Источники и приёмники Излучения (1059978), страница 22
Текст из файла (страница 22)
Под действием потока излучения вследствие внутреннего фотоэффекта у ФР меняется сопротивление. Фоторезисторы представляют собой пленки или пластинки фоточувствительного полупроводникового материала, снабженные двуми невыпрямляющими контактами для включения их в электрическую цепь. ФР неполярны, они одинаково проводят ток в любом м направлении, поэтому их можно питать постоянным и переменным током.' ФР создают на базе собственного и примесного (для ИК-области спектра) поглощения. Наиболее распространены неохлаждаемые ФР на базе полупроводников без примесей с собственным поглощением.
91 4 Г. г. ишшеее е ар. Пути увеличения фотопроводимости ФР при поглощении потока излучения следующие (см. рис, 4.1): переходы электронов из валентной зоны в зону проводимости (увеличивается собственная проводимость, рис. 4.1, а); переходы электронов с примесных донорных уровней в запрещенной зоне в зону проводимости (увеличивается электронная проводимость, рис. 4.1, б); переходы электронов из валентной зоны на акцепторный уровень (увеличивается дырочная проводимость, рис. 4.1, в).
Рассмотрим явления фотопроводимости на примере собственного полупроводника с малой толщиной О, много меньшей !/а (Х), где а (Х) — спектральный показатель поглощения, см '. В этом случае при его освещении происходит равномерная генерация неравновесных носителей заряда Лп и Лр, 1 смв по всей толщине полупроводника по отношению к равновесной концентрации электронов и„, 1/см' и дырок р„, !/см' в неосвещенном полупроводнике. Если пренебречь действием ловушек, то можно считать, что Лп = Лр.
Общая концентрация носителей в собственном полупроводнике будет л =- и„+ Лп; р = р„+ Лр. Постоянная времени и частотная характеристика ФР. При освещении ФР на основе собственной проводимости генерируется йе, 1/(смв с), электронов (и столько же дырок), а их концентрация растет по закону [!2) г[ (Лл)/с[/ =- а =- а (Х) т! (),) Ерю (4.3) где т[ (Х) — квантовый выход полупроводника, 1/квант; Ер„— облученность ФР в квантах, квант/см'.с. По мере увеличения числа носителей в зоне проводимости растет вероятность их рекомбинации, а при равномерном во времени освещении через некоторое время второй процесс уравновешивает первый и уравнение (4.3) примет вид с[ (Лп)/с[/ = а — Лп/т, (4.4) , где т — среднее время жизни носителя, с.
Решив уравнение (4.4) с начальными условиями 1 =- О, Лп =- О, получим Лп = ат (1 — е-'1'), (4. 5) где дт = Лпв — установившаяся концентрация носителей при равномерном во времени освещении, когда с[ (Лп)~тг/ =- О. Общая концентрация носителей и == и„+ ят (1 — е '1'). (4.6)[ Из уравнения (4.5) видно, что Лп асимтотически приближа-, етсЯ к своемУ УстановившемУсн значен1ию Ллв, поэтомУ т есть время релаксации для фотопроводимости. Если ФР затемнить, то генерация носителей прекратится и уравнение (4.4) примет вид с[ (Ли)/6! = —.Лп/т, (4.7) откуда после решения с началь- 1000 000 баа гл10 700Г,„,ад ными условиями 1 = 0 и Лл„=- дт получим Лп = ате — с1' (4 8) 01274 или г„„ 010 /[17 а 700 400 баа баа б„,„ Рис. 4.2. Зявнснмость постоянной времени ФР от освещенности: г — е; г — т дея СФЗП В вЂ” т; в' ео н.
— д иск-ед св л = л +. рте — г1 (4 О) 001б Рассмотренные выражения аналогичны и для дырок в собственном полупроводнике. В случае линейной рекомбинации постоянные времени нарастания т, и спада т, равны времени жизни носителей в собственном полупроводнике. У примесных полупроводников при большой концентрации рекомбинационных ловушек они тоже равны, т.
е. т„ = т„, а при малой концентрации рекомбинация пропорциональна квадрату концентрации носителей и т, чь т, . Следует также отметить, что тв и т„ и стационарное состояние фотопроводимости зависят от потока излучения, падающего на ФР, и его температуры. Увеличение освещенности ФР приводит к возрастанию числа свободных носителей а при их увеличении возрастает и их рекомбинация, что ускоряет нарастание и спад фотопроводимости и уменьшает т и т„. Степень уменьшения т, больше степени уменьшения т„.
Этот процесс в начале зависимости идет быстро, а затем замедляется (рис. 4.2). Чаще всего т, и т, измеряют при освещенности 200 лк. Увеличение температуры повышает скорость рекомбинации, т. е. уменьшает т„и т,в, и наоборот — охлаждение увеличивает т, и т„' [!5). Фотопроводимость ФР при увеличении освещенности растет' сначала быстро, потом медленно, а при повышении температуры падает, т. е.
поток излучения и температу[ва оказывают на фото- проводимость противоположное влияние. Температурное уменьшение проводимости происходит прн тем больших температурах, чем выше освещенность. ' На постоянную времени нарастания (т ) ФР оказывает влияние выдержка его в темноте (при длительной выдержке т увеличивается в 3 — 4 раза). На рис. 4.3, а приведены частотные характеристики некоторых ФР, которые также характеризуют их инерционность. Фототок н спектральная характеристика чувствительности ФР. В освещенном состоянии удельная проводимость ФР [6) а = е [(и, + Лп) (7, + (р, + Лр) (/„[ = = в [(пе(/е+ ре(ув) + (Лп(ус+ Лр(/в)) = — ос + Лет, (4.10) где е — заряд электрона, е = 1,6.10 " А с; с/, и (/„— подвиж4е 99 В) г ((2Ь),млЛ воо 17() 111 1 ООО е) ге) г(а ~ел воо гоо 7ОО ог о )аз а О( еоо )ВОО гоаа Озак )аэ )О' В) Р(р Рнс 4 3.
