Лекция 14 Фотоэлектроные приборы

1
ЛЕКЦИЯ 13. ФОТОЭЛЕКТРОННЫЕ ПРИБОРЫ
1. ФОТОРЕЗИСТИВНЫЙ ЭФФЕКТ
1.1. Поглощение света в полупроводниках
Внутренний фотоэффект – это процесс ионизации атомов полупроводника под действием света, приводящий к образованию добавочных, неравновесных носителей заряда.
Добавочную проводимость, обусловленную внутренним фотоэффектом, называют фотопроводимостью.
На рис. 1 изображены уровни энергии дна зоны проводимости Wc и верха валентной
зоны Wv в собственном полупроводнике. Ширина запрещенной зоны ΔW = Wc − Wv. Если
Wc
Wv
hν5
hν3
hν4
hν2
hν1
hνпо-
W
рог
hν6
Рис. 1. Примеры разрешенных и неразрешенного (пунктир) переходов электронов под действием света
энергия кванта света hν ≥ ∆W, где h = 6.626∙10–34 Дж∙с – постоянная Планка, ν – частота, то
возможно собственное поглощение, при котором электрон из валентной зоны переходит в
зону проводимости. В результате собственного поглощения происходит образование пары
свободных носителей заряда – электрона и дырки.
Существуют правила отбора при фотоэлектрических переходах из одной энергетической зоны в другую. По закону сохранения импульса, свободный электрон и дырка должны иметь в момент образования равные импульсы. Импульсом поглощаемого фотона p =
h/λ ввиду его малости можно пренебречь.
Энергия и импульс свободного электрона измеряются вверх от нижнего уровня дна
зоны проводимости Wc. Энергия и импульс дырки измеряются вниз от верхнего уровня
валентной зоны Wv. Таким образом, при образовании пары электрон-дырка, свободный
электрон и дырка должны занимать уровни, симметричные относительно соответствующих границ зон (рис. 1).
Энергия кванта, необходимая для перехода с верхнего уровня валентной зоны на
нижний уровень зоны проводимости hνпорог = ΔW, определяет пороговую длину волны
(красную границу) фотоэффекта λпорог = c/νпорог = hc/ΔW. При поглощении фотонов с λ <
λпорог происходит переход электронов с более низких уровней валентной зоны на более
высокие уровни зоны проводимости.
При длинах волн, больших граничной, энергия фотонов недостаточна для образования электроно-дырочных пар. Однако оптическое поглощение все же происходит, поскольку фотоны могут поглощаться имеющимися в полупроводнике собственными носителями заряда – электронами и дырками. В полупроводниках с большой концентрацией
примесей и при очень низких температурах (при которых примеси термически не ионизированы) наблюдается поглощение при больших длинах волн, соответствующих энергиям
ионизации донорных и акцепторных примесей.
2
1.2. Фотопроводимость полупроводников
Пусть на поверхность полупроводника падает монохроматический поток света Фλ
(Дж/с) с длиной волны λ ≤ hc/ΔW, где с = 2.998∙108 м/с – скорость света в вакууме. Число
квантов света, входящих в полупроводник в единицу времени (без учета отражения света
от поверхности) N = Фλ/hν.
Чисто пар свободных носителей заряда (электронов и дырок), возникающих в полупроводнике под действием света в единицу времени
Ф
 dnФ 
 dp 

   Ф   kN  k 
h
 dt  ген  dt  ген
,
(1.1)
где k – коэффициент поглощения света в полупроводнике. Коэффициент β называют квантовым выходом. Он определяет число пар носителей заряда, образуемых одним поглощенным фотоном. Обычно β ≤ 1.
