Федосеева - Основы электроники и микроэлектроники (989598), страница 38
Текст из файла (страница 38)
3.21, б; точка А). Темновой ток германиевых фотодиодов составляет 15— 30 мкА, кремниевых — гораздо меньше: до 1 мкА. Ди4ференциальное сопротивление г„ь — это сопротивление затемненного фотодиода изменению тока. Его определяют по вольт-амперной характеристике темпового тока как отношение 17б приращения приложенного напряжения к соответствующему при- ращению темнового тока: ли гднф = —. лй Приращения берут для двух близлежащих точек характеристики (см.
рис. 3.21, б; точки А и Б). Начальное статическое сопротивление )т„ — это сопротивление затемненного фотодиода при постоянном напряжении, равном 1 В. Его определяют как напряжение, деленное на темновой ток: т. е. начальное статическое сопротивление вычисляется как величина, обратная темновому току.
Например, для кремниевого фотодиода при 1, = 1 мкА Гг„= 1 МОм. Максимально допустимым является наибольшее напряжение, при котором не происходит пробой фотодиода. Его величина зависит от температуры. Кремниевые фотодиоды могут работать в большем диапазоне температур окружающей среды, чем герм а н не вые. Рабочее напряжение — это напряжение, выбранное с запасом таким образом, чтобы фотодиод работал надежно длительное время.
Для кремниевых и германиевых фотодиодов оно составляет 10 †В. Граничная частота характеризует частотные свойства фото- диода, как и частотная характеристика; 1,г — это та частота изменения интенсивности светового потока при которой интегральная чувствительность уменьшается в ~/2 раз. Для кремниевых фотодиодов, работающих в фотодиодном режиме, граничная частота — порядка 10" герц, т. е. их быстродействие велико и они практически безынерционны. Это способствует их успешному использованию для воспроизведения звука в кинематографии, а также в других областях. Работа фотодиода в фотогальваническом режиме. В этом режиме фотодиод работает без внешнего источника напряжения. В цепь фотодиода в этом случае включают только сопротивление нагрузки )7„(рис.
3.22, а). Рассмотрим сначала процессы, происходящие в фотодиоде при разомкнутой внешней цепи (рис. 3.22, б). При отсутствии светового потока иа электронно-дырочном переходе создаегся потенциальный барьер. Под действием светового потока, падающего на область п-типа, в этой области генерируются пары электрон — дырка. Двигаясь хаотически во всех направлениях, часть образовавшихся носителей заряда подходит к р-и переходу. где дырки втягиваются в р-область внут- !77 реиним электрическим полем, созданным контактной разностью уР потенциалов, а электроны отталкиваются этим полем и остаются в л-области. Таким образом, в р-области происходит накопление дырок, заряжающих ее положительно, а в л-области — электронов, заряжающих ее отрицательно, Вследствие этого при разомкнутой цепи между выводами от р- и и-областей создается разность потенциалов, называемая фогоэлектродвижущей силой Ее.
Чем больше световой поток, тем больше фото-э.д.с. Однако прямой пропорциональности между Ее и Ф нет. Генерация нар б ноонтвяаа Рнс. 3.22. Работа фотодиода в фотогальваническом режиме (о, б) и его световые характеристики в этом режиме (а) При подключении нагрузки в цепи фотодиода под действием фото-э.д.с. протекает ток 1а, создающий падение напряжения на нагрузке = 1е„.
Таким образом фотодиод без внешнего источника питания (непосредственно) преобразует световую энергию в электрическую. Основные характеристики фотодиода в фотогальваническом режиме — это световые характеристики, которые представляют собой два вида зависимостей (рис. 3.22, в): 1) зависимость фото-э.д.с. от светового потока Ее = й(Ф); 2) зависимость фототока от светового потока при постоянной величине сопротивления нагрузки 1а — — 6(Ф) при 1(.
= сопз(. Первая зависимость выражается нелинейной характеристи- кой: фото-э.д.с. растет с увеличением светового потока сначала быстро, а затем все медленнее (кривая 1). Зависимость тока 1р от светового потока при разных значениях сопротивления )1„представляет собой семейство световых характеристик (кривые 2), из которых световая характеристика при коротком замыкании нагрузки (Я„= 0) строго линейна, а с увеличением сопротивления нагрузки характеристики все более искривляются; при больших величинах сопротивления нагрузки характеристики имеют пологую часть, отражающую область насыщения при больших значениях светового потока. Нелинейность световых характеристик является недостатком фотодиода, работающего в фотогальваническом режиме при больших сопротивлениях нагрузки.
В случае применения фото- диода в этом режиме для воспроизведения звука с фотографических фонограмм используют небольшие световые потоки, а сопротивлением нагрузки фотодиода является малое входное сопротивление транзисторного усилителя. Из-за нелинейности световых характеристик чувствительность фотодиода в фотогальваническом режиме определяют по приращениям тока и светового потока: б) 5,„е = — при )с„= сопи(. аФ При малых световых потоках чувствительность больше; с увеличением светового потока она уменьшается.
