Приемники излучения. Классификация

При комнатной температуре работает большинство тепловых приемников излучения, фотоэмиссионные приемники, фотопластинки, фосфоры, сернисто-свинцовые фоторезисторы фоторезисторы из сурьмянистого индия и некоторые другие приемники. При температуре сухого льда -- фоторезисторы из сернистого свинца, а также некоторые тепловые приемники (термоэлементы и болометры). При температуре жидкого азота -- фоторезисторы из сернистого, селенистого и теллуристого свинца, сурьмянистого индия, германия, легированного золотом, фотогальванические и фотомагнитные приемники из сурьмянистого индия, фоторезисторы на основе тройных соединений, тепловые приемники. При сверхнизких температурах -- фоторезисторы из германия, легированного ртутью или цинком, а также тепловые приемники -- сверхпроводящие и германиевые болометры.[3]

3.Полупроводниковые приемники  излучения.

К числу полупроводниковых приемников излучения относятся фотодиоды, фототранзисторы, и другие приборы.  
 
В основе работы приемников излучения лежит явление внутреннего фотоэффекта, при котором кванты света выбивают  электроны из атомов полупроводника. Ставшие свободными электроны создают ток через p-n-переход.  [2]

 
4.Полупроводниковый фотодиод

Фотодиод – фоточувствительный полупроводниковый диод с р-n-переходом (между двумя типами полупроводника или между полупроводником и металлом).

Структура фотодиода и его условное графическое обозначение.

Рис. 1

Физические процессы, протекающие в фотодиодах, носят обратный характер по отношению к процессам, протекающим в светодиодах. Основным физическим явлением в фотодиоде является генерация пар электрон–дырка в области р-n–перехода и в прилегающих к нему областях под действием излучения.

Электрическое поле р-n-перехода разделяет электроны и дырки. Неосновные носители электричества, для которых поле является ускоряющим, выводятся этим полем за переход. Основные носители задерживаются полем в своей области проводимости.

Генерация пар электрон–дырка приводит к увеличению обратного тока диода при наличии обратного напряжения и к появлению напряжения uак между анодом и катодом при разомкнутой цепи. Причем в соответствии со сделанным замечанием о разделении электронов и дырок uак>0 (дырки переходят к аноду, а электроны – к катоду).[5]

Характеристики и параметры.Фотодиоды удобно характеризовать семейством вольт-амперных характеристик, соответствующих различным световым потокам или различным освещенностям.

Обратимся к вольт-амперным характеристикам (ВАХ) фотодиода (рис. 2.10).

Рис.2

Пусть вначале световой поток равен нулю, тогда ВАХ фотодиода фактически повторяет ВАХ обычного диода. Если световой поток не равен нулю, то фотоны, проникая в область p-n-перехода, вызывают генерацию пар электрон–дырка. Под действием электрического поля p-n-перехода носители заряда движутся к электродам (дырки – к электроду слоя р, электроны – к электроду слоя n). В результате между электродами возникает напряжение, которое возрастает при увеличении светового потока. При положительном напряжении анод–катод ток диода может быть отрицательным (четвертый квадрант характеристики). При этом прибор не потребляет, а вырабатывает энергию.

На практике фотодиоды используют и в режиме фотогенератора (фотогальванический режим, вентильный режим), и в режиме фотопреобразователя (фотодиодный режим).

Режим фотогенератора имеет место при u>0 и i<0 (четвертый квадрант). При этом диод отдает энергию во внешнюю цепь (u·i<0). В этом режиме работают солнечные элементы. В настоящее время коэффициент полезного действия солнечных элементов достигает 20%. Пока энергия, вырабатываемая солнечными элементами, примерно в 50 раз дороже энергии, получаемой из угля, нефти или урана. Но ожидается, что стоимость энергии, получаемой с помощью солнечных батарей, будет снижаться.

Режим фотопреобразователя соответствует соотношениям u<0 и i<0 (третий квадрант). В этом режиме фотодиод потребляет энергию (u·i>0) от некоторого обязательно имеющегося в цепи внешнего источника напряжения (рис. 2.11). Графический анализ этого режима выполняется при использовании линии нагрузки, как и для обычного диода. При этом характеристики обычно условно изображают в первом квадранте (рис. 2.12).

