1. Темновое сопротивление фоторезистора R тем, т.е. сопротивление при отсутствии освещения (R тем = 104÷108 Ом).
2. Максимально допустимая мощность рассеяния Р max (Р max =0.05÷0.10 Вт).
3. Максимальное рабочее напряжение U max (U max =10÷100 В).
4. Спектральная характеристика, т.е зависимость фототока I ф фотопроводимости σф или фотосопротивления R ф = 1/σф от длины волны падающего света. Максимумы этих характеристик лежат в видимой или инфракрасной частях спектра (рис. 2).
5. Световая характеристика фоторезистора, т.е. зависимость фототока или фотопроводимости от величины освещенности I ф = f (Е) или σф = f (Е) (или падающего светового потока Ф = ЕS) при постоянном напряжении, приложенном к резистору (рис. 6).
При малых освещенностях световые характеристики близки к линейным. При больших освещенностях начинается отступление от линейности и зависимость фототока (фотопроводимости) может быть описана законом (1.5)
(1.9)
На практике обычно используют интегральные световые (люкс-амперные) характеристики фоторезисторов, полученные при освещении фоторезистора светом лампы накаливания, вольфрамовая нить которой нагнета до температуры Т = 2849 К (рис. 6).
|
|
6. Интегральная чувствительность K инт фоторезистора, т.е. отношение фотопроводимости к величине освещенности его поверхности
. (1.10)
При определении интегральной чувствительности освещение фоторезисторов производят лампой накаливания, вольфрамовая нить которой нагрета до 2840 К.
Из световой характеристики следует, что интегральная чувствительность фоторезисторов убывает с возрастанием освещенности.
7. Кратность изменения сопротивления, т.е. отношение
R тем/ R cв = I c/ I т, (1.11)
где R тем – темновое, а R cв – световое сопротивление, которые определяяются в темноте и при освещенности Е = 200 лк соответственно.
8. Постоянная времени спада фототока τ, т.е. время, в течение которого фототок уменьшается в e раз после прекращения освещения фоторезистора. Постоянная времени τ характеризует инерционность фоторезистора и определяется временем жизни неосновных носителей. Фоторезисторы различных типов имеют постоянные времени от 0.1 до 100 мс.
2. ФОТОЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА p – n -ПЕРЕХОДА
2.1. Воздействие света на p–n-переход
Зонная диаграмма освещенного p – n -перехода с “толстой” базой l > L n, где l – толщина базы, а L n – средняя длина диффузии электронов в базе, приведена на рис. 7.
В невырожденных легированных полупроводниках концентрации основных носителей n n и p p (электронов в n -области и дырок в р -области) велики по сравнению с концентрацией собственных носителей ni и pi: n n >> ni и p p >> pi. На границе раздела р - и n -областей образуется слой, обедненный основными носителями заряда, который называется р – n -переходом. Между р - и n -областями возникает электрическое поле Е и контактная разность потенциалов φ0, созданные неcкомпенсированными зарядами донорных и акцепторных примесей в обедненном слое. Потенциал n -области положителен по отношению к р -области (в обедненном слое).
|
|
![]() |
Через р – n -переход происходит диффузия основных носителей заряда (электронов из области n- в область р -полупроводника и дырок из области р- в область n -полупроводника) и дрейф неосновных носителей (электронов из р - в n -область и дырок из n - в р -область). Таким образом, через р – n -переход протекают четыре тока: два диффузионных (I nD и I pD) и два дрейфовых (I nE и I pE). В состоянии термодинамического равновесия выполняется принцип детального равновесия: каждая из компонент тока (и электронная I n = I nD– I nЕ = 0 и дырочная I p = I pD– I pЕ = 0) равны нулю и общий ток I = I n+ I p равен нулю.
При поглощении квантов света в p – n -переходе и в прилегающих к нему областях полупроводника, образуются новые носители заряда – пары электрон-дырка. Неосновные носители, возникшие в прилегающих к p – n -переходу областях, не превышающих средней диффузионной длины L n для электронов и L р для дырок, диффундируют к p – n -переходу и проходят через него под действием электрического поля Е. При этом возрастает дрейфовый ток через р – n -переход на величину I ф. Величина фототока I ф пропорциональна числу квантов света, поглощенных в слое L = L n+ d + L р (рис. 7):
I ф = qχβkSLN = qχβkSLФ λ /hν = K λ Ф λ, (2.1)
где β – квантовый выход, k – коэффициент поглощения света, χ – коэффициент переноса, учитывающий долю непрорекомбинировавших носителей заряда от общего количества носителей, возникших под действием света, S – площадь p – n -перехода.
