Ćwiczenie Nr 5

Fotodetektory

Fotodetektory

Fotoelementy próżniowe

Fotopowielacze

Fotorezystory

Fotodiody półprzewodnikowe

Fotoogniwo

Fototranzystory

Literatura

Opis układu pomiarowego (PostScript)

Fotodetektory

            Promieniowanie elektromagnetyczne padające na jakąś substancje może zostać odbite, zaabsorbowane lub też może przejść przez tę substancje z pewnym niewielkim tylko osłabieniem jego natężenia. Detektory promieniowania elektromagnetycznego konstruuje się w taki sposób, by maksymalna część padającego na nie promieniowania została w nich zaabsorbowana

            Promieniowanie optyczne jest częścią bardzo szerokiego widma promieniowania elektromagnetycznego obejmującego zakres fal o długości od 10 nm do 100 um. Zakres ten jest dzielony na trzy podzakresy:

-promieniowanie ultrafioletowe   (l<380 nm)

-promieniowanie widzialne           (l =380 - 780 nm)

-promieniowanie podczerwone    (l>780 nm)

            Promieniowanie optyczne jest natury korpuskularno falowej czyli można je traktować jako rozchodzącą sie falę o częstości u albo jako strumień fotonów, z których każdy niesie energię

            W_f=hu

gdzie h jest stałą Plancka. Ponieważ między długością a częstotliwością fali istnieje związek

            l =c/u

w którym c jest prędkościa światła, długość fali odpowiadającej energii fotonu określa zależność:

            l _f = hc/ W_f

            Zjawiska elektryczne zachodzące pod wpływem promieniowania nazywa się ogólnie zjawiskami fotoelektrycznymi. Mogą one mieć charakter zewnętrzny lub wewnętrzny. Zjawisko fotoelektryczne zewnętrzne powstaje wówczas, gdy energia fotonów jest na tyle duża, że pobudzone optycznie elektrony opuszczają powierzchnię ciała, a więc następuje fotoemisja. Jeżeli energia fotonów jest mniejsza, tak że nie jest możliwa fotoemisja, a jedynie zmiana stanu energetycznego elektronów ciała, to zjawisko fotoelektryczne określa się jako wewnętrzne. Zjawisko fotoelektryczne wewnętrzne może przejawiać sie wzrostem przewodnictwa elektrycznego półprzewodnika lub dielektryka - nazywa się je wówczas zjawiskiem fotoprzewodnictwa, lub powstaniem siły elektromotorycznej w półprzewodniku o wyraźnie ukształtowanym złączu p-n nazywa sie je wówczas zjawiskiem fotowoltaicznym.

            Fotodetektory wykorzystujące zjawisko fotoelektryczne zewnętrzne (fotokomórki i fotopowielecze) są obecnie w zasadzie stosowane w specjalistycznej aparaturze np.do precyzyjnych pomiarów fotometrycznych. Powszechnie stosowane obecnie fotodetektory wykorzystują zjawisko fotoelektryczne wewnętrzne. Są to fotorezystory, fotodiody, fototrazystory i fototyrystory.

            Zjawisko fotoelektryczne wewnętrzne w półprzewodnikach polega na generowaniu swobodnych nośników ładunku wskutek absorpcji promieniowania optycznego. Wyróżnia się dwa podstawowe mechanizmy:

-międzypasmowy prowadzący do uwolnienia elektronu i dziury,

-domieszkowy prowadzący do uwolnienia elektronu lub dziury.

            Mechanizm absorpcji międzypasmowej zachodzi wówczas, gdy energia fotonu W_f=hu jest większa od szerokości pasma zabronionego W_g półprzewodnika, a mechanizm absorpcji domieszkowej , gdy energia W_f  będąc mniejsza od W_g jest większa od energii W_j jonizacji domieszek w tym materiale. Stąd wynika długofalowy próg absorpcji promieniowania charakteryzowany największa długościa fali promieniowania absorbowanego przez półprzewodnik (rejestrowanego przez detektor).

