mai49.pdf

МОСКОВСКИЙ АВИАЦИОННЫЙ ИНСТИТУТ

(ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ)

Лабораторная работа

«Исследование характеристик фотодиодов и

фототранзисторов»

Москва, 2006 г.

Краткие теоретические сведения

Фотодиод. Принцип действия фотодиода основан на фотогальва-

ническом эффекте, который возникает в полупроводниках при воздейст-

вии на него внешнего излучения. Например, при освещении р-п перехода

монохроматическим светом с энергией фотонов Е ф >ΔЕ 3 имеет место

собственное поглощение квантов света и генерируются неравновесные

фотоэлектроны и фотодырки. Под действием электрического поля пе-

рехода эти фотоносители перемещаются: электроны - в n- область, а

дырки - в р -область, т.е. через переход течет дрейфовый ток неравно-

весных носителей. Если цепь разомкнута концентрация электронов в

п - области и дырок в р - области увеличивается, поле объемного заряда

атомов примеси в переходе частично компенсируется и потенциальный

барьер снижается. Это снижение происходит на величину фотоЭДС, на-

зываемую напряжением холостого хода фотодиода U ХХ . Значение U ХХ не

может превышать контактную разность потенциалов перехода, посколь-

ку при этом полностью компенсируется электрическое поле и разделе-

ние фотоносителей в переходе прекращается. Если р - и п -области соеди-

нить внешним проводником, то U ХХ = 0 и в проводнике потечет ток ко-

роткого замыкания I КЗ , образованный неравновесными фотоносителями.

Если к р - и п - областям освещенного перехода подключить сопро-

тивление нагрузки R Н ≠ 0, по нему потечет ток нагрузки I Н <I кз и па-

дение напряжения на нем будет U Н < U ХХ . В нагрузке будет выделяться

электрическая мощность Р Н =I Н* U Н . Такой режим работы называется фо-

тогальваническим и используется в элементах солнечных батарей. Если в

цепь фотодиода и R н последовательно включен источник питания, обеспе-

чивающий обратное смещение p-n перехода, то такой режим работы фото-

диода называют фотодиодным.

Семейство вольтамперных характеристик фотодиода I = f(Ф) при

Ф= const показано на рисунке 1.

Световыми характеристиками диода в фотогальваническом режиме

являются зависимости тока короткого замыкания от светового потока

I КЗ =f(Ф) и напряжения холостого хода от светового потока U ХХ =

f(Ф), показанные на рисунке 2. Нелинейность I К3 = f(Ф) при увеличении

Ф объясняется ростом падения напряжения на объемном сопротивлении

базы фотодиода, а нелинейность U ХХ = f(Ф) - уменьшением по-

тенциального барьера при росте Ф. Точка пересечения ВАХ фотодиода

и нагрузочного резистора определяет электрическую мощность Р Н

=I Н* U Н , выделяемую в нагрузку.

Параметром семейства ВАХ является световой поток Ф . При Ф 0 = 0

ВАХ фотодиода не отличается от ВАХ обычного полупроводникового дио-

да. При Ф> 0 на ВАХ фотодиода можно выделить две области, соот-

ветствующие разным режимам работы фотодиода:

III квадрант - фотодиодный режим;

IV квадрант- - фотогальванический режим.

Рисунок 1. Семейство вольтамперных характеристик

освещенного фотодиода.

Рисунок 2. Зависимости тока короткого замыкания I кз , напряжения холо-

стого хода U хх и фототока I ф от мощности светового потока Ф .

В фотодиодном режиме фототок прямо пропорционален падающему

световому потоку, и световая (энергетическая) характеристика

I ф =f(Ф) практически линейна (рисунок 2). Инерционность фотодиода

определяется, прежде всего, скоростью процесса разделения носителей

в р-п - переходе и скоростью перезаряда барьерной емкости. Наименее

инерционны фотодиоды с точечным переходом или с барьером Шотки.

Фототранзистор – это транзистор, в котором инжекция неравновес-

ных носителей осуществляется на основе внутреннего фотоэффекта. Фото-

транзистор служит для преобразования световых сигналов в электрические

с одновременным усилением фототока. Фототранзистор представляет со-

бой монокристаллическую полупроводниковую пластину, в которой при

помощи особых технологических приёмов созданы 3 области, называемые,

как и в обычном транзисторе, эмиттером, коллектором и базой, причём по-

следняя, в отличие от БП транзистора, как правило, вывода не имеет. Кри-

сталл монтируется в защитный корпус с прозрачным входным окном.

Включение фототранзистора во внешнюю электрическую цепь подобно

включению биполярного транзистора, выполненному по схеме с общим

эмиттером и нулевым током базы. При попадании света на коллекторно-

базовый переход в нем образуются парные носители зарядов (электроны и

дырки), которые разделяются электрическим полем коллекторного перехо-

да. В результате в базовой области накапливаются основные носители, что

приводит к снижению потенциального барьера эмиттерного перехода и

увеличению (примерно в β - раз) тока через фототранзистор по сравнению с

током, обусловленным переносом только тех носителей, которые образо-

вались непосредственно под действием света.

Семейство вольтамперных характеристик фототранзистора I к =f(U кэ )

при Ф= const показана на рисунке 3.

Рисунок 3. Семейство вольт-амперных характеристик фототранзистора.

Семейство вольтамперных характеристик фототранзистора не отли-

чается от ВАХ биполярного транзистора, но входным параметром является

не ток базы, а световой поток.

Основными параметрами и характеристиками фототранзисто-

ров , как и других фотоэлектрических приборов (например, фотоэлемента ,

фотодиода ), являются:

• интегральная чувствительность (отношение фототока к падаю-

щему световому потоку), у лучших образцов фототранзистора (например,

изготовленных по диффузионной планарной технологии ) она достигает

10 А /лм ;

Plik z chomika:

Inne pliki z tego folderu:

Inne foldery tego chomika: