Основные характеристики фотоприемников

Темновое сопротивление R_т – сопротивление фотоприемника при отсутствии засветки.

Относительная спектральная чувствительность S_λ – зависимость фоточувствительности от λ. Обычно приводится в виде графика, либо указываются длинноволновая и коротковолновая границы фоточувствительности.

Токовая фоточувствительность S_I определяет величину фототока, создаваемого единичным потоком излучения, измеряется в А/Вт или в А/лк.

Вольтовая фоточувствительность S_U характеризует величину сигнала в вольтах, отнесенную к единице падающего потока излучения.

Токовая и вольтовая фоточувствительность называется интегральной, если характеризует чувствительность к интегральному потоку источника света, и монохроматической, если источник монохроматический. Обычно фотоприемники характеризуют либо интегральной чувствительностью, либо фоточувствительностью в максимуме излучения (S_{I λ max} и S_{U λ max}) с указанием длин волн, при которых чувствительность уменьшается вдвое.

Постоянная времени – это время, в течение которого фототок изменяется после освещения или затемнения на 63 % (в е раз) по отношению к установившемуся значению. Различают постоянные времени нарастания τ_н и спада τ_сп. Обычно τ_н < τ_сп.

 

Фоторезисторы

Технология изготовления и конструкция

Основная часть конструкции фоторезистора – фоточувствительный слой полупроводника, выполненный в виде моно- или поликристаллической пластинки или пленки на диэлектрической подложке с металлическими электродами.

В качестве полупроводникового материала используются собственные полупроводники: CdS (максимальная чувствительность в зеленой области спектра, пригоден для измерителей освещенности), CdSe (максимальная чувствительность в красной области спектра), ZnS (работает в ИК-диапазоне 1,5 – 2,5 мкм), PbSe, InSb (для ИК-диапазона 3 – 3,5 мкм), твердые растворы CdTe – HgTe (работают в ИК-диапазоне 7 – 14 мкм), а также используются примесные полупроводники, например, Ge и Si, для ИК-диапазона 5 – 30 мкм.

В табл. 6.2 приведены длины волн, соответствующие максимумам спектральной чувствительности λ_max, ширина запрещенной зоны Е_g полупроводников, применяемых для изготовления фоторезисторов. Поверхность фоточувствительного слоя между электродами называют рабочей площадкой, она может иметь прямоугольную форму, может быть в виде меандра или кольца. Площадь рабочей площадки от 0,1 до 10 мм². Вся конструкция помещается в пластмассовый или металлический корпус.

 

Таблица 6.2

 

Параметры полупроводников, используемых

в фоторезисторах

 

Материал	Еg, эВ	λmax, мкм	Марка фоторезистора
PbS	0,4	2,5	ФСА
Bi2S3	1,3	0,95	ФСБ
CdS	2,4	0,5	ФСК
CdSe	1,7	0,7	ФСД

 

Характеристики и параметры

ВАХ – зависимость темнового тока I_т и светового тока I_св при неизменной величине светового потока от приложенного напряжения, В рабочем диапазоне ВАХ линейна.

Световая или люкс-амперная характеристика – зависимость фототока I_Ф = I_св – I_т от освещенности Е (или от светового потока). Обычно сублинейна (рис. 6.4).

Спектральная характеристика – зависимость I_Ф от λ. На рис. 6.5 приведены усредненные спектральные зависимости различных фоторезисторов.

 

 

Рис. 6.5. Усредненные спектральные характеристики

различных фоторезисторов: 1 – ФСК; 2 – ФСД;

3 – ФСА; 4 – СФ-4

 

Постоянную времени τ измеряют при освещенности 200 лк и температуре 20 °С при сопротивлении нагрузки R_нагр < 1 кОм; τ различных фоторезисторов лежит в пределах от 10 мкс до 10 мс.

Темновое сопротивление определяют через 30 с после затемнения фоторезистора, находившегося при освещенности 200 лк.

Удельная интегральная чувствительность – отношение фототока к световому потоку и приложенному напряжению:

 

К₀ = . (6.5)

 

Для различных фоторезисторов К₀ = 1 – 600 .