Характеристики некоторых ФР: и — частотяые; б — световая н люкс-оынческия; е — зависиаюсть со. Ф противления от потока излучения ности электронов и дырок соответственно, смН(В с).=-(сы)с)7(В(см); б — собственная темнозая удельная проводимость ФР, Ом ' см ', Аб — приращение удельной проводимости ФР при освещении, Ом 'см '. Если ФР имеет толщину Н, длину 1 и ц!ирину 4(, то суммарный ток 1, который потечет через него прн приложении внешнего напряжения (7',„„определится как еН 4(Н лН 'пит'' т '! Ф (4.1 1) где ь) — общая проводимость ФР, Ом ', /, — темновой ток ФР, А; 1Ф вЂ” фототок ФР, А.
Темновой ток ФР определяет уровень его собственных п)умов, а следовательно, его пороговый поток и обнаружительную способность, поэтому его стремятся уменьшить за счет уменьшения 4( и Н или б — при охлаждении. Фототок короткого замыкания в установившемся режиме для собственного полупроводника при Лп„= Лрр = дт = Лвр определяется с учетом выражений (4.3)— (4.! 1) 1, = Лб — У „, =- е (АпрНа+ ЛРч(7',) — У,н, =- На( и'Н =е Лпр((7',+(7',) — 17,и, -= е((7', 4 (7',) — и().) 7)(Х)Е ктУ 4(Н, нН 100 7 г г 9 в ог в а )о 77 )г гв ОЭ ОВ Оаагйа )О аа г в Э В В гва(аар))аегата аал,ияи ос. 4.4. Относительные спектральные характернстннн чувствительности неко.
торых Фр: «апмленима Сез (295 К): 2 — ФСК-М! (Сна при 295 КИ Э вЂ” ФСД (Саве при 29Ь КИ монокрноталл р-тапа из бе; лмз при 77 К: Б — ФСА (РЬ5 при 295 КИ б — РЬ5е ~6 КИ 7 — моиокристалл л-типа из !плз при 295 К; 8 — моиокристалл из 1п5Ь при К; З вЂ” бе; Ия (ЗО К); !Π— бе: хп .' 5Ь (53 К); 77 — бе з СО (4,2 КИ 72 — бе: : Са (4,2 К); !Э вЂ” бе: хп (4,2 К) Имея в виду, что т = е)Х, а Ф,„= Е ь((17)т, Вт, получим 1Ф вЂ” — — „(а (А) т( (А) А) (т ((за+ (Эп'] —, У „Ф,„.
(4.12) Из выражения (4.12) монохроматическая токовая чувствительость ФР на основе собственной проводимости будет равна 57Х вЂ” — — „(а (7() т(() ) Ц (т ((/, + (/,)) — (з (7',. (4.13) В выражениях (4.12) и (4,13) в фигурных скобках находятся праметры, определяющие монохроматическую чувствительность !)Р, в квадратных скобках — физические параметры полупровод.чка. Из этих выражений видно, что фототок и монохроматическая ,увствительность ФР пропорциональны толщине Н и обратно ропорциональны квадрату его длины 1'. Данное выражение праведливо при малом монохроматическом потоке, когда Лл ((пе , приращение удельной проводимости ФР пропорционально Ф,ь.
В реальных ФР на основе собственных полупроводников Н > - 1)а (г) и скорость генерации носителей изменяется по толщине Ьотоприемника по экспоненте. Почти все носители генерируются тонком поверхностном слое, и далее происходит диффузия ноптелей с этого слоя в глубь пластинки. Это видоизменяет выра- :ения (4.12), (4.13), что следует учитывать при точных расче:!х [6). Таким образом, спектральная чувствительность ФР зависит от п)териала чувствительного слоя и охлаждения и охватывает ши, )кий спектральный диапазон от 0,3 до 40 мкм (рис.
4.4). Абсо,ютная спектральная чувствительность неохлаждаемых ФР при 101 понижении температуры повышается, так как уменьшается тепло вая генерация носителей тока. Световая характеристика фототока ФР /л (Е) и его люкс-омическзя характеристика К (Е), как правило, нелинейны (см. рис. 4,3, б!. Характер их изменения в болшпой степени зависит от нала !ия в ФР примесей. Вольт-амперные характеристики ФР 1 (Г) при Ф = — сопя!' линейны в широких пределах. Нелинейность вольт-амперной характеристики наблюдается в ФР на основе СВВ и Сд5е при нагреве.
чувстгительного слоя при больших освещенпостях. ФР присущи токовый 1// шум, генерационно-рекомбинапионный, тепловой и радиационный шумы. Эксплуатационные параметры и относительное изменение сопротивления ФР. Каждому типу ФР соответствует максимально допустимая электрическая мои!ность рассеивания Рфи „-,, и максимальное напряжение питания )'фр „„. Напряжение питания цепи ФР -- нагрузка для заданного в паспорте 1'фр,„,„— не должно превьппать 1981 Г ~< )там,„(й„/Кф -~- 1), а для заданных 1хфи ы,„и Рфр 1' '." Рфл ннт/[('фР тат Йн/Яф 1) /ттф) ° Кроме общепринятых параметров чувствительность ФР иногда характеризуют относительным изменением его сопротивления под действием излучения, которое не зависит от схемы включения 169, 70): арф Ев =' — !/Вт, = КфдФ ' (4.14) где Рф - — сопротивление резистора при потоке Ф; Лйф — изменение его сопротивления при приращении потокз на ЛФ.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
