Чувствительность фототранзистора

Фотоприемники на основе материалов А2Вв хорошо согласуются по спектральным характеристикам с электролюминофорами. Область спектральной чувствительности фотоприемников типа CdS и его аналогов (CdTe, CdSe) и твердых растворов на их основе перекрывает всю видимую часть спектра от 400 до 900 нм. Интегральная чувствительность фоторезисторов на этих материалах достаточно высока и составляет 0,1... 10, А/(лм • В). В результате сопротивление при освещенностях 102... ...103 лк изменяется в пределах 10'...108 Ом.

Когда фоторезистор подвергается немонохроматическому излучению заданного спектрального состава, величина S/ определяет интегральную чувствительность. Для измерения интегральной чувствительности фотоэлектрических приборов принято использовать лампу накаливания с вольфрамовой нитью при температуре 2850 К. Чувствительность фоторезисторов достигает 20 А/лм.

В зависимости от материала полупроводникового слоя чувствительность фоторезисторов к различным участкам спектра излучения будет различной. Например, фоторезисторы, изготовленные на ба;$е соединений свинца, наиболее пригодны как фотоприемники для использования в инфракрасной области, а фоторезисторы, изготовленные на базе соединений кадмия, — в видимой области спектра. Вольт-амперные характеристики фоторезисторов обычно линейны. Характеристики 2 — 4 получены при освещении (чем больше

Граничной частотой фотоприемника frp называется частота синусоидально-модулированного потока излучения, при которой чувствительность фотоприемника падает до значения 0,707 (на —3 дБ) от чувствительности при немодулированном излучении. Граничная частота фоторезисторов не превышает нескольких килогерц. Выпускаемые отечественной промышленностью фоторезисторы имеют чувствительность 5 = 0,5 — 20 мСм/лм, рабочее напряжение — от нескольких десятков до нескольких сотен вольт. Таким образом, чувствительность фоторезисторов существенно превышает чувствительность вакуумных фотоэлементов. Чувствительность фоторезисторов сильно зависит от температуры окружающей среды, гораздо сильнее, чем у вакуумных фотоэлементов. Несмотря на указанные недостатки, фоторезисторы находят практическое применение, особенно в автоматике и вычислительной технике. Ниже будут рассмотрены полупроводниковые фотоэлектрические приборы, у которых рабочая среда, в отличие от фоторезистора, представляет собой неоднородную полупроводниковую структуру либо структуру полупроводник — металл.

Значения фототека сильно зависят от спектрального состава светового потока. Эта зависимость видна из спектральной характеристики, вид которой для фоторезистора, выполненного из сульфида кадмия, приведен на 17.8 (где /фтах — фототок, соответствующий максимуму спектральной чувствительности). Интегральная чувствительность фоторезисторов на два порядка выше, чем электронных фотоэлементов.

Отечественная промышленность выпускает приемники проникающей радиации различных марок: РГД-0, РГД-1, РГД-2 и ГД-Г1 (рентгено-гамма-датчик и гамма-датчик). Отличаются эти приемники проникающей радиации друг от друга в основном внешним конструктивным оформлением. Чувствительностью к рентгене- и гамма-излучению помимо перечисленных приемников проникающей радиации обладают сернисто-кадмиевые фоторе-зисторы ФСК.-М и ФСК, а также селенисто-кадмиевые ФСД. Однако удельная чувствительность фоторезисторов к проникающей радиации примерно на два порядка меньше, чем приемников проникающей радиации. Свойства приемников проникающей радиации характеризуются зависимостями и параметрами, аналогичными зависимостям и параметрам фоторезисторов. Основ-

Чувствительность фоторезисторов выше, чем чувствительность -.вакуумных фотоэлементов.

Фоторезисторы изготовляются из разных полупроводниковых материалов: сернистогс свинца, сернистого висмута, сернистого кадмия и др. Чувствительность фоторезисторов выше, чем у вакуумных фотоэлементов с внешним фотоэффектом и достигает 10 ма/лм.

В зависимости от материала полупроводникового слоя чувствительность фоторезисторов к различным участкам спектра излучения будет различной. Например, фоторезисторы, изготовленные на базе соединений свинца, наиболее пригодны как фотоприемники для использования в инфракрасной области, а фоторезисторы, изготовленные на базе соединений кадмия, — в видимой области спектра. Вольт-амперные характеристики фоторезисторов обычно линейны. Характеристики 2...4 получены при освещении (чем больше освещенность, тем круче характеристика), а характеристика / соответствует темновому току при различном напряжении.

Граничной частотой фотоприемника Утр называют частоту синусоидально-модулированного потока излучения, при которой чувствительность фотоприемника падает до значения 0,707 (на —ЗдБ) от чувствительности при немодулированном излучении. Граничная частота фоторезисторов не превышает нескольких килогерц. Отечественные фоторезисторы имеют чувствительность S = 0,5...2ОмСм/лм, рабочее напряжение — от нескольких десятков до нескольких сотен вольт. Таким образом, чувствительность фоторезисторов существенно превышает чувствительность вакуумных фотоэлементов. Чувствительность фоторезисторов в большей степени зависит от температуры окружающей среды, чем чувствительность вакуумных фотоэлементов. Несмотря на указанные недостатки, фоторезисторы находят практическое применение, особенно в автоматике и вычислительной технике. Далее будут рассмотрены полупроводниковые фотоэлектрические приборы, у которых рабочая среда в отличие от фоторезистора представляет собой неоднородную полупроводниковую структуру либо структуру полупроводник — металл.

