Схемы на фотодиодах

• ПРЕДИСЛОВИЕ
• ВВЕДЕНИЕ
  ГЛАВА 1. ПАССИВНЫЕ КОМПОНЕНТЫ ЭЛЕКТРОННЫХ УСТРОЙСТВ
• § 1.1. РЕЗИСТОРЫ
• Основные параметры резисторов
• § 1.2. КОНДЕНСАТОРЫ
• Основные параметры постоянных конденсаторов
• 1.3. КАТУШКИ ИНДУКТИВНОСТИ
• Основные параметры катушки индуктивности (ГОСТ 20718—75)
• § 1.4. ТРАНСФОРМАТОРЫ ЭЛЕКТРОННОЙ АППАРАТУРЫ
• Основные параметры трансформаторов питания
  ГЛАВА 2. ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЕ КОМПОНЕНТЫ ЭЛЕКТРОННЫХ ЦЕПЕЙ
• § 2.1. ЭЛЕКТРОПРОВОДНОСТЬ ПОЛУПРОВОДНИКОВ
• Основные положения теории электропроводности.
• Примесная электропроводность.
• § 2.2. ОСНОВНЫЕ СВОЙСТВА И ХАРАКТЕРИСТИКИ ПОЛУПРОВОДНИКОВ
• Концентрация носителей зарядов.
• Уравнения непрерывности.
• § 2.3. ЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ ПЕРЕХОДЫ
• Контакт металл — полупроводник.
• Контакт двух полупроводников p- и n-типов.
• Свойства несимметричного p-n-перехода.
• p-n-переход смещен в прямом направлении
• Переход, смещенный в обратном направлении.
• Переходы p-i, n-i-, p+-p-, n+-n-типов.
• 2.4. ОСОБЕННОСТИ РЕАЛЬНЫХ p-n-ПЕРЕХОДОВ
• Пробой p-n-перехода.
• § 2.5. ОСНОВНЫЕ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ ПРОЦЕССЫ, ИСПОЛЬЗУЕМЫЕ ПРИ ИЗГОТОВЛЕНИИ ПОЛУПРОВОДНИКОВЫХ ПРИБОРОВ И ИНТЕГРАЛЬНЫХ МИКРОСХЕМ
• § 2.6. ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЕ ДИОДЫ
• Выпрямительные диоды.
• Основные параметры выпрямительных диодов и их значения у маломощных диодов
• Импульсные диоды.
• Полупроводниковые стабилитроны.
• Варикапы.
• Диоды других типов.
• § 2.7. БИПОЛЯРНЫЕ ТРАНЗИСТОРЫ
• Математическая модель транзистора.
• Три схемы включения транзистора.
• Инерционные свойства транзистора.
• Шумы транзистора.
• Н-параметры транзисторов.
• § 2.8. БИПОЛЯРНЫЕ ТРАНЗИСТОРЫ С ИНЖЕКЦИОННЫМ ПИТАНИЕМ
• § 2.9. ТИРИСТОРЫ
• Симметричные тиристоры.
• Основные параметры тиристоров и их ориентировочные значения
• § 2.10. ПОЛЕВЫЕ ТРАНЗИСТОРЫ
• Основные параметры полевых транзисторов и их ориентировочные значения
• § 2.11. ОСОБЕННОСТИ КОМПОНЕНТОВ ЭЛЕКТРОННЫХ ЦЕПЕЙ В МИКРОМИНИАТЮРНОМ ИСПОЛНЕНИИ
• Пассивные компоненты ИС.
• Конденсаторы.
• Индуктивности.
• Транзисторы ИС.
• Изоляция компонентов в монолитных интегральных узлах.
  ГЛАВА 3. КОМПОНЕНТЫ ОПТОЭЛЕКТРОНИКИ И ТЕХНИЧЕСКИЕ СРЕДСТВА ОТОБРАЖЕНИЯ ИНФОРМАЦИИ
• § 3.1. ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ О КОМПОНЕНТАХ ОПТОЭЛЕКТРОНИКИ
• § 3.2. УПРАВЛЯЕМЫЕ ИСТОЧНИКИ СВЕТА
• Основные параметры и характеристики светодиодов
• § 3.3. ФОТОПРИЕМНИКИ
• Основные характеристики и параметры фоторезистора
• Фотодиоды.
• Основные характеристики и параметры фотодиода
• Фототранзисторы.
• Основные характеристики и параметры фототранзистора
• Фототиристоры.
• Многоэлементные фотоприемники.
• Фотоприемники с внешним фотоэффектом.
• § 3.4. СВЕТОВОДЫ И ПРОСТЕЙШИЕ ОПТРОНЫ
• § 3 5. ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ О КОМПОНЕНТАХ УСТРОЙСТВ ОТОБРАЖЕНИЯ ИНФОРМАЦИИ
• § 3.6. ЖИДКОКРИСТАЛЛИЧЕСКИЕ ПРИБОРЫ ДЛЯ ОТОБРАЖЕНИЯ ИНФОРМАЦИИ
• § 3.7. ГАЗОНАПОЛНЕННЫЕ ПРИБОРЫ ДЛЯ ОТОБРАЖЕНИЯ ИНФОРМАЦИИ
• Основные параметры газонаполненных матричных панелей неременного тока
• § 3.8. ВАКУУМНЫЕ ПРИБОРЫ ДЛЯ ОТОБРАЖЕНИЯ ИНФОРМАЦИИ
• § 3.9. ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЕ И ЭЛЕКТРОЛЮМИНЕСЦЕНТНЫЕ ПРИБОРЫ ДЛЯ ОТОБРАЖЕНИЯ ИНФОРМАЦИИ
  ГЛАВА 4. УСИЛИТЕЛИ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ СИГНАЛОВ
