-
Сенсоры на диодах и биполярных транзисторах Полупроводниковые диоды
Полупроводниковые
диоды
формируют, как известно, посредством
локального легирования полупроводника,
так чтобы образовался т.н. "
-
-переход"
– переходной слой между областями
полупроводника
и
типа
.Электрический ток через такую структуру
может свободно протекать только в
"прямом" направлении – от "анода"
(область
-типа)
к "катоду" (область
-типа).
Известно следующее теоретическое
выражение, описывающее вольтамперную
характеристику (ВАХ) диода,
т.е. зависимость протекающего сквозь
него тока от приложенного напряжения:
|
|
(6.2) |
где
–
т.н. "темновой" ток, обусловленный
тепловой генерацией носителей заряда;
–
электрический заряд электрона;
–
приложенное к диоду
напряжение;
–
постоянная Больцмана;
–
абсолютная температура диода.
Из
формулы (6.2) видно, что ток через диод
при фиксированном напряжении сильно
зависит от абсолютной температуры. А
если зафиксировать пропускаемый ток
(например, с помощью схемы источника
тока), то напряжение на прямо смещенном
-
-переходе,
почти линейно возрастает с повышением
температуры. Поэтому полупроводниковые
диоды
и биполярные транзисторы
часто используют как чувствительные
элементы в сенсорах температуры. Такие
сенсоры выпускаются многими фирмами и
обеспечивают точность измерения
температуры до ±0,1°С.
Фотодиоды
Наиболее
известными диодными сенсорами являются
фотодиоды.
В фотоприемниках (сенсорах света) они
ведут себя как управляемый светом
источник тока. Благодаря наличию в толще
-перехода
внутреннего электрического поля
дополнительные свободные носители
заряда, которые возникают при поглощении
квантов света, начинают перемещаться
и создают дополнительный электрический
ток, пропорциональный интенсивности
света. Его называют "фототоком".
Зависимость тока через фотодиод
от напряжения и интенсивности падающего
света довольно хорошо описывается
формулой
|
|
(6.3) |
где
–
"темновой" ток;
–
электрический заряд электрона;
–
напряжение на диоде;
–
постоянная Больцмана;
–
абсолютная температура;
–
квантовый выход носителей заряда при
возбуждении светом (усредненное
количество носителей, которые возникают
при поглощении одного кванта света);
–
квантовая интенсивность светового
потока (фотонов/с).
На
практике световой поток часто задают
в люксах. Тогда коэффициент при нем
имеет смысл светочувствительности
фотодиода
и задаётся в мкА/лк. Соответствующие
вольтамперные характеристики фотодиода
при отсутствии света
и
при его возрастающих интенсивностях
показаны
слева на
рис. 6.1.
Рис. 6.1. Слева – вольтамперные характеристики фотодиода при разных уровнях освещенности; справа – эквивалентная электрическая схема фотодиода
Справа рис.6.1
приведена эквивалентная электрическая
схема фотодиода.
Рядом с источником тока показаны
собственная электроемкость диода
и
его внутреннее сопротивление
.
Они в значительной мере и определяют
быстродействие фотодиода.
Чтобы обеспечить высокое быстродействие,
надо, в первую очередь, уменьшать
собственную емкость фотодиода.
Этого достигают, используя фотодиоды
структуры,
которые показаны на рис.
6.2. В такой структуре
непосредственно возле
-области
(анода) диода
формируется обширная очень обедненная
носителями, почти изолирующая, область
кремния (так называемая
-область).
Этим достигается значительное уменьшение
собственной емкости фотодиода.
Рис. 6.2. Структура р-і-n-фотодиода
Чтобы в полупроводнике при поглощении фотона образовалась пара носителей заряда (электрон + "дырка"), энергия фотона должна быть больше ширины запрещенной энергетической зоны.
Для
кремния, например, это 1,12 эВ. Такую
энергию имеют кванты света с длиной
волны меньше 1,1 мкм – это так называемая
"красная граница" фоточувствительности
для чистого кремния. С другой стороны,
видимый свет с длиной волны, существенно
меньше 0,1 мкм, уже сильно поглощается
кремнием. Из-за этого, если
-область
кремния относительно толстая, свет так
и не доходит до
-перехода.
Поэтому для того, чтобы кремниевые
фотодиоды
имели высокую чувствительность и в
видимой области спектра,
-область
кремния надо делать очень тонкой.
Фотодиоды,
которые должны быть чувствительны к
свету из ближней инфракрасной области
спектра с длиной волны от 1,2 до 2 мкм,
делают из германия, а чувствительные к
свету средней и далекой инфракрасной
(ИК) области – из еще более "узкозонных"
полупроводников
.
Из-за узкой запрещенной зоны темновой
ток у таких фотодиодов
и дробовой шум при комнатных температурах
слишком велики. Поэтому фотодиоды,
которые должны работать в средней и
далекой ИК области спектра, как правило,
приходится охлаждать.