Одновременно с генерацией неравновесных носителей заряда идет процесс их рекомбинации. В собственном полупроводнике с очень малой концентрацией равновесных носителей заряда n0 и p0 скорость рекомбинации пропорциональна квадрату концентрации
неравновесных носителей (квадратичная релаксация):
 dnФ 
 dp 

   Ф   nФ pФ  nФ2  pФ2 .
 dt  рек  dt  рек
(1.2)
Изменение концентрации неравновесных носителей в единицу времени равно разности между скоростями генерации и рекомбинации:
Ф
dnФ
 k    nФ2 ,
dt
h
Ф
dрФ
 k    рФ2 .
dt
h
Установившееся значение концентрации электронов и дырок
dnФ
dрФ
0 и
0
dt
dt
(1.3)
пропорци-
онально корню квадратному из интенсивности света
nФ  pФ 
k Ф
.


h
(1.4)
Генерация неравновесных носителей заряда под действием света приводит к увеличению электропроводности полупроводника
σС = σТ+σФ,
где: σТ = q(n0μn+p0μp) – темновая проводимость, σФ = q(nФμn+pФμp) – фотопроводимость
проводника, q = 1.6∙10–19 Кл – элементарный заряд, μn и μp (м2/В∙с) – подвижности электронов и дырок соответственно (т.е. средние скорости их перемещения вдоль направления
электрического поля при напряженности Е = 1 В/м).
В общем случае можно считать, что фотопроводимость
 Ф  G Ф ,
(1.5)
где G – постоянный коэффициент, зависящий от материала и размеров полупроводника.
3
1.3. Спектральная зависимость фотопроводимости
Спектральная зависимость фотопроводимости определяется спектром поглощения
полупроводника. Область собственного поглощения имеет длинноволновую (красную)
границу, соответствующую длине волны света λпорог = hc/ΔW (рис. 2 и 3).
С ростом энергии фотонов λ < λпорог фотопроводимость резко увеличивается, достига-
Рис. 2. Нормированная спектральная характеристика
для различных фоторезисторов
Iф/Iф max
1.0
2
1
0.5
1.
0
0.4
0.8
1.6
2. λ,
2
0 мкм
Рис. 3. Нормированная спектральная
характеристика
для фотодиодов: 1 – германиевых, 2 – кремниевых
ет максимума, а затем уменьшается (синяя граница фотопроводимости). В районе синей
границы весь световой поток поглощается в приповерхностном слое полупроводника, при
этом за счет поверхностной рекомбинации время жизни τ носителей заряда резко уменьшается.
Так как запрещенная зона различных полупроводниковых веществ имеет ширину от
десятых долей электрон-вольта до двух трех электрон-вольт, фотопроводимость может
обнаруживаться в инфракрасной, видимой (λ = 0.40÷0.76 мкм) или ультрафиолетовой частях спектра электромагнитных волн.
По длинноволновому краю фотопроводимости может быть определена ширина запрещенной зоны полупроводника. Из рис. 2 видно, что пороговая длина волны для германия λпорог = 1.8 мкм и лежит в инфракрасной области спектра. Отсюда широна запрещенной зоны для германия ΔW = hc/λпорог = 0.72 эВ. Ширина запрещенной зоны кремния ΔW =
1.12 эВ и пороговая длина волны λпорог =1.15 мкм также лежит в инфракрасной области
спектра.
4
Области примесного поглощения находятся в длинноволновой (дальней инфракрасной) области спектра. Примесная фотопроводимость обычно значительно меньше собственной, т.к. концентрация атомов примеси на много порядков меньше концентрации
атомов основной решетки.
1.4. Фоторезисторы
Полупроводниковые приборы, работа которых основана на использовании внутреннего фотоэффекта, называются фоторезисторами.
Конструкция фоторезистора и включение его в электрическую цепь схематично показаны на рис. 4. Фоторезистор представляет собой тонкий слой поликристаллического поФ
R
+
–
диэлектрик полупроводник металлические контакты
U
Рис. 4. Конструкция фоторезистора и включение его во внешнюю цепь
лупроводникового материала, нанесенного на диэлектрическую подложку. В качестве фоточувствительного материала обычно используют сульфид кадмия CdS, селенид кадмия
CdSe, сульфид свинца PbS или селенид свинца PbSe. На поверхность фоточувствительного слоя наносят металлические электроды.