• § 4.1. ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ ОБ УСИЛИТЕЛЯХ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ СИГНАЛОВ, ИХ ОСНОВНЫХ ПАРАМЕТРАХ И ХАРАКТЕРИСТИКАХ
• § 4.2. ОСНОВНЫЕ ПОЛОЖЕНИЯ ТЕОРИИ ОБРАТНОЙ СВЯЗИ ПРИМЕНИТЕЛЬНО К УСИЛИТЕЛЯМ
• § 4.3. СТАТИЧЕСКИЙ РЕЖИМ РАБОТЫ УСИЛИТЕЛЬНЫХ КАСКАДОВ
• § 4.4. УСИЛИТЕЛЬНЫЕ КАСКАДЫ НА ПОЛЕВЫХ ТРАНЗИСТОРАХ
• Каскад с общим стоком.
• § 4.5. УСИЛИТЕЛЬНЫЙ КАСКАД НА БИПОЛЯРНОМ ТРАНЗИСТОРЕ С ОБЩИМ ЭМИТТЕРОМ
• Входное сопротивление.
• § 4.6. УСИЛИТЕЛЬНЫЙ КАСКАД НА БИПОЛЯРНОМ ТРАНЗИСТОРЕ С ОБЩЕЙ БАЗОЙ
• § 4.7. УСИЛИТЕЛЬНЫЙ КАСКАД НА БИПОЛЯРНОМ ТРАНЗИСТОРЕ С ОБЩИМ КОЛЛЕКТОРОМ
• Сложные эмиттерные повторители.
• § 4.8. ДИФФЕРЕНЦИАЛЬНЫЕ УСИЛИТЕЛЬНЫЕ КАСКАДЫ
• § 4.9. УСИЛИТЕЛЬНЫЕ КАСКАДЫ С ДИНАМИЧЕСКОЙ НАГРУЗКОЙ И С КАСКОДНЫМ ВКЛЮЧЕНИЕМ ТРАНЗИСТОРОВ
• § 4.10. УПРАВЛЯЕМЫЕ ИСТОЧНИКИ ТОКА И УСИЛИТЕЛЬНЫЕ КАСКАДЫ НА ИХ ОСНОВЕ
• 4.11. УСИЛИТЕЛЬНЫЕ КАСКАДЫ С ТРАНСФОРМАТОРНОЙ СВЯЗЬЮ
• 4.12. МОЩНЫЕ УСИЛИТЕЛЬНЫЕ КАСКАДЫ
• Каскад с ОБ трансформаторным входом и трансформаторным выходом.
• Двухтактные выходные каскады.
• § 4.13. БЕСТРАНСФОРМАТОРНЫЕ МОЩНЫЕ ВЫХОДНЫЕ КАСКАДЫ
  ГЛАВА 5. МНОГОКАСКАДНЫЕ УСИЛИТЕЛИ
• § 5.1. МНОГОКАСКАДНЫЕ УСИЛИТЕЛИ
• Параметры RC-цепи связи.
• § 5.2. УСИЛИТЕЛИ В ИНТЕГРАЛЬНОМ ИСПОЛНЕНИИ
• 5.3. ОПЕРАЦИОННЫЕ УСИЛИТЕЛИ
• § 5.4. ПАРАМЕТРЫ И ХАРАКТЕРИСТИКИ ОПЕРАЦИОННЫХ УСИЛИТЕЛЕЙ
• § 5.5. ОПЕРАЦИОННЫЕ УСИЛИТЕЛИ С УЛУЧШЕННЫМИ ХАРАКТЕРИСТИКАМИ
• § 5.6. ОСОБЕННОСТИ ВКЛЮЧЕНИЯ И СВОЙСТВА ОПЕРАЦИОННЫХ УСИЛИТЕЛЕЙ, ОХВАЧЕННЫХ ОБРАТНОЙ СВЯЗЬЮ
• § 5.7. УСТОЙЧИВОСТЬ УСИЛИТЕЛЕЙ И КОРРЕКЦИЯ ИХ ХАРАКТЕРИСТИК
  ГЛАВА 6. АНАЛОГОВЫЕ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛИ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ СИГНАЛОВ
• § 6.1. МАСШТАБНЫЕ УСИЛИТЕЛИ
• 6.2. ЛИНЕЙНЫЕ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛИ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ СИГНАЛОВ
• 6.3. ИНТЕГРИРУЮЩИЕ УСТРОЙСТВА
• Интеграторы на основе операционных усилителей.
• § 6.4. ДИФФЕРЕНЦИРУЮЩИЕ УСТРОЙСТВА
• Активные дифференцирующие устройства.
• § 6.5. АКТИВНЫЕ ФИЛЬТРЫ
• § 6.6. МАГНИТОЭЛЕКТРОННЫЕ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛИ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ СИГНАЛОВ
• § 6.7. НЕЛИНЕЙНЫЕ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛИ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ СИГНАЛОВ
• § 6.8. ПЕРЕМНОЖИТЕЛИ СИГНАЛОВ И УСТРОЙСТВА, ВЫПОЛНЯЮЩИЕ МАТЕМАТИЧЕСКИЕ ОПЕРАЦИИ
• § 6.9. ДЕТЕКТОРЫ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ СИГНАЛОВ
  ГЛАВА 7. ЭЛЕКТРОННЫЕ КЛЮЧИ
• § 7.1. ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ ОБ ИМПУЛЬСНЫХ ПРОЦЕССАХ И УСТРОЙСТВАХ
• § 7.2. ДИОДНЫЕ КЛЮЧИ
• § 7.3. КЛЮЧИ НА БИПОЛЯРНЫХ ТРАНЗИСТОРАХ
• § 7.4. ПЕРЕХОДНЫЕ ПРОЦЕССЫ В КЛЮЧЕВЫХ ЦЕПЯХ С БИПОЛЯРНЫМИ ТРАНЗИСТОРАМИ
• 7.5. КЛЮЧИ НА ПОЛЕВЫХ ТРАНЗИСТОРАХ
• § 7.6. ПЕРЕХОДНЫЕ ПРОЦЕССЫ В КЛЮЧАХ НА ПОЛЕВЫХ ТРАНЗИСТОРАХ
  ГЛАВА 8. ЛОГИЧЕСКИЕ ЭЛЕМЕНТЫ, ТРИГГЕРЫ, АВТОГЕНЕРАТОРЫ
• § 8.1. ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ О ЛОГИЧЕСКИХ ЭЛЕМЕНТАХ
• § 8.2. ЛОГИЧЕСКИЕ ЭЛЕМЕНТЫ
• 8.3. ЛОГИЧЕСКИЕ ЭЛЕМЕНТЫ НА МОП-ТРАНЗИСТОРАХ
• § 8.4. ТРИГГЕРЫ
• § 8.5. НЕСИММЕТРИЧНЫЕ ТРИГГЕРЫ
• § 8.6. ГЕНЕРАТОРЫ КОЛЕБАНИЙ
• Генераторы напряжения прямоугольной формы.
• Генераторы линейно изменяющегося напряжения (ГЛИН).
• Генераторы напряжения треугольной формы.
• Генераторы синусоидальных колебаний.
• Генераторы LC-типа.
• Генераторы с кварцевыми резонаторами и электромеханическими резонансными системами.
• ЗАКЛЮЧЕНИЕ
  Приложение
• Схемы включения операционных усилителей
• ЛИТЕРАТУРА

