Контрольная работа 1 по ЭПиУ для заочников вариант 24

Y

где h1 – отклонение электронов, приобретённое между отклоняющих пластин,

h2 – отклонение электронов, приобретённое на пути между отклоняющими пластинами и экраном.

б) Основным параметром электростатической отклоняющей системы является чувствительность к отклонению Sэ, показывающая, на сколько миллиметров отклоняется луч на приёмнике электронов при изменении отклоняющего напряжения на 1 Вольт:

в) угол отклонения луча в точке выхода его из поля пластин определяется выражением

Задача № 7

Фотодиод включён последовательно с источником питания и резистором R. Обратный ток насыщения затемнённого фотодиода (темновой ток) равен I0.

Фототок диода в фотогальваническом режиме при коротком замыкании перехода составляет Iф1 при потоке световой энергии Ф1; Iф2 при потоке световой энергии Ф2; Iф3=0 при потоке световой энергии Ф3=0.

11

Определите напряжение холостого хода Uхх диода для Ф1, Ф2 и Ф3, а также значения Ф1 и Ф2 (лм), считая токовую чувствительность при монохроматическом световом потоке равной

Si=1.5·10-2 мкА/лм.

Рассчитать и построить семейство ВАХ идеализированного фотодиода для световых потоков Ф1, Ф2 и Ф3 в диапазоне напряжений U от Uхх до – 10 (при расчётах считать, что фототок не зависит от напряжения на запертом переходе; Т=300 К).

Описать принцип работы, характеристики и параметры фотодиода.

Значения

I0 = 3 мкА;

Решение

Схема цепи представлена на рисунке 8.

R

+

Uвн

-

VD U

Рис. 8. Схема цепи

Фотодиоды могут работать в одном из двух режимов:

1)без внешнего источника электрической энергии (вентильный, фотогенераторный или фотогальванический режим);

2)с внешним источником электрической энергии (фотодиодный или фотопреобразовательный режим) (рис. 8).

Ток, протекающий через фотодиод, можно представить в виде:

затемнённого фотодиода (темновой ток); U – напряжение на диоде.

При разомкнутой внешней цепи Rн=∞, I=0 легко выразить напряжение холостого хода Uхх или фото-ЭДС. Воспользуемся выражением (5). Тогда

12

Статическая интегральная токовая чувствительность при монохроматическом световом потоке определяется отношением SI = IФФ . Из данного выражения определим значения потоков Ф1 и

Вольт-амперной характеристикой здесь является зависимость общего тока фотодиода от напряжения U, приложенного к фотодиоду:

Iобщ = f (U).

Данная характеристика определяется выражением (4). Рассчитаем и построим ВАХ фотодиода при различной величине освещённости.

1. Поток световой энергии равен Ф1. Тогда

Результаты расчёта обратной ветви (U<0) вольт-амперной характеристики представим в виде

Построенная по этим значениям вольт-амперная характеристика изображена на рисунке 9.

Результаты расчёта обратной ветви (U<0) вольт-амперной характеристики представим в виде

Построенная по этим значениям вольт-амперная характеристика изображена на рисунке 9. 3. Поток световой энергии равен Ф3=0. Тогда

13

Рис. 9. Семейство ВАХ идеализированного фотодиода для световых потоков Ф1, Ф2 и Ф3

Фотодиоды представляют собой полупроводниковые диоды, в которых используется внутренний фотоэффект. Световой поток управляет обратным током светодиодов. Под воздействием света на электронно-дырочный переход и прилегающие к нему области происходит генерация пар носителей заряда, проводимость диода возрастает и обратный ток увеличивается.

Если на переход не подано внешнее напряжение и цепь разомкнута, т освещение приводит к накоплению фотоэлектронов в n-области и дырок в р-области. В результате образуется разность потенциалов Uф, т.е. появляется фото-ЭДС (вентильный или фотогенераторный или фотогальванический режим). Если цепь замкнута, то возникает фототок. В таких условиях диод работает как фотоэлемент (фотодиодный или фотопреобразовательный режим).

Фотодиод описывается вольт-амперной, энергетической (световой), спектральной и частотной характеристиками. Если к неосвещённому фотодиоду подключить источник, значение и полярность которого можно изменять, то снятые при этом ВАХ будут иметь такой же вид, как у обычного полупроводникового диода. При освещении диода существенно изменяется лишь обратная ветвь ВАХ (рис. 9), прямые ветви практически совпадают при сравнительно небольших напряжениях.

14

Энергетическая характеристика фотодиода связывает фототок со световым потоком, падающим на светодиод (рис. 10).

Iф

Uвн 1

Uвн 2

Uвн 3

Ф

Рис. 10. Энергетические характеристики

При работе фотодиода в вентильном режиме спектральные характеристики существенно зависят от сопротивления резистора, включённого во внешнюю цепь. С ростом нагрузочного

сопротивления характеристики всё более искривляются и при больших сопротивлениях имеют ярко выраженный участок насыщения. При работе диода в фотодиодном режиме энергетические характеристики линейны, т.е. практически все фотоносители доходят до p-n- перехода и участвуют в образовании фототока.

Спектральная характеристика фотодиода есть зависимость чувствительности от длины волны падающего светового потока (рис. 11, а). При больших длинах волн, т.е. при малых энергиях квантов света по сравнению с шириной запрещённой зоны полупроводника, энергия кванта оказывается недостаточной для переброса электронов из валентной зоны в зону проводимости. Селеновые фотодиоды имеют спектральную характеристику, близкую по форме к спектральной зависимости человеческого глаза. Германиевые и кремниевые фотодиоды чувствительны как в видимой, так и в инфракрасной части спектра излучения.

Частотная характеристика показывает изменение интегральной чувствительности при изменении яркости светового потока с разной частотой модуляции (рис. 11, б). Быстродействие диода характеризуется граничной частотой, на которой интегральная чувствительность

уменьшается в 2 раз по сравнению со своим низкочастотным значением.

Sмакс

2

Рис. 11. Спектральная (а) и частотная (б) характеристики фотодиода

Параметрами фотодиодов являются:

15

-темновой ток Iт – начальный обратный ток, протекающий через диод при отсутствии внешнего смещения и светового излучения (10-20 мкА для германиевых и 1-2 мкА для кремниевых диодов).

-рабочее напряжение Uр – номинальное напряжение, прикладываемое к фотодиоду в фотодиодном режиме (Uр=10-30 В).

-интегральная чувствительность Sинт, показывающая, как изменяется фототок при единичном

изменении светового потока

Sинт = dIdФф .

- граничная частота fгр – частота, где интегральная чувствительность уменьшается в 2 раз

(106-1012 Гц).

16

Список литературы

1. Методические указания и контрольные задания по курсу «Электронные приборы и устройства» для студентов заочной формы обучения. Сост. А.Я. Бельский, С.В. Дробот, В.Б. Рожанский и др. – Мн.: БГУИР, 2006. – 59 с.

2.Булычев А.Л., Лямин П.М., Тулинов Е.С.. Электронные приборы: Учебник.

– Мн.: Выш. шк., 1999.

3.Гусев В.Г., Гусев Ю.М. Электроника и микропроцессорная техника. – М.:

Высш. шк., 2004.

4.Ткаченко Ф.А. Техническая электроника: Учеб. пособие. – Мн.: Дизайн ПРО, 2000.

17