Главная -> Прохождение невидимых тепловых лучей 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 33 34 35 36 37 38 39 40 41 42 43 44 45 46 47 48 49 50 51 52 53 54 55 56 57 58 59 60 61 62 63 64 65 66 67 68 69 70 71 72 73 74 75 76 77 78 79 80 81 82 83 [ 84 ] 85 86 87 88 89 90 91 92 93 94 95 96 97 98 99 100 101 102 103 104 105 106 107 108 109 110 111 112 113 114 115 116 117 118 119 120 121 122 123 124 125 126 127 128 129 130 131 132 о о / ток фотокатода, равный Рис. 6.13. Энергетические зоны проводника где Ф с7к\1 ппюс постоян- J изолятора (б) и полупроводника (е): темповому току плюс постоян зона проводимости; 2-запрещенная пая составляющая тока фотока- зона; 3 -валентная зона, тода; S - интегральная чувствительность ФЭУ. Фоторезисторы. 11олупровод-никовые приборы, действие которых основано на явлении фотопроводимости, называют фоторезисторами. Явление фотопроводимости было открыто У. Смитом в 1873 г., заключается оно в изменении проводимости полупроводников под действием падающего на них излучения. Рассмотрим 8Т0 явление с точки зрения зонной теории твердого тела. В твердом теле дискретные энергетические уровни, которые занимают электроны, образуют зоны. Наивысшую энергетическую зону, полностью заполненную электронами, называют валентной. Более высокую энергетическую зону, которая может быть и не заполненной электронами, называют зоной проводимости. Проводимость материала определяется электронами находящимися в зоне проводимости. В соответствии с квантовомеханически-ми условиями между валентной зоной и зоной проводимости находится запрещенная энергетическая зона (рис. 6.13, а). Проводник характеризуется частичным заполнением зоны проводимости; в изоляторе запрещенная энергетическая зона настолько широка (3 эВ и более), что энергия валентных электронов недостаточна для их перехода в зону проводимости, поэтому в ней отсутствуют электроны (рис. 6.13, б). Полупроводник занимает промежуточное положение между проводником и изолятором. В нем ширина запрещенной зоны настолько мала (доли электрон-вольта), что даже при комнатной температуре энергия некоторых велентных электронов достаточна для их перехода через запрещенную зону в зону проводимости (рис. 6.13, в). Состояния, ранее занятые этими электронами, называют дырками. Под действием электрического или магнитного полей дырки могут перемещаться аналогично электронам, но в противоположном направлении. Следовательно, в чистом полупроводнике переход электрона в зону проводимости создает электронно-дырочную пару носителей заряда, повышающую проводимость. Этот вид проводимости называют собственной проводимостью. Падающие на полупроводник фбтоны отдают свою энергию валентным электронам, которые переходят в зону проводимости и образуют электронно-дырочные пары, изменяющие проводимость полупроводника (явление фотопроводимости). Пороговую длину волны Яо, за которой энергия фотона недостаточна для создания электронно-дырочной пары, называют длинноволновой границей и определяют следующим отношением: = 1.24/£запр мкм, где запр - ширина запрещенной зоны, эВ. Приемники излучения с собственной проводимостью имеют ширину запрещенной зоны при комнатной температуре £запр > 0,18 эВ, поэтому для них Хо < 7 мкм. При охлаждении ширина запрещенной зоны уменьшается и длинноволновая граница приемника увеличивается. Такой же эффект может быть получен введением небольших количеств примесей других чистых полупроводников; этот процесс называют легированием, а полученные материалы-примесными полупроводниками. Если примесный атом имеет меньшее количество валентных электронов, чем основной материал, то недостающие ковалентные связи обеспечиваются соседними атомами; в результате этого возникают дырки в валентной области, которые становятся зарядоносителями и образуют материал р-типа. Примеси, приводящие к недостатку электронов, называют акцепторными, так как они акцептируют (забирают) электроны из основного материала. Если примесный атом имеет большее количество валентных электронов, чем основной материал, то он действует как донор электронов и в результате образуется материал и-типа. Во всех приемниках инфракрасного излучения используют материал р-типа. Для получения приемника, чувствительного в длинноволновой области, выбирают материал с узкой запрещенной зоной. Но чем уже запрещенная зона, тем больше носителей, возбужденных не фотонами, а термическим цутем. В первом приближении считают, что фоторезисторы, чувствительные к излучению с длиной волны до 3 мкм, не требуют охлаждения; в диапазоне 3...8 мкм необходимо умеренное охлаждение (до 77К), а для фоторезисторов, работающих в диапазоне 8...14 мкм, необходимо глубокое