 

Параметры и характеристики фотодиодов

Параметры:

• чувствительность отражает изменение электрического состояния на выходе фотодиода при подаче на вход единичного оптического сигнала. Количественно чувствительность измеряется отношением изменения электрической характеристики, снимаемой на выходе фотоприёмника, к световому потоку или потоку излучения, его вызвавшему. S i , Φ v = I Φ Φ v {displaystyle S_{i,{Phi _{v}}}={frac {I_{Phi }}{Phi _{v}}}} ; S i , E v = I Φ E v {displaystyle S_{i,{E_{v}}}={frac {I_{Phi }}{E_{v}}}} — токовая чувствительность по световому потоку S u , Φ e = U Φ Φ e {displaystyle S_{u,{Phi _{e}}}={frac {U_{Phi }}{Phi _{e}}}} ; S i , E e = U Φ E e {displaystyle S_{i,{E_{e}}}={frac {U_{Phi }}{E_{e}}}} — вольтаическая чувствительность по энергетическому потоку
• шумы помимо полезного сигнала на выходе фотодиода появляется хаотический сигнал со случайной амплитудой и спектром — шум фотодиода. Он не позволяет регистрировать сколь угодно малые полезные сигналы. Шум фотодиода складывается из шумов полупроводникового материала и фотонного шума.

Характеристики:

• вольт-амперная характеристика (ВАХ) зависимость выходного напряжения от входного тока. U Φ = f ( I Φ ) {displaystyle U_{Phi }=f(I_{Phi })}
• спектральные характеристики зависимость фототока от длины волны падающего света на фотодиод. Она определяется со стороны больших длин волн шириной запрещённой зоны, при малых длинах волн большим показателем поглощения и увеличения влияния поверхностной рекомбинации носителей заряда с уменьшением длины волны квантов света. То есть коротковолновая граница чувствительности зависит от толщины базы и от скорости поверхностной рекомбинации. Положение максимума в спектральной характеристике фотодиода сильно зависит от степени роста коэффициента поглощения.
• световые характеристики зависимость фототока от освещённости, соответствует прямой пропорциональности фототока от освещённости. Это обусловлено тем, что толщина базы фотодиода значительно меньше диффузионной длины неосновных носителей заряда. То есть практически все неосновные носители заряда, возникшие в базе, принимают участие в образовании фототока.
• постоянная времени это время, в течение которого фототок фотодиода изменяется после освещения или после затемнения фотодиода в е раз (63 %) по отношению к установившемуся значению.
• темновое сопротивление сопротивление фотодиода в отсутствие освещения.
• инерционность

Классификация

• p-i-n-фотодиод

Основная статья: pin-диод

• В p-i-n-структуре средняя i-область заключена между двумя областями противоположной проводимости. При достаточно большом напряжении оно пронизывает i-область, и свободные носители, появившееся за счет фотонов при облучении, ускоряются электрическим полем p-n-переходов. Это дает выигрыш в быстродействии и чувствительности. Повышение быстродействия в p-i-n-фотодиоде обусловлено тем, что процесс диффузии заменяется дрейфом электрических зарядов в сильном электрическом поле. Уже при Uобр ≈ 0,1 В p-i-n-фотодиод имеет преимущество в быстродействии.