Фотодиоды

В качестве фотодиодов используются диоды с p-n переходом, смещенным в обратном направлении. Неосновные носители заряда, возникшие при освещении в прилегающих к p-n переходу областях на расстоянии, не превышающем диффузионной длины, диффундируют к p-n переходу и проходят через него под действием электрического поля. Это приводит к росту обратного тока при освещении. К аналогичному результату приводит поглощение света непосредственно в p-n переходе.

При освещении обратные токи не зависят от напряжения, хотя обратная ветвь ВАХ в затемненном состоянии может не иметь участка насыщения тока рис. 6.6.

 

 

Рис. 6.6. ВАХ фотодиода (а) и его структура (б)

на основе p-n перехода

 

Свойства фотодиода характеризуются параметрами и зависимостями, аналогичными для фоторезисторов. Но есть и существенные отличия: световая характеристика I_Ф = f(E) является линейной, т.к. база фотодиода меньше диффузионной длины неосновных носителей. Это большое преимущество перед фоторезисторами.

Следствием линейности является независимость интегральной чувствительности от напряжения. Поэтому вместо интегральной удельной чувствительности используется интегральная чувствительность К = I_Ф/Ф.

Следующей особенностью и преимуществом фотодиодов является малая инерционность. На инерционность влияют три фактора: 1) время диффузии или дрейфа неравновесных носителей через базу τ_Д; 2) время пролета через p-n переход τ_i; 3) время перезарядки барьерной емкости С_бар p-n перехода характеризуется постоянной времени R_бС_бар , где R_б – сопротивление базы. Для сплавного фотодиода из Ge τ_Д = 50 нс, τ_i = 0,1 нс, R_бС_бар = 1 нс. Следовательно, инерционность определяет τ_Д. Для диффузионных фотодиодов все три фактора дают одинаковый вклад порядка наносекунд.

Спектральная характеристика фотодиода со стороны длинных волн определяется шириной запрещенной зоны, со стороны коротких – ростом влияния поверхностной рекомбинации при уменьшении длины волны. Коротковолновая граница зависит от толщины базы и скорости поверхностной рекомбинации. При уменьшении этих величин коротковолновую границу можно сдвинуть в сторону меньших длин волн.

Положение максимума на спектральной зависимости зависит от степени роста коэффициента поглощения k. При резком росте k с уменьшением длины волны (в Ge) положение максимума определяется шириной запрещенной зоны (λ_max = 1,55 мкм) и не зависит от толщины базы. Если зависимость k (λ) слабая (в Si), то максимум смещается от толщины базы и скорости поверхностной рекомбинации (от 0,6 мкм до 1 мкм путем изменения технологии и конструкции).

Основными материалами фотодиодов являются Ge и Si. Германиевые фотодиоды ФД-1 – ФД-3 имеют следующие параметры: I_т = 15 – 30 мкА, τ_сп = 10 мкс, К = 15 – 20 мА/лм. Для кремниевого фотодиода ФДК-1: I_т = 3 мкА, τ_сп = 10 мкс, К = 3 мА/лм.

Для ИК-диапазона 8 – 14 мкм используются фотодиоды на основе твердых растворов Hg_xCd_1-xTe. Эти фотодиоды могут работать в широком частотном диапазоне (до 10⁹ Гц). Для ИК-диапазона 3 – 5 мкм применяются фотодиоды на основе InSb.

Фотодиоды могут быть созданы на основе выпрямляю­щего контакта металл-полупроводник и на основе гетеропереходов. Принцип действия фотодиода на основе выпрямляющего контакта аналогичен принципу действия фотодиода с p-n переходом, но в параметрах есть различия: спектральная характеристика оказывается более широкой, чем у фотодиода с p-n переходом (коротковолновая граница сдвинута к меньшим значениям дли волн, со стороны длинных волн спектр ограничивает не значение Е_g, а высота потенциального барьера металл-полупроводник, поэтому длинноволновая граница сдвигается в сторону более длинных волн). Другой особенностью фотодиодов на основе контакта металл-полупроводник является меньшая инерционность (так как сопротивление базы много меньше). Это позволяет принимать СВЧ колебания.