20.Фотоэлектронные приборы: фоторезисторы , фотодиоды, устройство, схемы включения, характеристики, принцип действия, применение.

Фоторезистор представляет собой полупроводниковый резистор,изменяющий свое сопротивление под действием излучения.

Принцип устройства и схема включения:

На диэлектрическую пластину 1 нанесен тонкий слой полупроводника 2 с контактами 3 на концах. Схема включения фоторезистора

Если. облучения нет, то фоторезистор имеет некоторое большое сопротивление называемое темновым. Оно является одним из параметров фоторезистора. Соот­ветствующий ток через фоторе- зистор наз.темновым током. При действии излучения с достаточной энергией фотонов на фоторезистор в нем происходит генера­ция пар подвижных носителей заряда (электронов и дырок) и его сопротивление уменьшается. Фоторезисторы характеризуют удельной чувствительностью, т. е. интегральной чувствительностью,

отнесенной к 1 В приложенного напряжения

Фоторезисторы имеют линейную вольт-амперную и нелинейную энергетическую характеристику .К параметрам фоторезисторов кроме темнового сопротивления и удельной чувствительности следует еще отнести максимальное допустимое рабочее напряжение (до 600 В), кратность изменения сопротивления

(может быть до 500), температурный коэффициент фототока. Практически фоторезисторы применяются лишь на частотах

не выше нескольких сотен герц или единиц килогерц. Собственные шумы фото резисторов значительны. Тем не менее фоторезисторы широко применяются в раз­личных схемах автоматики и во многих других устройствах.

Фотодиоды представляют собой полупроводниковые диоды, в которых используется внутренний фотоэффект. Световой поток управляет обратным током фото­диодов. Под воздействием света на электронно-дырочный переход и прилегающие к нему области происходит генерация пар носителей заряда, проводимость диода возрастает и обратный ток увеличивается. Такой режим работы называется фотодиодным (рис.1а). Вольт-амперные характеристики I=f(U) при

Ф = соnst для фотодиодного режима (рис. 1б) напоминают выходные характе-

ристики биполярного транзистора, включенного по схеме с общей базой. Если

, светового потока нет, то через фотодиод протекает обычный начальный обратный ток I о, который называют темновым. А под действием светового потока ток в диоде возрастает и характеристика располагается выше. Чем больше световой поток, тем больше ток. Повышение обратного напряжения на диоде незначительно увеличивает ток. Но при некотором напряжении возникает электрический пробой (штриховые участки характеристик). Энергетические характеристики фотодиода I = f(Ф) при U= соnst ( являются линейными и мало зависят от напряжения. Интегральная чувствительность фотодиода обычно составляет десятки миллиампер на люмен. Она зависит от длины волны световых. лучей и имеет максимум при некоторой длине волны, различной для разных полупроводников. Инерционность фо­тодиодов невелика. Они могут работать на частотах до нескольких сотен мегагерц. А у фотодиодов со структурой р —i— n граничные частоты повышаются до де­сятков гигагерц. Рабочее напряжение у

фотодиодов обычно бывает 10—30 В. Темновой ток не превышает 10—20 мкА для германиевых приборов и 1—2 мкА — для кремниевых. Ток при освещении со­ставляет сотни микроампер. В последнее время разработаны фотодиоды из сложных полупроводников, наиболее чувствительные к инфракрасному излучению. Имеется несколько разновидностей фотодиодов. У лавинных фотодиодов происходит лавинное размножение носителей в n—р- переходе и за счет этого в десятки раз возрастает чувствительность. В фотодиодах с барьером Шотки имеется контакт полупроводника с металлом. Эти диоды имеют повышенное быстродействие. Улучшенными свойствами обладают фотодиоды с гетеропереходами.

21Фотоэлектронные приборы: фототранзисторы, фототиристоры, устройство, схемы включения, принцип действия.

Биполярный фототранзистор представляет собой обычный транзистор, в корпусе которого сделано прозрачное «окно», через которое световой поток может воз­действовать на область базы. Схема включения биполярного фототранзистора типа р-n-p со «свободной», т. е. никуда не включенной базой, приведена на рис. На эмиттерном переходе напряжение

прямое, а на коллекторном — обратное.

