И.П. Жеребцов - Основы электроники (1115520), страница 59
Текст из файла (страница 59)
Но при некотором напряжении возникает электрический пробой (штриховые участки характеристик). Энергетические характеристики фото- диода 1 = 1'(Ф) при У = сопят линейны и мало зависят от напряжения (рис. 13.5). Рис. 13.3. Схема включения фотодиода для работы в фотолнодном режиме Рис. 13.4. Вольт-амперные характеристики фотодиода для фотолиодного режима 188 Рис. !3.5. Энергетические характеристики фотолиола Интегральная чувствительность фотодиода обычно составляет десятки миллнампер на люмен.
Она зависит от длины волны световых лучей и имеет максимум при некоторой длине волны, различной для разных полупроводников. Инерционность фотодиодов невелика. Они могут работать на частотах до нескольких сотен мегагерц. А у фотоднодов со структурой р †! — и граничные частоты повышаются до десятков гигагерц. Рабочее напряжение у фотодиодов обычно 10 — 30 В.
Темновой ток ие превышает 20 мкА для германиевых приборов и 2 мкА — для кремниевых. Ток при освещении составляет сотни микроампер. В последнее время разработаны фотодиоды на сложных полупроводниках, наиболее чувствительные к инфракрасному излучению. Большинство фотоднодов изготовляется по планарной технологии (рис. 13.6). Имеется несколько разновидностей фотодиодов. У лавиииых фотодиодов происходит лавинное размножение носителей в и -р-переходе и за счет этого в десятки раз возрастает чувствитсль- Рис. !3.6.
Принцип устройства планариого фотолиола ность., В фотодиодах с барьером Шатки имеется контакт полупроводника с металлом. Это диоды с повышенным быстродействием. Улучшенными свойствамн обладают фотодиоды с гетеро- переходами. Все фотодиоды могут работать и как генераторы ЭДС, о чем рассказано в следующем ггараграфе. 13.4. ФОТОЭЛЕМЕНТЫ Полупроводниковые фотоэлементы, иначе называемые веитильными или фотогальваиичвскими, служат для преобразования энергии излучения в электрическую энергию, По существу, они представляют собой фотодиоды, работающие без источника внешнего напряжения и создающие собственную ЭДС под действием излучения. Фотоны, воздействуя на и — р-переход и прилегающие к нему области, вызывают генерацию пар носителей заряда. Возникшие в и- и р-областях электроны и дырки диффундируют к переходу, и если они не успели рекомбинировать, то попадают под действие внутреннего электрического поля, имеющегося в переходе.
Это поле также действует и на носители заряда, возникающие в самом переходе. Поле разделяет электроны и дырки. Для неосновных носителей, например для электронов, возникших в р-области, поле перехода является ускоряющим. Оно перебрасывает электроны в и-область. Аналогично дырки перебрасываются полем из и-области в р-область. А для основных носителей, например дырок в р-области, поле перехода является тормозящим, и эти носители остаются в своей области, т. е. дырки остаются в р-области, а электроны — в и-областн (рис. 13.7). Рис. 13.7. Разделение возбужденных светом носителей под действием поля и — р-перехода В результате такого процесса в ни р-областях накапливаются избыточные основные носители, т. е.
создаются соответственно заряды электронов и дырок и возникает разность потенциалов, которую называют фото-ЭДС 1Еь). С увеличением светового потока фото-ЭДС растет по нелинейному закону 1рис. 13.8). Значение ЭДС может достигать нескольких десятых долей.вольта. При включении полупроводникового фотоэлемента на нагрузку 1рис. 13.9) возникает фототок 1« — — ееДК + Я,), где Я,— внутреннее сопротивление самого фотоэлемента.
Первые вентильные фотоэлементы из гемиокснда 1закиси) меди были разработаны еще в 1926 г. В дальнейшем особенно широко применялись селеновые фотоэлементы, сделанные на основе селена р-типа. В пластинке такого селена создавался тонкий слой и-типа, на который воздействовал световой поток. Интегральная чувствительность селеновых фотоэлементов доходила до нескольких сотен микроампер на люмен.
Они имели спектральную характеристику почти такую же, как у человеческого глаза, что было удобно для различных фото- метрических методов. Значительный интерес представляли сернистоталлиевые фотоэлементы, которые разработал в м«О «ОО 300 200 100 ф О 02 09 ОБ 08лм Рис. 13.8. Зависимость фото-ЭДС от свето- вого потока Рис. 13.9. Схема включения фотоэлемента СССР Б. Т. Коломиец. У них чувствительность достигала тысяч микроампер на люмен. Недостаток вентильных фотоэлементов — низкие частотные свойства и значительная зависимость интегральной чувствительности от температуры. В настоящее время важное значение имеют кремниевые фотоэлементы, используемые в качестве солнечных преобразователей.
Они преобразуют энергию солнечных лучей в электрическую, и ЭДС их достигает 0,5 В. Из таких элементов путем последовательного и параллельного соединения создаются солнечные батареи, которые обладают сравнительно высоким КПД )до 20%) и могут развивать мощность до нескольких киловатт. Солнечные батареи из кремниевых фотоэлементов — это основные источники питания на искусственных спутниках Земли, космических кораблях, автоматических метеостанциях и др.
Практическое применение солнечных батарей непрерывно расширяется. 13.5. ФОТОТРАНЗИСТОРЫ Значительно выше по сравнению с фотодиодами интегральная чувствительность у фототранзисторов. Биполярный фототранэистор представляет собой обычный транзистор, но в корпусе его сделано прозрачное «окно», через которое световой поток может воздействовать на область базы. Схема включения биполярного фототранзистора типа р — и — р со «свободной», т.е, никуда не включенной, базой, приведена на рис.
13.10. Как обычно, на эмиттерном переходе напряжение прямое, а на коллекторном — обратное. Фотоны вызывают в базе генерацию пар носителей заряда — электронов и дырок. Они диффундируют к коллектор- ному переходу, в котором происходит их разделение так же, как и в фото- диоде. Дырки под действием поля коллекторного перехода идут из базы в коллектор и увеличивают ток коллектора. А электроны остаются в базе и повышают прямое напряжение эмиттерного перехода, что усиливает инжекцию ды- 189 ф Рнс. 13,10. Структура и схема включения фототранзистора со «свободной» базой рок в этом переходе.
За счет этого дополнительно увеличивается ток коллектора. В транзисторе типа и — р — н все происходит аналогично. Интегральная чувствительность у фототранзистора в десятки раз больше, чем у фотодиода, и может достигать сотен миллиампер на люмен.
Фототранзистор со «свободной» базой имеет низкую температурную стабильность. Для устранения этого недостатка применяют схемы стабилизации, которые были рассмотрены в гл. 4. При этом, конечно, должен быть использован вывод базы. На этот вывод можно также подавать постоянное напряжение смещения или электрические сигналы и осуществлять совместное действие этих сигналов и световых. Выходные характеристики фототранзистора показаны на рис. 13.!1. Они аналогичны выходным характеристикам для включения транзистора по схеме с общим эмиттером, ио различные кривые соответствуют различным значениям светового потока, а не тока базы.
Ряс. 13.!1. Выходные характеристики фото- транзистора 190 Характеристики показывают, что при повышенном напряжении возникает электрический пробой (штриховые участки). Параметры фототранзисторов — интегральная чувствительность, рабочее напряжение (10- 15 В), темновой ток (до сотен микроампер), рабочий ток (до десятков миллиампер), максимальная допустимая рассеиваемая мощность (до десятков милливатт), граничная частота. Фототранзисторы, изготовленные сплавным методом, имеют граничные частоты до нескольких кнлогерц, а изготовленные диффузионным методом (планарные) могут работать на частотах до нескольких мегагерц. Недостаток фото- транзисторов — сравнительно высокий уровень собственных шумов.
Помимо рассмотренного биполярного фототранзистора применяются и другие. Составной фотохнранзистор представляет собой фототранзистор, соединенный с обычным транзистором. В гл. 9 было показано, что составной транзистор имеет коэффициент усиления тока В, равный произведению коэффициентов усиления двух транзисторов В результате интегральная чувствительность у составного фототраизистора в десятки раз больше, чем у обычного, и в тысячи раз больше, чем у фотодиодов. Высокая чувствительность и хорошее быстродействие достигаются при сочетании фотодиода с высокочастотным транзистором.
Кроме биполярных фототранзисторов в качестве приемников излучения используются и полевые фототранзнстори. На рис. 13.12 показан полевой фототранзистор с каналом н-типа. При облучении н-канала в нем и в прилегающей к нему р-области (области затвора) генерируются электроны и дырки. Переход между н-каналом и р-областью находится под обратным напряжением, и поэтому под действием поля этого перехода происходит разделение носителей заряда. В результате повышается концентрация электронов в н-канале, уменьшается его сопротивление и увеличивается концентрация дырок в р-области. Ток канала (ток стока) возрастает. Кроме того, возникает фототок в Ф и ~~~ с Як 19! Рнс, 13.12. Структура н схема включения полевого фототранзнстора с каналом и-гнпн цепи затвора.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