                                    l _max=hc/W_g      lub        l _max=hc/W_j

            Istnieje także minimalna długość fali promieniowania wykrywanego przez fotodetektor. Ograniczenie to jest spowodowane wzrostem współczynnika pochłaniania a _p w miarę zmniejszania długości fali promieniowania, wskutek czego promieniowanie mimo wzrostu energii fotonów, wywołuje coraz słabszą generację nosników, gdyż nie mogąc wniknąć w głąb materiału jest absorbowane  w coraz cieńszej warstwie przypowierzchniowej (Rys.1).

Rys.1. Zależność współczynnika pochłaniania a_pi fotoprzewodnictwa G_f
półprzewodnika od długości fali absorbowanego promieniowania.

            Wzrost koncentracji swobodnych nośników ładunku wywołany oswietleniem półprzewodnika promieniowaniem o odpowiedniej długości fali przejawia się wzrostem przewodnictwa elektrycznego. To dodatkowe przewodnictwo jest nazywane fotoprzewodnictwem, w odróżnieniu od przewodnictwa tzw. ciemnego uwarunkowanego cieplnym wzbudzeniem nośników. Fotoprzewodnictwo występuje tylko w określonym przedziale widma promieniowania, różnym dla poszczególnych materiałów połprzewodnikowych.

            W zjawisku fotoprzewodnictwa bardzo duże znaczenie ma fakt, że istnieją nośniki ładunku dodatniego i ujemnego (dwunośnikowy mechanizm przewodzenia prądu). Pozwala to na wytwarzanie dużych koncentracji nadmiarowych nośników ładunku i zachowanie jednocześnie wypadkowej neutralności elektrycznej nie tylko w całości układu, ale i lokalnie (warto tu zwrócić uwagę, że zjawisko fotoprzewodnictwa nie wystepuje w metalach, w których jest tylko jeden rodzaj nośników ładunku).

            W takich fotodetektorach zawsze występują procesy fizyczne: wytworzenie nośników ładunku przez promieniowanie elektromagnetyczne padające na półprzewodnik, przeniesienie (transport) tych nośników przez obszar półprzewodnika do kontaktów metalowych łączących ten półprzewodnik z zewnętrznym obwodem elektrycznym, oraz oddziaływanie fotoprądu dopływającego do kontaktów z zewnętrznym obwodem elektrycznym. Charakter wymienionych procesów jest zwykle różny w poszczególnych typach detektorów półprzewodnikowych, warunkuje on parametry eksploatacyjne tych fotodetektorów, oraz określa możliwości ich zastosowań.

Często można sie spotkać z określeniem "czułość widmowa" lub "względna czułość widmowa". Chodzi tu o czułość prądową lub napięciową , jaka charakteryzuje detektor przy danej długości fali padającego promieniowania.. Zwykle czułość widmową podaje się w postaci odpowiedniego wykresu S(l) . Przez względną czułość widmową rozumioe sie w tym przypadku czułość odniesioną do do jej wartości maksymalnej: S(l)/S_max(l).

Rys. 2. Przebieg względnej czułości widmowej kilku materiałów półprzewodnikowych,
z których wytwarza się przyrządy fotoelektryczne.

Fotoelementy próżniowe

 Próżniowe fotoelementy (fotokomórki) wykonane są w postaci diody próżniowej w której na powierzchnię bańki szklanej naniesiono od wewnątrz cienką warstwę materiału wykazującego fotoefekt zewnętrzny; warstwa ta stanowi katodę. Anoda jest umieszczona centralnie w postaci pierścienia wykonanego z drutu, tak aby w jak najmniejszym stopniu przesłaniać katodę na którą pada promieniowanie świetlne. Kwanty światła o dostatecznie dużej energii (hv > pracy wyjścia elektronów z metalu) powodują emisję fotoelektronów, które podążając do dodatnio spolaryzowanej anody powodują przepływ prądu w obwodzie zewnętrznym. Natężenie tego prądu jest proporcjonalne do natężenia światła padającego na fotokatodę i długości fali świetlnej. Fotokatody wykonywane są najczęściej z mieszaniny tlenku cezu, srebra i czystego cezu dla której fotoefekt występuje od 1.1 um.

