Гусев - Электроника (944138), страница 38
Текст из файла (страница 38)
(3.! 4) о Уравнение (3.14) аналитически описывас| волы.-ампсрную характеристику фотодиода. При коротком замыкании фотодиода (Г.= О) ток в цепи диода Уоои, „равен фотот оку: ~об и ~ф '~ии (3.15) В режиме холостого хода ток в цепи отсутствует (1= 0) и напряжение на зажимах фотолиода ЬГ„, согласно (3.14), растет по логарифмичсскому закону при увеличении светового потока: часть носителей заряда рекомбинирует в базе при движении к р-п-переходу. 2. Абсолютные и относительные спектральные х а р а к т е р и с т и к и фотодиода аналог ичны соответствующим характеристикам фоторезистора и зависят от материала фотодиода и введенных примесей (рис.
3.!2, в). Спектральные характеристики практически захватывают всю видимую (300 750 нм) и инфракрасную области спектра. 4. Частотная характеристика показывает изменение интегральной чувствительности при изменении яркости светового потока с разной частотой излучения (рис. 3.12, е). Иногда инерционные свойства фотодиода характеризуют граничной частотой, на которой интегральная чувствительность уменьшается в, 2 раз по сравнению со своим статическим значением.
Граничная частота быстродействующих кремниевых фотодиодов — порядка 10' Гц. Для повышения быстродействия и увеличения чувствительности в последние годы разработан ряд фотодиолов; со встроенным электрическим полем; па основе р-(-и-струкзур; с барьерами Шогки; лавинпые фотодиоды и т. д. В фотодиодах с еспгроеппым электрическим полем базу получают с помощью процесса диффузии. Из-за неравномерного распределения концентрации примесей в ней возникает внутреннее электрическое поле, которое ускоряет движение неосновных носителей заряда к р-и-переходу. Вследствие на- 7в,ЕР а)' ))) '1 г,-р г) Рис. З.)2 Эггар«в«ические «врвктсрисгики фотоииопа в гснервторноы рсжггие )а) и при работе с вненнгиы ггстоннтгкоы /Г/„,„г ) > /С«е/ > )б); относитстьныс свектрвньные )в) и «асгогные 1;) «врвьгерисгнки ложения диффузионного и дрейфового движений ~„~ фотодиода несколько возрастает.
Фотодиоды, выполненные на основе р-йп-структур, имеют значительно большую толщину области, обедненной основными носителями заряда, так как между р- и и-областями имеется 1-обласгь с собственной электропроводностью. К переходу без риска пробить его можно приложить значительные напряжения. В результате возникает ситуация, ко~ да световое излучение поглощается непосредственно в области, обедненной основными носителями заряда, в которой создано электрическое поле высокой напряженности. Электроны и дырки, возникающие в области перехода при световом облучении, мгновенно перекидываются в соответствующие области. В результате быстродействие резко возрастает и /,', достигает значений 10~ 10го Гц.
Аналогичными по быстродействию являются фотолиоды на основе барьера Шатки. Они выполняются из кремния, на поверхность которо~о нанесено прозрачное металлическое покрытие из пленок золота (Ь=0,01 мкм) н сернистого цинка (Ь 0,05 мкм), создающее барьер Шотки. Благодаря минимальному сопротивлению базы и отсутствию процессов накопления и рассасывания избьпочных зарядов быстродействие получаешься достаточно высоким (/, > 1О Гц). В лавинных фотодиодах используется лавинный пробой р-п-перехода или барьера Шотки.
От обычных фот одиодов они отличаются тем, что возникшие в результате светового облучения носители заряда лавинно размножаются в области р-и-перехода вследствие ударной ионизации. Выбором внешнего напряжения и параметров цепи обеспечивается возникновение лавинного пробоя только при световом облучении. Этот процесс приводит к тому, что ток в цепи 1.в „увеличивается по сравнению с током У,в,„, обусловленным световой генерацией и тепловым током перехода, в М = 1,в „~'У„в раз (М вЂ” к оэффициент лавинного умножения носителей. Коэффициент лавинного умножения описывается зависимостью (3.18) где (1„,„= о' — У„~„Я вЂ” напряжение на переходе; Ь вЂ” коэффициент, завйсящий от материала (Ь = 3,4 —:4 для 81 п-типа, п=-!,5 —: 2 для 81 р-типа); ~/„~,„ --напряжение лавинного пробоя перехода, при котором М-+со; )х †объемн сопротивление р- и и-областей фотодиода.
Коэффициент лавинного умножения М можег достигать нескольких десятков — десятков тысяч единиц. Вольт-амперные характеристики лавинного фотодиода показаны на рис. 3.13. Использование лавинного режима позволяег существенно увеличить чувствительносзь фотодиодов и повысить их быстродействие до т', =10'' — 1О" Гц. Лавинные фотодйот(ы считаются одними из наиболее перспективных элементов онтоэлект ропп к и. Фототранзисторы. В качестве фотоприемников применяются транзисторные структуры.
Простейший фототранзистор (рис. 3.14, и) имеет два р-гг-перехода: эмнттерный и коллекторный. Фототранзистор можно рассматривал ь как комби- Рис 3 )3 Воявг-ампср~ыс харггк~срисгикгг .ювиииого фотодиола (Фз ) Фг Ф| ) Рис 3 )4. Обозивчсиис фототраизисгори (и), волаыампсриыс (выхоиоыс) характсрисзики (б); схимы включения с по.гключсип гтг базой (а) и со свобоппой базой ()) * Дли фототраизисгоров привита слслугошая сисзсма обозгычсиий всрхиий иилскс хггракгсргззусг скому вкзючсоия.
