Файл: Сиволобов Н.А. Основы полупроводниковой электроники учеб. пособие.pdf

- 100 -

внешний источник постоянного напряжения Е с полярности, при коюро фотодиод будет заперт (рис.40,г), то это включение назы­ вается режимом фотодиода (диодноо включение).

При освещении фотодиода фотоны, проходя в толщу полупровод­ ника, отдают свою энергию валентным электронам, часть которых переходит в зону проводимости. Образуются таким образом свободпыѳ носители (основные и неосновные) дырки и электроны. Под дей­ ствием контактной разности потенциалов неосновные носители диффун­

ппоявится избыточное число дырок. Это приводит к созданию на

ток, который будет пропорционален Еф.

При работе в фоюдкодном режиме на фотодиод подается напряже­ ние обратной полярности порядка 15 ? 30 В. Если освещение отсут­ ствует, то в цепи фотодиода протекает темновой ток величиной 25 + 30 икА, определяемый собственной проводимостью диода. При освещении обратный ток растет приблизительно пропорцио-і нально освещенности. Это объясняется тем,что кванты света, по­

глощаясь атомами полупроводника, создают носители токаэлектро­ ны и дырки. Под действием поля переход/э-л , электроны и дырки движутся через переход в противоположных направлениях и увеличи­ вают ток фотодиода.

На рис.И приведены вольт-іанперіше и световые характеристи­ ки фотодиода. В четвертом квадранте (рис.ч1,а) приведены вольт-ам перные характеристики • фотогенератора, в третьем' - в режиме фотодиода для различных значений светового потока. В режиме фотодиода внутреннее сопротивление прибора велико и ток в этом случае мало зависит от величины нагрузочного сопротивления

-102-

вширокой диапазоне . В рехиые фотогенератора при увеличении

сопротивления нягрізкл юч резко падает. Б первой квадранте этой хе системы координат штрихами построена прямая ветвь вольт-ампер­

товому потоку. Если во внешпон цепь включено нагрузочное сопро­ тивление, то кривые отклоняйся от прямой. При малых световых потоках до некоторого значения происходит насыщение фототока. Если увеличивать сопротивление нагрузки, то насыщение фототока наступит при меньших световых потоках.

Спектральные характеристики фотодиодов мало отличается от характеристик фотосопротивлений, выполненных из материала одного типа.

Интегральная чувствительность является основным параметром фотодиодов и достигает 20 мА/лы.

Рабочие параметры фотодиодові рабочее напряжение ( ß ) , тѳмновой ток (мкА), постоянная времени ( с ) , размер светочувствитель­ ной поверхности (мм2 ), диапазон рабочих температур (°К) и DOC

(г) J

Налое внутреннее сопротивление фотогенераторов обеспечивает их продуктивное использование лишь в цепях с малым нагрузочным сопротивлением (изнврктельныѳ приборы, малые входные сопротив­ ления у опециально выбранных усилителей),

Фотодиоды обеспечивают благодаря значительному внутреннему сопротивлению их применение в цепях с большими нагрузочными сопротивлениями, в частности, с уоилитѳлями, имеющими большое входное сопротивление.

-1 0 3 -

Фотодиоды различают по материалу, в котором образуется р-п - переход (германиевые, кремниевые, селеновые, серноталлиевые, сернистосеребряные), современные типы фотодиодов изготов­ ляются преимущественно из кремния и германия. Кремниевый фото­

тельности вакуумных фотоэлементов. Темновой ток кремниевых фото­ диодов не превышает I мкА, а германиевых - 10 мкА. Кремниевые фотодиоды могут работать в диапазоне температур окружающей среды от - 6 0 до +80°С. Температурный диапазон германиевых фотодиодов от

- 5 0 до +40°С.

Кремниевые фотодиоды по сравнению с другими типами фотодио­ дов имеют наибольший к.п.д. (порядка 10%),поэтому они нашли широ­ кое применение для непосредственного преобразования солнечной энергии в солнечных батареях. С каждого квадратного дециметра поверхности можно получить полезную мощность порядка I Вт.

Серноталлиевые и сернистосеребряные фотодиоды ФЭСС относятся к новейшим типам. Они имеют высокую светочувствительность, высокий коэффициент преобразования световой энергии в электрическую, об­ ладают наиболее широкой спектральной характеристикой, оливкой к характеристике человеческого глаза. Благодаря 9том$ их удобно использоватьдля измерения освещенности.

