Полупроводниковые фотоприемники. Физические основы работы фотоприемников с одним р-п переходом, страница 13

Для ФД точечного типа (германиевые и кремниевые) критические частоты достигают нескольких ГГц.

ВЫСОКОВОЛЬТНЫЙ   ФОТОПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ  «ФОТОВОЛЬТ»

Высоковольтный фотопреобразователь (ФЭП) «Фотовольт» (31] представляет собой малогабаритную фотобатарею, скоммутирован-ную из микрофотопреобразователей / с П-образным р-п переходом (рис.   17).   Для   получения    максимальной    эффективности    ширина

Рис.  17. Схематическое изображение   генератора   «Фотовольт».                      /

1 — р-п  переход;   2— металличе-     1 * ский  контакт  к полупроводнику        Ч я-типа:  3 — металлический   контакт к полупроводнику р-типа.

р-области должна быть соизмеримой с диффузионной длиной неосновных носителей тока. Контакты 2 и 3 у микрофотопреобразователей расположены на боковых гранях и занимают на рабочей поверхности матрицы около 5% площади Лучистый поток в отличие от ранее рассмотренных приборов падает параллельно р-п переходу.

Количество скоммутированных элементов в зависимости от назначения может колебаться от единиц до нескольких сотен и более. Площадь «Фотовольта», скоммутированного из 250 микрофотопреобразователей, равна 1 см2, а из 750 фотопреобразователей— 3 см2.

На рис. 18,а показана вольт-амперная характеристика матричного ФЭП площадью 3 см2, содержащего 750 микрофотопреобразователей, измеренная при засветке вольфрамовой лампой накаливания с цветовой температурой 2850 К. Эксперименты показали, что при

29

плотности излучения до 10 кВт/м2 «Фотовольты» имеют линейную зависимость тока и мощности от освещенности (рис. 18,6) при температуре 15—20 °С.

Спектральная характеристика «Фотовольта» представлена на рис. 18,в. Ее максимум соответствует длине волны 1050 нм. Спад в коротковолновой области вызеан потерями на поверхностную рекомбинацию, а в длинноволновой части — объемной рекомбинацией и прозрачностью материала.

мкА

мнй

мВт/см2

11

-I

10

- ^^\

8

-

6

4

г

i

i W

мкЯ/мВт

100      200 а)

дООВ

Рис. 18. Характеристики высоковольтного ФЭП, состоящего из 750 микроэлементов.

а — вольт-амперная  характеристика;  б — зависимость тока  короткого замыкания   и  мощности  от лучистого лотока;  в — спектральная характеристика.

У хорошо сконструированных и изготовленных приборов при облучении монохроматическим светом с Х^ЮОО нм к. п. д. может достигнуть 40%.

Высокие напряжения, которые могут быть получены с малых светочувствительных площадей с искусственными источниками лучистой энергии, позволяют использовать «Фотовольты» для питания высоковольтной аппаратуры, например в электронно-оптических преобразователях, электростатических ускорителях и т. п.

«Фотовольт» позволяет при высоких нагрузках работать в области вольт-амперной характеристики, близкой к току короткого замыкания, обеспечивая при этом высокие значения напряжения. Ток «Фотовольтов» линейно зависит от освещенности в диапазоне 0,1—100 Вт/см2. Сохранение Линейности этой характеристики в широком диапазоне мощностей излучения дает возможность использовать их в измерителях энергии высокоинтенсивных лучистых потоков.

30

Отечественной промышленностью разработаны «Фотовольты», предназначенные для питания радио и дозиметрической аппаратуры (на напряжение 10—250 В)  и бытовых приборов.

ФОТОПРИЕМНИК КАК ФОТОЧУВСТВИТЕЛЬНАЯ  ЕМКОСТЬ

В последние годы в радиоэлектронных устройствах применяют полупроводниковые фоточувствительпые емкости — фотоварикапы (ФВ), позволяющие совместить в одном приборе преобразование энергии в электрический сигнал и параметрическое усиление этого сигнала [32].

В основе работы ФВ лежит изменение емкости р-п перехода под действием лучистого потока. Это изменение емкости будет таким же, как и при воздействии на р-п переход внешнего напряжения, равного фото- э. д. с, генерируемого ФВ под действием лучистого потока.

Усиление фототока с использованием ФВ состоит в том, что последний включают в одно из плеч моста параметрического усилителя. Изменение емкости на р-п переходе под действием изменяющегося излучения приводит к появлению сигнала на выходе параметрического усилителя.

В широком диапазоне частот ФЭП имеет высокую добротность емкости и поэтому может использоваться как ФВ.

У ФЭП в силу резкого р-п перехода наблюдается высокая нелинейность зависимости  их  емкости  от  приложенного напряжения.

Зависимость емкости ФВ от постоянного напряжения C(U) определяется выражением

где  UKвысота потенциального барьера  между областями  р и п при отсутствии внешнего напряжения.

Рис. 19. Частотная зависимость добротности фотоварикапов. а — для кремниевых приборов; б — для приборов из арсенида галлия.

На рис. 19 приведены зависимости добротности кремниевых и арсенидных ФВ от частоты при различных смещениях. Из графиков видно, что ФВ могут работать в диапазоне звуковых и ультразвуковых частот. Емкость на единицу площади при отсутствии внешне-

31

to напряжения  C(0)   для  кремниевых  ФЭП     составляет  примерно 0,027—0,030 мкФ/см3, а для ФВ из GaAs—0,038—0,50 мкФ/см2.

Коэффициент светочувствительности ФВ, характеризующий относительное изменение емкости на единицу светового потока W, для кремниевых приборов составляет 5,7 1/мВт, а для арсенид галлн-свых — 240 1/мВт. В фотодиодпом режиме коэффициент чувствительности значительно меньше, чем в фотовольтаическом. Температурный коэффициент емкости в фотовольтаическом режиме работы составляет примерно 1,5 • 10~3 и 0,8 • Ю-3 1/°С соответственно для фотоварикапов из Si и GaAs.

КООРДИНАТНО-ЧУВСТВИТЕЛЬНЫЕ ФОТОПРИЕМНИКИ

Приборы, выходной сигнал которых зависит от местоположения облученного участка, называются координатно-чувстви-тельными. Подобные ФП могут работать на основе продольного либо поперечного (33] фотоэффекта.

Фотоприемник, работающий на основе продольного фотоэффекта (рис. 20).  При  локальном   освещении  разделенные  р-п   переходом,