Федосеева - Основы электроники и микроэлектроники (989598), страница 37
Текст из файла (страница 37)
Из-за большой собственной емкости фотогальванического элемента, имеющего большую рабочую поверхность, его граничная частота не превышает 500 — 1000 Гц. Нелинейность световой характеристики, большая инерционность н большой собственный шум являются недостатками фотогальванических элементов, ограничивающими их применение для преобразования световых сигналов в электрические. По этой причине онн не могут быть использованы в кинематографии для воспроизведения звука с фотографических фонограмм кинофильмов. Фотогальваннческие элементы используют в качестве источников электрической энергии в виде солнечных батарей, а также в фотометрии, в автоматике, в приборах для измерения освещенности — люксметрах, в частности, для измерения освещенности киноэкранов, в экспонометрах для определения экспозиции при фотосъемках н киносъемках.
3.3.2. Фотодиоды Фотодиодом называют полупроводниковый диод, ток которого управляется световым потоком. Фотодиод имеет двухслойную структуру, содержащую один р-и переход (рис. 3.!9, а). Фотодиод может быть изготовлен на 172 основе кремния, германия, арсенида галлия н других полупроводников. В кинематографии используют кремниевые фотодиоды типа ФДК9 и ФДК155 (рис. 3.19, б). Онн являются датчиками электрического сигнала, поступающего на вход усилителя при воспроизведении звука с фотографической фонограммы кинофильма, т.
е. преобразуют световые сигналы в электрические. Условное графическое обозначение фотодиода на электрических схемах показано на рис. 3.19, в. Рис. 3.19. Фотоднод: и — устройство; б — внешний внд; а — услов- Е нос графичесиое обозначение Генерация пар иоснтвдвй фl йв нов оси Ц + обр Цобр б й Рис. 3.20. Работа фотоднода в фогодиодном реиснме Фотодиоды получили широкое распространение в разнообразной аппаратуре измерительной и вычислительной техники, в системах автоматики и контроля.
Различают два режима работы фотодиода: фотодиодный— с внешним источником питания, включенным в обратном направлении; прн этом используется фоторезистивный эффект, в результате чего световой поток управляет обратным током фотодиода; фотогальеанический — без внешнего источника питания; при этом используется фотогальваническнй эффект, в результате чего световой поток управляет вырабатываемой фотодиодом фото-э.д.с.
Работа фотодиода в фотодиодном режиме. На рис. 3.20 приведена схема включения фотоднода в фотоднодном режиме н юз иллюстрация процессов, происходящих в нем под действием света. При отсутствии светового потока и внешнего напряжения (Ф = О, (/ = О) на р-л переходе, как и в обычном полупроводниковом диоде, создается контактная разность потенциалов (знаки «+» и « — » без кружочков). При подаче на фотодиод обратного напряжения н отсутствии светового потока (Ф = О; (/ = (/.„) через затемненный фото- диод проходит небольшой обратный ток р-я перехода, являющийся темновым током /,.
Под действием светового потока, который обычно направляют на тонкую область я-типа, в ней генерируются пары электрон— дырка. Количество неосновных носителей заряда (дырок) в и-области увеличивается, и поток их через р-л переход возрастает. Ток, протекающий через фотодиод при воздействии светового потока, является фототоком /е и возрастает с увеличением светового потока Ф. Таким образом, в фотодиодном режиме под воздействием светового потока увеличивается обратный ток р-и перехода, а обратное сопротивление, соответственно, уменьшается. Ток фотодиода в этом режиме может зависеть от двух величин — приложенного извне напряжения (/ и светового потока Ф.
Поэтому основными являются два вида характеристик — вольтамперные и световые. Схема для снятия характеристик фото- диода (рис. 3.21, а) содержит источник питания Е, потенциометр и измерительные приборы. Кроме того, необходим источник светового потока — лампа накаливания Л и диафрагма Д с регулируемым диаметром отверстия для изменения светового потока. Вольт-амяеряая характеристика — это зависимость тока фотодиода от приложенного напряжения при постоянном световом потоке (рис.
3.21, б): /е = / ((/) прн Ф = сопз1. Вольт-амперная характеристика затемненного фотоднода (при Ф = 0) является характеристикой темпового тока /, = 1((/) и соответствует обратной ветви вольт-амперной характеристики полупроводникового диода. Прн воздействии светового потока ток увеличивается; обратная ветвь сдвигается по оси обратного тока в сторону его увеличения тем сильнее, чем больше световой поток.
Если строить вольт-амперные характеристики, не учитывая знаков тока и напряжения обратной ветви вольт-амперной характеристики полупроводникового диода, то онн примут вид, показанный на рис. 3.21, б. При большем световом потоке характеристики располагаются выше. Поскольку количество неосновных носителей заряда в и-области, проходящих через р-л переход, зависит главным образом от светового потока и очень мало зависит от приложенного )74 напряжения, то ток фотодиода почти не растет с увеличением напряжения; характеристики идут очень полого. Небольшое увеличение тока с ростом напряжения объясняется тем, что увеличение обратного напряжения приводит к расширению области р-л перехода и уменьшению за счет этого ширины базовой л-области.
При этом меньшее количество дырок успевает рекомбинировать с электронами !по пути движения к р-л переходу, а большее число нх принимает участие в создании тока через фото- диод. Превышение рабочего напряжения фотодиода может привести к пробою р-и перехода. Ф эх Зх нано о,в о,в О.а од )г о Ф 04 08 г2 га 20 )!мнм 6 г Рис. 3.2!.
Схема ллн снятии характеристик фотолиоаа (о), его вольг-амперные (о), световые (а) и спектральные (г) характеристики: / — кремниевых; 2 — германиевых Световая характеристика — это зависимость фототока от светового потока при постоянном напряжении источника питания: /4 = /(Ф) при (/ = сопз1. Световые характеристики в фотодиодном режиме практически линейны (рис. 3.21, и).
Если учитывать темновой ток, протекающий при Ф = О, то световые характеристики выходят не из начала координат. Однако темновой ток, особенно кремниевых фотодиодов, настолько мал по сравнению с фототоком, что на световых характеристиках им можно пренебречь. Характеристи- )75 ки, снятые при большей величине напряжения, идут несколько круче, так как ток немного возрастает, как было показано на вольт-амперных характеристиках.
Спектральные характеристики фотодиодов показывают зависимость спектральной чувствительности от длины волны излучения. На рис. 3.21, г приведены спектральные характеристики кремниевого и германиевого фотодиодов. По оси ординат отложена относительная спектральная чувствительность, т. е. отношение Ях/Ях„.„ьь. Из характеристик видно, что кремниевый фотодиод обладает более избирательной чувствительностью, максимум которой приходится на красные и инфракрасные лучи с длиной волны 0,7 — 0,85 мкм. Германиевый фотодиод чувствителен к более широкой области спектра — от 0,6 до 1,8 мкм.
В зависимости от основного материала фотодиода и введенных в него примесей можно получить спектральные характеристики, перекрывающие всю область видимого спектра (от 0,38 до 0,76 мкм) и инфракрасную область излучения. К основным иаранетран фотодиода в фотодиодном режиме относят интегральную чувствительность, дифференциальное сопротивление, начальное статическое сопротивление, максимально допустимое и рабочее напряжения, граничную частоту. Чувствительность фотодиода 5 показывает, какой ток приходится на единицу светового потока.
Поскольку ток фотодиода, а следовательно, и его чувствительность зависят в какой-то степени от приложенного напряжения. то чувствительность определяют при напряжении (1 = 1 В и называют удельной интегральной чувствительностью. Она может. быть определена по вольт-амперным характеристикам или по световой характеристике, снятой при напряжении ! В, по формуле: Б= при и=(В.
7Ф Ф Кремниевые фотодиоды имеют чувствительность 3 — 7 мА/лм, а германиевые — !Π— 20 мА/лм. Тенновой ток 1, зависит от приложенного напряжения. Поэтому как параметр его определяют при (l =! В. Темновой ток можно определить по световой характеристике, снятой при (/ = = ! В в точке, где Ф = 0 (см. рис. 3.21, в) „или по вольт-амперной характеристике для темпового тока (Ф = 0) при (1 =! В (см. рис.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
