10.3. Фотодиоды

Обратный ток диода возрастает при ос­вещении р-п-перехода. Этот эффект может использоваться для фотометрических изме­рений. С этой целью в корпусе фотодиода делается прозрачное окно. На рис. 10.5 по­казано схемное обозначение фотодиода, на рис. 10.6 приведена его схема замещения, а на рис. 10.7 представлено семейство ха­рактеристик. Для фотодиодов характерно наличие тока короткого замыкания, ко­торый пропорционален его освещенности, поэтому в отличие от фоторезисторов фо­тодиод может использоваться без допол­нительного источника питания. Чувстви­тельность фотодиодов обычно составляет около 0,1 мкА/лк. При подаче на фотодиод запирающего напряжения фототек практи­чески не изменяется. Такой режим работы фотодиода предпочтителен, когда требует­ся получить большое быстродействие, так как с ростом запирающего напряжения уменьшается собственная емкость р-п-пе­рехода.

При увеличении освещенности напряже­ние холостого хода кремниевого фотодио­да увеличивается приблизительно до 0,5 В. Как видно из характеристик на рис. 10.7,под нагрузкой напряжение на фотодиоде снижается очень незначительно, пока ве­личина тока нагрузки остается меньше ве­личины тока короткого замыкания для дан­ной освещенности I_p. Благодаря этому фотодиоды пригодны для получения элек­трической энергии. Для этих целей изгота­вливаются специальные фотодиоды с боль­шой площадью р-n-перехода, которые называются солнечными элементами.

Область спектральной чувствительно­сти кремниевых фотодиодов находится ме­жду 0,6 и 1 мкм, а германиевых фотодиодов-между 0,5 и 1,7 мкм. Графики относительной спектральной чувствительности глаза человека и фотодиодов приведены на рис. 10.8.

Фотодиоды обладают существенно меньшим временем установления, чем фоторезисторы. Граничная частота для обыч­ных фотодиодов составляет около 10 МГц. Для специальных фотодиодов с p-i-n-переходом достигнуты частоты порядка 1 ГГц.

Рис. 10.5. Схемное обозначение фотодиода.

Рис. 10.6. Схема замещения фотодиода.

Рис. 10.7. Семейство вольт-амперных характе­ристик фотодиода.

Рис. 10.8. Относительная спек­тральная чувствительность  германиевых и кремниевых фотодиодов.

10.4. Фототранзисторы

В фототранзисторе переход коллек­тор-база представляет собой фотодиод. На рис. 10.9 показано схемное обозначение фототранзистора, а на рис. 10.10-его схе­ма замещения.

Принцип действия фототранзистора хо­рошо виден из схемы его замещения. Ток фотодиода является базовым током тран­зистора, который управляет его коллек­торным током. Решение же вопроса о том, нужно подключить к схеме вывод базы фо­тотранзистора или оставить его неподклю­ченным, зависит от выбранной схемы из­мерения. Фототранзисторы, у которых ба­зовый электрод вообще не выведен, иногда называют двойным фотодиодом.

Для получения большего усиления фо­тотока в фототранзисторах используют схему Дарлингтона. Схема замещения та­кого составного фототранзистора показана на рис. 10.11.

Рис. 10.9. Схемное обозначение фототранзисто­ра.

Рис. 10.11. Схема замещения составного фототранзистора.

Рис. 10.12. Простейшие фотодатчики.

Из схемы замещения фототранзистора следует, что его область спектральной чувствительности такая же, как и для соответ­ствующего фотодиода. Граничная частота фототранзистора существенно ниже, чем у фотодиода. Ее величина составляет по­рядка 300 кГц, а у фототранзисторов со схемой Дарлингтона-порядка 30 кГц.

На рис. 10.12,а показано включение фо­тотранзистора в качестве чувствительного элемента фотодатчика. Если фототок кол­лекторно-базового перехода обозначить через I_p, то для выходного напряжения датчика получим

Соответственно для схемы на рис. 10.12,6 найдем

Рис. 10.10. Схема замещения фототранзистора.

Обе схемы имеют тот существенный недо­статок, что емкость коллекторно-базового перехода перезаряжается относительно малым фототоком I_p поэтому эти схемы находят применение только при низких ча­стотах переключения.

Более высокие частоты могут быть до­стигнуты, если потенциалы всех электро­дов транзистора поддерживать постоянны­ми, что позволяет избавиться от нежела­тельного процесса перезаряда емкости коллекторно-базового перехода транзистора. Для этого, как показано на рис. 10.12,в, ре­зистор заменяют амперметром с малым падением напряжения. Такой амперметр может быть почти идеально реализован с помощью преобразователя ток/напряже­ние, схема которого описана в разд. 12.2.