Фотоны вызывают в базе генерацию пар носителей заряда—электронов и дырок. Они диффундируют к коллекторному переходу, в котором происходит

их разделение. Дырки под действием поля коллекторного перехода идут из базы в коллектор и увеличивают ток коллектора. А электроны остаются в базе и повы­шают прямое напряжение эмиттерного перехода, что усиливает инжекцию дырок в этом переходе. За счет этого дополнительно увеличивается ток коллектора. В транзисторе типа n-p-n все происходит аналогично. Интегральная чувствительность у фототранзистора может достигать сотен миллиампер на люмен. Фототранзи­стор со «свободной» базой имеет низкую температурную стабильность. Для

устранения этого недостатка применяют схемы стабилизации. Выходные характеристики фототранзистора показаны на рис. 2 Они аналогичны выходным характе­ристикам для включения транзистора по схеме с общим эмиттером, но различные кривые соответствуют различным значениям светового потока, а не тока базы. Характеристики показывают, что при повышенном напряжении U к-э возникает электрический пробой (штриховые участки).Параметрами фототранзисторов явля­ются интегральная чувствительность, рабочее напряжение (10—15 В), темновой ток (до сотен микроампер), рабочий ток (до десятков миллиампер), максимальная допустимая рассеиваемая мощность (до десятков милливатт), граничная частота. Фототранзисторы, изготовленные сплавным методом, имеют граничные частоты нескольких килогерц, а изготов-

ленные диффузионным методом (планарные) могут работать на частотах до нескольких мегагерц. Недостатком фототранзисторов является сравнительно высокий уровень собственных шумов.Помимо рассмотренного биполярного фототранзистора применяются и другие.Составной фототранзистор представляет собой фото­транзистор, соединенный с

обычным транзистором. И егральная чувствительность у составного фототранзистора получается в десятки раз больше, чем у обычного, и тысячи раз больше, чем у фотодиодов. Высокая чувствительность и хорошее ыстродействие достигаются при сочетании фотодиода с высокочастотным транзистором.Кроме биполярных фо­тотранзисторов в качестве приемников излучения используются и полевые фототранзисторы. На рис. 3 показан полевой фототранзистор с каналом и-типа. При облучении n -канала в нем и в прилегающей к нему р-области (затвора) генерируются электроны и дырки. Переход между и-каналом областью находится под об­ратным напряжением, и поэтому под действием поля этого перехода происходит разделение носителей заряда. В результате возрастает концентрация электронов в n -канале, уменьшается его сопротивление

и увеличивается концентрация дырок в p-области. Ток канала (ток стока) возрастает. Представляют интерес МДП-фототранзисторы с индуцированным (инверс­ным) каналом. Они имеют полупрозрачный затвор, через который освещается область полупроводника под затвором. В этой области происходит фотогенерация носителей заряда. За счет этого изменяется значение порогового напряжения, при котором возникает индуцированный канал, а также крутизна, являющаяся основ­ным параметром такого транзистора. На затвор иногда подают постоянное напряжение для установления начального режима.

Фототиристоры могут управляться световым потоком, подобно тому как триодные тиристоры управляются напряжением, подаваемым на один из эмиттерных пе­реходов(рис.1). При действии света на область базы р1 в этой области генерируются электроны и дырки, которые диффундируют к n-p-переходам. Электроны, по­падая в область перехода П2 находящегося под обратным напряжением, уменьшают его сопротивление. За счет этого происходит перераспределение напряжения, приложенного к тиристору: напряжение на переходе П2, несколько уменьшается, а напряжения на переходах П1 и П3 несколько увеличиваются. Но тогда усилива­ется инжекция в переходах П1 и П3, к переходу П2 приходят инжектированные носители, его сопротивление еще уменьшается и происходит дополнительное пере­распределение напряжения, усиливается еще больше инжекция в переходах П1 и П3, ток лавинообразно нарастает (штриховые линии на рисунке), т. е.тиристор от­пирается. Чем больше световой поток, действующий на тиристор, тем при меньшем напряжении включается тиристор. Это наглядно показывают вольт-амперные характеристики фототиристора (рис.2). После включения на тиристоре устанавливается, как обычно, небольшое напряжение и почти все напряжение источника Е падает на нагрузке. Иногда у фототиристора бывает сделан вывод от одной из базовых областей (р или n ). Если через этот вывод подавать на соответствующий эмиттерный переход то иди иное прямое напряжение, то можно понижать напряжение включения. Само включение по-прежнему будет осуществляться действием светового потока. Фототиристоры могут успешно применяться в различных автоматических устройствах в качестве бесконтактных ключей для включения значи­тельных напряжений и мощностей. Важными достоинствами фототиристоров являются малое потребление ими мощности во включенном состоянии, малые габа­риты, отсутствие искрения, малое (доли секунды) время включения.