Если фоторезистор включен во внешнюю цепь последовательно с источником напряжения U, то в отсутствие освещения через него течет темновой ток
Iт = σтU.
(1.6)
При освещении его поверхности в цепи течет световой ток
Iс = σсU = σтU+σфU.
(1.7)
Разность между световым током и темновым током называется фототоком
Iф = Iс−Iт.= σфU.
(1.8)
Вольтамперными характеристиками (ВАХ) фоI
2
торезистора называются зависимости темнового тока,
светового тока и фототока от приложенного к фотореIсв
зистору напряжения при постоянной величине светоIф
вого потока, падающего на фоторезистор (рис. 5).
1
ВАХ имеют слабую нелинейность при малых
Iтем
напряжениях, что связанно с потерей энергии при
0
Uраб U туннелировании электронов через небольшие потенциальные барьеры, между отдельными зернами или
кристаллами полупроводника. При повышении U
энергия электронов становится существенно больше
энергии необходимой для туннелирования, и ВАХ
становится линейной. При больших напряжениях
Рис. 5. Вольт-амперная характемпература фоторезистора повышается из-за мощнотеристика фоторезистора:
сти электрического тока (Джоулева тепла), выделяю1 – в темноте,
щейся в фоторезисторе P = UI и ВАХ снова становит2 – при освещении
ся нелинейной.
5
1.5. Основные характеристики и параметры фоторезисторов
1. Темновое сопротивление фоторезистора Rтем, т.е. сопротивление при отсутствии
освещения (Rтем = 104÷108 Ом).
2. Максимально допустимая мощность рассеяния Рmax (Рmax =0.05÷0.10 Вт).
3. Максимальное рабочее напряжение Umax (Umax =10÷100 В).
4. Спектральная характеристика, т.е зависимость фототока Iф фотопроводимости σф
или фотосопротивления Rф = 1/σф от длины волны падающего света. Максимумы этих характеристик лежат в видимой или инфракрасной частях спектра (рис. 2).
5. Световая характеристика фоторезистора, т.е. зависимость фототока или фотопроводимости от величины Iф
освещенности Iф = f(Е) или σф = f(Е) (или падающего светового потока Ф = ЕS) при постоянном напряжении, приложенном к резистору (рис. 6).
При малых освещенностях световые характеристики
близки к линейным. При больших освещенностях начинается отступление от линейности и зависимость фототока
(фотопроводимости) может быть описана законом (1.5)
Е
(1.9) Рис. 6. Световая характеI ф  GU E , ф  G E
На практике обычно используют интегральные свето- ристика фоторезистора
вые (люкс-амперные) характеристики фоторезисторов,
полученные при освещении фоторезистора светом лампы накаливания, вольфрамовая
нить которой нагнета до температуры Т = 2849 К (рис. 6).
6. Интегральная чувствительность Kинт фоторезистора, т.е. отношение фотопроводимости к величине освещенности его поверхности
K инт 
ф
E

I ф 1 мА
.
 ,
U E В  лк
(1.10)
При определении интегральной чувствительности освещение фоторезисторов производят лампой накаливания, вольфрамовая нить которой нагрета до 2840 К.
Из световой характеристики следует, что интегральная чувствительность фоторезисторов убывает с возрастанием освещенности.
7. Кратность изменения сопротивления, т.е. отношение
Rтем/Rcв = Ic/Iт,
(1.11)
где Rтем – темновое, а Rcв – световое сопротивление, которые определяяются в темноте и
при освещенности Е = 200 лк соответственно.
8. Постоянная времени спада фототока τ, т.е. время, в течение которого фототок
уменьшается в e раз после прекращения освещения фоторезистора. Постоянная времени τ
характеризует инерционность фоторезистора и определяется временем жизни неосновных носителей. Фоторезисторы различных типов имеют постоянные времени от 0.1 до 100
мс.
2. ФОТОЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА p–n-ПЕРЕХОДА
2.1. Воздействие света на p–n-переход
Зонная диаграмма освещенного p–n-перехода с “толстой” базой l > Ln, где l – толщина базы, а Ln – средняя длина диффузии электронов в базе, приведена на рис. 7.
В невырожденных легированных полупроводниках концентрации основных носителей nn и pp (электронов в n-области и дырок в р-области) велики по сравнению с концентрацией собственных носителей ni и pi: nn >> ni и pp >> pi. На границе раздела р- и nобластей образуется слой, обедненный основными носителями заряда, который называет-
6
база,
p-типа
Фλ W
c
p–n-переход
эмиттер
n+-типа
E
np
nn
q(φ0–φф)
WF
Wv
W
pp
pn
l
Ln
dобр
Lp
Iф
InE+IpE
InDф+IpD
ф
Рис. 7. Зонная диаграмма
освещенного p–n-перехода с “толстой”
базой l > Ln
ся р–n-переходом. Между р- и n-областями возникает электрическое поле Е и контактная
разность потенциалов φ0, созданные неcкомпенсированными зарядами донорных и акцепторных примесей в обедненном слое. Потенциал n-области положителен по отношению к
р-области (в обедненном слое).
Через р–n-переход происходит диффузия основных носителей заряда (электронов из
области n- в область р-полупроводника и дырок из области р- в область nполупроводника) и дрейф неосновных носителей (электронов из р- в n-область и дырок из
n- в р-область). Таким образом, через р–n-переход протекают четыре тока: два диффузионных (InD и IpD) и два дрейфовых (InE и IpE). В состоянии термодинамического равновесия
выполняется принцип детального равновесия: каждая из компонент тока (и электронная In
= InD–InЕ = 0 и дырочная Ip = IpD–IpЕ = 0) равны нулю и общий ток I = In+Ip равен нулю.
При поглощении квантов света в p–n-переходе и в прилегающих к нему областях полупроводника, образуются новые носители заряда – пары электрон-дырка. Неосновные
носители, возникшие в прилегающих к p–n-переходу областях, не превышающих средней
диффузионной длины Ln для электронов и Lр для дырок, диффундируют к p–n-переходу и
проходят через него под действием электрического поля Е. При этом возрастает дрейфовый ток через р–n-переход на величину Iф. Величина фототока Iф пропорциональна числу
квантов света, поглощенных в слое L = Ln+d+Lр (рис. 7):
Iф = qχβkSLN = qχβkSLФλ/hν = KλФλ,
(2.1)
где β – квантовый выход, k – коэффициент поглощения света, χ – коэффициент переноса,
учитывающий долю непрорекомбинировавших носителей заряда от общего количества
носителей, возникших под действием света, S – площадь p–n-перехода.
Таким образом, освещение полупроводника приводит к нарушению термодинамического равновесия. Возникший в результате световой генерации пар электрон-дырка фототок приводит к накоплению основных носителей заряда в n- и р-областях полупроводника, между которыми возникает дополнительная (к контактной φ0) разность потенциалов
(фото-ЭДС) φф, что понижает общую разность потенциалов p–n-перехода φ = φ0–φф и
уменьшает величину потенциального барьера qφ =q(φ0–φф) для основных носителей.
Вследствие этого возрастает дрейфовый ток основных носителей InDф и IpDф (рис. 6, точечные пунктиры).
В стационарном состоянии потоки зарядов через p–n-переход в обоих направлениях уравновешивают друг друга
–Iф–InE–IpE+InDф+IpDф = 0.
(2.2)
7
Между р- и n- областями полупроводника устанавливается разность потенциалов –
фото ЭДС φф.
2.2. Фотодиоды
Фотоэлектрический полупроводниковый прибор с одним p–n-переходом называется
фотодиодом.