Достоинства: 1) есть возможность обеспечения чувствительности в длинноволновой части спектра за счет изменения ширины i-области. 2) высокая чувствительность и быстродействие 3) малое рабочее напряжение Uраб Недостатки: сложность получения высокой чистоты i-области

• Фотодиод Шоттки (фотодиод с барьером Шоттки) Структура металл-полупроводник. При образовании структуры часть электронов перейдет из металла в полупроводник p-типа.
• Лавинный фотодиод

Основная статья: Лавинный фотодиод

• В структуре используется лавинный пробой. Он возникает тогда, когда энергия фотоносителей превышает энергию образования электронно-дырочных пар. Очень чувствительны. Для оценки существует коэффициент лавинного умножения: M = I Φ I Φ 0 {displaystyle M={frac {I_{Phi }}{I_{Phi _{0}}}}} M = 1 1 − ( U U p r ) m {displaystyle M={frac {1}{1-left({frac {U}{U_{pr}}}right)^{m}}}} Для реализации лавинного умножения необходимо выполнить два условия: 1) Электрическое поле области пространственного заряда должно быть достаточно большим, чтобы на длине свободного пробега электрон набрал энергию, большую, чем ширина запрещённой зоны: q λ = 3 I g 2 {displaystyle qlambda ={frac {3I_{g}}{2}}} 2) Ширина области пространственного заряда должна быть существенно больше, чем длина свободного пробега: W >> λ {displaystyle W>>lambda } Значение коэффициентов внутреннего усиления составляет M = 10—100 в зависимости от типа фотодиодов.
• Фотодиод с гетероструктурой Гетеропереходом называют слой, возникающий на границе двух полупроводников с разной шириной запрещённой зоны. Один слой р+ играет роль «приёмного окна». Заряды генерируются в центральной области. За счет подбора полупроводников с различной шириной запрещённой зоны можно перекрыть весь диапазон длин волн. Недостаток — сложность изготовления.

> См. также

• Фототранзистор
• Фототиристор
• Фоторезистор
• Оптрон
• pin-диод

Примечания

1. ↑ Большая советская энциклопедия : / гл. ред. А. М. Прохоров. — 3-е изд. — М. : Советская энциклопедия, 1969—1978.

В этой статье не хватает ссылок на источники информации. Информация должна быть проверяема, иначе она может быть поставлена под сомнение и удалена. Вы можете отредактировать эту статью, добавив ссылки на авторитетные источники. Эта отметка установлена 15 мая 2011 года.

2 Жартылай өткiзгiш диодтар

Өткiзу қабiлетiнiң әртүрлi түрi (р — жыртық және n — электрондық) бар екi жартылай өткiзгiш жiктерiнiң комбинациясы түзулеушi қасиеттермен ие болады: ол керiге қарағанда төтеледегi тоқ анағұрлым жақсы өткiзедi. Кернеудi полярлық, тиiстi үлкен тоқтарға, түзу деп аталады, кiшiсi тоқтарға — керi.

Жартылай өткiзгiш диодпен бiр pnдерде екi қорытындысы болып болатын құрал өткел деп аталады.

Барлық жартылай өткiзгiш диодтар екi топта бөлуге болады: түзеткiш және арнайысы (2.1-шi сурет). Түзеткiшi айнымалы тоқтың өрнектеуi үшiн тұрақты арналған. Арнайы диодтар pnның әр түрлi қасиеттерiн қолданады — өткелдер. Арнайы диодтарға жарық диодтар, фотодиодтар, импульсты диодтар және стабилитрондарды жатады.

 

2.1-cурет – Жартылай өткiзгiш диод

 

Түзеткiш диодтар

Конструктивтi түзеткiш диодтар жазықтық және нүктелiкке жiктеледi. Pnның арқасында үлкен ауданының жазықтық диодтары – өткел үлкен тоқтардың түзетуi үшiн қолданылады. Нүктелiк диодтарды алады өткелдiң ауданын айғыздаймын және аз тоқтардың түзетуi үшiн арналған.

Жартылай өткiзгiш диодты шартты график түрiнде белгi 2.2,а -шi сурет елестеткен.

 

2.2-cурет –Жартылай өткiзгiш диод

Жартылай өткiзгiш диодты құрылым 2.2,б-шi сурет елестетер едi. Қосылған pға қорытынды р-облыс (А) анодпен деп аталады, облыстың n қосылған қорытындысы ( К) катодпен деп аталады.

Түзеткiш диодтар үшiн олар төтелелерде аз кедергiсi болатын және үлкен тоқтар өткiзуге мүмкiндiк бергенi тән. Диодтар кедергi керi кернеудi қосындыда кенет өседi. Электр жүйесiдегi жартылай өткiзгiш диодты жұмыспен оның (ВАМ ) вольтамперлiк мiнездемесiмен анықталады.

2.3-ші суретте кремилiк және германи диодтарын вольтамперлiк мiнездеме елестеткен.

Кремилiк және германи диодтарының вольтамперлiк мiнездемелерiнiң талдауы келесi қорытындыларды жасауға мүмкiндiк бередi:

– екi дерлiк реттiң германи диодындағы Uпр кернеуiн төте құлау кремилiкке қарағандасы аз Iпр тоқтың түзуiнiң бiрдей мәндерiнде;

– германий диоды тоқ Uпр = 0,2 – 0,3В, кремилiк-тек қана Uпр= 0,6 — 0,8В.

– едәуiр аз керi тоқтың Iобр кремилiк диодын керi тоқ германи бiрдей керi кернеулерде.

 

2.3-cурет – Кремилiк және германий диодтарын ВАМ

Бұл қорытындылар германи және кремилiк диодтарды тағайындаулар шектеуге мүмкiндiк бередi. Германи диодтары (0, 3Вке дейiн) аз амплитуданың сигналдарының өңдеуi үшiн қолданады. Керi бағыттардағы да, түзуде де кiлегейлен мұндай амплитуданың сигналдардың оларына берудiң жанында кремилiк диодтар бiрдей тоқтар өткiзедi. Кремилiк диодтар керi тоқты жарамағанда жағдайлар сол қолданылады. Бұдан басқа, олар 125 — 150 °С қоршаған ортаның температурасына дейiн жұмысқа қабiлеттiлiктерiн сақтайды, сонда германи тек қана түзеткiш диодтардың параметрлерiмен 70 °С .

Негiзгi параметрларға дейiн жұмыс iстей алады болып табылады:

– Uобр.max шектi керi кернеу барынша өңделген. Бұл диод оның жұмысқа қабiлеттiлiгiнiң бұзушылығысыз ұзақ уақыт арасында шыдай алған керi кернеудi мәндер;

– тiктелген тоқтың мәнi анықталатын орташа мерзiм вп орташа тiктелген тоқ Iср. вп;

– тұрақты керi кернеу Iобр диодты керi тоқ, нақтылы күйiнде;

– тоқтың тұрақты түзудiң әрбiр диод үшiн нақтылы күйiнде Unp тұрақты төте кернеу.

Бұл шамалардың қатынасы тоққа түзуге диодты кедергiнi анықтайды.

Uобр.max асып кету өңделген бола тәртiпке диод ауыстырады. Электр және жылулық және p-nдер танып бiледi — өткел. Электрi болып және p-nның қиратуымен жарысамауы мүмкiн бол — өткел. Жылулығы қалай p-nның қиратуына алып келгенiн — сала өткел және диодты шығу болғанын бол.

Түзеткiш диодты жұмыстың схемасын қарап шығамыз (2.4-шi сурет).

 

2.4-cурет – Түзеткiш диодты жұмыстың схемасы

Диод кiретiн айнымалы кернеудi оң жарты толқынды өткiзедi.

Түзеткiш диодты жұмыстың уақытша диаграммалары 2.5-шi сурет елестеткен.

 

2.5-cурет – Уақытша диаграммалары түзеткiш диодты жұмыстың

Диодты төңкеремiз. Диод ендi кiретiн кернеудi терiс жарты толқынды өткiзедi.

 

2.6-cурет – Түзеткiш диодты жұмыстың схемасы

 

2.7-cурет – Уақытша диаграммалары түзеткiш диодты жұмыстың

Сайып келгенде диодты қосындының схемаларына байланысты шығуға кiретiн кернеудi оң жарты толқын немесе кiретiн кернеудi терiс жарты толқын да өтедi.

 

Арнайы тағайындаудың диодтары

Арнайы тағайындаудың диодтарын әр түрлi түрлер бар болады: туннелдi диодтар, варикаптар, жарық диодтар, фотодиодтар, импульсты диодтар, стабилитрондар, стабисторлар және тағы басқалар.

Диодтар қосындының терiс полярлығынан әртүрлi құрылымдардың қорғауы үшiн сонымен бiрге қолданылады тағы сол сияқтылар.

 

Импульсты диодтар

Импульсты диодтарды алады аумалы-төкпелi процесстердiң ұзақтығын айғыздаймын және импульсты шынжырлардағы жұмысы үшiн арналған.

Олар түзеткiш диодтарға қарағанда pnның аз сыйымдылықтарымен айырмашылығы болады — өткел. Сыйымдылықтың кiшiрейтуi pnның ауданына кiшiрейту есебiнен жетедi — өткел, сондықтан оларда шашыратудың мүмкiн қуаттары үлкен емес.

Импульсты диодтар ауыстырып қосуды жоғарғы жиiлiктердi алады және логикалық элементтердiң жасауында қолданылады.

 

2.8-cурет – Уақытша диаграммалары түзеткiш диодты жұмыстың

 

Стабилитрондар

Егер pn-ға өткелге керi кернеу қосса, онда өткел оның мәнi нақтылы күйiнде бұзып-жарып өтедi.

Екi түрлер бола танып бiледi: сала (аударылатын) электр және (қайтымсыз) жылулық, шығарушы жартылай өткiзгiш құралы. Егер керi тоқ болса, онда электр бол жылулық өтедi. Тоқтың үлкеюi сақтаушылардың ары қарай генерациясы да температураның өсуiне алып келедi. процесс сала ол кристалл және шығу көшкiн түрiндегi өсiп келе жатып құрылымның өзгерiске әкеледi.

Бола стабилитрондардағы практикалық қолданулар табады — кернеудi тұрақтану үшiн қолайлы құралдар құбылыс.

Қоңыр оның ВАМ стабилитронда кернеу түзуде кәдiмгi диодтан айырмашылығы болады. Кернеулер керi қосындыда стабилитронда Uобр.макс төңiректiң ВАМы бөлiмше өңделген қолданылады.

Стабилитронның қосындысының схемасы 2.9,а -шы сурет елестеткен. Стабилитронның шартты график түрiнде белгiсi 2.9,б -шы сурет елестетер едi

 

а) б)

2.9-cурет – Стабилитронның қосындысының шартты белгiлеу және схемасы

Uшығның кернеуi кең диапазондағы Uеңтың кернеуiнiң шамалары өзгерiсте тұрақты болып қалады.

Uең Uшығ әрдайым аз. Стабилитронның кедергiсi қосынды түзуде кiшкентай.

Жартылай өткiзгiш диодтардың қадырларымен аз өлшемдер және масса, ұзақ қызмет мерзiмi, биiк механикалық берiктiктер болып табылады. Диодтарды кемшiлiк параметрлердiң температурасынан тәуелдiлiк болып табылады.

 

Жарық диодтар

Жарық диод — бұл электр энергиясын жарық арқылы өте құрастыр электронды аспап. Жарық диодтың қосындысының шартты белгiлеу және схемасы 2.10-ші суретте елестеткен.

 

2.10-сурет – Жарық диодтың қосындысының шартты белгiлеу және схемасы.

Жарық диодта pnның облысынан жарық арқылы шығаруын қорытындысының мүмкiндiгi ескерiлген — арқылы мөлдiр терезенiң өткелi корпуста.

