5. Вентильный фотоэлементы.

Фоторезистивный эффект состоит в изменении электрического сопротивления полупроводника под воздействием энергии электромагнитного излучения. Фоторезистивным эффектом обладают фоторезисторы (фотосопротивления), в них под действием света увеличивается количество свободных электронов, а следовательно, и электропроводность. В большинстве случаев фоторезистор представляют собой нанесенный на стеклянную пластинку 5 тонкий слой полупроводникового вещества 4 (рисунок 1.2).

К противоположным сторонам полупроводникового слоя припаиваются металлические электроды 1. В качестве светочувствительного материала используется сернистый свинец, сернистый висмут, сернистый кадмий и др. Поверх полупроводникового слоя наносится пленка светопроницаемого лака 3 для предохранения фоторезистора от внешней среды. Корпус фоторезистора, в который помещен светочувствительный элемент, может иметь различную форму.

Фоторезисторы характеризуются высокой светочувствительностью, простотой конструкции, малыми габаритами, значительной мощностью и большим сроком службы. Фоторезисторы могут работать в цепях переменного и постоянного тока. Однако фоторезисторам присуще нелинейная зависимость силы фототока от светового потока, относительно высокая инерционность и некоторая зависимость параметров от температуры. Постоянная времени у фоторезисторов составляет порядка 3 ´ 10^-3, 3 ´ 10^-5 с при световом потоке 10^-5 лм.

Вентильные элементы конструктивно аналогичны, отличаются лишь формой и размерами, исходным полупроводниковым материалами и т. п. (рисунок 1.3).

Рис.1.3.

Вентильный фотодиод имеет металлическое основание 1 толщиной 1–2 мм, выполняющее функции электрода и подложки, на которую нанесен тонкий слой селена 2, покрытый сверху полупрозрачным металлическим слоем или сеткой 5, изготовленной из серебра, золота или платины менее 1 мкм. Металлический слой пропускает световой поток в слой селена и выполняет функцию верхнего электрода.

6. Фотодиоды

Фотодиодом называют полупроводниковый фотоэлектрический прибор, в котором используется внутренний фотоэффект. Устройство фотодиода аналогично устройству обычного плоскостного диода. Отличие состоит в том, что его p–n переход одной стороной обращен к стеклянному окну, через которое поступает свет, и защищен от воздействия света с другой стороны.

Фотодиоды могут работать в одном из двух режимов:

- без внешнего источника электрической энергии (вентильный или фотогенераторный, фотогальванический режим);

– с внешним источником электрической энергии (фотодиодный или фотопреобразовательный режим).

и отсутствии светового потока на границе p–n перехода создается контактная разность потенциалов. Через переход навстречу друг другу протекают два тока – I_др и I_диф, которые уравновешивают друг друга. При освещении p–n перехода фотоны, проходя в толщу полупроводника, сообщают части валентных электронов энергию, достаточную для перехода их в зону проводимости, т.е. за счет внутреннего фотоэффекта генерируются дополнительные пары электрон-дырка. Под действием контактной разности потенциалов p–n перехода неосновные носители заряда n–области – дырки переходят в р–область, а неосновные носители заряда р–области – электроны – в n–область. Дрейфовый ток получает дополнительное приращение, называемое фототоком Дрейф неосновных носителей приводит к накоплению избыточных дырок в р–области, а электронов в n–области, это приводит к созданию на зажимах фотодиода при разомкнутой внешней цепи разности потенциалов, называемой фото-ЭДС Потенциальный барьер перехода, как и при прямом напряжении, уменьшается на величину фото-ЭДС, называемую напряжением холостого хода U_хх при разомкнутой внешней цепи. Снижение потенциального барьера увеличивает ток диффузии DI_диф основных носителей через переход. Он направлен навстречу фототоку. Поскольку ключ разомкнут, в структуре устанавливается термодинамическое равновесие токов:

. (8.5)

Значение фото-ЭДС не может превышать контактной разности потенциалов p–n перехода. В противном случае из-за полной компенсации поля в переходе разделение оптически генерируемых носителей прекращается. Так, например, у селеновых и кремниевых фотодиодов фото-ЭДС достигает 0,5…0,6 В, у фотодиодов из арсенида галлия – 0,87 В.

Ток, протекающий через фотодиод, можно записать в следующем виде:

, (8.6)

Фотодиоды, работающие в режиме фотогенератора, часто используются в качестве источников питания, преобразующих энергию солнечного излучения в электрическую.

При отсутствии светового потока и под действием обратно приложенного напряжения через фотодиод протекает обычный начальный обратный ток I_о, который называют темновым. Темновой ток ограничивает минимальное значение светового потока. При освещении фотодиода кванты света дополнительно вырывают электроны из валентных связей полупроводника, увеличивая тем самым поток неосновных носителей заряда через p–n переход. Чем больше световой поток, падающий на фотодиод, тем выше концентрация неосновных носителей заряда вблизи запорного слоя, и тем больший фототок , определяемый напряжением внешнего источника и световым потоком, протекает через диод.

Фотодиодный режим характеризуется высокой чувствительностью, большим динамическим диапазоном преобразования оптического излучения, высоким быстродействием (барьерная емкость p–n перехода уменьшается). Недостатком фотодиодного режима работы является большой темновой ток, зависящий от температуры.

Фотодиод описывается вольтамперной, энергетической (световой), спектральной и частотной характеристиками, приведенными на рис. 8.9, 8.10.