            Spotyka się również fotokomórki wypełnione gazem szlachetnym (argonem) pod obniżonym ciśnieniem. Fotoelektrony wybite z katody powodują jonizację gazu wypełniającego fotokomórkę co prowadzi do znacznego zwiększenia prądu (5 do 12 razy).

            Wadą fotoelementów próżniowych są: wysokie napięcie zasilania dochodzące do setek woltów i brak możliwóści miniaturyzacji.

Fotopowielacze

            Fotopowielacze są odmianą fotoelementów próżniowych w których oprócz fotokatody znajduje się szereg elektrod pokrytych materiałem o wysokim współczynniku wtórnej emisji elektronów. Elektrody te (dynody) polaryzowane są stopniowo wzrastającym potencjałem, różnica napięć pomiedzy dwiema kolejnymi takimi elektrodami wynosi ok.100 V. Wybite z fotokatody elektrony przyspieszone różnicą napięć pomiędzy katodą a pierwszą z elektrod uderzając w jej powierzchnię powodują wybicie elektronów wtórnych, których liczba jest większa od liczby elektronów padających. Elektrony wtórne przyspieszane w polu elektrycznym pomiędzy pierwszą dynodą a następną powodują kolejną emisję elektronów na jej powierzchni, proces ten powtarza się na powierzchni kolejnych dodatnio spolaryzowanych elektrod. Ponieważ liczba wybijanych z powierzchni kolejnych dynod elektronów jest coraz większa, mamy doczynienia ze zjawiskiem powielenia początkowej liczby fotoelektronów wybitych z powierzchni fotokatody. Ostatecznie strumień elektronów dociera do znajdującej się na najwyższym potencjale anody. Zaletą fotopowielaczy jest bardzo duża czułość, umożliwiają one pomiar pojedyńczych kwantów światła! (Jeżeli przyjmiemy współczynnik emisji elektronów wtórnych z powierzchni dynody równy 10, ilość elektrod powielających 8, to otrzymujemy powielenie 10⁸ razy ).

Wadą fotopowielaczy jest konieczność zasilania wysokim napięciem dochodzącym do 1500 V, brak możliwości miniaturyzacji oraz brak odporności na wstrząsy i wibracje.

Fotorezystory

            Fotorezystorem nazywa się element półprzewodnikowy bezzłączowy, który pod wpływem promieniowania świetlnego silnie zmienia swoją rezystancję. Część roboczą (światłoczułą) fotorezystora stanowi stanowi cienka warstwa półprzewodnika osadzona na podłożu dielektrycznym wraz z elektrodami metalowymi doprowadzającymi prąd ze Ÿródła zewnętrznego. Całość umieszcza się w obudowie z okienkiem, służącym do przepuszczania promieniowania świetlnego. Strumień światła o odpowiedniej długości fali l wywołuje generację par elektron dziura, ta dodatkowa liczba elektronów i dzur zwiększa konduktywność półprzewodnika, co w rezultacie powoduje zmniejszenie rezystancji fotorezystora.

Rys. 3. Charakterystyki prądowo napięciowe fotorezystora
dla różnych wartości natężenia oświetlenia.

            Najczęściej można spotkać fotorezystory wykonane z takich materiałów jak: siarczek ołowiowy (PbS), telurek ołowiowy (PbTe), samoistny albo odpowiednio aktywowany german (Ge), antymonek indowy (InSb), oraz siarczek kadmowy (CdS).

