5.4. Фотоприемники с внутренним усилением

Основными типами ФП с внутренним усилением являются:

- фототранзисторы;

- фототиристоры;

- лавинные фотодиоды.

Фототранзисторы – ФП с двумя p-n-переходами. Конструктивно это плоский транзистор из германия или кремния. В электрическую цепь они обычно включаются по схеме с общим эмиттером. База может не иметь внешнего вывода.

При отсутствии оптического излучения, падающего на фототранзистор, все напряжение падает на коллекторном переходе. База принимает оптическое излучение через тонкий слой эмиттера и под его действием в базе генерируются фотоносители.

Дырки области базы, образовавшиеся в результате взаимодействия оптического излучения с р-областью базы, накапливаются в базе. Поле объемного заряда дырок в базе снижает потенциальный барьер эмиттерно-базового перехода, что способствует переходу электронов из эмиттера в базу, а затем и в коллектор (транзистор открывается).

Чувствительность фототранзистора возрастает в β раз по сравнению с ФД. Повышение чувствительности – главное преимущество фототранзисторов по сравнению с ФД. Фототранзисторы обладают более низким быстродействием, чем ФД (τ ≈ !0^-5…10^-6с). Повышение быстродействия достигается в интегральных фотоприемниках, которые представляют собой соединение ФД и транзистора.

5.5. Фоторезисторы

Принцип действия фоторезисторов основан на использовании эффекта фотопроводимости. Изменение проводимости фоторезистора при его освещении может быть записано как

∆σ = σ_ф – σ₀ = е(μ_n∆n + μ_p∆p),

где е – заряд электрона;

μ_n, μ_p – подвижности электронов и дырок соответственно;

∆n – изменение концентрации электронов;

∆p - изменение концентрации дырок.

Скорость генерации носителей пропорциональна световому потоку

(∆n)^' = (∆p)^' = ηФ/ χ₀

При начале освещения фоторезистора увеличивается концентрация носителей, но также увеличивается интенсивность их рекомбинации. Устанавливается статическое состояние для концентрации носителей и при t ≈ ∞

∆n_у = τФη/ χ₀,

где τ – время жизни неосновных носителей.

При выключении света происходит спад концентрации носителей

∆n =∆n_у∙ exp(-t/τ).

Параметры и характеристики фоторезистора

Фоторезистор подключается на вход усилителя по схеме, приведенной на рис.

Величина снимаемого сигнала U_c определяется изменением напряжения на нагрузочном резисторе R_н при изменении сопротивления R_ф фоторезистора в момент его облучения. Конденсатор C служит разделительной емкостью, не пропускающей на вход усилителя постоянный ток от источника питания U_п. На вход усилителя поступает только переменная составляющая сигнала ∆U_с, возникающая за счет изменения R_ф приемника при приеме модулированного или импульсного сигнала. Если R_н = R_ф, то значение ∆U_с определится как

∆U_с = 0,25 U_п∙ ∆R_ф/ R_ф

Относительное изменение сопротивления ∆R_ф/R_ф определяется из соотношения

∆R_ф/ R_ф = (R_ф - R_фс)/ R_ф,

где R_фс – сопротивление фоторезистора в освещенном состоянии.

При Ф = 0 через фоторезистор будет протекать темновой ток, значение которого может быть определено как

I_т = bσ₀∙U_п,

где b - коэффициент, определяемый геометрией фоточувствительного слоя;

σ₀ – темновая проводимость ФП, определяемая как

σ₀ = е(μ_nn₀ + μ_pp₀)

При освещении фоторезистора проводимость фоточувствительного слоя возрастает и через него потечет фототок

I_ф = b(σ₀ +σ_ф)∙U_п ,

где σ_ф – световая проводимость фоторезистора.

Параметром семейства ВАХ служит световой поток. Вид ВАХ фоторезистора представлен на рис.

На рис. показаны нормированные спектральные характеристики фоторезисторов. Спектральные характеристики показывают в какой области спектра может быть использован тот или иной фоторезистор.

Энергетические характеристики фоторезистора показаны на рис. Из рисунка видно, что они зависят от величины напряжения источника питания.

К достоинствам фоторезисторов следует отнести высокую интегральную чувствительность, малые массогабаритные характеристики.

К недостаткам – высокую инерционность (τ = 0,01…0,2 с), малую линейную зону энергетических характеристик, зависимость характеристик и параметров от температуры.