Просмтор этого файла доступен только зарегистрированным пользователям. Но у нас супер быстрая регистрация: достаточно только электронной почты!

Текст из файла (страница 2)

Т – температура фоточувствительного элемента фотодиода [K];

I₀ – обратный ток p-n перехода фотодиода, образованный неосновными носителями заряда в отсутствие внешнего напряжения и облучения:

(4)

I_0 – условное значение обратного тока при очень большой температуре, когда ионизированы все собственные атомы полупроводника;

E – ширина запрещенной зоны собственного полупроводника;

I_F – фототок:

I_F =S_IФ (5)

S_I – интегральная токовая чувствительность фотодиода;

Ф – поток, падающий на чувствительную площадку.

Подставляя (4) в (3), получим:

При практически используемых напряжениях питания ФД, прикладываемых в запирающем направлении: eV_D>>KT, (при нормальной температуре 293К KT0,025 ЭВ) т.е. при V_D=1 В =40 и 0,410^-17<<1.

Поэтому можно считать, что температурная характеристика темнового тока имеет вид:

(6)

т.е. величина и температурная характеристика темнового тока определяются величиной ширины запрещенной зоны собственного полупроводника E.

Отметим, что в выражение фотосигнала фотодиода – фототока I_F – температура не входит, т.е. он мало зависит от температуры. Это одно из важных достоинств фотодиода.

Графики вольт-амперных характеристик фотодиода приведены на рис.3 и показывают, что фотодиод – существенно нелинейный электрический элемент.

В зависимости от способа включения фотодиода и способа измерения фотосигналом цепи включения может служить или фототок или напряжение фотосигнала.

Фототок фотодиода преобразуется в напряжение фотосигнала посредством включения в электрическую цепь сопротивления нагрузки R_Н

Применяют два способа (основных) включения фотодиода:

- фотодиодный режим (рис.4а)

- вентильный режим (рис.4б)

а б

Рис. 4. Фотодиодный (а) и вентильный (б) режимы работы фотодиода.

Вентильный режим характерен отсутствием внешнего источника питания, т.е. используется способность p-n перехода фотодиода генерировать фотосигналы – фототок или фото ЭДС.

В фотодиодном режиме внешнее напряжение V_D прикладывается в запирающем направлении.

Графоаналитический метод определения величины напряжения фотосигнала, снимаемого в цепи включения фотодиода.

Нелинейный характер ВАХ фотодиода затрудняет расчет величины фотосигнала (фототока или напряжения) в цепях включения с сопротивлением нагрузки.

Для определения величины напряжения фотосигнала необходимо определить состояние электрической цепи с нелинейным электрическим элементом (фотодиодом) в темноте и при облучении, т.е. определить ток в цепи и падение напряжения на каждом из элементов. Разница падений напряжения на сопротивлении нагрузки в темноте и при облучении является искомым напряжением фотосигнала.

Для схемы рис. 4а (фотодиодный режим) на основании закона Кирхгофа можно записать два равенства, связывающие параметры состояния электрической цепи:

(14)

(15)

где I_D, I_H – токи, протекающие через фотодиод и сопротивление нагрузки; V_D, V_H – падение напряжения на фотодиоде и сопротивлении нагрузки; V_n – напряжение питания цепи включения (заданная величина). Кроме того, мы располагаем ВАХ фотодиода, т.е. зависимостью

(16)

Если мы найдем зависимость

(17)

и приравняем правые части равенства (16) и (17) на основании равенства (14), то найдем V_D, затем из равенства (15) – V_H и, наконец, I_H.

Для отыскания зависимости (17) поделим обе части равенства (16) на величину сопротивления нагрузки R_H.

Тогда

т.е.

Полученная зависимость – уравнение прямой линии. Для графического построения ее удобны точки:

точка а ; ;

точка б ; .

Эту прямую называют нагрузочной прямой. Точка б соответствует режиму короткого замыкания фотодиода.

Практически величину сигнала удобно определить графическим методом (рис.6).

Рис. 6.

Построим на одном графике две вольтамперные характеристики фотодиода (при заданном уровне облучения – потока Ф и в неосвещенном состоянии) и нагрузочную прямую. ВАХ фотодиода находят расчетом или чаще – экспериментально.

Точки пересечения ВАХ и нагрузочной прямой соответствуют выполнению равенства (14), следовательно, их координаты (I_D, V_D) описывают два состояния электрической цепи. Падения напряжения на сопротивлении нагрузки легко определяется по тому же графику:

а напряжение фотосигнала равно:

Для схемы рис. 6а (вентильный режим) решение отыскивается аналогичным образом при условии V_n=0.

