Фотоэлектрические и излучающие в видимом, ик и уф диапазоне полупроводниковые приборы. Полупроводниковые лазеры. Оптоэлектронные пары. Их применение. Системы динамической индикации

 

Фоторезистор

Фоторезистором называется полупроводниковый прибор, не имеющий p-n-перехода, сопротивление которого зависит от освещенности. Фоторезистор ведет себя как омическое сопротивление, т.е. его сопротивление не зависит ни от величины приложенного напряжения, ни то его знака.

Работа фоторезисторов основана на явлении изменения сопротивления вещества под воздействием внешнего светового излучения. Конструктивно фоторезистор представляет собой пластину полупроводника, на поверхности которой нанесены электроды. Структура фоторезистора и условное обозначение показаны на рисунке, где 1 -диэлектрическая пластина; 2 - полупроводник; 3 - контакты фоторезистора.

 

 

Вольтамперная характеристика - зависимость тока I через фоторезистор от напряжения U, приложенного к его выводам, при различных значениях светового потока Ф, либо освещенности Е. Ток при Ф =0 называется темновым током I_т, при Ф >0 общим током I_общ. Их разность равна фототоку I_ф=I_общ-I_т.

Энергетическая характеристика - это зависимость фототока от светового потока, либо освещенности при U = const. В области малых Ф она линейна, а при увеличении светового потока рост фототока замедляется из-за возрастания вероятности рекомбинации носителей заряда. Фоторезисторы характеризуются удельной чувствительностью световой поток.

Температурный коэффициент фототока изменение температуры.

Максимально допустимое рабочее напряжение фоторезисторов до 600В.

 

Достоинства: высокая интегральная чувствительность.

Недостатки: невысокое быстродействие.

Применяется: в турникетах метро, автоматах уличного освещения, системах автоматической регулировки.

В фотоэлектронном умножителе используется усиление тока фотокатода за счет ударной ионизации электронов при их пролете от одного диода к другому. Ионизация достигается за счет разгона электронов электрическим полем между диодами.

 

Фотодиодом называется фотоэлектрический прибор, имеющий один р-n -переход. В основе его работы лежит явление возрастания обратного тока р-n -перехода при его освещении, т.е. световой поток управляет обратным током фотодиода.

Фотодиоды имеют структуру обычного р-n -перехода (см. рис.), где а) - условное обозначение фотодиода, б) - структура фотодиода. Вследствие оптического возбуждения в р и n областях возникает неравновесная концентрация носителей заряда.

На границе перехода неосновные носители заряда под влиянием электрического поля, перебрасываются через переход в область, где они являются основными носителями. Электрический ток, созданный ими есть полный фототок. Если р-n -переход разомкнут, то перенос носителей заряда, генерируемых светом, приводит к накоплению отрицательного в n -области и положительного в р -области зарядов. Новое равновесное состояние соответствует меньшей высоте потенциального барьера, равной (U _к- Е _ф). ЭДС Е _ф, возникающую при этих процессах, на значение которой снижается потенциальный барьер U к в р-n -переходе, называют фотоэлектродвижущей силой (фото-ЭДС) В данной ситуации фотодиод работает в режиме фотогенератора, преобразуя световую энергию в электрическую.

Фотодиод может работать совместно с внешним источником (рис. в). При освещении фотодиода поток неосновных носителей заряда через р-n- переход возрастает. Увеличивается ток во внешней цепи, определяемый напряжением источника и световым потоком. Значение фототока можно найти из выражения I _ф= S _инт Ф, где S _инт - интегральная чувствительность.

Фотодиод может включаться двумя способами:

• вентильный (гальванический) режим
• фотодиодный режим

 

Вольтамперные характеристики освещенного p-n -перехода показаны на рисунке.

Энергетические характеристики, которые связывают фототок со световым потоком, являются одними из основных характеристик фотодиода. Причем фотодиод может быть включен без внешнего источника ЭДС (генераторный режим), так и с внешним источником (см. рис.) а) - генераторный режим; б) - при работе с внешним источником).

 

Достоинства: большое быстродействие.

Недостатки: невысокая фоточувствительность.

 

Фототранзистор – транзистор, у которого переход коллектор-база представляет собой фотодиод. На эмиттерный переход подается прямое напряжение, на коллекторный – обратное.

Резистор позволяет уменьшать фоточувствительность.

Достоинства: обладает более высокой чувствительностью, чем фотодиод.

Недостатки: повышенная температурная нестабильность.

 

Основные параметры:

1. Рабочее напряжение ;
2. Темновой ток до сотен мкА;
3. Рабочий ток до десятков мА;
4. Максимально допустимая мощность рассеяния до десятков мВт;
5. Граничная частота в зависимости от технологии изготовления от единиц кГц до единиц МГц.

 

Фототиристоры имеют четырехслойную структуру (см. рис, а) и управляются световым потоком, подобно тому, как триодные тиристоры управляются током, подаваемым в цепь управляющего электрода.

При действии света на область базы р₁ в этой области генерируются электроны и дырки.

Электроны, попадая в область перехода П2, находящегося под обратным напряжением, уменьшают его сопротивление. В результате происходит увеличение инжекции носителей из переходов П1 и П3. Ток через структуру прибора лавинообразно нарастает, т.е. тиристор отпирается. Чем больше световой поток, действующий на тиристор, тем при меньшем напряжении включается тиристор (см. рис, б).

Достоинства тиристоров: малое потребление мощности во включенном состоянии, малые габариты, отсутствие искрения, малое время включения. Фототиристоры могут успешно применяться в различных автоматических устройствах в качестве бесконтактных ключей для включения значительных напряжений и мощностей.