книги из ГПНТБ / Кушманов И.В. Электронные приборы учеб. пособие

При облучении р-области фотоэлемента в режиме холостого хо­ да генерируемые в p-области электроны и дырки диффундируют от поверхности по направлению к р-я-переходу. Неосновные носите­ ли ■— электроны, попадая в ускоряющее поле, созданное контакт­ ной разностью потенциалов, переходят из p-области в я-область, заряжая последнюю отрицательно, а основные носители — дырки не преодолевают энергетический барьер в р-я-переходе и остаются в p-области, которая заряжается поэтому положительно. Таким об­ разом, р-я-переход разделяет электроны и дырки. іВ результате это­ го процесса между выводами фотоэлемента возникает разность по­ тенциалов (фотоэдс) Цф, которая является по отношению к р-я-пе- реходу прямым напряжением и уменьшает высоту барьера в пере­ ходе на величину Яф

Равновесие системы нарушается, через переход и во внешней цепи течет фототок /ф , пропорциональный световому потоку. При приложении внешнего напряжения и ток через переход определится следующим выражением:

(6 . 1)

где /ф — фототок; /0 — обратный ток р-я-перехода в темноте.

Это выражение является уравнением вольтамперной характери­ стики фотоэлемента. Положив в нем ц= 0, можно определить ток короткого замыкания /кз= —/ф; если же принять / = 0, то из ур-ния 6.1 можно найти напряжение холостого хода яхх:

кривой будет ток /ф , в свою очередь, зависящий от величины свето­ вого потока (рис. 6.9.) Характеристика, проходящая через начало координат и соответствующая / ф = 0 , — это темновая характеристи­ ка фотоэлемента, совпадающая с характеристикой обычного дио­ да. Режим фотоэлемента, возникающий, когда приложено обрат­ ное напряжение, называется фотодиодным. Особенностью каждой характеристики при / ф > 0 является наличие участка в четвертом квадранте графика. На этом участке р-я-переход ведет себя как источшик тока, а внешняя цепь — как сопротивление нагрузки. Каж­ дой точке: этого участка соответствует определенная величина со­ противления Ян. Точка характеристики, лежащая на. оси напряже­ ний {1= 0, Ян= оо), соответствует разомкнутой внешней цепи и оп­ ределяет напряжение холостого хода яхх. Точка, лежащая на оси токов {и=0; Яп=0), соответствует короткозамкнутой цепи и опре­ деляет ток короткого замыкания /к3- В случае, когда 0 < і^н< 00. следует из начала координат провести нагрузочную прямую под уг­ лом. а = агс tg fI/Ян) к горизонтальной оси. Пересечение нагрузочной прямой с заданной характеристикой фотоэлемента (точка А на рис.

330:

6.9) определяет рабочие значения тока / и напряжения U. Их про­ изведение, которое на графике показано заштрихованной площадью, в свою очередь, определяет величину полезной мощности, отдавае­ мой фотоэлементом. Величина' этой мощности зависит от качества фотоэлемента, его освещенности и сопротивления нагрузки.

фотоэлементов в общем схожа. На нижний металлический электрод наносится тонкий слой полупроводника, после чего производится термическая обработка, необходимая для образования р-п-перехода в толще полупроводника. После этого на наружную поверхность по­ лупроводника наносится тонкий, полупрозрачный для света, слой металла. Все это помещается в пластмассовую оправу с окошком для' лучистого потока.

Важнёйшим параметром фотогальванических элементов являет­ ся интегральная чувствительность, определяемая по уже известной формуле Kz =/ф/Ф. Значения интегральной чувствительности для

различных типов фотогальванических элементов лежат в пределах

Световые характеристики фотогальванических элементов линей­ ны лишь при малых значениях светового потока Ф (или освещенно­ сти Е ); с. повышением Ф эта линейность нарушается, особенно при включенной нагрузке. На рис. 6Л0 дано семейство световых харак­ теристик фотоэлемента Іф=і(Е) для различных іRH-

Вид спектральных характеристик (рис. 6.11, максимальная чув­ ствительность каждого элемента принята за единицу) определяется тем, что с изменением длины волны меняется не только число созда­ ваемых каждым квантом пар, но и пространственное распределение последние так как глубина проникновения излучения зависит от длины волны.