охлаждение (несколько Кельвинов). Фоторезистор подключают к источнику питания последовательно с нагрузочным резистором. При облучении чувствительной площадки изменяется ее электрическое сопротивление; падение напряжения на нагрузочном резисторе представляет собой рабочий сигнал, который через емкостную связь подают в предусилитель. Различают три группы фоторезисторов: пленочные, монокристаллические и легированные примесями. К первой группе относят сернисто-свинцовые (PbS), селенисто-свинцовые (PbSe) и теллур исто-свинцовые (РЬТе) фоторезисторы. Вторую группы составляют фоторезисторы из антимонида индия (InSb) и теллуридов ртути и кадмия (Hg CdTe); третью группу - фоторезисторы из германия (Ge), легированного различными примесями. Рассмотрим параметры и характеристики фоторезисторов в одноэлементном и многоэлементном исполнении. а) Фоторезисторы на основе сульфида свинца (PbS). Приемники этого типа изготовляют двумя способами: испарением сульфида свинца на стеклянную или кварцевую подложку или химическим осаждением его из соответствующего раствора. В обоих случаях приемники имеют одинаковые спектральные характеристики, но постоянная времени приемника, изготовленного с помощью испарения, в среднем в четыре раза меньше постоянной времени приемника, изготовленного методом химического осаждения. Фоторезисторы из PbS могут иметь различные размеры чувствительной площадки: от 50 X 50 мкма до нескольких квадратных сантиметров. Обна-ружительная способность при комнатной температуре составляет (3...10) s Ю* см FhI/Bt; при охлаждении максимум чувствительности возрастает в 3-6 раз, а длинноволновая граница смещается в сторону более длинных волн. Для охлаждения приемника подложку с чувствительным слоем монтируют в пластмассовом корпусе, имеющем форму сосуда Дьюара. Охлаждение производят твердой углекислотой (-78° С) или жидким азотом (-195° Q. Технология изготовления и, в частности, степень окисления влияют на чувствительность приемников, особенно в коротковолновом участке спектра. Это позволяет изготовлять фоторезисторы из PbS, пригодные для диапазона 0,6...4 мкм. Внутреннее сопротивление 2 МОм, постоянная времени 100 мкс - у приемников, изготовленных способом испарения, и соответственно 0,5 МОм и 400 мкс-у приемников, изготовленных методом химиче-<:кого осаждения. Интегральная чувствительность 105 В/Вт; спектральные характеристики приведены на рис. 6.14. Неохлаждаемые фоторезисторы, выпускаемые отечественной промышленностью, имеют буквенное обозначение ФСА. Чувствительным элементом служит пленка поликристаллического сульфида свинца толщиной примерно 1 мкм, получаемая методом химического осаждения. В дальнейшем эта пленка подвергается отжигу на воздухе, в результате чего образуются окислы свинца, обеспечивающие высокую фотопроводимость материала. При тарировке по черному телу с температурой 300° С чувствительность фоторезисторов ФСА достигает 1500 В/Вт. Спектральная чувствительность i = 2 мкм превышает 200 мА/Вт. Рис 6.14. Спектральные характеристики ё^еличина темнового сопротивления ле- ГоТ п?и%\Г„Г.?х^?e VaTpax жйт в пределах 20 кОм ... 1 МОм; рабо- стоительного слоя, чее напряжение выбирают равным 0.1 Rn, где Rn - темновое сопротивле- П*Гсм.0%т. ние фоторезистора в килоомах. - Фоторезисторы ФСА малоинерционны, что позволяет использовать их при больших частотах модуляции принимаемого лучистого потока. Параметры фоторезисторов приведены в табл. 6.11, а их эскизы представлены на рис. 6.15. б) Фоторезисторы на ос- JQ нове селенида и теллурида свинца (PbSe, РЬТе). Слои селенида свинца получают разработанным недавно способом химического осаждения, а слои теллурида свинца-способом сублимации с последующей обработкой .. в вакууме при небольшом давлении W кислорода. Оба слоя требуют охлаждения до температуры 78 К; для этой цели их помещают в баллон, имеющий форму сосуда Дьюара (рис. 6.16). Спектральные характеристики рассматриваемых фоторезисторов (рис. 6.17) указы- .r.s вают на возможность их применения в спектральном интервале 2...6 (РЬТе) и даже до 8 (PbSe) мкм. Обнаружительная способность при охлаждении чувствительного слоя до 78 К составляет 10 см . Гц12/Вт у фоторезисторов . PbSe и 2 . 10 см . Гц1/г/Вт - у фото-резисторов РЬТе; темновое сопротивле- 1 Z 3 4 К,ннн ие 10 МОм и 500 МОм соответственно. В последние годы разработаны фоторезисторы из поликристаллических пленок РЬТе. Пленки осаждают на стеклянных и кремниевых подложках, нагретых до температуры 600 К. и сенсибилизируют кислородом.
Таблица 6.11 Параметры неохлаждаемых сернисто-свинцовых фоторезисторов
|
© 2024 Constanta-Kazan.ru
Тел: 8(843)265-47-53, 8(843)265-47-52, Факс: 8(843)211-02-95 |