Дәріс жартылай өткізгіштік физика негіздері. Жартылай өткізгіштердің электр өткізгіштігі. P-n ауысу теориясы. Негізгі және негізгі емес заряд тасымалдаушылар. Негізгі ақпарат
жүктеу/скачать 1,04 Mb.
|
| Фотодиод – жұмыс iстеу ұстанымы фотогальваникалық эффектке негiзделген және фотосезiмтал элементi жартылайөткiзгiштi диод құрылымына ие фотоқабылдағыш.
Сәуле p-n ауысуы кеңiстiгiне перпендикулярлы бағытта әсер етсiн дейiк. Энергиясы фотондардың жұтылу нәтижесiнде n- базаның χк тереңдiгiне электроды- кемтiктiк жұптар (фототасымалдағыштар) пайда болады. Фототасымалдағыштар n- аймақтың түбiне диффузияланады. n-аймақтың ω – енi сәулену нәтижесiнде қалыптасатын фототасымалдағыштардың негiзгi иесi n- аймаққа рекомбинацияланып үлгермейтiндей болады, олар p-n ауысуының шекарасына дейiн жетедi (х=ω). Электрондар мен кемтiктер p-n ауысуының электрлiк өрiсi әсерiнен Ео кернеуi бойынша бөлiнедi, және бұл жағдайда кемтiктер р- аймаққа өтедi де, ал электрондар ауысу өрiсiн бұзып өте алмай р-n ауысуының р- аймағында жинақталады. Сонымен, р-n ауысуы арқылы өтетiн фототасымалдағыштар тоғы негiзгi емес тасымалдағыштар – кемтiктердiң дрейфымен анықталады. Фотодиод сапасы ең алдымен сәуле көмегiмен фототоқты басқару тиiмдiлiгiмен анықталады. Фотодиод тоғын оптикалық түрде басқару бойынша оның жұмыс iстеу режимiн анықтауға болады. Осы тұрғыда қарапайым (түзеткiш) диод пен фотодиодтың жұмыс iстеу ұстанымдарын салыстырайық. Сәуле ағымы (Ф=0) тепе-теңдiк күйде диод пен фотодиодтың зоналық диаграммалары сәйкес келедi. Сонымен қатар екi аймақ үшiн де Ферми деңгейi бiрдей және негiзгi тасымалдағыштар тағы – р-n ауысу арқылы өтетiн тоқтың диффузиялық құрамасы – негiзгi емес тасымалдағыштар тоғының дрейфтық құрамасына тең. Қарапайым диодта тепе-теңдiк күйi p-n ауысуына тура кернеудi (р- аймағына плюс, n- аймағына - минус) бергенде бұзылады, нәтижесiнде iшкi потенциалды тосқауыл төмендейдi. Ауысу арқылы өтетiн тасымалдағыштар тепе-теңдiгi бұзылғанда тоқтың диффузиялық құрамасы жоғарлайды, айтарлықтай үлкен тура кернеуде ол р-n ауысуы тоғының мәнiн анықтайды. Фотодиодта р-n ауысуын фототасымалдағыштар тудырған сәулелер бөлiп тұрады. Бұл фотодиодтың iшкi потенциалды тосқауылының төмендеуiне себеп болады (қарапайым диодқа тура кернеу бергендегiдей); р-n ауысуының екi жағындағы құрылымдардағы Ферми деңгейi сәйкес келмейдi және олар бiр-бiрiне қарама-қарсы бағытта ауытқиды. Фотодиодтағы тепе-теңдiктiң бұзылуы р-n ауысуы тоғының дрейфты құрамасы пайдалы екенiн ескеру қажет, яғни тоқты тиiмдi басқару үшiн фотодиодтағы диффузиялық құрамаларды сәуле көмегiмен басу керек. Ол фотодиодта тоқтың паразиттi құрамасы. Фототасымалдағыштардың (электрондар мен кемтiктердiң) дрейфтi ағымы Iф – фототоғын қалыптастырады. Кемтiктер р- аймақты оң зарядпен зарядтайды, ал электрондар n- аймақты терiс зарядпен зарядтайды. Нәтижесiнде қалыптасқан