Рис. 2.1

Рис. 2.2

Фотодиоды являются более быстродействующими приборами по сравнению с фоторезисторами. Они работают на частотах 107-1010 Гц. Фотодиод часто используется в оптопарах светодиод–фотодиод. В этом случае различные характеристики фотодиода соответствуют различным токам светодиода (который при этом создает различные световые потоки).

 
В фотодиодах на p-n-переход подается обратное напряжение. В темноте обратный ток через диод достаточно мал. При освещении перехода  увеличивается  число  «выбитых» квантами света электронов и образовавшихся на их месте дырок. Увеличивается обратный ток перехода, причем его величина зависит от освещенности перехода: Iобр=f(Ф), где Ф – световой поток. На этом основана работа фотодиода, к которому подключается источник обратного напряжения через сопротивление нагрузки. При увеличении светового потока увеличивается обратный ток и растет падение напряжения на нагрузке. Обозначение фотодиода на схемах и схема с фотодиодом приведены на рис.5.2 (а,б).

Рис.3

Технология изготовления фотодиодов почти не отличается от технологии изготовления обычных полупроводниковых диодов. На  кристалле полупроводника  создают слои  ср и n проводимостями. Один вывод образует контакт с подложкой, а другой – тонкий, прозрачный слой металла. Разработаны более чувствительные и быстродействующие фотодиоды  с четырехслойными гетеропереходами, с барьером Шотки, кремниевые p-i-n-диоды, которые все более вытесняют фотодиоды с p-n-переходом.  Структура p-i-n-диода(см.рис.5.3) содержит слои  полупроводника с р и n проводимостями, разделенные очень тонким i-слоем окиси кремния – изолятором. Обратный ток перехода в p-i-n-структуре чрезвычайно мал, что увеличивает чувствительность к слабым световым потокам. Энергия носителей заряда, возбужденных квантами падающего света, оказывается вполне достаточной, чтобы преодолеть тонкий слой изолятора и создать фототок.[5]

Рис. 4

5.Фоторезисторы

Фоторезисторы (фотосопротивления) - простейшие полупроводниковые структуры с одним типом проводимости, у которых под действием падающего оптического излучения происходит изменение проводимости вследствие образования в них носителей заряда (электронов и дырок). Этот эффект наблюдается в полупроводниках при энергии падающего фотона, недостаточной для возникновения внеш. фотоэффекта, но достаточной для перехода носителя из валентной зоны в зону проводимости. Фотоны с такой энергией вызывают внутренний фотоэффект, увеличивая в зоне проводимости и в валентной зоне число носителей заряда. Величина запрещённой зоны определяет "красную границу" чувствительности фоторезисторов. Фоторезистор представляет собой тонкую пластинку или плёнку из полупроводника, нанесённую на подложку из изоляционного материала и помещённую в корпус с защитным окном; через контакты, к чувствительному слою подводится питающее напряжение. Охлаждаемые фоторезисторы обычно монтируют на внутреннем дне сосуда Дьюара. Схемы включения фоторезисторов аналогичны схемам включения болометров. Приёмник  изготовляют из материала с узкой запрещённой зоной. Однако чем уже запрещённая зона, тем больше носителей возбуждается не фотонами, а термическим путём. Принято считать, что фоторезисторы, чувствительные к излучению с длиной волны до 3 мкм, охлаждения не требуют; в диапазоне 3-8 мкм необходимо охлаждение до 77 К; фоторезисторы для диапазона 8-30 мкм требуют глубокого охлаждения до 3-5 К. Наиболее  широкое применение получили фоторезисторы на основе сульфида цинка (рабочая область спектра 0,3-0,9 мкм), селенида кадмия (0,35-1,1 мкм), сульфида свинца (0,4-3,6 мкм), селенида свинца (0,54-4,0 мкм), антпмонида индия (2,2-9,0 мкм), германия, легированного золотом и ртутью (1,8-9,0 мкм

Работа фототранзистора также основана на фотопроводимости. В транзисторе с «оторванной» базой (IБ=0)  коллекторный ток равен

При облучении базы или области коллекторного перехода изменяется обратный токIКБ0, и следовательно и коллекторный ток. Мощность сигнала в транзисторе с ОЭ из-за большей величины обратного тока (в β+1 раз) , чем в фотодиоде, при том же уровне напряжений источника питания. Таким образом, чувствительность фототранзистора выше. 
Примерная и обозначение структура фототранзистора  приведены на рис. 5.4.