сила возникающего фототока уменьшается. Недостатком фотогаль­ ванических элементов -является также зависимость их чувствитель­ ности от температуры. Чувствительность падает как при сильном нагревании, так и при охлаждении. Стабильность работы фото­ элементов высока, срок службы исчисляется годами.

6.6. ФОТОДИОДЫ И ФОТОТРАНЗИСТОРЫ

Фотодиод (ФД) ■— фотоэлектрический полупроводни­ ковый прибор с одним р-и-переходом, имеющий два вывода. В случае, если прибор имеет два или больше переходов, он называет­ ся фототранзистором независимо от числа выводов. В фототран­ зисторе база может быть отключена (свободная база), либо на нее подается положительное по отношению к эмиттеру смещение (свя­ занная база). В отличие от полупроводниковых фотоэлементов, ко­ торые могут работать только в вентильном режиме, без внешнего напряжения (из-за низких пробивных напряжений) фотодиоды обычно работают при значительных обратных напряжениях, при­ ложенных к р-/г-переходу, т. е. в фотодиодном режиме. В вентиль­ ном режиме фотодиоды имеют малую интегральную чувствитель­ ность.

Участки вольтамперных, характеристик, расположенные в тре­ тьем квадранте рис. 6.9, соответствует фотодиодному р'ёжиму. При

332,

сителей, инжектированных из эмиттера в базу и дошедших до кол­ лекторного перехода. При освещении области базы в ней генери­ руются пары электрон:—дырка. Неравновесные дырки, диффунди­ рующие к коллекторному переходу, свободно экстрагируются кол­ лектором, увеличивая ток / к0 (рис. 6Л4). Равным образом, эти

Рш:. 6.14. Схематическое изображение фототран­ зистора

дырки диффундируют и к эмиттерному. переходу и также экстра­ гируются эмиттером. Неравновесные электроны, которые являют­ ся основными носителями, практически не могут выйти из объема базы, так как высота энергетического барьера в эмнттерном пере­ ходе понижена внешним напряжением очень незначительно. На­ копление в базе некомпенсированного отрицательного объемного заряда вызывает резкое снижение барьера, в эмнттерном переходе, усиление инжекции дырок из эмиттера в базу, и ток /,< возрастает в большей степени, нежели вначале непосредственно под действием света. Таким образом, в фототранзисторе осуществляется усиление фототока, что и объясняет большую интегральную чувствитель­ ность его по сравнению с фотодиодом.

Можно освещать в фототранзисторе также область эмиттера или область коллектора. При этом физические процессы в прибо­

= Л|ж/ (1—а) +/ко/ (1—о) •

Таким образом, первичный фототок Iф усиливается в фототран­ зисторе в 1/(і1—a)= y= |l'+ 'ß раз. Во столько же раз увеличивается интегральная чувствительность фототранзистора по сравнению с чувствительностью фотодиодов.

При тонкой базе можно получить усиление первоначального фо­ тотока /ф в 100—«1000 раз; интегральная чувствительность дости­ гает 2—40 А/лм, а в отдельных образцах превышет 20 А/лм. Вели­ чина темнового тока /т составляет десятые доли миллиампера, фо­ тотока Іф — десятки миллиампер. ФТ может непосредственно уп­ равлять работой реле с током срабатывания до 20 мА. При этом

334

на коллектор подается обратное напряжение 10—>15 В, но нор­ мальный режим сохраняется и при понижении напряжения до 1 В.

В последние годы определенный интерес представляют работы по созданию мощных тиристоров, управляемых светом,— фототи­ ристоров. Основное их достоинство — полная электрическая раз­ вязка цепи управления и главной цепи, что крайне важно при кон­ струировании высоковольтных преобразователей.

Основной трудностью при конструировании мощных фототири­ сторов является то, что для получения высокой фоточувствительно­ сти толщины всех слоев р-га-р-/г-структуры должны быть достаточ­

щины базовых слоев должны быть большими.

В последние годы разработаны также полевые фототранзисторы, сочетающие, в себе низкий уровень шума, малый темновой ток и малую чувствительность к радиации.

6.7. СОЛНЕЧНЫЕ ЭЛЕМЕНТЫ

Для преобразования солнечной энергии в электриче­ скую применяются наиболее эффективные фотогальванические элементы, имеющие высокий коэффициент преобразования, кото­ рый определяется как отношение электрической мощности, выде­ ляемой на нагрузке, к величине светового потока, падающего на солнечный элемент: ц = Іин/Ф. Коэффициент преобразования опре­ деляется как внутренними потерями, так и выбранным режимом работы.