нижний з.гскгроз, в испи когорого игм ряс~ся зок иии напряжение В гггзпгсм с гучас в схсхгс вк.почсиия с обюим гмпг ~сззггхг (Л в огличис гг~ схсмы с огтпый баюй (б) гок игмсрясгс» в цепи ко глсктора (к) )74 нанию фотодиода и транзистора. Его характеристики аналогичны характеристикам фотодиода„но состветствуюп)ие токи оказываются усиленными, поэтому масштаб по оси токов увеличен в соответствующее число раз (рис. 3.14. 6). Напряжения питания на транзистор подаюг так же, как и па обычный биполярный транзистор, т.
е, эмигтерный переход смен(ают в прямом направлении, а коллекторный в обратном (рис. 3.14, в). Час го применяю 3 включение, когда напряжение прикладываегся только между коллектором и эми.гтером, а вывод базы остается оторванным (рис. 3.14,, ). Такое включение называется включением с плавающей базой и характерно только для фоготранзисторов. При включении с плаваюшей оазой фототранзистор всегда находится в активном режиме„однако при Ф =О протеканнпий через него ток невелик.
Этот темновой ток коллектора транзистора обозначают 1';,и. Конструктивно фо1отранзистор выполнен так, что световой поток облучает область базы. В результате собственного поглощения энергии в ней 1'енерируются электроппо-дырочные пары. Неосновные носители заряда в базе (дырки) диффундируют к коллекторному переходу и перебрасываются электрическим полем перехода в коллектор, увеличивая ток послелнего. Этот процесс аналогичен процессу в фотодиоле. Если база разомкнута, то основные носители заряда (электроны), образовавп1исся в результате облучения, не мо1ут покинуть базу и накапливают.
ся в ней. Объемный заряд этих электронов снижает потенциальный барьер эмиттерного перехода, в результ !те чего увеличивается диффузионное движение дырок через эмиттерный переход. Инжектированные дырки, попав в базу, движутся, как и в обычном транзисторе, к коллекторному переходу и, переходя в область коллектора, увеличивают его ток. Таким образом. носители заряда, генерируемые в результате облучения светом. непосредственно участвуют в создании фототока. Такие же процессы наблюдаются и при полачс тока о'1 внешнего источника в цепь базы.
В эгом случае земновой ток при Ф=О определяется током базы, т. е. появляется дополнительная возможность управлять током фототранзистора. Выбором соответствующе1 о темпового тока удается обеспечить оптимальный режим усиления слабых световых сигналов. а также суммирование их с электрическими сигналами. Уравнение фототранзистора получим, используя уравнение биполярного транзистора, включенного по схеме с ОБ (2.31). Очевидно, что если ток эмиттера задан и через коллекторный переход протекает обратный (темновой) ток У~„=- (кво, то фототок У~~„увеличивает обратный ток.
В этом случае уравнение токов фототранзисторов имеет вид Тб Ь )б1)б ! кб Преобразуя его, получим Ь2!б ~ ~Ф ощ !' ~ бцб (3.21) или, учитывая, что Ь212=Ь21бк(1 — !1,1б). (1 л Ь„„) =1;(1 - Ь„б): (1+Ь„,) 1~„= 1,'к, перепишем (321): ~юбка«)121 ~аб цб ~ +(1 +Ь21 к) ~фк (3 '12) Так как Ьз.. лосгигает нескольких десятков ..сотен елинип, то фоз.обок фотодиода У~~„увеличивается в соответс1вуюшсе В схеме с ОЭ.
по которой обычно включают фототранзистор, задается ток базы П= 1; — 1;. Тогда уравнение для схемы с общим эмиттером запишется в виде ~общк )121б(~обцкб+~абщ«)+Ь «+)ф число раз. При включении со свободной базой 1;б „=-0 уравнение (3.22) примет вид ~ кш« ~ «+(1 ~~з1 >) ~ф . (3.23) Основные характеристики и параметры фоготранзистора 1.
Вольт-амперные характерисэ нки напоминают выходнгяе характеристики биполярного транзистора в схеме с ОЭ (рис. 3.14,6), только параметром служит не ток базы )н а световои поток Ф или фотоэок 1е„. (при 1е=сопьп). 2. Энергетические характеристики и спектральные характеристики подобны характеристикам фотодиода, 3. Токовая чувствительность — это отношение изменения электрического тока на выходе фототрацзисгора к изменению «входного» светового потока при холостом ходе на входе и корогком замыкании на выходе: 4Г,„„! дФ 4.
Коэффициент усиления по фото току К„е =(1+Ам,). В промышленных фототранзисторах он достигает значения (1 —:6) 1О' и может быть найден как отношение фототока коллектора фототранзистора со свободной базой к фотоэоку коллекторного )э-п-перехода, измеренному в диодном режиме (при отключенном эмиттере) при том же значении светового потока; 5. Ширина полосы пропу скан ия у биполярных фотогранзисторов достигает 10 .-10' Гц. Кроме фототранзисторов р-п-р- и л-р-и-типов в качестве высокочувствительных фотоприемников можно использовать полевые фотогранзисторы. Они имеюг высокую фоточувствительносгь (до нескольких ампер на люмен), широкую полосу пропускания (1О"- 10" Гц).
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
