Общие сведения о работе фотодиода



страница2/5
Дата12.02.2020
Размер0.81 Mb.
Название файла-
ТипЛабораторная работа
1   2   3   4   5
NF – количество неосновных фотоносителей, проходящих через переход в единицу времени;

– коэффициент отражения на поверхности полупроводника;



n – квантовый выход внутреннего фотоэффекта;

– коэффициент собирания пар оптически генерированных носителей (эффективность разделения пар);



SI – токовая монохроматическая чувствительность p-n перехода.

Рис. 2.


Рис . 3. ВАХ.
При приложении к облученному p-n переходу внешнего напряжения в запирающем направлении потенциальный барьер увеличивается. При этом ток основных носителей через p-n переход практически прекращается и во внешней цепи течет суммарный ток неосновных фотоносителей (фототок IF) и термически генерированных неосновных носителей (темновой ток IT), который называют общим током Iобщ:

Фотодиоды основаны на фотогальваническом эффекте и предназначены для работы как с приложением внешнего напряжения (фотодиодный способ включения), так и без приложения внешнего напряжения (вентильный способ включения) в отличие от полупроводниковых фотоэлементов, которые работают только в вентильном режиме.



Вольт-амперная характеристика (ВАХ) фотодиода (за положительные направления принимаются: направление фототока; направление напряжения, запирающего p-n переход):

(2)

где VD – внешнее напряжение, приложенное к фотодиоду;



Iобщ – общий ток, протекающий через фотодиод; он равен сумме фототока IF и темнового тока IT:



IT – темновой ток фотодиода, т.е. ток, протекающий через фотодиод в отсутствие облучения при заданном VD:

(3)

е – заряд электрона;

К – постоянная Больцмана, К = 8,6310-5 [эВ/K]

Т – температура фоточувствительного элемента фотодиода [K];

I0 – обратный ток p-n перехода фотодиода, образованный неосновными носителями заряда в отсутствие внешнего напряжения и облучения:

(4)

I0 – условное значение обратного тока при очень большой температуре, когда ионизированы все собственные атомы полупроводника;

E – ширина запрещенной зоны собственного полупроводника;



IF – фототок:

IF =SIФ (5)

SI – интегральная токовая чувствительность фотодиода;

Ф – поток, падающий на чувствительную площадку.

Подставляя (4) в (3), получим:





При практически используемых напряжениях питания ФД, прикладываемых в запирающем направлении: eVD>>KT, (при нормальной температуре 293К KT0,025 ЭВ) т.е. при VD=1 В =40 и 0,410-17<<1.

Поэтому можно считать, что температурная характеристика темнового тока имеет вид:



(6)

т.е. величина и температурная характеристика темнового тока определяются величиной ширины запрещенной зоны собственного полупроводника E.

Отметим, что в выражение фотосигнала фотодиода – фототока IF – температура не входит, т.е. он мало зависит от температуры. Это одно из важных достоинств фотодиода.

Графики вольт-амперных характеристик фотодиода приведены на рис.3 и показывают, что фотодиод – существенно нелинейный электрический элемент.

В зависимости от способа включения фотодиода и способа измерения фотосигналом цепи включения может служить или фототок или напряжение фотосигнала.

Фототок фотодиода преобразуется в напряжение фотосигнала посредством включения в электрическую цепь сопротивления нагрузки RН

Применяют два способа (основных) включения фотодиода:

- фотодиодный режим (рис.4а)

- вентильный режим (рис.4б)

а б


Рис. 4. Фотодиодный (а) и вентильный (б) режимы работы фотодиода.
Вентильный режим характерен отсутствием внешнего источника питания, т.е. используется способность p-n перехода фотодиода генерировать фотосигналы – фототок или фото ЭДС.

В фотодиодном режиме внешнее напряжение VD прикладывается в запирающем направлении.


Графоаналитический метод определения величины напряжения фотосигнала, снимаемого в цепи включения фотодиода.
Нелинейный характер ВАХ фотодиода затрудняет расчет величины фотосигнала (фототока или напряжения) в цепях включения с сопротивлением нагрузки.

Для определения величины напряжения фотосигнала необходимо определить состояние электрической цепи с нелинейным электрическим элементом (фотодиодом) в темноте и при облучении, т.е. определить ток в цепи и падение напряжения на каждом из элементов. Разница падений напряжения на сопротивлении нагрузки в темноте и при облучении является искомым напряжением фотосигнала.



