Что такое электроника? Принципы работы
радиоустройств, радиокомпоненты, принципиальные схемы, электрические
колебания и связь, цифровое ТВ, интегральные схемы и многое другое...
Дата обновления
08.06.2016
Посвящение в радиоэлектронику, массовая радио-библиотека
поддержка
проекта:
разместите на своей странице нашу кнопку!И мы
разместим на нашей странице Вашу кнопку или ссылку. Заявку прислать на
e-mail
Статистика
Фотодиоды и фототранзисторы
Собственно, с фотоприемниками мы уже знакомы по главе,
посвященной телевидению. Вакуумные фотоэлементы и фотоумножители
продержались значительно дольше радиоламп, но теперь и они уступают
место миниатюрным и чувствительным кремниевым или арсенидгаллиевым
фотодиодам. В полупроводниковых фотоприемниках наблюдается
внутренний фотоэффект: кванты света "выбивают" электроны в атомах
толщи полупроводника. Ставшие свободными электроны создают ток через
р-n переход, который регистрируется.
Различают два режима работы фотодиодов: собственно фотодиодный и
фотовольтаический. В фотодиодном режиме на р-n
переход подается запирающее напряжение. В темноте ток через закрытый
переход оказывается весьма малым. Но стоит осветить переход, как ток
резко возрастет. Разумеется, за счет "выбитых" квантами света
электронов и образовавшихся на их месте "дырок".
В фотовольтаическом режиме на р-n переход
не подают напряжения-оно само возникает под действием света.
Происходит это оттого, что кванты света сообщают носителям заряда
дополнительную энергию, помогающую им преодолевать потенциальный
барьер р-n перехода. "Информационные"
фотоприемники, служащие для регистрации оптических сигналов, чаще
всего работают в фото-диодном режиме, а солнечные батареи в
фотовольтаическом режиме, развивая напряжение в несколько десятых
долей вольта на каждый элемент.
Технология изготовления фотодиодов почти не отличается от технологии
изготовления обычных полупроводниковых приборов. На кристалле
полупроводника методом эпитаксиального выращивания или ионного
легирования создают слои срин проводимостями. Один вывод образует
контакт с подложкой, а другой тонкий, прозрачный Для света слой
металла. Параметры фотодиодов совершенствуются в двух главных
направлениях: повышение чувствительности и уменьшение инерционности.
С этой целью предложен ряд новых структур: четырехслойные с
гетеропереходом, фотодиоды с барьером Шотки (контакт металл
полупроводник), отличающиеся особенно высоким быстродействием,
кремниевые p-i-n диоды, которые все более вытесняют прибор с р-n
переходом. Структура p-i-n содержит слои полупроводника с р и п
проводимостями, разделенные очень тонким слоем окиси кремния
изолятором. Обратный ток перехода в p-i-n структуре чрезвычайно мал,
что увеличивает чувствительность к слабым световым потокам. Энергия
носителей заряда, возбужденных квантами падающего света, оказывается
вполне достаточной, чтобы преодолеть тонкий слой изолятора и создать
фототок.
Кремниевый p-i-n фотодиод
Фототранзистор в отличие от фотодиода обладает
внутренним усилением и благодаря этому - повышенной
чувствительностью. Фототранзисторы с р-n
переходами изготавливаются по стандартной планарной технологии
кремниевых интегральных схем. От обычного п-р-п транзистора
фототранзистор отличается только тем, что у него в области
эмиттерного перехода имеется прозрачное окно, пройдя которое свет
попадает в базу. Образовавшиеся благодаря действию квантов света
носители заряда создают ток базы. Ток коллектора в соответствии с
принципом работы транзистора получается в Л21Э раз больше. Типичное
значение коэффициента передачи тока кремниевого транзистора
составляет 50... 200.
Из других типов фотоприемников следует упомянуть фоторезисторы. Как
правило, они также изготавливаются из полупроводника, но р-п
переходов не имеют, т.е. ведут себя как обычные омические
сопротивления. Темновое сопротивление фоторезистора обычно велико и
может достигать нескольких мегаом. Под действием света в толще
полупроводника появляются свободные носители заряда, резко снижающие
сопротивление фоторезистора. Если в вашем подъезде установлен
автомат включения лестничного освещения с наступлением темного
времени суток, то можете быть уверены, что датчиком служит
фоторезистор, обычно типа ФСК-1 или ФСК-2.
Большие трудности возникают при создании фотоприемников для ИК
области спектра. Дело в том, что для "вырывания" электрона из атома
полупроводника при фотоэффекте квант света должен совершить
определенную работу, называемую работой выхода. Следовательно,
энергия кванта должна быть больше работы выхода для данного
вещества. Но энергия квантов уменьшается с увеличением длины волны.
Кремниевые фотоприемники эффективно работают
к только в видимой части спектра до длин волн 0,8... 0,9 мкм.
Фототранзистор
Германий, а также тройные соединения, такие как InGaAs,
GaAsSb, позволяют продвинуться в длинноволновую область до 2... 3
мкм. А для приема в дальней ИК области (10... 12 мкм) необходимо
использовать уже другие физические принципы. Обнадеживающие
результаты дают пироэлектрические приемники. В них используются
вещества, создающие электрический заряд при воздействии тепла.
Пироприемник обычно содержит и усилитель на полевом транзисторе с
изолированным затвором, имеющий очень высокое входное сопротивление
(гигаомы), согласующееся с высоким сопротивлением пироэлемента.
Рассмотрев способы генерации и приема оптического излучения,
перейдем к устройствам, в которых используются описанные приборы.
