Методические указания к лабораторной работе по курсу “Физические основы электроники” для студентов специальностей 2007 Радиотехника (стр. 3 из 5)

6. Коэффициент усиления по току М может достигать величин 10³ - 10⁷. Для увеличения М увеличивают постоянную времени t (но при этом возрастает

13

инерционность и уменьшается диапазон частот модуляции сигнала), либо уменьшают время пролета (уменьшая длину фоточувствительного слоя, увеличивая рабочее напряжение).

7. Кратность изменения сопротивления - отношение темнового сопротивления к наименьшему световому сопротивлению на линейном участке световой характеристики (см.п.5.2, рис.10,б).

Величины

= 10² - 10⁴.

8. Длинноволновая граница фотопроводимости l_о определяется шириной запрещенной зоны DW, либо энергией активации примесей DW_пр используемых материалов.

l_о =

[мкм].

Наиболее распространенные материалы фоторезисторов имеют величины:

- сернистый кадмий (CdS) l₀ = 0,49 мкм (DW = 2,53 эВ);

- сернистый свинец (PвS) ¾ 3,36 мкм (DW = 0,37 эВ);

- антимонид индия (JлSв, 77 К) ¾ 7,3 мкм (DW = 0,17 эВ);

- германий, легированный медью (Ge:Cu, 15 К) ¾ 25 мкм

9. Рабочая длина волны - l_max - соответствует максимуму спектральной характеристики фоторезистора (см. п.5.2, рис.9), l _max на 20 - 50% < l_о.

10. Температурный коэффициент фототока

a_т =

· 100 = -(0,1 - 0,01) % / град

С ростом температуры фототок уменьшается в основном из-за уменьшения времени жизни t носителей и, соответственно, уменьшения
коэффициента усиления М.

11. Пороговая (обнаружительная) чувствительность Ф_min - минимальный световой поток, вызывающий появление фототока, равного темновому току.

Определяется в полосе Df = 1 Гц, при соотношении сигнал/шум, равном 1, приводится к площади светочувствительного слоя 1 см². Имеет, например, у фоторезистора из CdS величину 2 · 10^-15[Вт/см Гц^1/2].

5.2. Характеристики фоторезисторов

Важными характеристиками фоторезисторов являются вольтамперная, световая, спектральная, частотная, переходная, шумовая.

1. Вольтамперная характеристика фоторезистора - это зависимость тока фоторезистора от величины приложенного напряжения при фиксированном

14

значении воздействующего светового потока Ф. Обычно рассматривают семейство ВАХ при различных величинах Ф (рис.7).

Темновая ВАХ фоторезистора (ОД) линейна, для наглядности на рис.7 величина темнового тока увеличена в 10³ раз. Типовая ВАХ (например, при
Ф₁ = 0,1 лм) в общем случае состоит из 3 участков:

- АВ - рабочий, линейный участок;

- ОА - обычно нелинейный, квадратичный из-за заметного при малых токах и напряжениях действия потенциальных барьеров между полупроводниковым слоем и выводами, между отдельными зернами фоточувствительного слоя;

- ВС - загиб ВАХ при больших токах обусловлен разогревом фоточувствительного слоя, ростом концентрации носителей, скорости рекомбинации и, соответственно, уменьшением времени жизни носителей и коэффициента усиления М.

2. Световая характеристика фоторезистора J(Ф)½U - это зависимость его тока от величины светового потока при постоянном напряжении питания (рис.8). Другие названия световой характеристики - интегральная, энергетическая, люкс-амперная.

15

Рабочей является линейная часть световой характеристики (участок АВ), на которой ток фоторезистора пропорционален световому потоку и неискаженно воспроизводит сигнал.

При малых интенсивностях светового потока световая характеристика (участок ДА) нелинейна из-за

- наличия темнового тока (при Ф=0),

- непропорционального роста фототока при слабом освещении из-за захвата фотоносителей центрами прилипания, рекомбинации, ловушками, создаваемыми дефектами кристаллической решетки, атомами посторонних примесей.

При больших световых потоках (участок ВС) происходит загиб световой характеристики из-за увеличения скорости рекомбинации носителей, уменьшение времени жизни t и коэффициента усиления М.

3. Спектральная характеристика - это зависимость относительной (т.е. нормированной по максимуму) чувствительности (тока) фоторезистора от длины волны излучения (при фиксированных напряжении на фоторезисторе и силе светового потока) (рис.9).

16

При l > l₀ энергии кванта недостаточно для генерации свободных носителей заряда (hv < DW).

На участке l₀ ¸ l _max рост тока обусловлен ростом плотности разрешенных состояний в валентной зоне и зоне проводимости при удалении от их границ и, соответственно, возможностью поглощения потока квантов света.

Спад на участке ВА при уменьшении l обусловлен

- уменьшением числа квантов света при постоянной силе светового потока j и, соответственно,уменьшением числа фотогенерированных носителей заряда;

- поглощением света в приповерхностном слое все меньшей толщины и, соответственно, возрастанием потерь от рекомбинации, уменьшением эффективного времени жизни фотогенерированных носителей заряда.

5.3. Характеристики и параметры оптронов

Оптрон, или оптоэлектронная пара - это конструктивно единый элемент, состоящий из светоизлучателя, оптической среды, электрического изолятора и фотоприемника. Светоизлучателем могут быть светодиод, полупроводниковый лазер, электролюминесцентный излучатель. Фотоприемники также разнообразны - фоторезисторы, фотодиоды, фототранзисторы, фототиристоры.

В лабораторной работе будет исследоваться оптрон ОЭП-16, состоящий из арсенидгаллиевого светодиода и фоторезистора.

Основные характеристики оптрона - входная и передаточная (рис.10). Входная характеристика - это зависимость тока светодиода от напряжения на

17

нем, имеет экспоненциальный вид, смещена в область напряжений более 1 В (так как Gа Аs имеет ширину запрещенной зоны 1,41 эВ).

Передаточная характеристика - это зависимость сопротивления фоторезистора (управляемого параметра оптрона) от величины входного (управляющего) тока.

Основные параметры оптронов

1. Входное напряжение (при токе 10 мА) ¾ 1,1 ¸ 2 В.

2. Коэффициент передачи тока (при токе 10 мА) ¾ 0,5 ¸ 5%

18

6. СХЕМА ЛАБОРАТОРНОЙ УСТАНОВКИ

Лабораторная установка включает в себя универсальный лабораторный

стенд (содержащий 2 источника регулируемых напряжений, стрелочные милли-

амперметры и вольтметры, термостат, колодку для подключения исследуемых