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

Инерционность фоторезисторов служит причиной того, что они не могут быть использованы в кинематографии для воспроизведения звука с фотографических фонограмм. Их применяют в измерительной аппаратуре, в схемах автоматики, в качестве фотореле для считывания информации с перфолент и т. п. Фоторезисторы в микроэлектронном исполнении применяются в оптоэлектронике.

Фотогальваническим элементом называют полупроводниковый фотоэлектронный прибор, непосредственно преобразующий световую энергию в электрическую. Его действие основано на фотогальваническом эффекте.

Фотогальванический элемент не требует источника питания. При изготовлении такого элемента используют кремний, селен, германий и другие полупроводники, на базе которых создается р-п переход. При облучении р-п перехода или прилегающих к нему областей, обычно области п-типа, за счет Световой энергии генерируются пары электрон - дырка. Они диффундируют к р-п переходу и на границе разделяются под действием контактной разности потенциалов: дырки втягиваются в область р-типа, а электроны накапливаются в области п-типа. Значительное увеличение концентрации носителей заряда по обе стороны р-п перехода приводит при разомкнутой цепи к возникновению разности потенциалов между обеими областями, называемой фото-э.д.с.

Из-за большой собственной емкости фотогальванического элемента, имеющего большую рабочую поверхность, его граничная частота не превышает 500-1000 Гц.

Нелинейность световой характеристики, большая инерционность и большой собственный шум являются недостатками фотогальванических элементов, ограничивающими их применение для преобразования световых сигналов в электрические. По этой причине они не могут быть использоэаны в кинематографии для воспроизведения звука с фотографических фонограмм кинофильмов.

Фотогальванические 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 и киносъемках.

3.3.2. Фотодиоды

Фотодиодом называют полупроводниковый диод, ток которого управляется световым потоком.

Фотодиод имеет двухслойную структуру, содержащую один р-п переход (рис. 3.19, а). Фотодиод может быть изготовлен на

основе кремния, германия, арсенида галлия и других полупроводников. В кинематографии используют кремниевые фотодиоды типа ФДК9 и ФДК155 (рис. 3.19, б). Они 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.

.010

Рис. 3.19. Фотодиод: а - устройство; б - внешний вид; в - услов-в ное графическое обозначение

Генерация пар ... Основные носителей ,У/Ф

Неоснов-т ные носи-те ли

Z-0 о-и

обр Rh

Рис. 3.20. Работа фотодиода в фотодиодном режиме

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; при этом используется фоторезистивный эффект, в результате чего световой поток управляет обратным током фотодиода; фотогальванический - без внешнего источника питания; при этом используется фотогальванический 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 фотодиода в фотодиодном режиме и

иллюстрация процессов, происходящих в нем под действием света.

При отсутствии светового потока и внешнего напряжения (Ф = О, и = 0) на р-п переходе, как и в обычном полупроводниковом диоде, создается контактная разность потенциалов (знаки -(- и - без кружочков).

При подаче на фотодиод обратного напряжения и отсутствии светового потока (Ф = 0; U = (/обр) через затемненный фотодиод проходит небольшой обратный ток р-п перехода, являющийся темновым током Л.

Под действием светового потока, который обычно направляют на тонкую область п-типа, в ней генерируются пары электрон - дырка. Количество неосновных носителей заряда (дырок) в п-области увеличивается, и поток их через р-п переход возрастает. Ток, протекающий через фотодиод при воздействии светового потока, является фототоком /ф и возрастает с увеличением светового потока Ф. Таким образом, в фотодиодном режиме под воздействием светового потока увеличивается обратный ток р-п перехода, а обратное сопротивление, соответственно, уменьшается.

Ток фотодиода в этом режиме может зависеть от двух величин - приложенного извне напряжения U и светового потока Ф. Поэтому основными являются два вида характеристик - вольт-амперные и световые. Схема для снятия характеристик фотодиода (рис. 3.21, а) содержит источник питания £, 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-амперная характеристика - это зависимость тока фотодиода от приложенного напряжения при постоянном световом потоке (рис. 3.21, б):

/ф = f {и) при Ф = const.

