книги / Физические основы электроники
..pdfЕсли к полупроводниковому диоду приложено напряже ние в прямом направлении и в диоде устанавливается прямой ток, то это сопровождается в области р—л-перехода интен сивной рекомбинацией носителей заряда, а следовательно, выделением лучистой энергии. Длина волны этого излучения зависит от ширины запрещенной зоны, т.е. от материала, из которого выполнен полупроводниковый диод. Светодиоды чаще всего изготавливаются из карбида кремния и фосфида галлия, излучающих видимый свет в диапазоне от красного до голубого света.
Основными параметрами светодиода являются яркость свечения при определенном значении прямого тока, цвет све чения и предельный прямой ток.
Светодиоды находят широкое применение в цифровых, буквенных и знаковых индикаторах многих электронных из мерительных и вычислительных устройств.
3.6.Полупроводниковые приемники излучения
Эти приборы предназначены для преобразования свето
вой энергии в электрическую. Принцип действия полупрово дниковых приемников излучения основан на явлении внут реннего фотоэффекта. К ним относятся фотодиоды, фототранзисторы, фототиристоры, фоторезисгоры и др.
Фотодиоды. Фотодиодом называется фотоэлектрический прибор, имеющий два вывода (рис. 3.31).
В фотодиоде используются явления внутреннего фотоэф фекта. Внутренним фотоэффектом называется процесс иони зации атомов кристаллической решетки вещества или примеси в ней квантами света, со провождающийся образова нием подвижных носителей заряда.
При ионизации атомов основного вещества гене рируются парные заряды — электроны и дырки прово-
' / / / / / / / / / / / / / / / / / / / / / / / / / / / / / / / / / / / / / / / / / / / / / / / / / / / / / / / / / М
Рис. 3.31
Рис. |
3.32 |
Рис. |
3.33 |
|
димости. Такой фотоэффект |
||||
|
возбуждает собственную эл |
||||
|
ектропроводность полупро |
||||
|
водника и |
называется соб |
|||
|
ственным. При |
ионизации |
|||
|
атомов |
примеси фотоэф |
|||
|
фект называется примесным. |
||||
|
В полупроводниках |
собст |
|||
|
венный фотоэффект прояв |
||||
|
ляется значительно сильнее |
||||
Ф |
примесного. |
|
|
||
Фотодиод может вклю |
|||||
чаться в схему как |
с внеш |
||||
|
ним источником питания (че |
||||
|
ОRН рез сопротивление |
нагруз |
|||
|
ки), так и без него. |
|
|||
|
Режим |
работы |
фото |
||
|
диода |
без |
внешнего |
источ |
|
|
ника |
питания |
называется |
||
вентильным (рис. 3.32), а с внешним ирточником питания — фотодиодным (рис. 3.33). Наибольшее распространение полу чила конструкция фотодиодов, в которых плоскость р—п- перехода перпендикулярна направлению освещения.
При отсутствии освещения р—«-перехода и при разомк нутой внешней цепи на переходе устанавливается потенци
альный барьер в соответствии с равенством: |
|
||
Д(ро = ф т In |
л0 |
А |
(3.50) |
|
= Фт In |
||
|
Vя * |
у |
|
где фг = kT/q— температурный потенциал.
В этом случае диффузионный ток /д через переход урав новешивается дрейфовым током 1Е. Суммарный ток через переход равен нулю.
Если на кристалл падает свет, то в нем генерируются па ры подвижных носителей заряда. Подвижные носители заря да, находящиеся на расстоянии диффузионной длины от пере хода, не успевают рекомбинировать и могут достичь перехо да. Неосновные носители заряда подхватываются полем про странственного заряда перехода и дрейфуют в соседние об ласти (электрон из /^-области в «-область, дырки — из и- области в /i-область). При этом дрейфовые составляющие то ка возрастают по сравнению с первоначальным 1Е. Это при ращение тока через переход называют фототоком — /ф. На капливание основных носителей в прилегающих к границам р—«-перехода слоях полупроводника снижает высоту потен- ци-ального барьера в такой же мере, как напряжение, прило женное в пропускном направлении. Это вызывает увеличение диффузионных токов основных носителей через переход, ко торые при разомкнутой внешней цепи уравновешивают фо тоток.
В стационарном состоянии справедливо равенство:
/ф - /д + / £ = 0. |
(3.51) |
Ток 1Епредставляет собой обратный ток насыщения р—«- перехода (тепловой ток 70). определяемый из равенства.
