ппереходом работа которого основана на использовании фотогальванического эффекта в обратно включенном эл

Работа добавлена на сайт samzan.net:

20. ФОТОДИОДЫ.

Двухэлектродный полупроводниковый прибор (см. сводную таблицу) с одним р-п-переходом работа которого основана на использовании фотогальванического эффекта в обратно включенном электрическом переходе, вольт-амперная характеристика которого зависит от воздействующего на него светового потока, называют фотодиодом (ФД).

Его электрический переход работает в фотодиодном режиме (см. § 7.3). В РЭА фотодиоды применяют как быстродействующие чувствительные элементы (ЧЭ) оптических приемников и приемных модулей воло-конно-оптических линий связи, элементы оптопар (см. § 7.9), координатно-чувствительные элементы автоматики, первичные преобразователи освещенности и т. п.

Он представляет собой пластину полупроводникового материала (германия или кремния) с областями электронной и дырочной проводимости,  разделенными  p-н-переходом. Пластина помещена в герметичный корпус, имеющий окно из прозрачного материала для проникновения к ней света. Иногда в этом окне располагают собирательную стеклянную линзу.

В зависимости от конструкции ФД световой поток направлен параллельно и перпендикулярно плоскости р-п-перехода. Фотодиоды включают в обратном направлении (см. табл. 11.1). Если нет освещения (Ф = 0), ФД аналогичен обычному диоду, включенному в обратном направлении. При освещении прибора (Ф > 0) в его р- и n-областях начинается разрыв ковалентных связей и образование пар носителей заряда - электронов и дырок. Наиболее интенсивен процесс генерации носителей у внешней поверхности кристалла. В областях ФД возрастает число как основных, так и неосновных носителей. Относительное увеличение концентрации основных носителей невелико, и ее можно считать практически неизменной. Относительный прирост концентрации неосновных носителей оказывается значительно больше. Это ведет к существенному увеличению обратного тока. Чем сильнее световой поток, тем выше концентрации неосновных носителей вблизи перехода и тем больше ток. Ток фотодиода при Ф= const

(11.12)

Выражение (11.12) отличается от известного уравнения вольт-амперной характеристики p-n-перехода (3.55) дополнительным членом Кф Ф, учитывающим увеличение обратного тока при воздействии светового потока. Это приводит к смещению вольт-амперной характеристики p-n-перехода по оси тока на значение /ф (см. табл. 11.1). Вид семейства вольт-амперных характеристик фотодиода при Ф > 0 похож на выходные характеристики биполярного транзистора в схеме ОБ. Обычно за положительное направление тока ФД принимают направление обратного тока перехода.

Если включить в цепь ФД резистор нагрузки Rн (см. табл. 11.1), то на семействе вольт-амперных характеристик можно построить нагрузочную прямую АВ. При увеличении светового потока Ф напряжение на нагрузке растет пропорционально току.

Рассмотрим работу диода при модулированном световом потоке. В исходном состоянии при световом потоке Ф=0 через фотодиод (рис. 7.11) протекает темновой ток /обр.тм в несколько микроампер. Падение напряжения на резисторе нагрузки rh мало, и выходное напряжение [/вых (рис. 7.11, в) практически равно напряжению источника Е (рис. 7.11, а). Оптический сигнал — модулированная по амплитуде или частоте повторения последовательность импульсов светового потока (рис. 7.11,6) вызывает фототок, пропорциональный амплитуде светового потока Фот. Падение напряжения на резисторе /н от фототока и соответственно изменение выходного напряжения Uвых пропорциональны текущей амплитуде светового потока Фm Выходной электрический сигнал — изменение Uвых повторяет закон модуляции входного оптического сигнала.

Если световой поток модулирован, падение напряжения на резисторе Rн изменяется пропорционально модулирующему сигналу. Большая чувствительность по напряжению — одно из преимуществ ФД.

Если в момент времени t=0 подать на фотодиод прямоугольный импульс света (рис. 2.16,а), то ток через диод появится после того, как возбужденные светом носители тока дойдут до р-п-перехода, т. е. через время, равное времени диффузии неравновесных носителей через базу:

В начале импульса (0<t<д) градиент концентрации дырок в базе больше, чем в установившемся режиме (д <t<tи). Поэтому в начальный момент неравновесные носители диффундируют через базу с большей скоростью v, чем последующие. Соответственно носители, возбужденные в конце импульса света (t>tи), диффундируют медленнее. Вследствие этого фронт и спад импульса фототока будут размытыми. Чем больше ширина базы, тем больше размытие импульса, так как t=W/v. К размытию импульса фототока приводят и флуктуации тепловых скоростей носителей зарядов.