Структурная схема фотодиода и его изображение на принципиальных схемах приведены на рис. 8.
Защитное
стекло
управляющий
световой поток
Ф
Металлический
электрод
n – база
VD
p – эмиттер
Металлический
электрод
а)
б)
Рис. 8. а) Структура фотодиода, б) изображение фотодиода на
принципиальных схемах
Вольтамперная характеристика p–n-перехода (рис. 9) может быть записана в виде:
qU


I  I s  exp
 1  I ф .
kT


(2.3)
При обратном смещении p–n-перехода резко возрастает потенциальный барьер для
основных носителей заряда и ток через переход определяется потоком неосновных носителей, которые проходят через него под действием электрического поля Е. Темновой обратный ток через фотодиод равен Is; при освещении обратный ток возрастает на величину
Iф за счет появления добавочных неосновных носителей заряда
Iобр = Is+Iф.
(2.4)
Величина обратного тока почти не зависит от приложенного напряжения. Световая
характеристика фотодиода Iобр = f(Е) является линейной в широком диапазоне изменения
Iб
Is
Ф=0
Ф1
Ф2
0
U
IФ1
IФ2 IФ3
Ф3
Рис. 9. Вольт-амперная характеристика фотодиода: Ф=0 – без освещения, при освещении Ф1 < Ф2 < Ф3
8
освещенности Е. Это связано с тем, что толщина базы фотодиода существенно меньше
средней длины диффузии неосновных носителей заряда l < Ln (фотодиод с “тонкой” базой). Поэтому практически все возникшие в базе в результате световой генерации, неосновные носители доходят до p–n-перехода и принимают участие в образовании фототока.
При прямом смещении p–n-перехода понижается потенциальный барьер и через p–nпереход начинает протекать ток, созданный диффузией основных носителей заряда. При
напряжении U = φф диффузионный ток полностью компенсирует дрейфовый ток и результирующий ток через переход равен нулю (2.2).
При U > φф прямой ток быстро возрастает и вольтамперные
характеристики освещенного и затемненного фотодиодов практически совпадают.
В большинстве применений фотодиоды используют в режиVD
ме обратного смещения p–n-перехода (рис. 10). Если световой
+
Rн
поток модулирован, то на сопротивлении нагрузки Rн появляется U –
напряжение сигнала, пропорциональное изменениям светового
потока.
Рис. 10. Схема вклюОдним из основных параметров фотодиода является инте- чения фотодиода
гральная чувствительность
Кф = Iф/Ф.
(2.5)
Преимуществом фотодиодов по сравнению с фоторезисторами является их малая
инерционность. Инерционность диффузионных диодов определяется в основном временем диффузии неосновных носителей заряда через базу и имеет порядок десятков наносекунд.
Спектральная характеристика фотодиодов (рис. 3) при больших длинах волн ограничивается шириной запрещенной зоны λпорог = hc/ΔW. В области малых длин волн –
большим показателем поглощения и увеличением скорости поверхностной рекомбинации
с уменьшением длины волны.
Фотодиоды находят широкое применение в измерительной технике (фотометрия),
автоматике, устройствах сигнализации, волоконно-оптических линиях связи, вычислительной технике (фотосчитывающие устройства CD, сканеры), и т.д. Перспективным
направлением является изготовление фотодиодов на основе выпрямляющего контакта металл – полупроводник или гетероперехода. Это позволяет повысить их быстродействие,
увеличить чувствительность и получить более широкую спектральную характеристику.
2.3. Полупроводниковые фотоэлементы
В полупроводниковом фотоэлементе с p–n-переходом происходит непосредственное
преобразование световой энергии в электрическую. Структура кремниевого фотоэлемента
приведена на рис. 11. Он представляет собой плоскую пластину кремния с электропроводностью р-типа, на поверхности которой создан тонкий слой с проводимостью n+-типа.
