§ 3.3. ФОТОПРИЕМНИКИ

Фотоприемники предназначены для преобразования светового излучения в электрические сигналы. Так как функциональные возможности электролюминесцентных источников света ограничены, то многообразие возможных характеристик оптронов реализуется за счет фотоприемников.

В качестве фотоприемников могут быть использованы фоторезисторы, фотодиоды, фототиристоры и т. д.

При подборе фотоизлучателей и фотоприемников необходимо согласовывать их спектральные характеристики. В противном случае вследствие несовершенства существующих источников света достаточно сложно получить удовлетворительные результаты.

Фотоэлектрические явления, на основе которых строятся фотоприемники, можно разделить на три основных вида: 1) изменение электропроводности вещества при его освещении — внутренний фотоэффект, 2) возникновение ЭДС на границе двух материалов под действием света — фотоэффект в запирающем слое (используют в полупроводниковых фотоэлементах); 3) испускание веществом электронов под действием света — внешний фотоэффект (используют в вакуумных и газонаполненных фотоэлементах).

Фоторезисторы.

В фоторезисторах используется явление изменения сопротивления вещества под действием инфракрасного, видимого или ультрафиолетового излучения. Основным элементом их является полупроводниковая пластина, сопротивление которой при освещении изменяется. Механизм возникновения фотопроводимости можно объяснить следующим образом. В затемненном полупроводнике в результате воздействия тепловой энергии имеется небольшое количество подвижных носителей заряда (электронов и дырок). Соответственно полупроводник обладает начальной проводимостью , которая носит название темновой:

где q — заряд электрода; - концентрация подвижных носителей заряда в полупроводнике в равновесном состоянии.

Под действием света концентрация подвижных носителей заряда увеличивается, причем возможны различные механизмы их генерации.

Возрастание концентрации дырок и электронов может происходить за счет того, что кванты электромагнитного излучения возбуждают электроны и переводят из валентной зоны в зону проводимости.

Кроме того, они могут вызвать переход электронов из валентной зоны на примесные уровни и увеличение только дырочной электропроводности или переход электронов с примесных уровней в зону проводимости и увеличение электронной электропроводности.

Таким образом, в полупроводнике при облучении светом концентрация подвижных носителей заряда увеличивается на величину и проводимость его резко возрастает:

Изменение электропроводности полупроводника под действием света и есть его фотопроводимость:

Меняя яркость освещения, изменяют фотопроводимость полупроводника.

При включении потока облучающего света интенсивность процесса генерации носителей заряда не сразу достигает стационарного значения, соответствующего интенсивности падающего излучения, а нарастает со временем по экспоненциальному закону

где N — число фотонов, падающих в секунду на единицу площади; а — коэффициент поглощения, характеризующий энергию, поглощенную полупроводником; — квантовый выход, определяющий число носителей заряда, образующихся при поглощении одного фотона; — время жизни неравновесных носителей заряда.

Если время облучения достаточно велико: то концентрация неравновесных носителей заряда достигает своего стационарного значения, причем когда электроны и дырки образуются парами при переходе электронов из валентной зоны в зону проводимости (собственное поглощение энергии полупроводником), то число неравновесных дырок равно числу неравновесных электронов:

Рис. 3.9. Конструкция фоторезисторов: а поперечная, (б) продольная, в) условное обозначение, вольт-амперные: г) энергетические; д) — относительные спектральные характеристики

При примесном поглощении, когда генерируются в основном носители заряда одного знака, имеет место или электронная, или дырочная фотопроводимость, причем в переходных режимах она также изменяется по экспоненциальному закону.

Если выключить облучающий поток света, то изменение концентрации неравновесных носителей заряда при описывается выражением

Явление постепенного изменения при включении и выключении облучающего потока называют релаксацией фотопроводимости.

Конструктивно фоторезистор представляет собой пластину полупроводника, на поверхности которой нанесены электропроводные электроды. Принципиально возможны две конструкции фоторезисторов: поперечная (рис. 3.9, а) и продольная (рис. 3.9, б).

В первом случае электрическое поле, прикладываемое к фоторезистору, и возбуждающий свег действуют во взаимно перпендикулярных плоскостях, во втором — в одной плоскости. Очевидно, что в продольном фоторезисторе возбуждение осуществляется через электрод, прозрачный для этого излучения. Поперечный фоторезистор представляет собой почти омическое сопротивление до частот порядка десятков и сотен МГц. Продольный фоторезистор из-за конструктивных особенностей имеет значительную электрическую емкость, которая не позволяет считать фоторезистор чисто омическим сопротивлением на частотах уже в сотни — тысячи Гц.

В качестве исходного материала фоторезистора чаще всего используются сернистый таллий, селенистый теллур, сернистый висмут, сернистый свинец, теллуристый свинец, сернистый кадмий и т. д.

Условное обозначение фоторезистора приведено на рис. 3.9, в.