Источники и приёмники Излучения (1059978), страница 25
Текст из файла (страница 25)
Фоточувствительный слой ФР из Сс)8 и СВВе наносят пульверизацией на стеклянную или керамическую подложку, реже испарением в вакууме и спеканием порошкообразной массы. ФР на основе РЬВ и РЫе изготавливают химическим осаждением фоторезистивного слоя на подложку из стекла или кварца. Для защиты резистиввого слоя от действия атмосферы его покрывают лаком или заделывают в герметичный корпус, В настоящее время нет ни одной отрасли науки и техники, где не применяли бы ФР.
Их широко используют в тепловизорах, радиометрах, теплопеленгаторах, в приборах спектрального анализа, в системах световой сигнализации и защиты. ФР применяют в системах контроля и измерения геометрических размеров, скоростей движения объектов, температуры, управления различными механизмами, для определения качественного и количественного состава твердых, жидких и газообразных сред и т. д. ФР сегодня— один из самых распространенных ПИ.
й 4.3. Фотодиоды Принцип действия фотодиодов. Фотодиодами называют полупроводниковые приборы, основанные на внутреннем фотоэффекте, использующие одностороннюю проводимость р — п-перехода, прн 11а б) Ф а) (л Р-и -.тееехеб и-еблаелзь б) — а база уп г) С е) Рис. 4.9. Схема геяерирования и разделения пар носителей заряда при освепгепии р — л-перехода (а) и способы включения ФД на активную и реактивную нагрузка: фотодиодный (б, г) и фотогальванический (а, д) освещении которого появляется э. д. с.
(фотогальванический режим) или (при наличии питания) изменяется значение обратного тока (фотодиодный режим). Фотодиоды (ФД) можно изготавливать на основе гомоперехода (р — и-перехода, образованного иа границе двух областей одинакового материала, но с примесями противоположного типа\, гетероперехода (р — п-перехода, образованного па границе двух областей разного материала с примесями противоположного типа) и барьера Шоттки (контактного баръера, образующегося на границе металл и п-полупроводник илн металл и р-полупроводник и различных рйДГ( структур) (85!. Односторонняя проводимость (вентильный фотоэффект) возникает при освегцении одной или обеих областей р — п-перехода. Рассмотрим режимы работы ФД.
При работе ФД в фотогальваническом режиме в случае освещения п-области в ней образуювся новые носители заряда — электроны и дырки (рис. 4'.9, а). Они диффундируют к р — и-переходу, где неосновные носители— дырки — переходят в р-область (обратный ток неосновных носителей), а электроны, для которых диффузионное поле р — -и-перехода является запирающим, остаются в и-области. При постоянном'освещении в р-области накапливаются дырки, а в и-области — электроны. Это приводит ке появлению фотоэ.
д. с, поле которой направлено против поля диффузии в р — и- переходе. Фото-э. д. с. понизит одностороннюю проводимость р — и-перехода, что увеличит прямой ток основных носителей. При разомкнутой внешней цепи и неизменном освещении прямой ток будет увеличиваться до тех пор, пока токи основных н неосновных носителей не уравновесятся, при этом между электродами р — и-перехода устанавливается некоторая разность потен- 113 0! -/ф (из иналов холостого хода У, „ возникающая под действием освещения. При подключении к контактам фотодиода нагрузки (рис.
4.9, а) и отсутствии освещения через р — и-переход и нагрузочное сопротивление потечет ток термически генерированных неосновных носителей /и, называемый темновым током. Прн освещении появляется дополнительный фототок неосновных но- сителей д миА Ф = ая70 тгиаж '000 0! иг =-1Л! и В з('~р( а )= '! — /ф (4 23) где У вЂ” напряжение внепшего источника, В. Рассмотрим схемы включения, вольт-амперные характеристики и выбор нагрузки ФД. Фотодиодный режим работы ФД. Схема включе!и!я ФД в фотодиодном режиме приведена на рис.
4.9, б, а экспериментально полученные вольт-амперные характеристики ФД-1 — - на рис. 4. !О, и, б. Теоретиг!ескн вольт-амперные характеристики можно рассчитывать по формуле (4.23) 123, 24 ]. При изменении сопротивления нагрузки меняется угол наклона прямых а, так как 1П а = 1Яи = //15,. !!4 /ф — — 5,Ф. Пбший ток в цепи ФД н фотогальнаннческом режиме / - /и ! ехр ~( †"„" ) - ! ) - ~ф где 1'и — падение напряжения на нагрузке от протекзюшего в цепи тока, Уи — — /гск; е -- заряд электрона; я — постоянная Г>ольцмана; Т вЂ” абсолютная температура.
Это выражение позволяет построить вольт-амперные характе- ристики фотогальванического режима, Таким образом, ФД в фотогальваническом режиме непосред- ственно преобразует энергию света в электрическую (при осве- щенности 8000 лк фото-э. д. с, составляет О,! В!. При работе ФД в фотодиодном режиме к нему прикладывают обратное напряжение (рис. 4.9, б): В этом случае в отсутствии освещения через р- — и- переход и сопрогивление нагрузки протекает обра>ный дырочный ток /а, При освещении же и-области через р — и-переход и со- противление нагрузки будет протекать дополнительный дырочпый фототок неосновных носителей /ф.
Суммарный ток в цепи будет ', складываться из темпового тока и фототока неосновных ношпелей Ток основных носителей в диодном режиме можно считать пре- небрежимо малым, так как прикладываемое обратное напряжение исгочника питания складывается с напряжением поля диффузии р--и-перехода и препятствует току основных носителей Выражение для вольт-амперной характеристики фотодиодного режима имеет вид с 7(7 Гурагкдт 0 ри Рис.
