Источники и приемники излучения - Ишанин Г.Г.
ISBN 5-7325-0164-9
Скачать (прямая ссылка):
°-'4ехр(тИ............']-'»¦
После преобразований найдем напряжения холостого хода
+ («¦»>
Напряжение холостого хода х (фото-э. д, с.) ФД в фото-гальваническом режиме изменяется с ростом светового потока по логарифмическому закону и в пределе достигает значения, равного контактной разности потенциалов р—«-перехода. Зависи-
116
мость Ух.1=/ (Ф) — сложная и нелинейная, но диапазон изменения сигнала велик. Линейность наблюдается только на начальном участке при /ф С Is- Чтобы получить максимальную вольтовую чувствительность, продифференцируем уравнение (4.26)
v с kT 1 si п о 1
У шах d(D - е (S;0//s) + l 1В 01 V7« + 1 ’
где Is — темновой ток насыщения при Ф = 0; /ф = 5ГФ; R0 — сопротивление р—n-перехода при нулевом напряжении, R0 = = kT/(eIs).
Для комнатной температуры
Sv тях = 0,025-
'V шах /ф//а+1 1а '
Можно получить приближенные формулы при /ф <С Is и 1ф > Is, удобные для практических расчетов:
1ф ^ Is Sy щах = R oS I —¦ ^1 ’
1Ф» la-Sy® RoSr 7^77- R0SI ± ..
Отсюда следует, что вольтовая чувствительность в фотогальваническом режиме уменьшается с увеличением потока излучения, падающего на ФД. Если известно максимальное значение фототока 1ф шах = 5гФтзх, то максимальное сопротивление нагрузки по постоянному току можно найти из соотношения [24]:
/?„шах = 0,2-^-г-^_. (4.27)
t 1Ф шах
Следует иметь в виду, что оптимизировать нагрузку на весь диапазон работы ФД не удается, так как сопротивление р—п-перехода меняется в зависимости от освещенности. Вольтовую чувствительность при этом условии определяют по формуле
о _ о ____*0
'J V шах - ^ г 1 _j_ R0/ZH ’
где ZH — полное сопротивление нагрузки.
Если ZH Ro. то
Sy max ” ” COIlst,
т. e. SVmax не зависит от потока излучения. Если условие вычисления i?Hmax по формуле (4.27) не выполняется, то вольтовую чувствительность определяют по формуле
Sv = SlRo 1 4- «о/2н + (/ф//а) (1 - /н//Ф) ’ где /н — ток нагрузки при постоянной засветке.
Фотогальванический режим не требует источника питания и обеспечивает существенно меньшие шумы, что часто компенсирует
117
потери чувствительности, так как позволяет реализовать большее отношение сигнал/шум. ФД в фотогальваническом режиме имеют малое внутреннее сопротивление, поэтому их используют в цепях с малым сопротивлением нагрузки (в измерительных приборах и усилителях с малым входным сопротивлением).
Фотодиоды в фотодиодном режиме обладают значительным внутренним сопротивлением и применяются в цепях с большим сопротивлением нагрузки.
Работа с малыми сигналами в фотогальваническом режиме предъявляет особые требования к усилителю, который должен при больших коэффициентах усиления иметь малый уровень шума.
Постоянная времени и частотные характеристики ФД. Постоянная времени ФД определяется временем пролета носителей от места их генерации под действием освещенности (в тонком поверхностном слое) до р—п-перехода, где они рекомбинируют, и постоянной времени схемной релаксации тр (RC-цепочка ФД). Постоянная времени /?С-цепочки у обычных ФД не превышает 10-9 с, поэтому при глубине залегания р—«-перехода (толщине базы) в несколько микрометров времени переноса неосновных носителей составляет 10-7—10-8 с, что и определяет тфд. Время же пролета зависит от структуры ФД и механизма переноса неосновных носителей, образующих фототок. При равномерном распределении примесей в р- и «-областях, когда «тянущее» поле р—«-перехода мало, преобладающим механизмом переноса является диффузия. В этом случае в фотогальваническом режиме при одинаковой толщине освещаемой базы ФД меньшая постоянная времени и большая граничная частота получаются при освещении р-полупроводника, так как коэффициент диффузии электронов (неосновных носителей), образующих фототок De, значительно больше коэффициента диффузии дырок Dр, а следовательно, время диффузии электронов соответственно короче.
Для германиевых ФД граничная частота (МГц)
/гр = 150 О/hi, /гР = 3150/Л^,
где hn, hp — толщина базы из «- и р-полупроводников соответственно, мкм.
Для кремния /гр = 330/h2n; /гр = 990/tip.
При наличии значительных примесей в р- или «-областях (область с более высокой концентрацией примеси обозначается плюсом над буквой примеси — р+—« или р—п+) постоянная времени т и граничная частота /гр определяются механизмом переноса носителей тока за счет диффузии в электрическом («тянущем») поле р—n-перехода, которое уменьшает т на порядок. В таких ФД постоянная схемной релаксации (тр = RC) также уменье шается.
В диодном режиме при наличии обратного внешнего напряжения питания наблюдается механизм переноса носителей тока пу-
118
Рис. 4.11. Экспериментальные частотные характеристики кремниевых фотодиодов: а, б — р—«-структура (а — на основе кремния p-типа, б — на основе кремния п-типа); в — р—i—я-структура: к = 0,51 мкм;
—------— к = 0,6 мкм
тем дрейфа в сильном электрическом поле, которое ускоряет носители и значительно уменьшает постоянную времени ФД. На рис. 4.11 приведены экспериментальные частотные характеристики кремниевого ФД, у которого в фотогальваническом режиме граничная частота составляет 1—2 МГц, а в фотодиодном режиме при V^p — 150 В доходит до 200 МГц [15].