Исследования показывают, что лучшие результаты с точки зре­ ния коэффициента преобразования энергии имеют материалы с большой шириной запрещенной зоны, такие, например, как крем­ ний. Применение кремния предпочтительнее, чем применение дру­ гих материалов, имеющих более широкие запрещенные зоны, бла­ годаря лучшей форме кривой зависимости потерь от длины вол­ ны, что допускает более эффективное использование спектра.

Для получения больших токов и напряжений отдельные крем­ ниевые элементы соединяются параллельно и последовательно, об­ разуя солнечную батарею.

Напряжение холостого хода ахх кремниевого фотодиода с рос­ том температуры падает от 0,6В при Т = 0°С до 0,3 іВ при Т = 100°С. Ток короткого замыкания /кз очень слабо зависит от температуры, следовательно, зависимость выходной мощности от температуры в основном определяется температурной зависимостью ихх-

На рис. 6Л!5 приводятся зависимости выходной мощности Рп и коэффициента преобразования т] кремниевого фотоэлемента от вы­ ходного напряжения на нагрузке ип при интенсивности излучения 100 Вт/см2 Из рисунка видно, что максимальные значения ,Ри и т] достигаются при некоторой оптимальной нагрузке, соответствую­ щей выходному напряжению 0,45 В.

335

та, действие которых было основано на использовании рекомби­ национного излучения д-/г-переходов в полупроводниковых диодах.

Рекомбинационное излучение возникает при нарушении равно­ весного распределения электронов при облучении светом, электрон­ ной бомбардировке и т. д. и последующем восстановлении равно­ весного распределения электронов.

При этом одновременно с фотонами возможно и излучение фо­ нонов. В отличие от теплового излучения, рекомбинационное обла­ дает ничтожной инерционностью — порядка наносекунд. Кроме то­ го, источники рекомбинационного щлучення имеют очень малые габариты, и это делает их незаменимыми во многих областях техники (они приме­ няются для усиления сигналов, в инфор­ мационных устройствах, в электронно-вы­ числительных машинах, в аппаратуре

связи и т. д.).

Если в зоне проводимости появляются неравновесные электроны, возбужденные любым способом, то возможны следую­ щие переходы электронов: переход из зо­ ны проводимости в валентную зону, со­ провождающийся излучением только фо­ тонов с энергией, равной ширине запре­ щенной зоны; такой же переход, сопровождающийся излучением фононов и на­ греванием диода; переход, при котором одновременно излучаются фотоны и фо­ ноны; переход из зоны проводимости в валентную зону через примесные уров-

336

7 г л а в а

ШУМЫ ЭЛЕКТРОННЫХ ПРИБОРОВ

7.1. ШУМЫ ЭЛЕКТРОННЫХ ЛАМП

Виды шумов

1 1 1умы электронных приборов ограничивают их чувст­

вительность к слабому сигналу. Стремление повысить помехоус­ тойчивость различного рода электронных устройств приводит к требованию снижения шумов электронных приборов до минималь­ но возможного уровня.

В электронных лампах наблюдаются следующие виды шумов:

— дробовой шум, обусловленный статистическим характером электрических флуктуаций тока электронной эмиссии и дискретной природой электрического заряда при неизменном физико-химиче­ ском состоянии эмиттирующей поверхности;

— шумы поверхностного эффекта, связанные с изменениями физико-химического состояния эмиттирующей поверхности катода;

— шумы токораспределения, определяемые флуктуациями ко­ эффициента токораспределения между электродами;

— шумы вторичной электронной эмиссии, обусловленные от­ клонением от среднего значения коэффициента вторичной эмиссии электродов.

Рассмотрим подробнее каждый из перечисленных видов шумов. Дробовой шум. Электроны внутри катода имеют различную

энергию. Распределение их по энергиям.для металла описывает­ ся, в частности, законом Ферми. Покидают катод только те элект­ роны, энергия которых при дан­ ной температуре больше работы выхода. Рассмотрим единичную поверхность катода. За бесконеч­ но малый интервал времени п бу­ дут эммитированы Ni электронов,

для следующего интервала тг количество электронов будет дру­ гим — N2, для интервала %3— N3 и т. д. Таким образом, можно по­ лучить зависимость плотности тока эмиссии от времени (рис. 7.1).

339