Уравнение нагрузочной прямой в этом случае имеет вид:

В общем случае для этого режима .

При (режим холостого хода) напряжение фотосигнала равно фото ЭДС (точка а на рис. 7).

Рис. 7.

При (режим короткого замыкания – точка б на рис. 7) ток во внешней цепи равен фототоку p-n перехода (если пренебречь влиянием внутреннего сопротивления областей полупроводника между p-n переходом и электрическими контактами). Графоаналитический метод позволяет исследовать влияние изменения параметров цепи включения на величину сигнала и выбрать величину оптимальной нагрузки при заданных условиях.

Упрощенные теоретические выражения: (12.) – для ВАХ фотодиода и (5) – для фототока показывают, что фототок фотодиода не зависит от приложенного напряжения и линейно зависит от падающего потока излучения. Это положение приближенно соблюдается и на практике (небольшое увеличение фототока с ростом напряжения V_D объясняется лучшим разделением пар фотоносителей при увеличении потенциального барьера). Поэтому способность собственно фотодиода преобразовывать оптическое излучение в электрический сигнал принято описывать его интегральной токовой чувствительностью; и именно эта величина указывается в паспортных данных фотодиода:

S_I= I_F/ Ф (18)

При экспериментальных измерениях фототок определяется как разность общего (I_общ) и темнового (I_Т) токов, поэтому

(19)

Цепь включения ФД характеризуют интегральной вольтовой чувствительностью:

(20)

Вид энергетической характеристики напряжения фотосигнала цепи включения фотодиода и величина чувствительности зависят от параметров цепи включения.

Участок ВАХ фотодиода правее точек Г_n рис. 5 (n=0,1,2…), где общий ток фотодиода I_общ практически не зависит от приложенного напряжения, ВА называют областью насыщения ВАХ.

Если сопротивление нагрузки R_H и напряжение питания V_n (рис.4а) выбраны так, что в заданном диапазоне величин облучения фотодиода нагрузочная прямая пересекает область насыщения ВАХ, то напряжение фотосигнала

(21)

(22)

а интегральная вольтовая чувствительность цепи включения фотодиода:

(23)

то есть

(24)

Выражения (22) и (24) показывают, что в этом случае напряжение светосигнала и вольтовая чувствительность не зависят от напряжения питания V_n, определяются одним из параметров цепи включения – величиной сопротивления нагрузки R_H, а энергетическая характеристика фотосигнала линейна.

Выражение (24) показывает, что с ростом R_H увеличивается S_V. Однако, если сопротивление R_H увеличить (или напряжение питания уменьшить) до такой степени, что нагрузочная прямая пересекает ВАХ не в области насыщения, то нарушается линейность энергетической характеристики напряжения фотосигнала и выражения (22) и (24) перестают быть справедливыми.

Сравнивая фотосигналы и вольтовые чувствительности фотодиода в двух режимах его работы, можно отметить следующее.

В вентильном режиме (V_n=0) величина напряжения фотосигнала V_С не превышает величины фото ЭДС, обычно составляющей сотые и десятые доли вольта; в фотодиодном режиме (V_n – несколько десятков вольт) парметры цепи включения могут быть выбраны так, что при том же облучении V_С может приближаться по величине к U_П, т.е. вольтовая чувствительность фотодиодной схемы включения может быть в сотни раз больше, чем вентильной.

Сравнение режимов работы фотодиода показывает следующее.

Преимуществами фотодиодного режима являются:

- большая вольтовая чувствительность,

- меньшая инерционность (т.к. приложенное напряжение способствует более быстрому дрейфу фотоносителей к p-n переходу).

Преимущество вентильного режима состоят в:

- отсутствии внешнего источника питания,

- меньшем уровне шумов (т.к. в этом режиме отсутствует темновой ток).

Особенными достоинствами в вентильном способе включения фотодиода обладает режим короткого замыкания, когда выходным сигналом является фототок. Как было показано выше, он пропорционален падающему лучистому потоку и практически не зависит от температуры p-n перехода.

Лабораторная установка для измерения основных характеристик фотодиода. Методика измерений

В данной лабораторной работе измеряются семейства вольтамперных характеристик (ВАХ) фотодиодов (ФД) при различных уровнях облучения. Необходимость измерения ВАХ обусловлена тем, что ФД является существенно нелинейным элементом электрической цепи, управляемым оптическим излучением.

На основе проведенных измерений вычисляются основные фотоэлектрические характеристики и параметры ФД и цепи его включения:

- энергетическая характеристика фототока;

- энергетические характеристики напряжения фотосигнала;

- токовая чувствительность цепи включения ФД;

- вольтовая чувствительность цепей включение ФД.

Характеристики

Список файлов лабораторной работы