Charakterystykę rezystancyjno - oświetleniową przedstawia zależność rezystancji R_E fototezystora od natężenia oświetlenia E może być opisana w przybliżeniu wzorem empirycznym:

gdzie R_o jest rezystancją fotorezystora przy natężeniu E_o (zwykle 10 lx), natomiast g jest współczynnikiem stałym, którego wielkość zależy głównie od rodzaju materiału półprzewodnikowego (dla CdS g =0.5-1).

W praktyce zastosowania fotorezystorów jako detektorów promieniowania podstawowe znaczenie mają poniższe parametry techniczne:

Temperatura detektora  T - przez temperaturę detektora rozumie się temperaturę jego aktywnego obszaru, a więc dla fotorezystorów temperaturę którą ma podczas pracy detektora warstwa półprzewodnika podlegająca oświetleniu.

Powierzchnia aktywnego obszaru detektora  A - w przypadku fotorezystorów można w pewnym przybliżeniu powiedzieć że chodzi tu o wielkość powierzchni półprzewodnika podlegającą oświetleniu.

Parametry elektryczne związane z punktem pracy fotorezystora - dopuszczalne napięcie między końcówkami fotorezystora U_max , dopuszczalna moc elektryczna wydzielana w fotorezystorze P_max, prąd ciemny rezystora przy danym napięciu na jego zaciskach oraz napięcie określające punkt pracy.

Czułość detektora S - każdy detektor ma zakres pracy w którym wartość sygnału wyjściowego jest proporcjonalna do do wartości sygnału wejsciowego. W tym zakresie stosunek tych wartości nazywa się czułoscią detektora. Dla detektorów promienowania podaje się czułość prądową lub czułość napięciową.

            Czułość prądowa jest określona jako stosunek przyrostów zwarciowego prądu fotoelektrycznego do strumienia promieniowania padającego na detektor.

            Czułość napięciowa określa sie jako stosunek przyrostów napięcia fotoelektrycznego występującego na rezystancji obciążenia (przy dopasowaniu) do strumienia promieniowania padającego na detektor.

Jednostkami czułości detektorów promieniowania są odpowiednio ampery na wat lub wolty na wat .

Stała czasowa detektora - stała czasowa narastania sygnału; czas potrzebny do uzyskania 1-e^-1 maksymalnej wartości sygnału (około 63%). Stała czsowa zanikania sygnału; czas potrzebny aby sygnał zmalał do  e^-1 jego wartości maksymalnej (około 37% ).

W skróconym opisie fotorezystora zamiast charakterystyki R_E(E) często podaje się wartości rezystancji ciemnej R_o (tj.rezystancji jaka ma fotorezystor przy całkowicie zaciemnionej powierzchni czynnej) oraz rezystancji jasnej R_E dla określonej wartości natężenia oświetlenia E (najczęściej E=1000 lx). Do ważniejszych szczególnych parametrów fotorezystorów należą jeszcze: maksymalne dopuszczalne napięcie U_max i maksymalna moc rozpraszana przez element P_max oraz średni temperaturowy współczynnik czułosci a _s .

Parametry produkowanych w Polsce fotorezystorów zestawiono w tabeli.

Fotodiody półprzewodnikowe

            Przyrządy fotoelektryczne z warstwą zaporową tzw. fotodiody półprzewodnikowe, są to najogólniej biorąc, złącza pn, w których zakłócenia koncentracji nośników mniejszościowych dokonuje się za pomocą energii fotonów docierających do złącza przez odpowiednie okienko wykonane w obudowie fotodiody. Złącza pn fotodiod są wykonywane z różnych materiałów półprzewodnikowych, najczęściej stosuje się german (Ge), krzem (Si), oraz arsenek galowy (GaAs) i telurek kadmowy (CdTe). W obszarze warstwy zaporowej złącza pn zachodzą wskutek oświetlenia dwa zjawiska: powstaje siła elektromotoryczna (zjawisko fotowoltaiczne ‑fotoogniwo) oraz rośnie proporcjonalnie do padającego strumienia fotonów prąd płynący przez złącze pn w przypadku gdy złącze spolaryzowane jest w kierunku zaporowym (fotodioda).