Одновременно при прохождении через базу неравновесные носители частично рекомбинируют, что приводит к уменьшению амплитуды импульсов фототока. Этот эффект также увеличивается с ростом W. Если длительность интервалов между импульсами света много больше д, то фототок имеет вид разделенных друг от друга импульсов. С увеличением частоты следования импульсов света длительность интервалов между ними уменьшается и при больших частотах следующий импульс фототока начинается, когда предыдущий еще не успел закончиться (рис. 2.16,г).

Рис. 2.16. Процессы в фотодиоде при импульсном освещении:

а — вид импульса света; б — вид импульса фототока; в — распределение концентрации избыточных носителей в базе; г — вид импульсов фототока при большой частоте следования

импульсов света

58

В этом случае фототок состоит из постоянной /0ф и переменной /~ф  составляющих. Очевидно, что с увеличением частоты /~ф уменьшается, а /0ф растет. Таким образом, при большой частоте следования импульсов света фотодиод не успевает реагировать на каждый импульс света. Поэтому импульсы фототока сливаются друг с другом и фототок становится постоянным, а не импульсным. Сказанное справедливо не только при импульсной, но и при других формах модуляции светового потока. Предельной частотой и называется частота модуляции света, на которой /~ф=0,7 /ф max.

Схема замещения при малых световых потоках и частотах модуляции в несколько десятков МГц эквивалентная схема замещения выглядит так

Здесь  rдиф и rs , отражают дифференциальное сопротивление электрического перехода и сопротивления эмиттерной и базовой областей, т.е. rs=rB+rE, конденсатор учитывает емкость электрического переходафотодиода, источник Iф – имитирует фотоотклик прибора. На частотах модуляции порядка сотенМГц и едениц ГГц, в эквивалентной схеме следует учесть распределенные параметры базы, корпуса и выводов фотодиода.

Световая характеристика / (Ф) при U = const линейна в достаточно широком   интервале   светового   потока (см. табл. 11.1). Это выгодно отличает ФД от фоторезистора. В случае увеличения обратного напряжения расширяется p-п-переход и уменьшаются объемы р- и н-областей, меньшая часть неосновных носителей успевает в них рекомбинировать, в результате этого фототок ФД возрастает.

Спектральная характеристика кремниевого ФД (см. табл. 11.1) имеет максимум в видимой части спектра, характеристика германиевых ФД расположена в области более длинных волн. Это обусловлено меньшей шириной запрещенной зоны германия, фотодиод — быстродействующий прибор, его инерционность в отличие от фоторезистора практически не зависит от светового потока. Она обусловлена влиянием емкости p-n -перехода и временем диффузии к переходу генерируемых светом носителей. Большее быстродействие имеют ФД с базой на основе n-полупроводника. Граничная частота быстродействующих ФД составляет 107 Гц.

В качестве основных параметров ФД используют те же показатели, что и для других    фотоприемников, — чувствительность, граничную частоту и другие.

Параметры ФД, как и других полупроводниковых приборов, зависят от температуры окружающей среды, изменение которой особенно сказывается на темновом токе германиевых ФД.

Фотодиоды имеют ряд преимуществ по сравнению с фоторезисторами: большая интегральная   чувствительность, близость спектральной характеристики к чувствительности глаза, меньшая инерционность. К недостаткам ФД следует отнести нестабильность фототока.

Вследствие влияния емкости р-д-перехода и времени диффузии к переходу генерируемых светом электронно-дырочных пар фотодиоды обладают инерционностью. Для улучшения основных параметров разработан ряд новых типов ФД, основанных на использовании конструкций с тонкой базой и широким р-п-переходом (pin-диоды), в которых генерация и разделение электронно-дырочных пар происходят непосредственно в самом переходе, граничная рабочая частота может достигать 10 ГГц.

Применение фотодиода Шоттки позволяет повысить быстродействие и чувствительность фотоприемника, но оставляет открытой проблему усиления фототока.

Лавинный фотодиод имеет внутреннее усиление тока, вызванное ударной ионизацией атомов полупроводника свободными электронами, ускоряемыми полем p-n-перехода. Это приводит к быстрому лавинообразному нарастанию тока.

Эффективное лавинное размножение получается при условии, что толщина обедненной области с участком сильного электрического поля превышает длину свободного пробега носителя. От других фотоприборов лавинный фотодиод отличается усилением исходного фототока оптически генерируемых носителей в М раз, где М — коэффициент лавинного размножения.

Вольт-амперная характеристика германиевого лавинного фотодиода приведена на рис. 7.14.

Рабочая точка А выбирается в предпробойной области на ВАХ фотодиода. При малых потоках излучения коэффициент М — постоянная величина. С увеличением потока излучения концентрация оптически возбужденных носителей растет, их заряд компенсирует объемный заряд ионов в обедненной области перехода, электрическое поле перехода уменьшается, область лавинного размножения ЛО сужается и, следовательно, коэффициент лавинного размножения падает.

Ток увеличивается, и на последовательном сопротивлении фотодиода rs возрастает падение напряжения. С увеличением светового потока падает предельно возможное значение М, так как средняя напряженность электрического поля в переходе и толщина Л0 уменьшаются. В результате крутизна характеристики в области пробоя падает, т. е. обратная ветвь ВАХ в этой области становится более пологой, хотя ток через диод и возрастает.

Лавинный фотодиод принципиально отличается от других способностью усиливать фототок генерируемых неравновесных носителей, поэтому он используется в фотоприемниках для обнаружения слабых оптических сигналов, сравнимых с шумами фотодиода. собственных шумов в длинноволновой части оптического диапазона охлаждают до температуры 77 К. ). За счет лавинного размножения может быть получено усиление первичного фототока в 30—300 раз.

Достоинство лавинных ФД: низкий порог чувствительности, обусловленный низким уровнем шумов прибора. Лавинный ФД — быстродействующий фотоприемник, полоса его рабочих частот составляет до сотен мегагерц. Но при эксплуатации лавинные ФД требуют высокой стабильности питающего напряжения и постоянства температуры.

Дифференциальный фотодиод имеет п-р-п или p-n-p структуру и симметричные ветви вольт-амперной характеристики. Его можно представить парой одинаковых фотодиодов, включенных навстречу друг другу (см. табл. 11.1).

Фотодиоды можно применять в двух режимах: фотодиодном при подключении к ФД источника питания в обратном направлении (этот режим был рассмотрен выше) и вентильном при U = 0, тогда при освещении ФД сам преобразует часть светового потока в электрическую энергию. Э. д. с. разомкнутого кремниевого фотоэлемента составляет около 0,6 В. В основном ФД используют в фотодиодном режиме.

ФОТОТРАНЗИСТОРЫ.

Полупроводниковый прибор с двумя p-п-переходами, ток которого возрастает под воздействием подвижных носителей заряда, образующихся при освещении прибора, называют фототранзистором (ФТ). Различают германиевые и кремниевые фототранзисторы п-р-п- и р-п-р-типов. Устройство ФТ аналогично конструкциям обычных транзисторов и отличается лишь наличием прозрачного окна в корпусе.

Используя ФТ в качестве фотоприемника, его включают в схему с общим эмиттером, оставляя вывод базы свободным (см. табл. 11.1). При освещении базы в ней происходит генерация электронов и дырок. Неосновные носители — электроны — в фототранзисторе п-р-п-типа перемещаются вследствие диффузии к коллекторному переходу, имеющему обратное включение. Под действием поля этого перехода они перемещаются в коллектор и создают в его цепи фототок.

Одновременно в ФТ идет еще другой процесс, отличающий его от фотодиода. Возникшие в базе основные носители — дырки — не могут ее покинуть, так как вывод базы свободен. Объемный заряд накапливающихся в базе дырок увеличивает ее положительный потенциал. В результате потенциальный барьер эмиттер ного перехода снижается. Возрастает инжекция электронов из эмиттера в базу. Инжектированные электроны диффундируют по базе и переходят затем в коллектор, увеличивая дополнительно его ток. Из соотношения (5.44) известно, что когда /Б = 0, ток транзистора в В +1 раз больше собственного обратного тока коллекторного перехода. Собственный обратный ток ФТ равен сумме двух токов:

(11-13)

где /кбо — обратный ток коллекторного перехода при Ф = 0;

/ф — фототок перехода, равен произведению интегральной  чувствительности фотодиода кф и светового потока Ф.

Вводя /к.соб в выражение (5.44) можно найти ток ФТ как

где —темновой   ток транзистора;

КфТ Ф — фототок транзистора.

Отсюда следует, что интегральная чувствительность   фототранзистора   Кф.т. в (В + 1) раз выше чувствительности фотодиода и составляет до нескольких ампер на 1 лм.

Схема со свободной базой имеет низкую температурную стабильность. При увеличении температуры ее режим резко изменяется вследствие экспоненциального роста обратного тока /кБ0. Поэтому включение ФТ без базового вывода применяют лишь при большой интенсивности светового потока. Вывод базы фототранзистора иногда используется для подачи смещения при выборе рабочей точки на входной и выходной характеристиках транзистора и обеспечения ее температурной стабилизации.

Вольт-амперные характеристики ФТ (см. табл.. 11.1) по виду аналогичны характеристикам фотодиода.

Световая характеристика фототранзистора — зависимость тока коллектора от светового потока /к =f(Ф) — линейна только при малых потоках. С увеличением светового потока и ростом концентрации неравновесных носителей в базе повышается вероятность их рекомбинации, снижаются коэффициенты переноса и инжекции фототранзистора (см. § 4.3). Прямо пропорциональная зависимость коллекторного тока от светового потока нарушается.

Основные параметры ФТ аналогичны параметрам фоторезисторов,  фотодиодов и биполярных транзисторов: рабочее напряжение 10—15 В, темновой ток 100—1000 мкА, общий ток коллектора при освещении прибора 10—20 мА, максимальная рассеиваемая мощность 50 мВт. Важным параметром ФТ является коэффициент усиления по фототоку — отношение фототока коллектора ФТ при отключенной базе к фототоку освещаемого p-п-перехода в диодном режиме:

Частотный диапазон фототранзисторов значительно шире, чем у фоторезисторов. Частотные свойства ФТ характеризуются временем диффузии носителей в базе и процессами заряда емкостей переходов. Диапазон частот ФТ составляет несколько килогерц в приборах со сплавными переходами и несколько мегагерц в диффузионных приборах.

Полевые фототранзисторы сочетают свойства фотодиода, роль которого выполняет р-п-переход затвора и полевого транзистора (см. табл. 11.1). Они имеют высокое входное   сопротивление, что позволяет использовать их при больших уровнях входного  сигнала, высокую чувствительность, большую полосу пропускания и низкий уровень шумов.

При освещении полевого ФТ в его п-канале и области p-затвора генерируются электроны и дырки и увеличивают фототок p-п-перехода, включенного в обратном направлении. На сопротивлении Rз в цепи затвора (см. табл. 11.1) возрастает падение напряжения /фRз-отрицательный потенциал затвора снижается, что приводит к расширению канала и увеличению тока в цепи стока:

-крутизна полевого транзистора.

Освещая область канала, можно регулировать токи в цепи стока, увеличивая его в SRз раз.

В случае малого светового потока Ф <Фмин ток стока близок к нулю. При Ф > Фмин в цепи стока протекает ток, зависящий от светового потока (см. табл. 11.1). При большом световом потоке Ф > Фмин влияние на /с снижается. МДП-транзистор также используют в качестве фотоприемника в сочетании с фотодиодом, работающим в вентильном режиме. Оба прибора изготавливают в одном кристалле полупроводника, фотодиод подключают к истоку и затвору. При одновременном освещении МДП-транзистора и диода изменяются генерируемая им фото-э. д. с. и напряжение отсечки МДП-транзистора.

Фототранзисторы применяют в оптронах, в устройствах автоматики и телеконтроля и другой электронной аппаратуре железнодорожного транспорта.

Структура составного фототранзистора позволяет многократно увеличить чувствительность по сравнению с фотодиодом. Эквивалентная схема структуры показана на рис. 7.18, в, В нее входит фототран-

зистор VT1 и совмещенный с ним по коллекторной области усилительный транзистор VT2. В структуре эмиттер фототранзистора Э1 соединен с базой усилительного. Чувствительность такого тран-ра на 3-4 порядка выше диода. Правда температурная нестабильность у него в 12 раз больше , чем у диода.

1. Экономические основы деятельности учреждений социального обслуживания
2. 3565 г сахара200 мл молока1 длинная палочка корицы сломанная на 3 части10 г желатина4 больших яичных желтк Желат
3. Рассказ египтянина Синухета и образы египетских документальных автобиографий
4. Перечень мероприятий направленных на получение сотрудником дополнительных знаний и навыков выполнения ра
5. Губкинский политехнический техникум УТВЕРЖДАЮ Заместитель директора по УПР Н
6. Марио Варгас Льоса
7. Международный туризм История состояние и перспективы развития
8. Особенно это важно для выработки новой программы действий в новых экономических условиях которая должна оп
9. СРАЗУ ДЕАЛЙ ГЛАВА 3 ПЕРВЫЙ ШАГ- ИЗ ВАНКУВЕРА В МОНРЕАЛЬ 34 ГЛАВА 4 ПЕРВЫЙ КРИЗИС 39 ГЛ
10. Принцип действия 2х тактного дизеля
11. Курсовая работа- Классификация доказательств
12. Курсовая работа- Формы государств в зарубежных странах
13. Конспект лекций по дисциплине Экономика труда и социальнотрудовые отношения Подготовил
14. Реферат- История возникновения и основоположники развития экологических наук
15. Исполнительная власть в РФ
16. 14 вв. конечного безударного гласного и в форме 2 лица ед
17. Тема- Введение Общая рецептура
18. а подкожно б внутрикожно в внутримышечно Доза туберкулина при постановке пр
19. В водоемы планеты ежегодно сбрасывается около 700 км3 загрязненных вод
20. В ассортименте оборудование ridgid позиционирует ручные гидравлические и электрические трубогибы

Материалы собраны группой SamZan и находятся в свободном доступе