““ФотоприемникиФотоприемники::фотосопротивления, фотосопротивления,

фотодиоды, фотодиоды, фототранзисторыфототранзисторы””

Зелемоткин А.В.Зелемоткин А.В.

ФотоприемникиФотоприемники – – это полупроводниковые это полупроводниковые приборы, регистрирующие приборы, регистрирующие

оптическое излучение и оптическое излучение и преобразующие оптический преобразующие оптический

сигнал на входе в сигнал на входе в электрический сигнал на электрический сигнал на выходе фотодетектора. выходе фотодетектора.

Статистические параметры Статистические параметры фотоприемников:фотоприемников:

• Если на выходе фотоприемника Если на выходе фотоприемника изменяется ток, то фотоприемник изменяется ток, то фотоприемник характеризуется токовой характеризуется токовой чувствительностью Si. Токовая чувствительностью Si. Токовая чувствительность – величина, чувствительность – величина, характеризующая изменение тока, характеризующая изменение тока, снимаемого с фотоприемника при снимаемого с фотоприемника при единичном изменении мощности единичном изменении мощности падающего оптического излучения:падающего оптического излучения:

• Если регистрируемый сигнал на выходе Если регистрируемый сигнал на выходе фотоприемника - напряжение, то фотоприемника - напряжение, то вводят понятие вольтовая вводят понятие вольтовая чувствительность – как величина, чувствительность – как величина, показывающая, на сколько изменится показывающая, на сколько изменится напряжение на выходе напряжение на выходе фотоприемника, при единичном фотоприемника, при единичном изменении мощности падающего изменении мощности падающего лучистого потока: лучистого потока:

К фотоприемникам К фотоприемникам относятся:относятся:

• ФотодиодыФотодиоды

• ФоторезисторыФоторезисторы

• ФототранзисторыФототранзисторы

• P-I-N ФотодиодыP-I-N Фотодиоды

Процессы лежащие в основе Процессы лежащие в основе действия фотоприемников:действия фотоприемников:

• ГенерацияГенерация носителей под носителей под действием внешнего излучения.действием внешнего излучения.

• ПереносПеренос носителей и умножение носителей и умножение за счет того или иного механизма, за счет того или иного механизма, характерного для данного характерного для данного прибора.прибора.

• ВзаимодействиеВзаимодействие тока с внешней тока с внешней цепью, обеспечивающее цепью, обеспечивающее получение выходного сигнала.получение выходного сигнала.

Фотодетекторы должны Фотодетекторы должны обладать обладать

• высокой чувствительностью и высокой чувствительностью и быстродействием быстродействием

• низким уровнем шумов низким уровнем шумов

• иметь малые размеры иметь малые размеры

• низкие управляющие напряжения низкие управляющие напряжения и токи. и токи.

ФотодиодыФотодиоды

Принцип действия:Принцип действия: под действием оптического излучения под действием оптического излучения

образуется электронно-дырочная пара и в образуется электронно-дырочная пара и в области пространственного заряда p-n области пространственного заряда p-n перехода резко возрастает обратный ток перехода резко возрастает обратный ток фотодиода.фотодиода.

Схема фотодиода:Схема фотодиода:

Рассмотрим фотодиод на основе р-п Рассмотрим фотодиод на основе р-п переходаперехода

ВАХ фотодиодаВАХ фотодиода

• IIтемнтемн==IIoo (e (eßVgßVg - 1) - 1)

• IIoo = q*Lp*Pn = q*Lp*Pno o /t/tpp + q*Ln*Np + q*Ln*Npoo/t/tnn

• При освещении фотодиода происходит При освещении фотодиода происходит генерация электронно-дырочных пар. генерация электронно-дырочных пар. Во всем проводнике изменяется Во всем проводнике изменяется концентрация неосновных носителей, концентрация неосновных носителей, следовательно возрастает дрейфовая следовательно возрастает дрейфовая компонента тока, а диффузионная не компонента тока, а диффузионная не меняется.меняется.

∆N,∆P>>Pno,Npo ∆N,∆P<<Nno,Ppo

IФ = q*Lp*∆P /tp + q*Ln*∆N/tn = I∆PE +I∆NE

Полный ток в фотодиодеПолный ток в фотодиоде

• I = II = IФФ + I + Iтемнтемн • Фототок от напряжения Фототок от напряжения не зависит.не зависит.

• Область поглощения Область поглощения светового потока светового потока должна принадлежать должна принадлежать промежутку (промежутку (-Lp,n;Lp,n)-Lp,n;Lp,n)

• ВАХ сдвигаются ВАХ сдвигаются эквидистантно.эквидистантно.