Таким образом, при освещении кристалла на границах р—«-перехода возникает фото-ЭДС холостого хода (рф, кото рая определяется по формуле
(1 |
Л |
(3.52) |
Фф = Ф т ,п у - + 1 |
• |
Величина <рф зависит от свойств полупроводника и не превышает запрещенной зоны.
Если к облучаемому светом р—«-переходу подключить нагрузку, то через нее потечет ток, величина которого опре деляется соотношением:
/ ф \
(3.53)
В короткозамкнутом переходе (RH = 0) ток во внешней цепи достигает максимальной величины, равной /ф. На кон тактах разомкнутого перехода (7Н= 0) напряжение равно фо- то-ЭДС фф. Наибольший КПД преобразования лучистой эне ргии в электрическую получается при некоторой оптималь ной нагрузке. У кремниевых р—«-переходов максимальный КПД составляет 8 %.
В большинстве случаев на р—«-переход фотодиода пода ется напряжение смещения в запирающем направлении (фото диодный режим). Большая часть напряжения источника пита ния Е падает на р —«- переходе. Величина то
ка в нагрузке равна
/* » /. + /о. (3.54)
Основными харак теристиками и параме трами фотодиодов яв ляются: вольт-ампер- ная, световая и спект ральная характеристи ки, интегральная чувст вительность и внутрен нее (выходное) сопро тивление.
1. Вольт-амперная характеристика (рис. 3.34):
/л=У1 (ВД|Ф=С0П1 , (3.55)
где 1т— темновой ток (10-30 мкА у германие выхфотодиодов, 1-3 мкА у кремниевых фото диодов).
Рис. 3.34
По вольт-амперным характеристикам определяется диф ференциальное внутреннее (выходное) сопротивление фото диода:
A = ^ r U « « . |
(5-56) |
Значение Ял велико, достигает несколько десятков мега-
ом.
2. Световая характеристика (рис. 3.35) |
|
/Д=/2(Ф )|У=С01Ш. |
(3.57) |
3. Интегральная чувствительность |
|
К = УФ . |
(3.58) |
Световой поток берется от стандартного источника свето вого потока типа А ( вольфрамовая лампа накаливания с цве товой температурой нити 2854 К).
4. Спектральная харак теристика показывает зави симость спектральной чув ствительности от длины вол ны падающего на диод из лучения (рис. 3.36).
"'/////////////////////////////^^^
Рис. 3.37
|
|
У ///////////////////#////////Л ^^^ |
С&егп |
р> ^'Колле(псР |
Фототранзисторы. Это фо |
п |
тоэлектрический прибор с дву |
|
|
мя или большим числом пере |
|
|
р *»"Эмиттер |
|
|
ходов. Обычно фототранзистор |
|
|
|||| |
имеет структуру плоскостного |
|
транзистора, причем выводы |
|
|
J I 1- |
|
|
Е |
присоединяются только к эмит- |
|
|
терной и коллекторной облас |
тям, а база вывода не имеет (рис. 3.37).
В рабочем режиме на коллектор подается отрицательное относительно эмиттера напряжение и фототранзистор рабо тает в режиме с общим эмиттером при разомкнутой цепи ба зы (/б = 0) (рис. 3.38).
При полном затемнении через коллекторный переход и сопротивление нагрузки протекает сквозной ток коллектора /к о с , который называется тепловым током,
Л = /к о = |
, |
( 3 . 5 9 ) |
|
1 - а |
|
где /к о — обратный ток коллектора; а — коэффициент |
пере |
|
дачи тока эмиттера.
Под влиянием освещения в области базы происходит ге нерация неравновесных пар носителей заряда. Неравновесные носители в базе перемещаются к эмитгерному и коллектор ному переходам только за счет диффузии. Электрическое поле коллекторного перехода не препятствует уходу дырок из базы в коллектор, но задерживает электроны в базовой области. Парные заряды как бы разделяются на коллекторном перехо де. Так как база не имеет вывода, то электроны создают в ней отрицательный пространственный заряд, который воздейст вует на эмитгерный р—«-переход, смещая его в прямом на правлении. Уменьшение высоты потенциального барьера вы зывает инжекцию из эмиттера в базу дополнительных дырок. Небольшая их часть рекомбинирует в базе с электронами, большая же часть диффундирует через базу к коллекторному переходу и уходит в коллектор, увеличивая его ток.
Возникающие при внутреннем фотоэффекте электроны по существу играют роль управляющего тока базы обычного транзистора в схеме с ОЭ, вызывая в
а , |
(3.60) |
Вл = 1-ап |
раз больше приращение тока коллектора, где Во — коэффици ент передачи тока базы.