            Fotodioda pracuje przy polaryzacji złącza w kierunku zaporowym. W stanie ciemnym (przy braku oświetlenia) przez fotodiodę płynie tylko prąd ciemny, będący prądem wstecznym złącza określonym przez termiczną generację nośników. Oświetlenie złącza powoduje generację dodatkowych nośników i wzrost prądu wstecznego złącza, proporcjonalny do natężenia padającego promieniowania.

Parametry niektórych fotodiod zestawiono w tabeli (FG2 fotodioda germanowa, pozostałe krzemowe).

            Fotodiody charakteryzują się dużą szybkością działania (znacznie większą niż fotorezystory i fototranzystory) dochodzącą do setek MH_z. W zastosowaniach w których wymagana jest duża szybkość działania stosuje się specjalne konstrukcje fotodiod: fotodiody pin i fotodiody lawinowe.

            W fotodiodzie pin między domieszkowanymi obszarami p,n znajduje się warstwa półprzewodnika samoistnego i. W takiej strukturze warstwa zaporowa ma dużą grubość, równą w przybliżeniu grubości warstwy samoistnej, co powoduje że pojemność takiego złącza jest bardzo mała, z czym wiąże się mała bezwładność działania fotodiody.

            Fotodioda lawinowa jest elementem pracującym w zakresie przebicia lawinowego złącza pn.

            Jeżeli nośnik mniejszościowy np. elektron wytwarzający prąd nasycenia zostaje przyspieszony w polu elektrycznym złącza do energii kinetycznej równej lub większej 3/2 E_g, może on przekazać część swojej energii elektronowi z pasma walencyjnego i zjonizować go do pasma przewodnictwa. W ten sposób następuje generacja pary elektron-dziura, a elektron zmniejsza swoją energię kinetyczną. Teraz mamy już 2 elektrony i 1 dziurę, które moga nabywać energii w polu elektrycznym w złączu pn. Gdy one z kolei osiągną energie wynoszące 3/2 E_g, każde z nich może wytworzyć następną parę elektron-dziura. Proces ten powtarza sie wielokrotnie w sposób lawinowy. Przebicie lawinowe bywa często zlokalizowane w kilku obszarach zwanych "mikroplazmami ". Każda mikroplazma działa w sposób przerywany, przewodząc prąd w postaci ciągu impulsów. Przebicie lawinowe zachodzi w postaci przypadkowych zrywów, których sumowanie wywołuje intensywne szumy w szerokim zakresie częstotliwości. W zakresie przebicia lawinowego prąd jest proporcjonalny do napięcia w potędze zawierającej się w granicach od 3 do 6. Prąd wsteczny I_w może być wyrażony przy pomocy empirycznego wzoru:

I_w=MI_o

przy czym I_o jest prądem nasycenia , M współczynnikiem powielania.

Wskutek lawinowego powielania liczby nośników generowanych przez światło przyrost prądu spowodowany oświetleniem diody jest M-krotnie większy, przy czym M jest współczynnikiem powielania o wartości zależnej od od napięcia polaryzacji fotodiody.  Fotodiody lawinowe maja zwykle konstrukcje optymalizowane do detekcji promieniowania widzialnego zmodulowanego sygnałem wielkiej częstotliwości, a także szybko narastających impulsów tego promieniowania.

