Источники и приёмники Излучения (1059978), страница 28
Текст из файла (страница 28)
Для инженерных расчетов ЛФД используют эмпирическую зависимость (33) 44 ' в ма ! (! вер!! вр) ! !(Ре Ри!)д)двр! где Гвр — напряжение лавинного пробоя, при котором М -е оо; л = 1,4 —;6 зависит от ионизационной способности электронов и дырок используемого полупроводника; (ла — внешнее напряжение источника; Гс„— сопротивление нагрузки. Максимальный коэффициент умножения М наблюдается при 1''вер = 1 вр: Лдзд! з~ вх где А — площадь р — л-перехода; га — последовательное сопротивление ФД; /„ — плотность входного тока, !вх =- !ф + !,. Вольт-амперные характеристики ЛФД приведены на рис. 4.16, б.
Как видно из рисунка, при повышении Гв характер увеличения тока для разных потоков Ф различен, так как при увеличении Ф концентрация носителей заряда сильно возрастает, что экранирует объемный заряд р — и-перехода и снижает напряженность поля в его области. Это ограничивает !,„ и уменьшает М.
Лавинные фотодиоды представляют собой полупроводниковые аналоги ФЭУ с лучшим, чем у ФЭУ, отношением сигнал/шум. Коэффициент умножения темпового и светового токов зависит от приложенного напряжения. Значение достижимого коэффициента умножения М лавинного фотодиода зависит от сопротивления гз, фоновой засветки и значения темпового тока и для кремниевых ФД равно 10' — 10», а для германиевых — !О' — 10'.
Коэффициент усиления полного тока увеличивается с увеличением обратного напряжения, а коэффициент умножения М светового тока !ф имеет максимум при напряжении пробоя. В ЛФД используются либо широкий Р— л-переход, либо р — с' — л-переход, либо поверхностный барьер Шоттки. Так как дырки имеют больший коэффициент ударной ионизации, освещаемая область становится и-типа. Основные виды шумов ЛФД: дробовый, зависящий от коэффициента умножения ! лод = ! рМ', где х = 2 —;3, а также токовый. увеличивающийся более чем в М раз по сравнению с токовым шумом обычного ФД, что ухудшает порог чувствительности. Современный кремниевый ЛФД с рабочей поверхно)2б и) Я ()/ ф=() ф ф алаи ~ ~ ~ ~ ~ Эмил)лдго Р )'л» фх :д ф„ д д + д д -7„,мл дд фе>фл» фа ~фд рис. 4.
)7. Схема включения (а), аквивалентнав схема (б) и вольт.амяернме харак- теристики фототраиаистора (а) стью йх!О ' см' и обратным напряжением 8 — 15 В имеет диапазон спектральной чувствительности 0,35 — 1,13 мкм и Вк = = 0,5 Л/Вт при», =- 0,9 мкм; емкость перехода около 1,5 пФ, что позволяет реализовать частотный диапазон до 10 ГГц, темновой ток !,ж 1О ' А. Фототраизисторы. Фототранзистором (ФТ) называют полупроводниковый ПИ на основе использования внутреннего фотоэффекта, совмещающий в себе свойства ФД и усилительного триода. Различают униполярные и биполярные ФТ. Униполярные ФТ создаются на основе 7»(ДП-структур.
Различают двз их типа: в первом ток обусловлен электронами, и его называют л-канальным; во втором — дыркамн, и его называют р-канальным. Наиболее распространены р-канальные униполярные ФТ. Чаще всего используют биполярные ФТ, поэтому рассмотрим их более подробно в настоящем параграфе, называя их просто ФТ. Биполярным ФТ называют полупроводниковый ПИ на основе использования внутреннего фотоэффекта с двумя р — и-переходами и с дополнительным усилением фототока на втором р — л-переходе. Т акой ФТ состоит из монокристалла германия и-типа (рис. 4.17, а) — базы, — в котором с двух сторон созданы сплавные р — и-переходы — коллекторный и эмиттерный. Значительный эффект усиления фототока ФТ наблюдается при его включении с коборванной» базой (рис.
4.17, б), при этом на эмиттерный переход подается напряжение в прямом, а на коллекторный— з запирающем направлении. Входным сигналом для ФТ (в отличие от обычного транзистора) служит падающий поток излучения Ф, который и управляет током в цепи. Когда ФТ не освещен, через него протекает ток, определяемыи неосновными носителями, инжектированными из эмиттера, прошедшими базу и достигшими коллектора. Несмотря на то что переход база — эмиттер включен в прямом направлении, число дырок, инжектированных эмитгером на базу, невелико, а сам ток фактически мал.
Объясняется это тем, что дырки накапливаются в базе вследствие отсутствия контактируюсцих от- )27 рицательных зарядов, которые не могут туда поступать из-за ее обрыва. При облучении образующиеся дырки диффундируют к эмиттеру и коллектору. Дырки, пришедшие к коллектору, увеличивают его ток, а электроны создают избыточный нескомпецсированный отрицательный объемный заряд, уменьшающий потенциальный барьер перехода эмиттер — база и резко увеличивающий поток дырок нз эмиттера в область базы. Эти дырки, пройдя базовую область, попадают па коллектор и еще больше увеличивают ток ФТ, причем ток за счет дырок, вызванных отрицательным объемным зарядом в области базы, превосходит значение тока, определяелого дырками, генерированными в базе первоначально под действием света.
Таким образом, усиливается фототок. Вели есть базовый вывод, его можно использовать для выбора начального режима и стабилизации рабочей точки ФТ при изменении окру жающей температуры. Благодаря усилению фототока интегральная чувствительность ФТ выше, чем у ФД, и достигает 0,2 — 0,5 А/млм. Вольтовая чувствительность ФТ немного выше, чем у ФД (а иногда и ниже), так как темновой ток ФД больше, а рабочее напряжение питания меньше (3 В).
Вольт-амперные характеристики ФТ аналогичны ФД (рис. 4.17, в). Они имеют меньшее внутреннее сопротивление, и их характеристики обладают большей крутизной, чем у ФД. Световые характеристики ФТ линейны в широком диапазоне. По постоянной времени и частотным характеристикам ФТ уступают ФД, так как эмиттерный переход имеет большую емкость (прнмерно 10' пФ/смз), что увеличивает постоянную времени схемной релаксации (постоянная времени ФТ 1О '— 10 а, с). Кроме схемы включения с оборванной базой, рассмотренной вьппе, для ФТ разработаны специальные схемы включения, учитываюшие необходимую стабильность его работы при изменении температуры окружающей среды. Повышения стабильности работы ФТ добиваются применением компенсирующих элементов и отрицательной обратной связи по переменному току 129 1.
Для того чтобы достичь наибольшей чувствительности схемы включения ФТ с автоматическим смещением (рис. 4.18, а), сопротивление резистора )х, выбирают около 100 кОм, )сз — таким, чтобы напряжение на эмиттере в прямом направлении равнялось нулю. Термостабильиость этой схемы не слишком высока, так как напряжение на коллекторе в силу больших значений )с, и )сз зависит от температуры, Наибольшей термостабильностью обладает схема включения ФТ с избирательной связью между эмиттером и базой (рис.
4.18, б). Дроссель в схеме создает короткое замыкание по постоянному току и определенную, зависящую от частоты, связь между эмиттером и базой по переменному току. Рис. 4.18, в показывает зависимость чувствительности схемы от частоты. Для наибольшей !М Рис. 4.18. Схема включения фототранзисторов с автоматическим смепгеннем (а), высокостабильная схема с избирательной связью (б) и ее чувствительность (в), схема с избирательной связью (г) и устройство и включение полевого транзистора (д) дю О,з й г 4 бз(я Ф !г г) гсм чувствительности необходимо, чтобы сопротивление дросселя на частоте модуляции потока излучения )м было равно хь = 2п7м7. и = 130 —: 100) Яв где )с, — сопротивление эмиттерного перехода по постоянному току в схеме с общей базой; Епр — индуктивность дросселя.
Схема, показанная на рнс. 4.18, б, имеет малую чувствительность к фоновой засветке, так как при (м = 0 чувствительность (рис. 4.18, в) близка к нулю. Исследования показали, что нормальная работоспособность схемы сохраняется до фоновых засветок 2200 лк и температуры 70 'С. Достоинство схемы — относительно большее значение выходного сопротивления [33) Р,мх = Р Г(1+ ()), где )с„ — сопротивление коллекторного перехода; р — коэффициент передачи по току в схеме с общим эмиттером.
Выходное сопротивление будет в б — 8 раз выше, чем в схеме с «оборванной» базой. При низких частотах модуляции потока излучения дроссель в схеме, изображенной иа рис. 4.18, б, может быть чрезмерно большим. В этом случае используют схему включения, показанную на рнс.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