Өтуiнде жабысып тұратын pnдарға тоғының жарық диоды арқылы — жартылай өткiзгiш облыстары өткелге сақтаушылардың қарқынды рекомбинациясында болады зарядталатын — электрондар және тесiктер. Босататын энергияның бөлiгi жарықтың кванттарының түрiнде адыраяды. Жартылай өткiзгiштiң тиым салынған аймағының ендерiне байланысты шығару көз төңiрегiнде көрнектi инфрақызыл шығару көрiнбейтiн жарықтың толқын ұзындығын иемдене алады. Галлидың арсенидiнiң негiзiнде өткелдердiң шығаруы 0 шақты, 8 мкм толқын ұзындығын алады. Кремнидiң карбиды немесе галлидың фосфидынан өткелдерi түс көрнектi жарық аралықта қызылмен көгiлдiрмен аралығындағы сәуле таратады. Жарық диодтың ең маңызды параметрлерiмен сәуле таратуды нитах өлшелетiн жарықтық және түстер болып табылады.

 

2.11-сурет – Жарық диод

Жарық диод үшiн жарық диод асып кетуiнде жана бастайтын төтеледегi ең төменгi тоқ қосымша көрсетiледi.

 

Фотодиодтар

Фотодиод — жарық арқылы энергиясын электр өте құрастыр электронды аспап. Фотодиодтың қарапайым жәндiктерi pnға оптикалық шығаруды әсердiң мүмкiндiгi қамтамасыз етiлген кәдiмгi диод өткел болады. Оның корпусы өткел pn бағытталған сыртқы жарық ағыны құратын линзамен жабдықтаған.

Облыстар оған зарядтың жаңа сақтаушылары құрастыруға жабысып тұратын өткелдер pnға жарықтың кванттарының жұтуында. Зарядтың төңiрегiнде өткелге pnге өткел pnдарға сiңiруге және электр өрiсiсiнiң әсерiмен оларға арқылы өтуге жабысып тұратын пайда болған сақтаушылары Неосновные. Керi тоқ демек жарықта өседi. Өткелдiң pnге кванттардың жұтуы тiкелей ұқсас нәтижеге жеткiзедi. Керi тоқ өсетiн шама фототокпен деп аталады.

Фотодиодтың қасиеттерi келесi мiнездемелермен сипаттауға болады:

а) фотодиодтың вольт-ампер мiнездемесi жарық арқылы тоғының тәуелдiлiгi кернеуден өзгерiссiз жарық ағыныда болады;

б) жарықтықтан фототоктiң тәуелдiлiгiнiң фотодиодының жарық арқылы мiнездемесi;

в ) фотодиодтың спектрлiк мiнездемесi — бұл фотодиодқа беретiн жарықтың толқын ұзындығынан фототоктiң тәуелдiлiгi;

г ) тұрақты уақыт — бұл уақыт, фотодиод қай фототок iшiнде орналастырылған мән қарағанда жарықтан кейiн немесе фотодиодтың қараңғысынан кейiн 63%ке өзгередi;

д ) кедергi ұлу — жарықтың жоқтығына фотодиодының кедергiсi.

Фотодиод көпшiлiгiнде күрделi оптоэлектронды құрылымдардың құрама элементi болып табылады. Және сондықтан ол кең қолдану табады.

Мысалы:

а) оптоэлектронды интегралды микросұлбалар;

б) көп элементтiк фото қабылдағыштар.

Демек, көп элементтiк фото қабылдағыштар жолымен бiртiндеп оның (элемент бойынша жiктеу) көруiн зерттелетiн кеңiстiк анализ жасауға мүмкiндiк беретiн құрылымдар сканирлейтiн жүйелер болады.

Фотодиодтың қосындысының шартты белгiлеу және схемасы 2.12-ші суретте елестеткен.

 

2.12-сурет – Фотодиодтың қосындысының шартты белгiлеу және схемасы

 

Спектральная характеристика

Длинноволновая граница фоточувствительности определяется значением ширины запрещенной зоны Eg, а спад в коротковолновой области спектра объясняется тем, что коэффициент поглощения растет, и большая часть излучения поглощается в приповерхностном слое базы, где фэф мало и меньшая часть генерированных светом носителей доходит до p — n-перехода. Следовательно, положение коротковолновой границы фоточувствительности зависит от ширины базы и скорости поверхностной рекомбинации. Уменьшая значения этих величин, можно существенно сдвигать коротковолновую границу фоточувствительности в сторону меньших длин волн. Вид спектральной характеристики реального фотодиода определяется в основном зависимостью коэффициента собирания ч от длины волны. Значение ч определяется структурой фотодиода, диффузной длиной неосновных носителей, коэффициентом поглощения света, шириной запрещенной зоны полупроводника. Для повышения чувствительности в длинноволновой области спектра необходимо увеличивать диффузионную длину неосновных носителей в исходном материале. Повышение коротковолновой чувствительности можно обеспечить создание объемного заряда вблизи поверхности фотоприемника, как это имеет место, например, в поверхностно-барьерных структурах. Изменение чувствительности и сдвиг максимума спектральной характеристики происходят при переходе от вентильного режима работы к фотодиодному за счет расширения области объемного заряда и увеличения эффективности собирания носителей. Применение специальных покрытий дает возможность уменьшить коэффициент отражения до 5…10%, а, следовательно, увеличить чувствительность.

Зависимость спектральных характеристик от температуры определяется главным образом температурной зависимостью коэффициента собирания. Влияние оказывают температурные изменения коэффициента поглощения света, ширины запрещенной зоны полупроводника, диффузионной длины неосновных носителей и др.