Вольт-амперная характеристика затемненного фотодиода (при Ф = 0) является характеристикой темнового тока 1 = f {U) и соответствует обратной ветви вольт-амперной характеристики полупроводникового диода. При 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 они примут вид, показанный на рис. 3.21, б. При большем световом потоке характеристики располагаются выше.

Поскольку количество неосновных носителей заряда в п-области, проходящих через р-п переход, зависит главным образом от светового потока и очень мало зависит от приложенного

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-п перехода и уменьшению за счет этого ширины базовой п-области. При этом меньшее количество дырок успевает реком бинировать с электронами по пути движения к р-п переходу, а большее число их принимает участие в создании тока через фотодиод. Превышение рабочего напряжения фотодиода может привести к пробою р-п перехода.

1ф, мнА

во}- Фа *!

Sx манс
			\ \
	- /1
		Л, ,

0.4 0.8 1.2 1.6 2,0 Х.мнм

Рис. 3.21. Схема для снятия характеристик фотодиода (а), его вольт-амперные (б), световые (в) и спектральные (г) характеристики: У - кремниевых; 2 - германиевых

Световая характеристика - это зависимость фототока от светового потока при постоянном напряжении источника питания:

/ф = ДФ) при и = const.

Световые характеристики в фотодиодном режиме практически линейны (рис. 3.21, в). 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-

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 Sx/Sx макс, % 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 параметрам фотодиода в фотодиодном режиме относят интегральную чувствительность, дифференциальное сопротивление, начальное статическое сопротивление, максимально допустимое и рабочее напряжения, граничную частоту.

Чувствительность фотодиода S 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 U = \ В и называют удельной интегральной чувствительностью. Она может быть определена по вольт-амперным характеристикам или по световой характеристике, снятой при напряжении 1 В, по формуле:

S = при (У = 1 В.

Кремниевые фотодиоды имеют чувствительность 3-7 мА/лм, а германиевые- 10-20 мА/лм.

Темновой ток /т зависит от приложенного напряжения. Поэтому как параметр его определяют при U = \ В. Темновой ток можно определить по световой характеристике, снятой при U = = I В в точке, где Ф = О (см. рис. 3.21, в), или по вольт-амперной характеристике для темнового тока (Ф = 0) при U = \ В (см. рис. 3.21, б; точка А).

Темновой ток германиевых фотодиодов составляет 15- 30 мкА, кремниевых - гораздо меньше: до 1 мкА.

Дифференциальное сопротивление Гд ф - это сопротивление затемненного фотодиода изменению тока. Его определяют по вольт-амперной характеристике темнового тока как отношение

приращения приложенного напряжения к соответствующему приращению темнового тока:

Гциф -

AU А/т

Приращения берут для двух близлежащих точек характеристики (см. рис. 3.21, б; точки А и Б).

Начальное статическое сопротивление /? - это сопротивление затемненного фотодиода при постоянном напряжении, равном 1 В.

Его определяют как напряжение, деленное на темновой ток:

RcT -

т. е. начальное статическое сопротивление вычисляется как величина, обратная темновому току. Например, для кремниевого фотодиода при Д = 1 мкА Rcj - 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 германиевые.

Рабочее напряжение - это напряжение, выбранное с запасом таким образом, чтобы фотодиод работал надежно длительное время. Для кремниевых и германиевых фотодиодов оно составляет 10-20 В.

Граничная частота характеризует частотные свойства фотодиода, как и частотная характеристика; frp - это та частота изменения интенсивности светового потока, при которой интегральная чувствительность уменьшается в д/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 R (рис. 3.22, а). Рассмотрим сначала процессы, происходящие в фотодиоде при разомкнутой внешней цепи (рис. 3.22,6). При отсутствии светового потока на электронно-дырочном переходе создается 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-п переходу, где дырки втягиваются в р-область внут-

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.