Wyznaczenie charakterystyk pracy elementu optoelektronicznego ( fototranzystora)

We współczesnej nauce i technice szerokie zastosowanie znalazły przetworniki fotoelektryczne- przyrządy optoelektroniczne przetwarzające energię świetlną na energię elektryczną. Działanie ich jest oparte na zewnętrznym lub wewnętrznym zjawisko fotoelektrycznym.

Zjawisko fotoelektryczne, stanowiące bezpośrednie ogniwo między zjawiskami elektrycznymi i optycznymi, polega na wytworzeniu nośników prądu elektrycznego ich zamianie pod wpływem świata padającego na jeden z czynnych elementów obwodu.

Wyróżniamy zjawisko fotoelektryczne zewnętrzne i wewnętrzne (fotoprzewodnictwo) oraz zjawisko fotowoltaiczne (zaworowe). Zewnętrzne zjawisko fotoelektryczne polega na emisji swobodnych elektronów z powierzchni metali pod wpływem padającego promieniowa świetlnego. Wyjaśnienie tego zjawiska jest możliwe wyłącznie na podstawie teorii kwantowej promieniowanie elektromagnetycznego podanej przez Plancka, a rozwiniętej i zastosowanej przez Einsteina.

Do wywołania zjawiska fotoelektrycznego jest potrzebny wkład energii na „wyrwanie” elektronu z metalu, czyli na wykonanie tzw. pracy wyjścia. Praca wyjścia jest to taka ilość energii, jaką musi uzyskać elektron, aby mógł pokonać potencjał powierzchniowy metalu, uniemożliwiający mu opuszczenie tego metalu. Potrzebnej energii dostarcza w tym przypadku kwant promieniowania. Jego działanie jest skuteczne tylko wtedy gdy
. Istnieje więc pewna minimalna częstotliwość (progowa)
, dla której:
.

Jeżeli równość ta jest spełniona to pochłonięty foton w natychmiastowym oddziaływaniu z elektronem metalu powoduje jego emisję. Doświadczenie wykazuje, że zjawisko fotoelektryczne praktycznie nie ma żadnej bezwładności. Każdy z fotonów działa we własnym zakresie. Przy częstotliwości mniejszej od progowej, energie poszczególnych kwantów nie dodają się i nie wytwarzają łącznej porcji energii zdolnej do wywołania fotoemisji.

Jeżeli praca padającego kwantu promieniowania jest większa od pracy wyjścia to nadmiar tej energii jest przekazywany elektronowi, który uzyskuje ją w postaci energii kinetycznej
lub
stąd maksymalna energia kinetyczna, jaką może uzyskać fotoelektron
jest wprost proporcjonalna do częstotliwości padającego promieniowania (powyżej częstotliwości progowej) co jest przedstawione na rysunku.

Liczba emitowanych fotoelektronów w jednostce czasu, czyli natężenie prądu fotoelektrycznego jest wprost proporcjonalne do ilości kwantów (o określonej częstotliwości) padających na metal i powodujących fotoefekt, czyli do natężenia światła
. Zależność tę przedstawia rysunek.

Natężenie fotoprądu w istotny sposób zależy od częstotliwości promieniowania pochłoniętego przez metal, a nie padającego na niego. Z tego względu wprowadzono pojęcie wrażliwości fotoelektrycznej, jako stosunku natężenia fotoprądu do natężenia światła pochłoniętego. Wrażliwość fotoelektryczna stała się podstawą podziału zjawiska fotoelektrycznego na dwa:

1. normalne zjawisko fotoelektryczne

2. selektywne zjawisko fotoelektryczne

Zjawisko fotoelektryczne wewnętrzne polega bądź na maleniu rezystancji właściwej półprzewodnika (zjawisko fotoprzewodnictwa), bądź na samoistnej polaryzacji złącza p-n, sprawiając, że staje się ono źródłem siły elektromotorycznej (zjawisko fotowoltaniczne)

Jeżeli na półprzewodnik pada foton o energii
większej od energii wiązania kowalencyjnego, czyli energii określającej szerokość pasma wzbronionego, to powoduje on generację pary elektron-dziura. W ten sposób pod wpływem oświetlenia następuje wzrost koncentracji nośników ładunku w półprzewodniku i związany z tym wzrost przewodności (konduktywność).

Przewodniki fotoelektryczne oparte na zjawisku fotoelektrycznym wewnętrznym dzielą się na dwa rodzaje:

1. Przewodniki fotoelektryczne wykonane z jednorodnego półprzewodnika w postaci rezystora, tzw. fotorezystory. Jeśli nośnik o ładunku elementarnym q jest unoszony w polu elektrycznym warstwy samoistnej z prędkością v, to w obwodzie zewnętrznym fotorezystora popłynie prąd o natężeniu
   gdzie d- grubość obszaru samoistnego.

Jeżeli strumień światła o mocy P (
fotonów w jednostce czasu) generuje nośnik ze sprawnością kwantową, to w obwodzie detektora popłynie prąd o średniej wartości
gdzie -
stosunek liczby generowanych nośników prądu do całkowitej liczby padających fotonów.

Grubość fotorezystora powinna być tak dobrana, aby padające światło było skutecznie pochłaniane, wtedy kwantowa przemiany energii promieniowania na energię elektryczną będzie największa.

2. Przewodniki fotoelektryczne z warstwą zaporową tzw. fotodiody i fototranzystory. Tego rodzaju przetworniki mogą działać w dwojaki sposób:

- pod wpływem strumienia fotonów powstaje w warstwie zaporowej siła elektromotoryczna, a więc przetwornik zmienia energię padającego promieniowania na energię elektryczną;

- strumień fotonów zmienia koncentrację nośników mniejszościowych, co przy polaryzacji złącza w kierunku zaporowym prowadzi do wzrostu natężenia prądu w obwodzie.

Energia padających fotonów nie może być w przypadku tego rodzaju przetworników fotoelektrycznych mniejsza od energii określającej szerokość strefy wzbronionej
tzn.
stąd

Do tej grupy przetworników zaliczamy:

- fotodiody spolaryzowane w kierunku zaporowym

- fotodiody lawinowe

- fototranzystory, w których strumień fotonów w obszarze bazy zwiększa liczę nośników mniejszościowych.

Czułość całkowitą C przetwornika fotoelektrycznego definiuje się jako stosunek natężenia
prądu fotoelektrycznego do wielkości strumienia światła białego
pochłoniętego przez powierzchnię światłoczułą S tego przetwornika
.

W zależności od potrzeb wykorzystuje się różne parametry przetwornika fotoelektrycznego. fotoelektrycznego ćwiczeniu wyznacza się następujące charakterystyki:

1) charakterystykę widmową przetwornika fotoelektrycznego, zdefiniowaną jako zależność natężenia fotoprądu
od długości fali świetlnej
, przy stałym strumieniu
i stałym napięciu U zasilającym przetwornik

2. charakterystykę świetlną przetwornika, określoną jako zależność natężenia fotoprądu
   od natężenia strumienia świetlnego
   przy długości fali w maksimum czułości i stałym napięciu U doprowadzonym do przetwornika
   .

3. charakterystykę statyczną przetwornika, określoną jako zależność natężenia fotoprądu
   od wielkości napięcia U przyłożonego do elektrod zewnętrznych przetwornika, przy stałym strumieniu świetlnym
   i przy
   rozkładu widmowego.
   

---