Высокая проводимость этого слоя позволяет создать омический контакт в виде кольца или
рамки на нижней поверхности фотоэлемента, оставив всю
свет
верхнюю поверхность кристалла открытой для освещения.
Вольтамперная характеристика фотоэлемента аналогична ВАХ фотодиода (рис. 9). Части кривых, расположенные в третьем квадранте (при обратном напряжении)
соответствуют фотодиодному режиму работы p–n+
перехода; части кривых, расположенные в четвертом квадn
–
p +
ранте – режиму генерации фото-ЭДС.
Рис. 11. Конструкция
кремниевого фотоэлемента
9
Фотоэлемент работает без внешних источников питания, а сам является источником
электрической энергии (четвертый квадрант на ВАХ p–n-перехода (рис. 12). Если к фотоэлементу подключить внешнюю нагрузку (рис. 13), то при освещении p–n-перехода по
цепи потечет ток. Точки пересечения ВАХ с осью токов (U = 0) соответствуют значениям
I
Uхх1 Uхх1 Uхх2
0
U
Рmax
Iкз1
Iкз2
Iн
Ф1
Ф3
VD
Rн
+
U
–
Rн опт
Рис. 12. Вольт-амперная характеристика фотоэлемента
при освещении Ф1 < Ф2
Рис. 13. Схема включения фотоэлемента
токов короткого замыкания (Rн = 0). Из уравнения (2.3) при U = 0 и уравнения (2.5) получим
Iкз = –Iф = –Kинт Ф.
(2.6)
Ток короткого замыкания зависит от площади фотоэлемента Iкз = –KλЕS. У кремниевых фотоэлементов плотность тока короткого замыкания Iкз/S = 20÷25 мА/см2 = 200÷250
А/м2 при средней освещенности солнечным светом.
Точки пересечения ВАХ с осью напряжений (при Rн = ∞) соответствуют значениям
фото-ЭДС φ0 или напряжениям холостого хода Uхх. Приняв в уравнении (2.3) I = 0, можно
найти напряжение холостого хода:
U хх  ф 
 kT  K интФ 
kT  I ф
ln   1 
ln 
 1 .
q  Is

 q  Is
(2.7)
где Is = InE+IpE – обратный ток p–n-перехода.
Формула (2.7) справедлива, пока концентрация неосновных носителей много
меньше концентрации основных носителей заряда. При большой интенсивности света
максимальное значение фото-ЭДС стремиться к величине контактной разности потенциалов p–n-перехода φ0.
У кремниевых фотоэлементов фото-ЭДС составляет 0.5÷0.55 В. Точки пересечения
ВАХ с осью токов соответствуют значениям токов короткого замыкания, которые зависят
от площади p–n-перехода фотоэлемента.
По ВАХ при разных освещенностях фотоэлемента можно выбрать оптимальное сопротивление нагрузки Rн опт, при котором в нагрузке будет выделяться максимальная
мощность Рmax. Для этого необходимо провести нагрузочную прямую из начала координат
I = -U/Rн (рис. 12). Точка пересечения ВАХ с нагрузочной прямой определяет напряжение
Uн и ток нагрузки Iн. Мощность выделяемая в нагрузке Pн = Uн∙|Iн|.
Для кремниевых фотоэлементов при оптимальной нагрузке Uн = 0.35÷0.4 В и J =
15÷20 мА/см2. Таким образом, при средней освещенности электрическая мощность с одного квадратного сантиметра фотоэлемента составляет P = 5÷8 мВт.
Световые характеристики фотоэлемента рис. 14 показывают зависимость напряжения
холостого хода Uхх = φф и тока короткого замыкания Iкз = Iф от освещенности, создаваемой
лампой накаливания с температурой вольфрамовой нити Т = 2842 К: Uхх = f(E) и Iкз = f(E).
Зависимость Iкз от освещенности в широких пределах изменения освещенности линейна
(рис. 14, сплошная линия), а напряжения холостого хода пропорциональна логарифму
освещенности (рис. 14, штриховая линия).