Расчет полного токаРасчет полного тока

InIn - обусловлена равновесными и избыточными - обусловлена равновесными и избыточными

электронами в р-областиэлектронами в р-области IгIг - обусловлена термо- и фотогенерацией электронно- - обусловлена термо- и фотогенерацией электронно-дырочных пар в области пространственного заряда p-n дырочных пар в области пространственного заряда p-n переходаперехода IрIр - обусловлена дырками в n-области - обусловлена дырками в n-области IтIт - плотность темнового тока - плотность темнового тока IфIф - добавка за счет действия оптического излучения - добавка за счет действия оптического излучения

Вклад в Вклад в InIn и и IpIp дают те носители, которые не рекомбинируют дают те носители, которые не рекомбинируют с основными носителями и достигают за счет диффузии p-n с основными носителями и достигают за счет диффузии p-n переходаперехода..

ФоторезисторФоторезистор

• Фоторезистор - Фоторезистор - это пластина это пластина полупроводника, на полупроводника, на противоположных концах противоположных концах которого расположены омические которого расположены омические контакты.контакты.

• Схема фоторезистора:Схема фоторезистора:

Поток внутри Поток внутри полупроводника:полупроводника:

Фо - падающий потокФо - падающий поток

R - коэффициент отраженияR - коэффициент отражения

a - коэффициент поглощенияa - коэффициент поглощения

Sф - площадьSф - площадь

Работа фоторезистора Работа фоторезистора характеризуется:характеризуется:

1. Квантовой эффективностью 1. Квантовой эффективностью (усиление)(усиление)

Поскольку концентрация изменяется по Поскольку концентрация изменяется по закону:закону:

где T -время релаксации, то коэффициент где T -время релаксации, то коэффициент усиления по току выражается:усиления по току выражается:

2. Время фотоответа:2. Время фотоответа: зависит зависит от времени пролета. Обычно у от времени пролета. Обычно у фоторезистора время ответа фоторезистора время ответа больше, чем у фотодиода, больше, чем у фотодиода, поскольку между контактами поскольку между контактами большое расстояние и слабое большое расстояние и слабое электрическое поле.электрическое поле.

    3. Обнаружительная 3. Обнаружительная способность.способность.

P-I-N Фотодиод P-I-N Фотодиод • P-I-N Фотодиод P-I-N Фотодиод построен на построен на

обычном p-i-n диоде. Эти приборы обычном p-i-n диоде. Эти приборы являются наиболее являются наиболее распространенными, так как распространенными, так как толщину обедненной области можно толщину обедненной области можно сделать такой, что обеспечивается сделать такой, что обеспечивается оптимальная квантовая оптимальная квантовая эффективность и быстродействие.эффективность и быстродействие.

ФототранзисторФототранзистор

Фототранзистор Фототранзистор дейсвует дейсвует также как и остальные также как и остальные фотодетекторы, однако фотодетекторы, однако транзисторный эффект транзисторный эффект обеспечивает усиление фототока. По обеспечивает усиление фототока. По сравнению с фотодиодом сравнению с фотодиодом фототранзистор более сложен в фототранзистор более сложен в изготовлении и уступает ему в изготовлении и уступает ему в быстродействии (из-за большей быстродействии (из-за большей площади).площади).

Устройство и Устройство и эквивалентная схема:эквивалентная схема:

Переход база - коллектор играет Переход база - коллектор играет роль чувствительного элемента. На роль чувствительного элемента. На рисунке он показан в виде диода с рисунке он показан в виде диода с параллельно включенной параллельно включенной емкостью, имеет большую площадь емкостью, имеет большую площадь

• Фототранзистор особенно эффективен, так Фототранзистор особенно эффективен, так как обеспечивает высокий коэффициент как обеспечивает высокий коэффициент преобразования по току(50% и более). В преобразования по току(50% и более). В режиме работы с плавающей базой режиме работы с плавающей базой фотоносители дают вклад в ток коллектора в фотоносители дают вклад в ток коллектора в виде фототока виде фототока IphIph. Кроме того, дырки . Кроме того, дырки фотогенерируемые в базе, приходящие в базу фотогенерируемые в базе, приходящие в базу из коллектора, уменьшают разность из коллектора, уменьшают разность потенциалов между собой и эмиттером, что потенциалов между собой и эмиттером, что приводит к инжекции электронов через базу в приводит к инжекции электронов через базу в коллектор.коллектор.

• Общий ток:Общий ток: