Читальный зал -->  Промышленная электроника 

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 [ 30 ] 31 32 33 34 35 36 37 38 39 40

ренним электрическим полем, созданным контактной разностью потенциалов, а электроны отталкиваются этим полем и остаются в п-области. Таким образом, в р-области происходит накопление дырок, заряжающих ее положительно, а в п-области - электронов, заряжающих ее отрицательно. Вследствие этого при разомкнутой цепи между выводами от р- и п-областей создается разность потенциалов, называемая фотоэлектродвижущей силой Еф. Чем больше световой поток, тем больше фото-э.д.с. Однако прямой пропорциональности между Еф и Ф нет.

Генерация пар носителей /

..ар,

г1+ О lity © Н

р-п переход

Рис. 3.22. Работа фотодиода в фотогальваническом режиме (а, б) и его световые характеристики в этом режиме (в)

При подключении нагрузки в цепи фотодиода под действием фото-э.д.с. протекает ток /ф, создающий падение напряжения иа нагрузке ==/фн. 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

£ф- /(</>);

2) зависимость фототока от светового потока при постоянной величине сопротивления нагрузки

/ф - к(Ф) при /? = const.

Первая зависимость выражается нелинейной характеристи-

кой: фото-э.д.с. растет с увеличением светового потока сначала быстро, а затем все медленнее (кривая /).

Зависимость тока /ф от светового потока при разных значениях сопротивления /? представляет собой семейство световых характеристик (кривые 2), из которых световая характеристика при коротком замыкании нагрузки (/? = 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 фотодиода 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:

5диф -

А/ АФ

при /? = const.

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 на грузки. В этом случае чувствительность остается одинаковой при различной величине светового потока и определяется для любой точки характеристики как отношение /ф/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

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 и фототиристоры

Фототранзистор - это фотоэлектронный прибор, имеющий транзисторную структуру, ток которого управляется световым потоком.

Простейший фототранзистор устроен подобно биполярному

-Р п

Рис. 3.23. Фототранзистор: а - структура; б - условное графическое обозначение; в - схема с общим эмиттером с включенной базой; г - схема включения со свободной базой

транзистору р-п-р или п-р-п типа с двумя р-п переходами: эмиттерным и коллекторным. Базовый слой выполняется очень тонким. Кристалл помещается в корпус, имеющий прозрачное окно для облучения светом базовой области. Структура фототранзистора, 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 действует прямое напряжение, а на коллекторном - обратное. Чаще всего используют схему с общим эмиттером (рис. 3.23, в). Получили большое распространение также схемы со свободной базой, в которых цепь базы разомкнута, причем база может не иметь отделедрго вывода (рис. 3.23, г).

Рассмотрим принцип действия фототранзистора р-п-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 п-области базы положительный объемный заряд дырок увеличивает потенциальный барьер эмиттерпого перехода и препятствует дальнейшему проникновению дырок из эмиттера в базу. В результате количество дырок, инжектируемых эмиттером в базу, ограничивается.

Генерация пар носителей

/ Uoep /

/ НпппАнтпп I

Эмиттер База/Ноллвктор1

-+0 ЕОз-

Фо > Ф >Ф,

*2 Ф, Ф*0

Рис. 3.24. Принцип действия фототранзистора (а) и его вольт-амперные 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 п-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 темповым током, т. е. появляется фототок /ф. Таким образом, в коллекторном переходе фототранзистора между базой п-типа и коллектором р-типа происходят те же процессы, что и в фотодиоде.

Однако рассмотренными процессами принцип действия фототранзистора не ограничивается, поскольку в нем имеется еще эмиттериый переход. Электроны, образованные фотонами света при разрушении ковалентных связей, накапливаются в базе п-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 / , 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 р = Л21 э.

На рис. 3.24, а темновой ток А показан пунктирными стрелками, фототок /ф - тонкими сплошными, а ток /к - толстыми сплошными. Общий ток коллектора /к фототранзистора, включенного по схеме с общим эмиттером и свободной базой, определяется как сумма трех составляющих:

/к = /к + /ф + /т.