При изучении спектральной чувствительности фотодиодов выявляют зависимость силы тока или напряжения на фотодиоде от длины волны падающего излучения. Снимем спектральную характеристику фотодиода ФД — 24К (1-85). Для этого подключим его к мультиметру, работающему в режиме вольтметра, и поднесем к зрительной трубе монохроматора УМ — 2. В качестве источника света будем использовать лампочку Л 12V, 50 + 40W. Монохроматор разделяет световой поток на линейчатый спектр. Каждому цвету в спектре соответствует определенный угол поворота барабана монохроматора.

График зависимости напряжения фотодиода от угла поворота барабана монохроматора представлены на рисунке 5. Так как каждому углу поворота соответствует определенное значение длины световой волны, из данных графика следует, что максимум спектральной чувствительности приходится на красный цвет спектра.

Рисунок 5 — Спектральная характеристика фотодиода ФД — 24К (1 — 85)

Для разработки устройства, позволяющего определять спектральные характеристики источников излучения без использования монохроматора, соберем схему питания, представляющую собой несложную электрическую цепь, состоящую из генератора тока, фотодиода ФД, сопротивления R (рисунок 6). Используя сопротивление, мы тем самым изменяем напряжение на фотодиоде, что непосредственно должно привести к увеличению спектральной чувствительности в длинноволновую область. Снимем показания мультиметра аналогично первому опыту. Данные измерений отобразим на графике (рисунок 7) зависимости напряжения фотодиода от угла поворота барабана монохроматора.

Рисунок 6 — Схема включения фотодиода

Рисунок 7 — Спектральная характеристика фотодиода

Проанализировав полученную зависимость, заметим, что желаемого смещения максимума спектральной чувствительности в сторону больших длин волн не происходит. В ходе проделанной работы приходим к выводу, что смещение максимума спектральной чувствительности происходит при определенных условиях, а именно в области более низких температур фотоприемника, следовательно, необходимо уменьшить температуру фотодиода, используя специальные охлаждаемые датчики.

Охлаждаемые фотодатчики

Охлаждение фотоприемников, как правило, существенно увеличивает их чувствительность и всегда изменяет свойства и параметры. При понижении температуры изменяется длинноволновая граница чувствительности (в одних случаях в сторону меньших длин волн, в других — в сторону больших), инерционность, сопротивление и др. Охлаждение во многом улучшает качество фотоприемника и, если бы оно не было сопряжено с дополнительными затруднениями при эксплуатации, применение его было бы всегда рационально. Практически охлаждение осуществляется для фотоприемников всех типов.

В данной работе единственным возможным решением является использование в качестве охлаждаемого фотодатчика элемент Пельтье (Пельтье-холодильник), компактный и удобный в использовании модуль (тип СР. 0 — 127 — 05L). Максимальная сила тока элемента Пельтье Imax=3,9 А, максимальное напряжение — Umax=15,5 В, максимальная мощность, Qmax=34,5, разность комнатной и температуры на элементе ДТ=71?С, габариты 30Ч30Ч3,6 мм. Для более глубокого охлаждения используем последовательное соединение Пельтье-модулей, при этом величина ДТ составит 140?С. Принципиальная схема охлаждаемого фотодатчика показана на рисунке 8а. Изменяя напряжение, подаваемое на Пельтье-модуль, будем регулировать ДТ, смещая, таким образом, максимум спектральной чувствительности в сторону больших длин волн (рисунок 8б). Построим графики зависимости спектральной чувствительности от длины волны при различных температурах. Полученные максимумы спектральной чувствительности определяют спектральную характеристику источников излучения (рисунок 8б). Таким образом, только в результате охлаждения фотоприемника удается достичь цели исследовательской работы.

Рисунок 8 — Схема охлаждаемого фотодатчика (а)

и зависимость спектральной чувствительности от температуры (б)

Исследование охлаждаемого фотодатчика позволяет изменять спектральную чувствительность в зависимости от температуры фотодатчика, которая регулируется напряжением, подаваемым на Пельтье-модуль. Это дает возможность судить о спектральном составе излучения, падающего на фотоприемник, меняя температуру фотодатчика. Так можно исследовать спектральный состав излучения без использования дисперсионных приборов типа монохроматора.

Особое место в электротехнике занимают фотодиоды, которые применяются в различных устройствах и приборах. Фотодиодом называется полупроводниковый элемент, по своим свойствам подобный простому диоду. Его обратный ток прямо зависит от интенсивности светового потока, падающего на него. Чаще всего в качестве фотодиода применяют полупроводниковые элементы с р-n переходом.

Устройство и принцип действия

Фотодиод входит в состав многих электронных устройств. Поэтому он и приобрел широкую популярность. Обычный светодиод – это диод с р-n переходом, проводимость которого зависит от падающего на него света. В темноте фотодиод обладает характеристиками обычного диода.

1 – полупроводниковый переход.
2 – положительный полюс.
3 – светочувствительный слой.
4 – отрицательный полюс.

При действии потока света на плоскость перехода фотоны поглощаются с энергией, превышающей предельную величину, поэтому в n-области образуются пары носителей заряда — фотоносители.

При смешивании фотоносителей в глубине области «n» основная часть носителей не успевает рекомбинировать и проходит до границы р-n. На переходе фотоносители делятся электрическим полем. При этом дырки переходят в область «р», а электроны не способны пройти переход, поэтому накапливаются возле границы перехода р-n, а также области «n».

Обратный ток диода при воздействии света повышается. Значение, на которое повышается обратный ток, называют фототоком.

Фотоносители в виде дырок осуществляют положительный заряд области «р», по отношению к области «n». В свою очередь электроны производят отрицательный заряд «n» области относительно «р» области. Возникшая разность потенциалов называется фотоэлектродвижущей силой, и обозначается «Еф». Электрический ток, возникающий в фотодиоде, является обратным, и направлен от катода к аноду. При этом его величина зависит от величины освещенности.