4.2. Относительная спектральная чувствительность фоторезисторов:

Достоинство фоторезисторов на основе спеченных слоев сульфида кадмия — высокая технологичность и возможность контролируемого изменения их свойств. Однако поликристалличность слоев является препятствием для получения низких уровней шума. Пороговая чувствительность фоторезисторов на поликристаллическом. CdS ограничивается наличием избыточного шума, возникающего из-за специфического модуляционного процесса на границах раздела зерен (см. гл. 2). Обычно она составляет 3-10~12 ... 3- КН1 Вт-Гц-1/2.

Интегральная чувствительность фототранзистора /Ст в 1 + /121э раз больше, чем у фотодиода. Это объясняется тем, что у фототранзистора наряду с образованием фототока /ф происходит его усиление в 1 + /г21э раз.

Кт— интегральная чувствительность фототранзистора

На 17.12 представлена двухполюсная схема включения фототранзистора. Под действием света в области базы образуются пары носителей зарядов — электроны и дырки. Дырки (неосновные носители базы) под действием электрического поля источника ЕК движутся через коллекторный переход, образуя фо-тоток /ф, проходящий через нагрузку /?н. Электроны, не прошедшие через эмиттерный переход и оставшиеся в базе, снижают потенциальный барьер. Это облегчает переход дырок из эмиттера в базу, увеличивая коллекторный фототек. Чувствительность фототранзистора сильно превышает чувствительность фотодиодов и имеет значения порядка 0,5—1 А/лм.

Чувствительность фототранзистора, таким образом, значительно выше чувствительности фотодиода. Вольт-амперные характеристики фототранзистора с оборванной базой аналогичны выходным характеристикам биполярного транзистора, включенного по схеме с ОЭ ( 17.28). Основным параметром прибора является световой поток Ф. Частотные характеристики фототранзисторов хуже, чем для фотодиодов, из-за инерционности эмиттерного перехода за счет его емкости. Параметры фототранзисторов существенно зависят от температуры.

Токовая чувствительность фототранзистора — это отношение изменения электрического тока на выходе фототранзистора к изменению потока излучения при холостом ходе на входе и коротком замыкании на выходе по переменному току.

тока в р раз больше, а интегральная чувствительность фототранзистора по сравнению с фотодиодом увеличивается:

Эмиттерный переход биполярного фототранзистора включен в прямом направлении. Его удельная емкость около 105 пФ'СМ~2. Постоянная времени заряда емкости эмиттерного перехода увеличивается с ослаблением интенсивности светового потока. При малых световых потоках она определяет в основном инерционность фототранзистора. При больших световых потоках на инерционность фототранзистора влияют время диффузии носителей в базе и емкость коллекторного перехода. Поэтому для фототранзистора выбирают материалы с высокой подвижностью носителей, используют структуру с внутренним электрическим полем в базе или с тонкой базой. Уменьшать емкость коллекторного перехода снижением концентрации примесей в области коллектора удается лишь до некоторого предела. Сокращать для этой цели площадь эквивалентного фотодиода нецелесообразно, так как при этом падает чувствительность фототранзистора. При тонкой базе ухудшается чувствительность фототранзистора на более длинных волнах излучения. Реальная постоянная времени фототранзистора на 2—3 порядка больше, чем фотодиода. Произведение М/гр фототранзистора соизмеримо с /гр эквивалентного фотодиода, образованного коллекторным р-п-пе-реходом.

Токовая чувствительность фототранзистора увеличена в М раз по сравнению с чувствительностью эквивалентного фотодиода и достигает значений 20—25 А-лм-1. Входное сопротивление фототранзистора около 10е—108 Ом. Поэтому выбором сопротивления /?п можно всегда обеспечить высокую чувствительность. Инерционные свойства фототранзистора определяет в основном постоянная времени в цепи затвора тз «/?„Спер, где С„ер — емкость перехода затвор — канал. Уменьшать емкость Спер можно только до некоторого предела изменением концентрации примесей областей канала и затвора. Сокращение площади перехода снижает не только Спер, но и чувствительность эквивалентного фотодиода затвор — канал. Снижение сопротивления /?н уменьшает чувствительность и коэффициент усиления. Для малых световых потоков постоянная времени Т3 *>Ю-7 с.

Токовая чувствительность фототранзистора — это отношение изменения электрического тока на выходе фототранзистора к изменению потока излучения при холостом ходе на входе и коротком замыкании на выходе по переменному току.

Чувствительность фототранзистора, таким образом, значительно выше чувствительности фотодиода. Вольт-амперные характеристики фототранэистора с оборванной базой аналогичны выходным характеристикам биполярного транзистора, включенного по схеме с ОЭ ( 1.52). Основным параметром прибора является световой поток Ф. Частотные характеристики фототранзисторов хуже, чем для фотодио-

где g — крутизна характеристики. Таким образом, ток /ф усиливается в gR3 раз. Во столько же раз чувствительность полевого фототранзистора выше чувствительности фотодиода. Увеличивая R3, можно повысить чувствительность фототранзистора, однако при этом растет и постоянная времени т^с = R3C3_и, т. е. ухудшается быстродействие прибора.