Подставив значение = р/ф, получим:

/к = Р/ф + /ф + /т.

Или окончательно:

/к=(Р + 1)/ф+Л.

Таким образом, в фототранзисторе наряду с появлением фототока происходит его усиление, за счет чего он имеет гораздо большую интегральную чувствительность, чем фотодиод.

Чувствительность фототранзистора определяется как отношение изменения тока коллектора к вызвавшему его изменению светового потока при свободной базе и коротком замыкании нагрузки:

диф -

при /б = 0; /? = 0.

Чувствительность фототранзисторов составляет сотни миллиампер на люмен.

Важный параметр фототранзистора - коэффициент усиления по фототоку /Сф, который определяется как отношение тока коллектора освещенного фототранзистора со свободной базой к фототоку коллекторного р-п перехода при отключенном эмиттере при той же величине светового потока:

Кф = при Ф = const, /ф

Коэффициент усиления /Сф можно определить по формуле: 7(ф= 1 +Р = 1 +Л21э; /Сф составляет десятки и сотни единиц.

Основные характеристики фототранзистора - вольт-амперные и световые.

Вольт-ампер пая характеристика фототранзистора - это зависимость тока коллектора от напряжения между коллектором и эмиттером при постоянном световом потоке (рис. 3.24, б):

/к = / (кэ) при Ф = const.

Вольт-ампер ные характеристики фототранзистора по виду аналогичны выходным характеристикам обычного биполярного транзистора, но постоянной величиной, при которой снимается каждая характеристика, будет не ток базы, а световой поток. От вольт-амперных характеристик фотодиода они отличаются масштабом оси токов (ток фототранзистора гораздо больше) и тем, что все характеристики выходят из начала координат, т.е. при (Укэ = О /к = 0. Чем больше световой поток, тем выше располагаются характеристики.

Световые характеристики фототранзистора линейны и имеют такой же вид, как характеристики фотодиода, работающего с внешним источником питания.

Спектральные характеристики зависят от материала и примесей и перекрывают видимую и инфракрасную часть спектра.

Граничная частота биполярных фототранзисторов составляет 10 Гц.

В схеме использования фототранзистора с включенной цепью базы (см. рис. 3.23, в) происходят такие же процессы, как в схеме со свободной базой. При наличии цепи базы появляется дополнительная возможность управлять током коллектора путем изменения тока базы и расширяется область применения фототранзисторов: наряду с преобразованием слабых световых сигналов в электрические и их усилением внутри фототранзистора можно суммировать их с электрическими сигналами, поступающими в цепь базы и усиленными фототранзистором как обычным биполярным транзистором.

Помимо биполярных фототранзисторов разработаны полевые фототранзисторы с управляющим р-п переходом. Они имеют более высокую чувствительность - до нескольких ампер на люмен, допускают большую мощность; граничная частота их - до 10- 10 Гц.

Фототранзисторы наряду с фоторезисторами и фотодиодами находят применение в различных областях, в том числе и в микроэлектронике - в качестве фотоприемников совместно со свето-диодами, являющимися фотоизлучателями.

Фототиристор - фотоэлектронный прибор, имеющий четырех-слойную структуру с двумя выводами (рис. 3.25, о). Его условное графическое обозначение показано на рис. 3.25, б.

Фототиристор, как и обычный полупроводниковый тиристор,

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 [ 30 ] 31 32 33 34 35 36 37 38 39 40

ООО «Мягкий Дом» - это Отечественный производитель мебели. Наша профильная продукция - это диваны еврокнижка. Каждый диван можем изготовить в соответствии с Вашими пожеланияи (размер, ткань и материал). Осуществляем бесплатную доставку и сборку.



Звоните! Ежедневно!
 (926)274-88-54 
Продажа и изготовление мебели.

Копирование контента сайта запрещено.
Авторские права защищаются адвокатской коллегией г. Москвы.