19. Приемники излучения – фотодиоды, принцип работы, режимы работы, применения

Фотоэлектрический приемник (сокращенно фотоприемник) – это опто-электронный прибор для преобразования энергии оптического излучения в электрическую энергию.

Фотодиод – фотоприемник, использующий для преобразования световой энергии в электрическую фотогальванический эффект. Простейший фотодиод представляет собой обычный полупроводниковый диод, в котором обеспечивается возможность воздействия оптического излучения на р-n-переход. Отличие состоит в том, что его корпус снабжен дополнительной линзой, создающей внешний световой поток, направленный, как правило, перпендикулярно плоскости p-n-перехода. Упрощенная структура фотодиода и его УГО представлена на рисунке 6.5.

Рис. 6.5-Устройство и УГО фотодиода.

В равновесном состоянии, когда поток излучения полностью отсутствует, концентрация носителей и распределение объемного заряда фотодиода полностью соответствуют обычной р-n-структуре. При воздействии облучения в направлении, перпендикулярном плоскости р-n-перехода в результате поглощения фотонов с энергией, большей, чем ширина запрещенной зоны, в n-области возникают электронно-дырочные пары. При диффузии фотоносителей вглубь n-области основная доля электронов и дырок не успевает рекомбинировать и доходит до границы р-n-перехода. Здесь фотоносители разделяются электрическим полем р-n-перехода, причем дырки переходят в р-область, а электроны не могут преодолеть поле перехода и скапливаются у границы р-n-перехода в n-области. Таким образом, ток фотоносителей через р-n-переход обусловлен дрейфом неосновных носителей – дырок. Дрейфовый ток фотоносителей называется фототоком. Фотоносители – дырки заряжают p-область положительно относительно n-облаепг а фотоносители – электроны – n-область отрицательно по отношению к p-области. Возникающая разность потенциалов (Еф) называется фотоЭДС.

Для обеспечения высокой чувствительности к излучению необходимо, чтобы в фотодиоде диффузионная составляющая тока была минимальной. Поэтому фотодиод работает или вообще без внешнего напряжения (фотогальванический режим), или при обратном внешнем напряжении (фотодиодный режим).

В фотодиодном режиме фотодиод работает совместно с внешним источником электрической энергии U_вн, положительный полюс которого подключается к n-слою, а отрицательный – к р-слою (рис. 6.6, а).

Под действием напряжения источника в цепи фотодиода, включенного в непроводящем направлении, при отсутствии освещения протекает неболь­шой темновой ток 1_Т. В этом случае фотодиод ничем не отличается от обычного диода.

В схеме без внешнего источника питания, фотодиод работает в режиме преобразователя энергии излучения в электрическую энергию. Такой режим работы называется вентильным. В вентильном режиме фотодиоды применяются, например, для обеспечения питания искусственных спутников Земли. В фотодиодном режиме фотодиоды широко применяются в релейных схемах, в вычислительной технике, оптоэлектронике.

20. Переходные процессы в линейной rc-цепи.

Рассмотрим воздействие сигнала s(t) = E*1(t) на последовательную RC-цепь. Воздействие вызывается включением постоянного напряжения E в момент t = t₁ = 0 переключателем К.

Расчет последовательной цепи проводят обычно классическим или операторным методом.

Изучение переходного процесса в цепи проведем при помощи классического метода.

1. Предположим, что до начала воздействия конденсатор был разряжен и u_c(-0) = 0.

2. Составим дифференциальное уравнение цепи после коммутации относительно напряжения на конденсаторе. В соответствии со вторым законом Кирхгофа, начиная с момента замыкания переключателя t₁ = 0,

E = i(t)R + u_c(t).

Учитывая, что

i(t) = i_c(t) = C (du_c(t) / dt) (16.3)

получим

RC (du_c(t) / dt) + u_c(t) = E.

Как и следовало ожидать, получилось дифференциальное уравнение первого порядка, т.к. цепь имеет лишь один энергоемкий элемент.