потенциалдар айырымы (фотоЭДС Еф) iшкi потенциалдық тосқауылды ΔЕ мәнiне дейiн төмендетедi. Ауысу өрiсi әсерiнен заряд тасымалдағыштарының бөлiнуiнен пайда болатын фотоЭДС құрамасынан басқа да құрамалар болуы мүмкiн (олардың бiрi Дембр фотоЭДС-сi). Жарықтандырылған жартылайөткiзгiштiң жоғары қабатында фототасымалдағыштар қосымша кемтiктер мен электрондар пайда болады. Электронның диффузия коэффициентi кемтiктерiнiң коэффициентiнен көп. Сондықтан генерациялау орнынан фототасымалдағыштардың диффузиясы кезiнде электрондар кемтiктерден өтiп кетедi, нәтижесiнде зарядтардың бөлiнуi қалыптасады – жартылайөткiзгiштiң жоғары жағы көлемге қатысты оң зарядқа ие болады. Сәуленуге жоғары сезiмталдықты қамтамасыз ету үшiн фотодиодта тоқтың диффузиялық құрамасы минималды болуы керек. Сондықтан фотодиод сыртқы кернеумен (фотодиодты режим) жұмыс iстейдi. Фотоөткiзгiштiк қасиет сыртқы жарықтық ағымның қарқындылығына (интенсивтiлiгiне) және спектральдi құрамына байланысты. Фотодиод корпусы р-n ауысына перпендикулярлы түрде бағытталынатын сыртқы жарық ағымын тудыратын қосымша линзамен жабдықталған. Фототүрлендiргiш режимiнде фотодиод тiзбегiне р-n ауысуының керi ауытқуын қамтамасыз ететiн сыртқы қорек көзiн қосады. Егер ауысуға жарық берiлмесе, керi көлеңкелi тоқ пайда болады. Ауысуға жарық берiлгенде, көлеңкелi тоққа мәнi берiлген U кернеуге тәуелсiз және фотодиодтық жарық ағынының қарқындылығына пропорционалды фототоқ қосылады. Фотогенератор режимiнде өзi фото ЭДС көзi болып табылады. Фото ЭДС-тiң типтiiк мәнi бос жүрiстiң кернеуiне тең, яғни Е=Uxx. Кремнийлi фотодиод үшiн бұл кернеу 0,5В құрайды, ал орташа күн сәулесi түскен кездегi қысқаша тұйықталу тоғының Iқт мәнi 20-25мА/см2 құрайды. Фототранзистордың құрылымы биполярлы транзистордiкiне ұқсас. Ол фотодиодқа қарағанда жоғары фотосезiмталдыққа ие. Жарық ағымы базада заряд жұптарын өндiре отырып эмиттерлi р-n ауысуының жазықтығына перпендикулярлы түрде әсер етедi. База үшiн негiзгi емес болып саналатын зарядтар Iк тоғын күшейте отырып коллекторлар ауысуға тартылады. Алайда, бұл тоқ Iк коллекторлы тоғының тек бiр бөлiгi ғана, өйткенi базадан негiзгi емес тасымалдағыштардың кетуi онда негiзгi тасымалдағыштардың компенсацияланған көлемдi зарядын қалыптастырады. Бұл заряд эмиттерлi ауысудың потенциалды тосқауылын төмендетедi. Нәтижесiнде эмиттер көмегiмен база аймағына инжекцияланатын заряд тасымалдағыштарының саны көбейедi, Iк коллекторлы тоғының өсуiне себеп болады. Сонымен, фототранзисторды фототоқ бойынша күшейту орындалады, бұл оның фотодиодқа қарағанда сезiмталдығын жоғары екенiн көрсетедi. База шықпасын қолданбаған фототранзистордың ВАС-сы ортақ эмиттерлi сұлба бойынша қосылған биполярлы транзистордың сипаттамаларына ұқсас. Айырмашылығы фототранзисторда басқару параметр База тоғы емес, жарық ағымы болып табылады. жүктеу/скачать 1,04 Mb. Достарыңызбен бөлісу:
|