Оптоелектроніка

9.1. Загальні відомості

Робота різних напівпровідникових приймачів випромінювання (фоторезистори, фотодіоди, фототранзистори, фототиристори) заснована на використанні внутрішнього фотоефекту, який полягає в тому, що під дією випромінювання в напівпровідниках відбувається генерація пар носіїв заряду електронів і дірок. Ці додаткові носії збільшують електричну провідність. Така додаткова провідність, зумовлена дією фотонів, отримала назву фотопровідності. У металах явище фотопровідності практично відсутнє, оскільки у них концентрація електронів провідності дуже велика (приблизно 10²² см^-3) і не може помітно збільшитися під дією випромінювання. У деяких приладах за рахунок фотогенерації електронів і дірок виникає ЕРС, яку прийнято називати фото-ЕРС, я тоді ці прилади працюють як джерело струму. А внаслідок рекомбінації електронів і дірок в напівпровідниках утворюються фотони, і при деяких умовах напівпровідникові прилади можуть працювати як джерела випромінювання.

У наступних параграфах розглядаються напівпровідникові прилади, що найбільш широко застосовуються, і які працюють як приймачі або джерела випромінювання, а також прилади, що є поєднанням джерел і приймачів випромінювання і що отримали назву оптронов. Багато які з описаних в цьому розділі приладів виготовляються не тільки у вигляді дискретних елементів для РЕА, але вже входять і до складу інтегральних мікросхем.

9.2. Фоторезистори

Фоторезистор – це напівпровідниковий резистор, опір якого змінюється під дією випромінювання. Принцип побудови фоторезистора пояснюється на рис.9.1,.а). На діелектричну пластину 1 нанесений тонкий шар напівпровідника 2 з контактами 3 по краях. Схема ввімкнення фоторезистора наведена на рис.9.1.б). Полярность джерела живлення не відіграє ролі.

Якщо опромінення немає, то фоторезистор має деякий великий опір R_т, який називають темновим. Він є одним з параметрів фоторезистора і становить (10⁴ ÷ 10⁷) Ом. Відповідний струм через фоторезистор називають темновим струмом. При дії випромінювання з достатньою енергією фотонів на фоторезистор в ньому відбувається генерація пар рухливих носіїв заряду (електронів і дірок) і його опір зменшується.

Для фоторезисторов застосовують різні напівпровідники, що мають необхідні властивості. Так, наприклад, сірчистий свинець найбільш чутливий до інфрачервоних, а сірчистий кадмій - до видимих променів. Фоторезистори характеризуються питомою чутливістю, тобто інтегральною чутливістю, віднесеною до 1 В прикладеної напруги:

S_пит = І_ф / (ФU), (9.1)

де Ф - світловий потік.

З

Рис.9.1. Принцип побудови і схема ввімкнення фоторезистора

Рис.9.2. Вольт-амперна (а) і енергетична (б) характеристики фоторезистора

вичайно питома чутливість становить декілька сотень або тисяч мікроампер на вольт-люмен.

Фоторезистори мають лінійну вольт-амперну і нелінійну енергетичну характеристику (рис.9.2). До параметрів фоторезисторів крім темнового опору і питомої чутливості потрібно ще віднести максимально допустиму робочу напругу (до 600 В), кратность зміни опори (може бути до 500), температурний коефіцієнт фотострума ТКФ = I_ф /(I_ф T). Значна залежність опору від температури, характерна для напівпровідників, є недоліком фоторезисторов. Істотним недоліком треба вважати також їх велику інерційність, що пояснюється досить великим часом рекомбінації електронів і дірок після припинення опромінення. Практично фоторезистори застосовуються лише на частотах не вище декількох сотень герц або одиниць кілогерц. Власні шуми фоторезисторов значні. Проте фоторезистори широко застосовуються в різних схемах автоматики і в багатьох інших пристроях.