Рис.5

От обычного биполярного транзистора  фототранзистор отличается  только тем, что у него в области эмиттерного перехода имеется  прозрачное окно, пройдя которое свет попадает в базу. Образовавшиеся благодаря квантам света носители заряда  создают ток базы.  
Фоторезисторами называют полупроводниковые приборы, проводимость которых меняется под действием света.

Конструкция монокристаллического и пленочного фоторезисторов показана на рис. 1, 2 приложения. Основным элементом фоторезистора является в первом случае монокристалл, а во втором - тонкая пленка полупроводникового материала.

Если фоторезистор включен последовательно с источником напряжения (рис. 3 приложения) и не освещен, то в его цепи будет протекать темновой ток

 
Iт = E / (Rт + Rн), (4)

 
где Е - э. д. с. источника питания; Rт - величина электрического сопротивления фоторезистора в темноте, называемая темновым сопротивлением; Rн - сопротивление нагрузки. 
При освещении фоторезистора энергия фотонов расходуется на перевод электронов в зону проводимости. Количество свободных электронно-дырочных пар возрастает, сопротивление фоторезистора падает и через него течет световой ток

Iс = E / (Rс + Rн). (5)

 
Разность между световым и темновым током дает значение тока Iф, получившего название первичного фототока проводимости

 
Iф = Iс - Iт. (6)

 
Когда лучистый поток мал, первичный фототок проводимости практически безынерционен и изменяется прямо пропорционально величине лучистого потока, падающего на фоторезистор. По мере возрастания величины лучистого потока увеличивается число электронов проводимости. Двигаясь внутри вещества, электроны сталкиваются с атомами, ионизируют их и создают дополнительный поток электрических зарядов, получивший название вторичного фототока проводимости. Увеличение числа ионизированных атомов тормозит движение электронов проводимости. В результате этого изменения фототока запаздывают во времени относительно изменений светового потока, что определяет некоторую инерционность фоторезистора.[5] 
 
5.1.Характеристики фоторезисторов

 
Основными характеристиками фоторезисторов являются: 
Вольтамперная, характеризующая зависимость фототока (при постоянном световом потоке Ф) или темнового тока от приложенного напряжения. Для фоторезисторов эта зависимость практически линейна (рис. 4 приложения). Закон Ома нарушается в большинстве случаев только при высоких напряжениях на фоторезисторе.

Световая (люксамперная), характеризующая зависимость фототока от падающего светового потока постоянного спектрального состава. Полупроводниковые фотрезисторы имеют нелинейную люксамперную характеристику (рис. 5 приложения). Наибольшая чувствительность получается при малых освещенностях. Это позволяет использовать фоторезисторы для измерения очень малых интенсивностей излучения. При увеличении освещенности световой ток растет примерно пропорционально корню квадратному из освещенности. Наклон люксамперной характеристики зависит от приложенного к фоторезистору напряжения. 
Спектральная, характеризующая чувствительность фоторезистора при действии на него потока излучения постоянной мощности определенной длины волны. Спектральная характеристика определяется материалом, используемым для изготовления светочувствительного элемента. Сернисто-кадмиевые фоторезисторы имеют высокую чувствительность в видимой области спектра, селенисто-кадмиевые - в красной, а сернисто-свинцовые - в инфракрасной (рис. 6 приложения).

Частотная, характеризующая чувствительность фоторезистора при действии на него светового потока, изменяющегося с определенной частотой. Наличие инерционности у фоторезисторов приводит к тому, что величина их фототока зависит от частоты модуляции падающего на них светового потока - с увеличением частоты светового потока фототок уменьшается (рис. 7 приложения). Инерционность ограничивает возможности применения фоторезисторов при работе с переменными световыми потоками высокой частоты.[5] 
 
5.2.Параметры фоторезисторов

 
 
Основные параметры фоторезисторов:

Рабочее напряжение Uр - постоянное напряжение, приложенное к фоторезистору, при котором обеспечиваются номинальные параметры при длительной его работе в заданных эксплуатационных условиях. 
Максимально допустимое напряжение фоторезистора Umax - максимальное значение постоянного напряжения, приложенного к фоторезистору, при котором отклонение его параметров от номинальных значений не превышает указанных пределов при длительной работе в заданных эксплуатационных условиях.

Темновое сопротивление Rт - сопротивление фоторезистора в отсутствие падающего на него излучения в диапазоне его спектральной чувствительности.