переходе сопровождается излучением фотона, длина волны которого определяется соотношением:

где Eз – ширина запрещенной зоны полупроводника.

По закону сохранения импульса при прямых переходах не требуется участия в рекомбинации третей частицы. Вследствие этого вероятность прямых оптических переходов высока и прямозонные полупроводники являются эффективными люминесцентными материалами.

138

Для работы в диапазоне видимого излучения, как следует из (2.11), необходимы полупроводники с широкой запрещенной зоной 1,5–3 эВ. Это требование сразу исключает использование германия и кремния.

Излучающие полупроводниковые диоды делятся на два вида: светоизлучающие диоды (СИД) и диоды, работающие в инфракрасном диапазоне оптического излучения (ИК-диоды).

Излучающий диод – основной и наиболее универсальный излучатель некогерентной оптоэлектроники. Это обусловлено следующими его достоинствами: высокое значение КПД преобразования электрической энергии в оптическую; высокая для некогерентного излучателя направленность излучения; малые значения прямого падения напряжения; высокое быстродействие; малые габариты, технологическая совместимость с микроэлектронными устройствами, высокая надежность и долговечность.

Структура светодиода в упрощенном виде и схема подключения его к источнику питания показаны на рис. 2.7.

При приложении прямого напряжения к светодиоду потенциальный барьер p–n-перехода понижается, и появляются диффузионные токи, как дырок, так и электронов, т. е. увеличивается инжекция носителей: дырок в n-область, электронов в p-область.

Обычно излучающей является область только по одну сторону p–n- перехода (p-область на рис. 2.6). Очевидно, желательно, чтобы количество инжектированных носителей было максимально именно в излучающей p- области. С этой целью в n-область вводят больше донорной примеси, чем акцепторной в p-область. Таким образом, в структуре инжекция практически односторонняя – из n-эмиттера в p-базу, и излучает базовая область.

Светодиоды используются в качестве излучателей в различных схемах индикации, отображения информации, волоконно-оптических линиях связи и во многих других устройствах, при этом диод может быть выполненным как отдельный элемент или может входить в состав другого оптоэлектронного прибора, например оптопары.

При использовании светодиода в оптопаре его структура должна обеспечить одновременно высокую мощность излучения, возможно более узкую диаграмму направленности и высокое быстродействие. Для излучающих диодов, не входящих в состав оптопары, требования к направленности излучения и быстродействию обычно существенно ниже.

139