Дослідження характеристик і параметрів фотоелектричних перетворювачів
Винекнення
вільних носіїв заряду під дією
опромінювання проявляється в
напівпровіднику у вигляді двох
фотоелектричних ефектів: фотопровідності
(зростання провідності зразка при
засвіченні) і фотовольтаїчного (виникнення
ФОТО-ЕРС на р – n
переході або іншому виді потенційного
бар'єру в напівпровіднику при освітленні).
Обидва ефекти використовуються в
практиці конструювання фотоприймачів
Основні
параметри і характеристики фотоприймачів
(безвідносно до фізичної природи і
конструкції цих приладів) можна
підрозділити на декілька груп. До
оптичних характеристик відносяться
площа фоточутливої поверхні, матеріал,
розміри і конфігурація оптичного вікна;
максимальний і мінімальний рівні
потужності випромінювання. До
електрооптичних характеристик належать
фоточутливість, ступінь однорідності
розподілу чутливості по фотоприймальному
майданчику; спектральна щільність
чутливості (залежність параметра, що
характеризує чутливість, від довжини
хвилі); власні шуми фотоприймача і їх
залежність від рівня засвічення і
діапазону робочих частот; швидкодія;
коефіцієнт якості (комбінований показник,
що дозволяє зіставляти різні фотоприймачі
один з одним); показник лінійності;
динамічний діапазон. Як елемент
електричного ланцюга фотоприймач
характеризується перш за все параметрами
його еквівалентної схеми, вимогами до
робочих режимів, наявністю (або
відсутністю) вбудованого механізму
посилення, виглядом і формою вихідного
сигналу. До інших характеристик відносять
експлуатаційні, габаритні, технологічні
електричні (рис.2).
Рисунок
2 - Типова зовнішня характеристика
кремний-германієвого
фотоелемента
Механізм
роботи фотоприймачів, що базуються на
фотовольтаїчному ефекті, розглянемо
на прикладі планарно-епітаксійних
фотодіодів з р – n
перехідом і з р - i – n
- структурою, в яких можна виділити n+-
підкладку, базу n- або i-типа (слабка
провідність n-типа) і тонкий р+-шар. При
роботі у фотодіодному режимі (рис. 3,а)
прикладена ззовні напруга примушує
рухомі дірки і електрони йти від р - n(р
- i)
-перехіда; при цьому картина розподілу
поля в кристалі виявляється різко різною
для двох даних структур.
Рисунок
3 - Схеми вимірювання і сімейства
вольт-амперних характеристик у
фотодіодному (а) і фотовентильному (б)
режимах роботи діода.
Світлове
випроміню-вання, поглинаючись в базовій
області діода, генерує електронно-дірчасті
пари, які дифундують до р-n
-переходу, розділяються їм і викликають
появу додаткового струму в зовнішньому
електрик-ному колі. У р- i- n-
діодах це розділення відбувається в
полі i-
області і замість процесу дифузії має
місце дрейф носіїв заряду під впливом
електричного поля. Кожна електронно-дірчаста
пара, що генерується, пройшла через р-n-
перехід,
викликає проходження в зовнішньому
електричному колі заряду, рівного заряду
електрона. Чим більше опроміненість
діода, тим більше фотострум. Фотострум
протікає і при зсуві діода в прямому
напрямі (рис. 3,а), проте вже при невеликій
напрузі він виявляється набагато менше
прямого струму, тому його виділення
виявляється практично неможливим.
Робочою
областю вольт-амперних характеристик
фотодіода є III квадрант на рис.3а;
відповідно до цього у якості найважливішого
параметра виступає струмова чутливість
,
де
Iф
– фотострум, Iт
– темновий струм, Рф – потужність
фотопотоку.
Якщо
освітлювати фотодіод без додатку до
нього зовнішнього зсуву, то процес
розділення електронів і дірок, що
генеруються, протікатиме завдяки дії
власного вбудованого поля р – n
-переходу. При цьому дірки перетікатимуть
в р-область
і частково будуть компенсувати вбудоване
поле р - n-
переходу. Створюється деякий новий
рівноважний (для даного значення
Рф) стан, при якому на зовнішніх виводах
діода виникає ФОТО-ЕРС
Uф.
Якщо замкнути освітлений фотодіод на
резистор навантаження, то він віддаватиме
в навантаження корисну електричну
потужність Ре.
Характеристичними
точками вольт-амперних характеристик
діода, що працює в такому, - фотовентильному
- режимі, є ЕРС холостого ходу Uxx
і
струм короткого замикання
Iкз
(рис. 3,б).
Схематично фотодіод
у вентильному режимі працює як своєрідне
вторинне джерело живлення, тому його
визначальним параметром є ККД перетворення
світлової енергії в електричну:
.
У фотовентильному
режимі діє важливий клас фотоелектричних
приладів - сонячні батареї.