Для схемы рис. 4а (фотодиодный режим) на основании закона Кирхгофа можно записать два равенства, связывающие параметры состояния электрической цепи:

(14)

(15)

где ID, IH – токи, протекающие через фотодиод и сопротивление нагрузки; VD, VH – падение напряжения на фотодиоде и сопротивлении нагрузки; Vn – напряжение питания цепи включения (заданная величина). Кроме того, мы располагаем ВАХ фотодиода, т.е. зависимостью



(16)

Если мы найдем зависимость



(17)

и приравняем правые части равенства (16) и (17) на основании равенства (14), то найдем VD, затем из равенства (15) – VH и, наконец, IH.

Для отыскания зависимости (17) поделим обе части равенства (16) на величину сопротивления нагрузки RH.

Тогда


т.е.


Полученная зависимость – уравнение прямой линии. Для графического построения ее удобны точки:



точка а ; ;

точка б ; .

Эту прямую называют нагрузочной прямой. Точка б соответствует режиму короткого замыкания фотодиода.

Практически величину сигнала удобно определить графическим методом (рис.6).

Рис. 6.
Построим на одном графике две вольтамперные характеристики фотодиода (при заданном уровне облучения – потока Ф и в неосвещенном состоянии) и нагрузочную прямую. ВАХ фотодиода находят расчетом или чаще – экспериментально.



Точки пересечения ВАХ и нагрузочной прямой соответствуют выполнению равенства (14), следовательно, их координаты (ID, VD) описывают два состояния электрической цепи. Падения напряжения на сопротивлении нагрузки легко определяется по тому же графику:

а напряжение фотосигнала равно:



Для схемы рис. 6а (вентильный режим) решение отыскивается аналогичным образом при условии Vn=0.



Уравнение нагрузочной прямой в этом случае имеет вид:



В общем случае для этого режима .

При (режим холостого хода) напряжение фотосигнала равно фото ЭДС (точка а на рис. 7).

Рис. 7.
При (режим короткого замыкания – точка б на рис. 7) ток во внешней цепи равен фототоку p-n перехода (если пренебречь влиянием внутреннего сопротивления областей полупроводника между p-n переходом и электрическими контактами). Графоаналитический метод позволяет исследовать влияние изменения параметров цепи включения на величину сигнала и выбрать величину оптимальной нагрузки при заданных условиях.

Упрощенные теоретические выражения: (12.) – для ВАХ фотодиода и (5) – для фототока показывают, что фототок фотодиода не зависит от приложенного напряжения и линейно зависит от падающего потока излучения. Это положение приближенно соблюдается и на практике (небольшое увеличение фототока с ростом напряжения VD объясняется лучшим разделением пар фотоносителей при увеличении потенциального барьера). Поэтому способность собственно фотодиода преобразовывать оптическое излучение в электрический сигнал принято описывать его интегральной токовой чувствительностью; и именно эта величина указывается в паспортных данных фотодиода:





Поделитесь с Вашими друзьями:
1   2   3   4   5


База данных защищена авторским правом ©genew.ru 2020
обратиться к администрации

    Главная страница
Контрольная работа
Курсовая работа
Лабораторная работа
Рабочая программа
Методические указания
Практическая работа
Методические рекомендации
Теоретические основы
Пояснительная записка
Общая характеристика
Учебное пособие
История развития
Общие сведения
Физическая культура
Теоретические аспекты
Практическое задание
Федеральное государственное
Направление подготовки
Теоретическая часть
Техническое задание
Самостоятельная работа
Дипломная работа
Общие положения
Методическая разработка
государственное бюджетное
Образовательная программа
квалификационная работа
Выпускная квалификационная
Технологическая карта
Техническое обслуживание
Решение задач
учебная программа
Методическое пособие
История возникновения
Краткая характеристика
Исследовательская работа
Рабочая учебная
Общие требования
Общая часть
История создания
Основная часть
Метрология стандартизация
Рабочая тетрадь
Название дисциплины
Техническая эксплуатация
Информационная безопасность
Современное состояние
Государственное регулирование
Математическое моделирование
Экономическая теория
Организация работы