Режимы работы

Фотодиоды способны функционировать в следующих режимах:

• Режим фотогенератора. Без подключения источника электричества.
• Режим фотопреобразователя. С подключением внешнего источника питания.

В работе фотогенератора фотодиоды используются вместо источника питания, которые преобразуют солнечный свет в электрическую энергию. Такие фотогенераторы называются солнечными элементами. Они являются основными частями солнечных батарей, применяемых в различных устройствах, в том числе и на космических кораблях.

КПД солнечных батарей на основе кремния составляет 20%, у пленочных элементов этот параметр значительно больше. Важным свойством солнечных батарей является зависимость мощности выхода к весу и площади чувствительного слоя. Эти свойства достигают величин 200 Вт / кг и 1 кВт / м2.

При функционировании фотодиода в качестве фотопреобразователя, источник напряжения Е подключается в схему обратной полярностью. При этом применяются обратные графики вольт-амперной характеристики при разных освещенностях.

Напряжение и ток на нагрузке Rн определяются на графике по пересечениям характеристики фотодиода и нагрузочной линии, которая соответствует резистору Rн. В темноте фотодиод по своему действию равнозначен обычному диоду. Ток в режиме темноты для кремниевых диодов колеблется от 1 до 3 микроампер, для германиевых от 10 до 30 микроампер.

Виды фотодиодов

Существует несколько различных видов фотодиодов, которые имеют свои достоинства.

p – i – n фотодиод

В области р-n у этого диода имеется участок с большим сопротивлением и собственной проводимостью. При воздействии на него света возникают пары дырок и электронов. Электрическое поле в этой зоне имеет постоянное значение, пространственный заряд отсутствует.

Этот вспомогательный слой значительно снижает емкость запирающего слоя, и не зависит от напряжения. Это расширяет полосу рабочих частот диодов. В результате скорость резко повышается, и частота достигает 1010 герц. Повышенное сопротивление этого слоя значительно уменьшает ток работы при отсутствии освещения. Чтобы световой поток смог проникнуть через р-слой, он не должен быть толстым.

Лавинные фотодиоды

Такой вид диодов является полупроводниками с высокой чувствительностью, которые преобразуют освещение в сигнал электрического тока с помощью фотоэффекта. Другими словами, это фотоприемники, усиливающие сигнал вследствие эффекта лавинного умножения.

1 — омические контакты 2 — антиотражающее покрытие

Лавинные фотодиоды более чувствительны, в отличие от других фотоприемников. Это дает возможность применять их для незначительных мощностей света.

В конструкции лавинных фотодиодов применяются сверхрешетки. Их суть заключается в том, что значительные различия ударной ионизации носителей приводят к падению шумов.

Другим достоинством применения аналогичных структур является локализация лавинного размножения. Это также снижает помехи. В сверхрешетке толщина слоев составляет от 100 до 500 ангстрем.

Принцип действия

При обратном напряжении, близком к величине лавинного пробоя, фототок резко усиливается за счет ударной ионизации носителей заряда. Действие заключается в том, что энергия электрона повышается от внешнего поля и может превзойти границу ионизации вещества, вследствие чего встреча этого электрона с электроном из зоны валентности приведет к появлению новой пары электрона и дырки. Носители заряда этой пары будут ускоряться полем и могут способствовать образованию новых носителей заряда.

Характеристики

Свойства таких световых диодов можно описать некоторыми зависимостями.

Вольт-амперная

Эта характеристика является зависимостью силы тока при постоянном потоке света от напряжения.

I — ток M — коэффициент умножения U — напряжение

Световая

Это свойство является зависимостью тока диода от освещения. При возрастании потока света, фототок повышается.

Спектральная

Это свойство является зависимостью тока диода от длины световой волны, и является шириной пограничной зоны.

Постоянная времени

Это время, за которое фототок диода меняется после подачи света в сравнении с установившимся значением.

Темновое сопротивление

Это значение сопротивления диода в темноте.

Инерционность

Факторы, влияющие на эту характеристику:

• Время диффузии неравновесных носителей заряда.
• Время прохождения по р-n переходу.
• Период перезарядки емкости барьера р-n перехода.

Сфера применения

Фотодиоды являются основными элементами многих оптоэлектронных приборов.

Интегральные микросхемы (оптоэлектронные)

Фотодиод может иметь значительную скорость работы, но коэффициент усиления тока составляет не более единицы. Вследствие оптической связи микросхемы имеют существенные преимущества: идеальная гальваническая развязка цепей управления от мощных силовых цепей. При этом между ними сохраняется функциональная связь.

Фотоприемники с несколькими элементами

Эти устройства в виде фотодиодной матрицы, сканистора, являются новыми прогрессивными электронными устройствами. Их оптоэлектронный глаз с фотодиодом может создавать реакцию на пространственные и яркостные свойства объектов. Другими словами, он может видеть полный его зрительный образ.

Количество ячеек, чувствительных к свету, очень большое. Поэтому, кроме вопросов быстродействия и чувствительности, необходимо считывание информации. Все фотоприемники с множественными фотоэлементами являются сканирующими системами, то есть, приборами, которые позволяют анализировать исследуемое пространство последовательным поэлементным просмотром.

Фотодиоды также нашли широкое применение в оптоволоконных линиях, лазерных дальномерах. Недавно такие световые диоды стали использоваться в эмиссионно-позитронной томографии.

В настоящее время имеются образцы светочувствительных матриц, состоящих из лавинных фотодиодов. Их эффективность и область применения зависит он некоторых факторов.

Наиболее влияющими оказались такие факторы:

• Суммарный ток утечек, образующийся путем сложения шумов и тока при отсутствии света.
• Квантовая эффективность, определяющая долю падающих квантов, приводящих к возникновению тока и носителей заряда.