Таким образом, освещение полупроводника приводит к нарушению термодинамического равновесия. Возникший в результате световой генерации пар электрон-дырка фототок приводит к накоплению основных носителей заряда в n - и р -областях полупроводника, между которыми возникает дополнительная (к контактной φ 0) разность потенциалов (фото-ЭДС) φ ф, что понижает общую разность потенциалов p – n -перехода φ = φ 0 –φ ф и уменьшает величину потенциального барьера qφ =q (φ 0 –φ ф) для основных носителей. Вследствие этого возрастает дрейфовый ток основных носителей I nDф и I pDф (рис. 6, точечные пунктиры).
В стационарном состоянии потоки зарядов через p – n -переход в обоих направлениях уравновешивают друг друга
–I ф– I nE– I pE+ I nDф+ I pDф = 0. (2.2)
Между р - и n - областями полупроводника устанавливается разность потенциалов – фото ЭДС φф.
2.2. Фотодиоды
Фотоэлектрический полупроводниковый прибор с одним p – n -переходом называется фотодиодом.
Структурная схема фотодиода и его изображение на принципиальных схемах приведены на рис. 8.
![]() |
Вольтамперная характеристика p – n -перехода (рис. 9) может быть записана в виде:
. (2.3)
При обратном смещении p – n -перехода резко возрастает потенциальный барьер для основных носителей заряда и ток через переход определяется потоком неосновных носителей, которые проходят через него под действием электрического поля Е. Темновой обратный ток через фотодиод равен I s; при освещении обратный ток возрастает на величину I ф за счет появления добавочных неосновных носителей заряда
I обр = I s+ I ф. (2.4)
![]() |
Величина обратного тока почти не зависит от приложенного напряжения. Световая характеристика фотодиода I обр = f (Е) является линейной в широком диапазоне изменения освещенности Е. Это связано с тем, что толщина базы фотодиода существенно меньше средней длины диффузии неосновных носителей заряда l < L n (фотодиод с “тонкой” базой). Поэтому практически все возникшие в базе в результате световой генерации, неосновные носители доходят до p – n -перехода и принимают участие в образовании фототока.
|
|
При прямом смещении p – n -перехода понижается потенциальный барьер и через p – n -переход начинает протекать ток, созданный диффузией основных носителей заряда. При напряжении U = φ ф диффузионный ток полностью компенсирует дрейфовый ток и результирующий ток через переход равен нулю (2.2).
При U > φ ф прямой ток быстро возрастает и вольтамперные характеристики освещенного и затемненного фотодиодов практически совпадают.
В большинстве применений фотодиоды используют в режиме обратного смещения p – n -перехода (рис. 10). Если световой поток модулирован, то на сопротивлении нагрузки R н появляется напряжение сигнала, пропорциональное изменениям светового потока.
Одним из основных параметров фотодиода является интегральная чувствительность
К ф = I ф/ Ф. (2.5)
Преимуществом фотодиодов по сравнению с фоторезисторами является их малая инерционность. Инерционность диффузионных диодов определяется в основном временем диффузии неосновных носителей заряда через базу и имеет порядок десятков наносекунд.
Спектральная характеристика фотодиодов (рис. 3) при больших длинах волн ограничивается шириной запрещенной зоны λ порог = hc /Δ W. В области малых длин волн – большим показателем поглощения и увеличением скорости поверхностной рекомбинации с уменьшением длины волны.
Фотодиоды находят широкое применение в измерительной технике (фотометрия), автоматике, устройствах сигнализации, волоконно-оптических линиях связи, вычислительной технике (фотосчитывающие устройства CD, сканеры), и т.д. Перспективным направлением является изготовление фотодиодов на основе выпрямляющего контакта металл – полупроводник или гетероперехода. Это позволяет повысить их быстродействие, увеличить чувствительность и получить более широкую спектральную характеристику.