При равных световых потоках полное приращение тока коллектора в фототранзисторе превышает приращение тока в
фотодиоде в |
|
Во+ 1 = |
а п |
(3.61) |
|
|
1 |
раз, так как дырки, генерируемые в базе, все уходят в коллектор. Интегральная чувствительность фототранзисгора Ктоп ределяется интегральной чувствительностью коллекторного перехода, рассматриваемого как фотодиод, увеличенной в
(Во + 1) раз.
У реальных фототранзисторов интегральная чувствитель ность высока и достигает 0,5-1 А/лм.
Вольт-амперные характеристики. Они аналогичны выход ным характеристикам обычного транзистора в схеме с ОЭ. Темновой ток фототранзисгора равен сквозному току кол лектора. Наклон вольт-амперных характеристик превышает наклон характеристик фотодиода (рис. 3.39).
Внутреннее сопро тивление фототранзи стора меньше, а ем кость, шунтирующая переход, больше при мерно в (1 + Во) раз аналогичных параме тров фотодиода с одинаковыми разме-
Рис. 3.39
рами р—«-перехода. Величину Кти R bых можно определить из вольт-амперных характеристик.
Параметры фототранзисторов сильно зависят от режима работы (за счет модуляции толщины базы) и температуры. С увеличением UKчувствительность растет, а Явы* падает. Со противление R Bm резко падает и с повышением освещенности.
Изменение температуры резко изменяет силу тока /т: с 50100 мкА при 20 °С до 1000-17000 мкА при 70 °С. С ростом температуры несколько возрастает чувствительность и умень шается выходное сопротивление.
Фототранзисторы с нулевым током базы при изменении температуры работают в схеме весьма нестабильно из-за большого дрейфа ра бочей точки. Гранич ная частота фототран зистора примерно в Во раз меньше грани чной частоты фотоди ода и составляет обы чно несколько кило герц.
Фототиристоры.
Это фотоэлектричес кий прибор с тремя р—«-переходами. Ис точник напряжения подключают к фото тиристору так, что пе реходы П\ и 77з вклю чены в прямом на правлении, а Пг — в обратном (рис. 3.40). При отсутствии осве щения работа фото тиристора не отлича ется от работы обыч ного тиристора.
у //////////////////м ^
Рис. 3.40
Рис. 3.41
V/////////////////////////////////////////////////////////////Z.
При световом пото ке Ф = О вольт-амперная характеристика (рис. 3.41) соответствует ха рактеристике тиристора при управляющем токе /у = 0.
Если напряжение, подведенное к фототи
ристору, не повышает Uмел, то ток фототиристора имеет очень небольшую величину. Он обусловлен движением неосновных носителей заряда через переход Пг и представляет собой темновой ток. При освещении фототиристора возникают новые свободные носители заряда (электроны и дырки).
Электроны в /«2-области являются неосновными носите лями, диффундируют к переходу Пг, поле которого является ускоряющим, и попадают в яi-область базы. Часть электро нов проходит через область т и попадает в анод, увеличивая ток фототиристора.
Другая часть электронов, приближаясь к переходу П\, ре комбинирует с положительными дырками, уменьшая тем са мым толщину / —я-перехода и высоту потенциального барье ра. Благодаря этому облегчаются условия для инжекции ды рок из pi-области базы в Я1-область базы, что приводит к уве личению тока фототиристора.
В то же время дырки, образованные в / 2-области базы за счет ее освещения, уменьшают высоту потенциального барьера Пг, что также способствует увеличению тока фототиристора.
При увеличении Ф напряжение UBKn уменьшается. Свето вой поток Ф при работе фототирисгора играет такую же роль, как и управляющий ток /уПр в тиристоре.
Интегральная чувствительность фототиристоров дости гает нескольких десятков ампер на люмен.
Энергетическая характеристика фототока фототиристо ров при постоянном напряжении представлена на рис. 3.42. Характеристика управления фототирисгора приведена на рис. 3.43.
Параметры фототиристора: t/вкл, /вкл, t /выкл (t/ост), / выкл,
/темповой, Фпуск, Твыкл.
Фоторезистор — полупроводниковый прибор, сопротив ление которого зависит от освещенности или светового пото ка. Используется внутренний фотоэффект. На рис. 3.44 пре дставлена энергетическая характеристика фоторезистора, на рис. 3.45 — вольт-амперная характеристика фоторезистора.
Чувствительность фоторезистора (различают монохрома тическую и интегральную) определяют по формуле