-ТОч -

Фотодиоды широко применяются в устройствах промышленной электроники для контроля состояния освещения, положения нагре­ тых тел в устройстве, прозрачности сред, размеров тел, качества обработки их поверхностей и т . д.

Фотодиоды обладают недостатками, присущими всем полупровод-і никовым приборам. Отдельно надо выделить фотоэлектрические про­ цессы, протекающие в фотодиодах и обладающие инерционностью, ко­ торая сказывается на форме их частотных характеристик. Эта инер­ ционность обусловлена, главным образом, большой собственной ем­ костью фотодиодов, поскольку запрещающий слой играет роль диэлек­ трической прокладки между двумя электродами.

Основные параметры полупроводниковых фотодиодов приведены в Приложении 7.

Фототриоды

Фототриод (рис.ч2) представляет собой полупроводниковый триод, в котором под влиянием света образуются дополнительные носители в области баэы,способствующие внутреннему усилению фото­ тока. Фототриоды имеют различные разновидности с освещаемой об­ ластью базы, вмиттера или коллектора. Фототриод обозначается бук­ вами ФТ. Следующая за буквой цифра обозначает модификацию, у од­ них типов фототриодов баэа не имеет наружного вывода. В других исполнениях фототриодов база имеет самостоятельный вывод.

Внутреннее усиление фототока в фототриоде достигается благодаря тому, что созданный с помощью световых квантов ток в одном из переходов является управляющим. Другой переход являет­ ся, усиливающим. Темновой ток тоже определяется соотношением

-105 -

Côem

t i l l

p n

ô

P и с. 42; Фототриод:

потока в базе появляются дополнительные пары электронов и дырокЧ Дырки уходят в коллекторную область. Электроны накопляются в об­ ласти базы и снижают потенциальный барьер эмиттерного перехода.

Приток дырок из эмиттера увеличивается. Большая часть дырок, по­

нирующих в базе дырок равно числу возникающих под влиянием светово­ го потока электронов (дополнительные электроны обеспечивают ток базы, рекомбинируя с дырками). При одинаковом изменении светово­

большая температурная нестабильность темнового тока. При работе фототриода в условиях выше -30°С должна предусматриваться темпе-і ратурная стабилизация темнового тока. Одним из способов темпера-і турной стабилизации является включение компенсирующего фотодиода между базой и эмиттером фототриода.

Основные показатели полупроводниковых фототриодов приведены в Приложении 7і .

пах. Принцип действия транзисторов отличается во многом от элек­ тронных ламп и поэтому в работе транзисторных триггеров имеются свои особенности, отличные от ламповых схем. Транзисторы в тригге­ рах работают в режиме переіигочекчя (импульсный режим, ключевой режим).

Рассмотрим импульсный режим транзистора с помощью выходных характеристик, включенного по схеме с общим эмиттером (рис.43,а). При отсутствии сигнала на входе транзистор находится в запертом, состоянии (в области отсечки), что соответствует точке А на линии нагрузки на рис.43,б. Ток базы представляет собой неуправляемый тек новой ток коллекторного перехода CfKO,i,b.

и его направление совпадает с штриховой стрелкой (рис.43,а). Напряжение на транзисторе мало отлігчается от Е^, так как в цепи коллектора проходит малый ток CfKQ и, следовательно, эту цепь приблизительно можно считать разомкнутой. 'В запертом состоянии транзистор может находиться неограниченно долго. Вывести его из этого устойчивого состояния ^южно только подачей на вход транзи­ стора запускающего импульса отрицательной полярности. Ісли вели->

чина импульса' достигает;Cftmaaio транзистор переходит j j область насыщения й работает в точке "В, в которой* ток коллектора максяивГг ленУхтахИ не зависит от тока базы, и определяются только ER и R H J

-1 0 9 -

Вэтой облает напряжение между коллектором и эмиттером неболь­ шое, порядка 0,1 В. Напряжение на нагрузке приблизительно рав­ но Ек. В этом режиме транзистор выполняет роль как бы замкнутого ключа.

зуется в переключающих схемах для увеличения перепада выходного напряжения. В состоянии "открыт" обычно используют режим насыще­ ния транзистора.

транзисторы с одинаковыми параметрами, соответствующие сопротив­ ления и емкости конденсаторов равна между собой: