НОУ ІНТУЇТ | лекція | Вольтаіческіе сенсори. Сенсори на діодах і біполярних транзисторах

1. 9.2. Сенсори на діодах і біполярних транзисторах Напівпровідникові діоди формують, як відомо, за...
2. 9.2.2. фотодіоди Шотки
3. 9.2.3. Схеми включення фотодіодів

9.2. Сенсори на діодах і біполярних транзисторах

Наша сеть партнеров Banwar

Напівпровідникові діоди формують, як відомо, за допомогою локального легування напівпровідника, так щоб утворився т.зв. " - -перехід "- перехідний шар між областями напівпровідника і типу [ [224] ]. Електричний струм через таку структуру може вільно протікати тільки в "прямому" напрямі - від "анода" (область -типу) до "катода" (область -типу). Відомо наступне теоретичне вираз, що описує вольтамперних характеристику (ВАХ) діода, тобто залежність протікає крізь нього струму від прикладеної напруги:

де - т.зв. "Темнової" ток, обумовлений тепловою генерацією носіїв заряду; - електричний заряд електрона; - прикладена до діода напруга; - постійна Больцмана; - абсолютна температура діода.

З формули (9.2) видно, що струм через діод при фіксованій напрузі сильно залежить від абсолютної температури. А якщо зафіксувати пропускається струм (наприклад, за допомогою схеми джерела струму), то напруга на прямо зміщеному - -переході, майже лінійно зростає з підвищенням температури. Тому напівпровідникові діоди і біполярні транзистори часто використовують як чутливі елементи в сенсорах температури [ [117] ]. Такі сенсори випускаються багатьма фірмами і забезпечують точність вимірювання температури до 0,1 С.

Цікавим сенсором і одночасно акутуатором є кремнієвий лавинно-пробійні діод (silicon avalanche diode - SAD). Об'єктом його спостереження є напруга в тій електричного кола, паралельно якій він включений (в запірному напрямку). Поки напруга в мережі залишається нижче напруги пробою діода, останній, маючи дуже високий опір, практично не впливає на роботу ланцюга. Але якщо напруга в ланцюзі хоча б на короткий час перевищить напруга пробою діода, в результаті оборотного електричного пробою опір діода різко падає, і він практично закорачивает решту ланцюг, захищаючи її від перевантажень. Він, таким чином, як пильний сторож, невсипно "охороняє ввірену йому електричний ланцюг", діючи в потрібний момент рішуче і блискавично. Такі діоди найбільш часто застосовують з метою захисту ланцюгів передачі даних і плат мікросхем від небезпечних короткочасних перевантажень, наприклад, від пробоїв внаслідок накопичення статичної електрики.

9.2.1. фотодіоди

Однак найбільш відомими діодними сенсорами є фотодіоди. У фотоприймачах (сенсорах світла) вони поводяться як керований світлом джерело струму. Завдяки наявності в товщі -переходу внутрішнього електричного поля додаткові вільні носії заряду, які виникають при поглинанні квантів світла, починають переміщатися і створюють додатковий електричний струм, пропорційний інтенсивності світла. Його називають "фотострумом". Залежність струму через фотодіод від напруги і інтенсивності падаючого світла досить добре описується формулою

де - "темнової" ток; - електричний заряд електрона; - напруга на діоді; - постійна Больцмана; - абсолютна температура; - квантовий вихід носіїв заряду при порушенні світлом (усереднена кількість носіїв, які виникають при поглинанні одного кванта світла); - квантова інтенсивність світлового потоку (фотонів / с).

На практиці світловий потік часто задають в люксах. Тоді коефіцієнт при ньому має сенс світлочутливості фотодіода і задається в мкА / лк. Відповідні вольтамперні характеристики фотодіода при відсутності світла і при його зростаючих интенсивностях показані зліва на Мал. 9.4 .

Мал.9.4.

Зліва - вольтамперні характеристики фотодіода при різних рівнях освітленості; праворуч - еквівалентна електрична схема фотодіода

справа Мал. 9.4 приведена еквівалентна електрична схема фотодіода. Поруч з джерелом струму показані власна електроємність діода і його внутрішній опір . Вони в значній мірі і визначають швидкодію фотодіода. Щоб забезпечити високу швидкодію, треба, в першу чергу, зменшувати власну ємність фотодіода. Цього досягають, використовуючи фотодіоди структури, які показані на Мал. 9.5 . У такій структурі безпосередньо біля -області (анода) діода формується велика дуже збіднена носіями, майже ізолює, область кремнію (так звана -область). Цим досягається значне зменшення власної ємності фотодіода.

Структура р-і-n-фотодіода

Щоб в напівпровіднику при поглинанні фотона утворилася пара носіїв заряду (електрон + "дірка"), енергія фотона повинна бути більше ширини забороненої енергетичної зони. Для кремнію, наприклад, це 1,12 еВ. Таку енергію мають кванти світла з довжиною хвилі менше 1,1 мкм - це так звана "червона межа" фоточутливості для чистого кремнію. З іншого боку, видиме світло з довжиною хвилі, істотно менше 1,1 мкм, вже сильно поглинається кремнієм. Через це, якщо -область кремнію щодо товста, світло так і не доходить до -переходу. Тому для того, щоб кремнієві фотодіоди мали високу чутливість і у видимій області спектра, -область кремнію треба робити дуже тонкою.

Фотодіоди, які повинні бути чутливі до світла з ближньої інфрачервоної області спектра з довжиною хвилі від 1,2 до 2 мкм, роблять з германію, а чутливі до світла середньої і далекої інфрачервоної (ІК) області - з ще більш "вузькозонних" напівпровідників . Через вузької забороненої зони темновой ток у таких фотодіодів і дробовий шум при кімнатних температурах дуже великі. Тому фотодіоди, які повинні працювати в середній і далекій ІЧ області спектра, як правило, доводиться охолоджувати.

9.2.2. фотодіоди Шотки

Для забезпечення чутливості кремнієвих фотодіодів також у фіолетовій і ультрафіолетовій областях використовують так звані фотодіоди Шотки ( Мал. 9.6 ). замість -переходу в них формують т.зв. "Бар'єр Шотки", що виникає на межі поділу "метал - напівпровідник". Для цього на фоточувствительную область кремнію напиленням у вакуумі наносять дуже тонкий шар золота, досить прозорий для видимого і ультрафіолетового світла.

Мал.9.6.

Структура фотодіода Шотки

9.2.3. Схеми включення фотодіодів

Розрізняють декілька режимів роботи фотодіодів. Один з них - фотовольтаїчний (режим вимірювання фото-ЕРС), позначений на Мал. 9.4 зліва робочим ділянкою 1. Нахил цієї ділянки визначається великим внутрішнім опором приладу або схеми, що вимірює напругу на фотодіоді. Оскільки опір дуже велике, то через фотодіод в цьому режимі протікає зовсім незначний струм. Кожному значенню світлового потоку відповідає своє виміряна напруга .

Набагато частіше в фотодіодних сенсорах світла використовують електронну схему, показану на Мал. 9.7 . Одним з переваг такої схеми є те, що в ній напруга на фотодіоді майже не змінюється, завдяки чому зводяться до мінімуму втрати на перезарядку вхідний ємності. За допомогою операційного підсилювача і резистора зворотного зв'язку фототок перетворюється в вихідну напругу зі значним посиленням потужності. Робоча ділянка фотодіода в такому режимі, який називають "фотоелектричним", представлений зліва на Мал. 9.4 відрізком 2. Нахил його визначається номіналом резистора зворотного зв'язку . Ємність зворотного зв'язку вводять в схему ( Мал. 9.7 ) Для компенсації зсуву фаз і корекції частотної характеристики сенсора [ [325] ].

Схема включення фотодіода в фотоелектричному режимі

Якщо потрібна максимальна швидкодія, то фотодіод використовують в режимі фотопровідності, в якому на нього подається велика зворотна напруга зсуву. Це призводить до значного розширення збідненого зони біля -області і до зменшення власної ємності фотодіода. Однак треба пам'ятати, що при цьому зростають і темнової струм, і власний дробовий шум фотодіода. Типова схема включення фотодіода в такому режимі показана на Мал. 9.8 .

Схема включення фотодіода в режимі фотопровідності

Відповідний робочий ділянку представлений зліва на Мал. 9.4 відрізком 3, нахил якого, як і в попередній схемі, визначається номіналом резистора зворотного зв'язку . Якщо цей номінал не дуже великий, то напруга на фотодіоді змінюється мало. Фотосенсор, зібраний за такою схемою, може працювати на частотах в сотні мегагерц.

Мікроелектронна технологія дозволила формувати на невеликих кристалах кремнію фотодіоди разом з інтегральними схемами посилення фотоструму, забезпечуючи не тільки високу швидкодію, але і вельми високу чутливість.