10
Отношение Кинт = Iкз/E называется интегральной чувствительностью фотоэлемента.
Iкз, мА
Спектральная характеристика фотоэле800
мента – это зависимость тока короткого замыкания от длины волны падающего света
600
0.4
Iкз = f(λ) при Е = const. Максимум спектраль1
ной характеристики кремниевых фотоэле400
ментов (рис. 3) почти совпадает с максиму0.2
мом спектрального распределения энергии
2
200
солнечного света. Поэтому кремниевые фотоэлементы широко используют для создания солнечных батарей.
0
50
100 150 200
Е, лк
Коэффициент полезного действия фотоРис. 14. Световые характеристики фоэлемента η = Рmax/Рф, где Рф – мощность светового потока, падающего на рабочую потоэлемента: 1 – Uхх =f(E), 2 – Iкз = f(E)
верхность фотоэлемента. Теоретический
предел КПД, кремниевого солнечного фотоэлемента составляет 23%.
Уменьшение КПД фотоэлементов происходит из-за частичного отражения излучения
от поверхности полупроводника, поглощения квантов света без образования пар электрон
– дырка, рекомбинации неравновесных носителей до их разделения электрическим полем
в p–n-переходе, потери мощности при прохождении тока через объемное сопротивление
базы фотоэлемента. В результате КПД кремниевых фотоэлементов, выпускаемых промышленностью, составляет порядка 12%. Для увеличения КПД можно изготовить фотоэлемент на основе гетероперехода.
Uхх, В
3. БИПОЛЯРНЫЙ ФОТОТРАНЗИСТОР
Биполярный фототранзистор обычно включают по схеме с общим эмиттером
(рис. 15). В этом фототранзисторе нет базового электрода. Падающий свет облучает область базы. При этом в базе происходит процесс световой генерации пар электрон – дырка, как показано на
зонной диаграмме (рис. 16). Дырки в базе оказываются
Rн
сосредоточенными в потенциальной яме и не могут
hν
+
покинуть базу. Накопившийся дырочный заряд пониVТ
– U
жает потенциальный барьер перехода база-эмиттер и
электроны из эмиттера инжектируются в базу, где являются неосновными носителями. Электроны диффунпрозрачное
дируют через область базы и втягиваются электричеокошечко
ским полем обратносмещенного коллекторного перехода. Попав в область коллектора электроны становятРис. 15. Схема включения фося основными носителями и создают ток во внешней
тотранзистора
цепи. Таким образом, базовым током фототранзистора
является фототок Iф, который приводит к появлению
электронной составляющей коллекторного тока Iк = βIф, где β – коэффициент усиления
базового тока транзистора. Дырочная составляющая коллекторного тока Iко мала и на зонной диаграмме не показана.
Поскольку в фототранзисторе происходит усиление фототока, то его интегральная
чувствительность Kинт = βIф/Ф в β раз больше интегральной чувствительности фотодиода.
11
Недостатком фототранзистора без базового электрода является сильная температурная зависимость коллекторного тока, так как дырочный заряд в базе накапливается не
только в результате световой, но и тепловой генерации пар электрон – дырка. И “тепловую” дырку нельзя отделить от “световой”. Для температурной стабилизации изготавливают транзистор с электрическим выводом базы и используют схему температурной стабилизации, но в этом фоточувствительность транзистора падает.
эмиттер
n+-типа
Ψэ=q(э−φф)
эмиттерный
база,
переход
p-типа
открыт
Eэ
hν hν
колекторный
переход
закрыт
Eк
коллектор
n-типа
Inк
Wc
WF
ψк=q(к+Uк)
Uэ
“световые”
Wv
dэ*
“тепловые”
электроны и
дырки
dк*
+
Uк
−
Рис. 16. Зонная диаграмма фототранзистора n–p–n-типа включенного
по схеме с общим эмиттером