Fotoogniwo

            Fotoogniwo jest przyrządem o stosunkowo dużej powierzchni oświetlonej. Złącze pn znajduje się w bezpośrednim sąsiedstwie ( na głębokości rzędu 1um) oświetlanej powierzchni. Padające na złącze fotony o energii większej od szerokości przerwy energetycznej półprzewodnika powodują powstanie par elektron dziura. Pole elektryczne wewnątrz półprzewodnika związane z obecnością złącza pn, przesuwa nośniki różnych rodzajów w różne strony. Elektrony trafiają do obszaru n, dziury do obszaru p. Rozdzielenie nośników ładunku w złączu powoduje powstanie na nim zewnętrznego napięcia elektrycznego. Ponieważ rozdzielone nośniki są nośnikami nadmiarowymi ( mają nieskończony czas życia), a napięcie na złączu pn jest stałe, oświetlone złącze działa jako ogniwo elektryczne.

Rys.4. Charakterystyki prądowo napięciowe oświetlonego złącza pn.
Polaryzacja zaporowa złącza odpowiada pracy fotodiody,
polaryzacja w kierunku przewodzenia - pracy fotoogniwa.

Fototranzystory

            Fototranzystory, są to tranzystory bipolarne (najczęściej typu npn) w których obudowie wykonano okno umożliwiające oświetlenie obszaru bazy tranzystora. Fototranzystor polaryzujemy tak jak zwykły tranzystor tj. złącze baza emiter jest spolaryzowane w kierunku przewodzenia, a złącze baza kolektor w kierunku zaporowym. Powszechnie fototranzystory wykonywane są jako elementy dwókońcówkowe tj. wyprowadzone są kontakty emitera i kolektora, baza zazwyczaj pozostaje niewyprowadzona na zewnątrz. Przy braku oświetlenia przez fototranzystor płynie prąd zerowy, związany z termiczną generacją nośników, jest to prąd zaporowo spolaryzowanego złącza pn na granicy obszarów bazy i kolektora.

            Oświetlenie obszaru bazy promieniowaniem o odpowiedzniej długości fali powoduje w wyniku fotoefektu wewnętrznego pojawienie się w bazie fototranzystora dodatnich i ujemnych nośników prądu; dziur i elektronów. Zaporowa polaryzacja złącza baza kolektor powoduje rozdzielenie nośników (analogicznie jak ma to miejsce w zaporowo spolaryzowanej fotodiodzie). Nośniki mniejszościowe pod wpływem pola elektrycznego na granicy baza kolektor zostają "przerzucone" do kolektora. Nośniki większościowe gromadzą się w bazie, co powoduje obniżenie bariery potencjału na złączu baza emiter, a to z kolei umożliwia przejście nośników większościowych z obszaru emitera do obszaru bazy. Nośniki te w obszarze bazy stają sie nośnikami mniejszościowymi, zaporowa polaryzacja złącza baza kolektor powoduje ich przejście do obszaru kolektora i zwiększenie pądu kolektora.

            Charakterystyki wyjściowe I_c=f(U_CE) są analogiczne jak dla normalnych tranzystorów bipolarnych, parametrem jednak nie jest prąd bazy, ale natężenie oświetlenia obszaru bazy. Najczęściej spotyka się fototranzystory typu npn.

Rys. 5. Rodzina charakterystyk wyjściowych fototranzystora dla różnych wartości oświetlenia.

Parametry niektórych fototranzystorów zestawiono w tabeli.

Literatura

1. Wykład z techniki sensorowej.
2. A. Świt, J.Półtorak, Przyrządy półprzewodnikowe, WNT W-wa 1976.
3. S. Kuta, red.,  Elementy i układy elektroniczne cz.1, Wyd. AGH, Kraków 2000.
4. M. Rusek, J.Pasierbiński, Elementy i układy elektroniczne w pytaniach i odpowiedziach, WNT, W-wa 1991.
5. P. Horowitz, W. Hill, Sztuka Elektroniki, t.1, WKŁ, W-wa 2001.
6. K. Booth, S. Hill, Optoelektronika, WKŁ, W-wa 2001.
7. J. Pankove, Zjawiska optyczne w półprzewodnikach, WNT, W-wa 1974.