4.10. Вольт-кмперные характеристики ФД-1 (а), ветвь вольт-амперной характеристики фотолиодного режима (б), фотогальваняческого (в) и при работе на разные нагрузки яо постоянному и переменному току (к): 1 — обиаст. фасадно иота рахима; 1! — абиасть фотагеиератариого режима; ! — Ф = 0: 2 — Ф =- 50 и Зг; С вЂ” З = 250 мквт; а — 'Э .= !250 мкйт; 5 — Ф 2500 мкит; б— Л„= 50 Ом: à — Ии == ьво О» При этом падение напряжения на нагрузке и ФД будет Ток внешней цепи в фотодиодном режиме при приложении напряжения питания 1' в запирающем направлении /=/а+ /ф. Значение фототока можно рассчитать через токовую чунстиительность ФД 5, и падающий поток излучения Ф /ф —— 5110.
Из приведенных выражений /гс„= Уя == 51Ф/хя+ /з/хн. Продифференцировав это выражение, получим формулу для интегральной вольтовой чувствительности ФД 5, = дУн/ЙФ=-5гй„. Следовательно, чтобы повысить вольтовую чувствительность, необходимо увеличить сопротивление нагрузки /си. Максимальное значение /хги,„связано с максимальным потоком излучения, который можно зарегистрировать ФД, следующим соотношением: /книгах = Уя/(/фтах ! /и) = Уп/(5!с)>мах+ /и) (4 24) При этом точка пересечения прямой нагрузки с вольт-амперной характеристикой, соответствующей максимальному потоку излучения Ф„, должна лежать в области диодного режима, 115 С учетом этого выражения можно получить две приближенные формулы для Ьу,„при !ф )) Уо и 1ф .( lе, удобные для практических расчетов: уф ) lа 5к вах = ]Уп)Фааах: lф .< 1з 5г,оа» = 5г (]уиууа).
Если уф ). уь, то максимальная вольтовая чувствительность не зависит от параметров ФД, а если Уф ..', 1„, то она тем больше, чем меньше значенистемновоготока уз. При работе ФД с модулированным сигналом от объекта на фоне пемодулированной фоновой засветки целесообразно иметь минимальную вольтовую чувствительность по постоянному току (от фона) и максимальную по переменному току (от обьскта). Для этого используют трапсформаторнуно или дроссельную схемы включения ФД, позволяющие получигь болыпое сопроуивлепие по переменному току (индуктивное сопротивление) и малое по постоянному току (актпвнос сопротивление) (рис. 4.!О, г).
Вольт-амперные характеристики в этом случае будут иметь вид, приведенный на рис. 4.10, г [94]. По постоянному току 1=. сопротивление нагрузки Ухха-..должно быть малым. В идеале надо иметь режим короткого замыкания (Ух„-а-0; (п а -а. оо: о — 90"). По переменному току сопротивление Ух„должно быть большим Я, — е оо; (д х — 0; я — О), в идеале — — режим холостого хода.
При рабоге с разнымн нагрузками по постоянному н переменному токаи ух„определяет вольтовую чувствительность, а Ух',= -- режим работы. При уф; уз имеем 5г „... --- 5~ ()У.ууз) =- 5у2.—, (4.26) где 2„— сопротивление нагрузки по переменному току. Сопротивление нагрузки по постоянному току желательно делать намного меньше уело „ах, вычисленяого по формуле (4.24). Фотогальванический режим работы ФД. В фотогальванпческом режиме работы ФД (рис.
4.9, е) напряжение на р — -и-переходе определяется током, протекающим в цепи нагрузки, согласно фор ч у ле (4. 22) . Если Ууо - оо, то ток во внепноей цепи 1 = — О, а вместо )Ул в (4.221 можно подставихь значение )У,, — напряжения холостого хода Π— уа~е р (Я вЂ”;* ) — 1,] — уф. После преобразований найдем напряжения холостого хода = — 1п ( — ф +1~ = — ]п ( ' + 1).
(4.26) Напряжение холостого хода )Ух, (фото-э. д. с.) ФД в фото- гальваническом режиме изменяется с ростом светового потока по логарифмическому закону и в пределе достигает значения, равного контактной разности потенциалов р — п.перехода. Зависи- 116 мость )У . =у (Ф) †сложн и нелинейная, но диапазон изменения х. х= сигнала велик. Линейность наблюдается только на начальном участке при lф (( lа.
Чтобы получить максимальную вольтовую чувствительность, продифференцируем уравнение (4.26) где уа — темновой ток насыщения при Ф = 0; 1ф = 5,Ф; Ухао— сопротивление р — и-перехода при нулевом напряжении, ухо = = ЙТ1(еуа). Для комнатной температуры 1 5~ у у + у Можно получить приближенные формулы при уф (( 1е и lф» lа, удобные для практических расчетов. 'г7 уф « уа 51 мах = Ухо5г = у уа 5 уе йауз 1ф))lа 5Уааах= у 051 у 1 у =ухо х у ф Отсюда следует, что вольтовая чувствительность в фотогальваннческом режиме уменьшается с увеличением потока излучения, падающего на ФД. Если известно максимальное значение фототока уф~ах = 5гФж,х, то максимальное сопротивление нагрузки по постоянному току можно найти из соотношения ]24]: (4.27) О уф оаах Следует иметь в виду, что оптимизировать нагрузку на весь диапазон работы ФД не удается, так как сопротивление р — и- перехода меняется в зависимости от освещенности.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