Чувствительность также зависит от сопротивления нагрузки: наибольшая чувствительность фотодиода получается при коротком замыкании нагрузки. В этом случае чувствительность остается одинаковой при различной величине светового потока и определяется для любой точки характеристики как отношение 1а/Ф. С ростом сопротивления нагрузки чувствительность уменьшается. Внутреннее сопротивление фотодиода в фотогальваническом режиме значительно меньше, чем в фотодиодном; напряжение, создаваемое фотодиодом на нагрузке при одинаковом световом потоке в фотогальваническом режиме, тоже значительно меньше, чем в фотодиодном. Максимальная чувствительность, определяемая как ток„ который можно получить на единицу светового потока, в обоих режимах практически одинакова.
В кинематографии фотодиоды применяются в транзисторной звуковоспроизводящей аппаратуре киноустановок как датчики сигнала с фотографических фонограмм: в передвижной аппаратуре — в фотогальваническом режиме, а в стационарной — в фотодиодном. Их преимуществами перед фотоумножителями, используемыми в ламповой звуковоспроизводящей аппаратуре, являются малые габариты и масса, большие чувствительность и механическая прочность, долговечность и надежность, низкие 179 Генерация пар носнтепея т Е + б 6 г не )в) уР напряжения питания в фотодиодном режиме и возможность использовать их без внешнего источника питания в фотогальваническом режиме. В микроэлектронном исполнении фотодиоды используют в оптоэлектронике. 3.3.3.
Фототранзисторы н фототнристоры Фототрвнзистор — это фотоэлектронный прибор, имеющий транзисторную структуру, ток которого управляется световым потоком. Простейший фототранзистор устроен подобно биполярному Рис. 3.23. Фототранзнстор: а — структура; б — условное графическое обозначение; и — ' схема с обптим змиттером с включенной базой; е — схема включения со свободной базой транзистору р-п-р или и-р-и типа с двумя р-и переходами: эмиттерным и коллекторным. Базовый слой выполняется очень тонким.
Кристалл помещается в корпус, имеющий прозрачное окно для облучения светом базовой области. Структура фото- транзистора, его условное графическое обозначение и схемы включения показаны на рис. 3.23. Фототранзистор включается в цепь источника питания как обычный биполярный транзистор, так что на эмиттерном переходе действуег прямое напряжение, а на коллекторном — обратное. Чаще всего используют схему с общим змиттером (рис. 3.23, в). Получили большое распространение также схемы со свободной базой, в которых цепь базы разомкнута, причем база может не иметь отдопьдого вывода (рис. 3.23, г).
Рассмотрим принцип действия фототранзистора р-л-р-типа в схеме со свободной базой (рис. 3.24). В части база — коллектор его можно рассматривать как фотодиод, а вместе с эмиттером он получает дополнительные усилительные свойства транзистора, что значительно увеличивает его чувствительность при преобразовании световых сигналов в электрические. ; При отсутствии светового потока через фототранзистор про- текает очень малый темновой ток. Он обусловлен тем, что дырки, которые переходят из эмиттера в базу, частично доходят до коллекторного перехода и втягиваются коллектором. Небольшая величина этого тока объясняется тем, что в этом процессе заряд дырок в базе не компенсируется электронами, концентрация которых в базе мала, а пополнения электронов при разомкнутой цепи базы нет. Образующийся таким образом в л-области базы положительный объемный заряд дырок увеличивает потенциальный барьер эмиттерного перехода и препятствует дальнейшему проникновению дырок из эмиттера в базу.
В результате количество дырок, инжектируемых эмиттером в базу, ограничивается, Рис. 3.24. Принцип действия фототранзистора (а) и его вольт-ампер- ные характеристики (б) а следовательно, меньше их переходит в коллектор под действием приложенного к коллекторному переходу напряжения. Таким образом, темновой ток фототранзистора получается сравнительно малым. При облучении базовой и-области светом в ней, как и в фотодиоде, за счет световой энергии разрушаются ковалентные связи и образуются электронно-дырочные пары.
Дырки под действием приложенного напряжения переходят в коллектор, увеличивая его ток по сравнению с темновым током, т. е. появляется фототок те. Таким образом, в коллекторном переходе фототранзистора между базой и-типа и коллектором р-типа происходят те же процессы, что и в фотодиоде. Однако рассмотренными процессами принцип действия фото- транзистора не ограничивается, поскольку в нем имеется еще эмиттерный переход.
Электроны, образованные фотонами света при разрушении ковалентных связей, накапливаются в базе и-типа около эмиттерного перехода и понижают его потенциальный барьер. В результате резко увеличивается количество дырок, инжектируемых из эмиттера в базу, которые движутся к коллекторному переходу и через него — в коллектор. За счет этих дырок в цепи коллектора появляется составляющая тока 1„', а общий ток коллектора возрастает, причем в гораздо большей степени, чем за счет дырок, образованных в базе фотонами при попадании светового потока. Здесь сказываются усилительные свойства транзистора: в схеме с общим эмиттером ток усиливается в р раз, где б = й„.. На рис. 3.24, а темновой ток 1, показан пунктирными стрелками, фототок 1ь — тонкими сплошными, а ток 1„' — толстыми сплошными.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
