Электротехника \ Электроника

Полупроводниковые фотоприемники. Физические основы работы фотоприемников с одним р-п переходом, страница 23

Как уже отмечалось, на чувствительность устройств с ФЭП оказывает влияние режим работы последних. Так, например, в экспонометре на основе кремниевого ФЭП и измерительной схемы, смонтированной на одном кремниевом кристалле [42], в отличие от обычных автоматических экспонометров, где производится измерение напряжения холостого хода ФЭП, на вход измерительной схемы подается ток короткого замыкания ФЭП. Это обеспечивает не только

Входной световой лоток

Фатодольтаичгс- Фотодиодный кий режимрежим

работы   ,        работы

мкй\

~+------------».

•<----------------».

:J

600м

7

'кВт

500

kOO

U     300

1              200

'   |

,у

W     0,5

-5     -Ю    -15 д

Рис. 34. Светочувствительный датчик.

а — общая   схема;   б — семейство  вольт-амперных   характеристик   ФП:   / — нагрузочные  характеристики  при   малом  сопротивлении   нагрузки,  2—нагрузочные   характеристики   при   смещении — 13   В,   3 — нагрузочные    характеристики несмещенного ФП при большом сопротивлении нагрузки.

повышение чувствительности устройства, но и более высокую температурную стабильность. Напряжение на освещенном ФЭП в этом случае практически равно нулю, поэтому наличие тока утечки не приводит к уменьшению чувствительности. При использовании ФЭП с поверхностью 3 мм2 экспонометр начинает функционировать при минимальной освещенности 0,01 лк, что в 25 раз меньше освещенности, создаваемой Луной.

В [45] приводится описание твердотельного датчика для регистрации очень слабых сигналов. Этот датчик, состоящий из кремниевого ФП большой площади (примерно 1 см2) и малошумящего усилителя, позволяет обнаруживать световые излучения, создающие облученность Ю-12 Вт/см2 в диапазоне длин волн 200—1100 нм.

Эффективность использования малошумящего ФП определяется правильностью выбора операционного усилителя и схемой соединения этих двух элементов датчика. В схеме, представленной на рис. 34,а, ФП используется как генератор тока, а операционный усилитель служит преобразователем этого тока в напряжение. Нагрузкой ФП является входное сопротивление операционного усилителя Rnx, которое при замкнутой цепи обратной связи может быть сделано достаточно малым (обычно меньше ДО Ом). Использование низкоомной нагрузки позволяет увеличить быстродействие ФП, поскольку в этом случае исключается влияние его емкости, которая может достигать в фотовольтаическом режиме 1000 пФ. Фотоприемник работает при такой нагрузке практически в режиме короткого замыкания.

Уменьшение сопротивления нагрузки позволяет также повысить линейность световой характеристики. При малом сопротивлении на-

53

грузки нагрузочные прямые /, 2 рис. 34,6" находятся в линейной области вольт-амперных характеристик. Если нагрузка ФП, создаваемая входным сопротивлением операционного усилителя, не является низкоомной, то при отсутствии напряжения смещения нагрузочная прямая 3 пересечет нелинейную область вольт-амперных характеристик, соответствующую фотовольтаическому режиму работы ФП.

При большом коэффициенте усиления операционного усилителя с разомкнутой цепью обратной связи (/С^>1) можно считать, что ток в цепи обратной связи равен выходному току /св, а напряжение на выходе усилителя е0 = гСв/?о с В то же время так-как iCB=SW (где 5 — интегральная чувствительность ФП, А/Вт, a W—мощность лучистого потока), то e0 = SRo CW. При уменьшении энергетической освещенности следует уменьшить сопротивление обратной связи (R0 с) иначе выходное напряжение будет уменьшаться. Важное преимущество пары ФП — операционный усилитель состоит в том, что путем изменения сопротивления обратной связи от 100 Ом до 100 МОм удается с помощью одного простого милливольтметра регистрировать световые потоки в диапазоне от 10~и до 10~3 Вт.

Таблица 3

Параметр

Значение

Спектральная чувствительность (на длине волны X = = 850 нм), А/Вт..................

Темновой ток (при смещении —5 В), А........

Емкость (при смещении —5 В), пФ..........

Фоточувствительная поверхность, см2   .........

Обратное сопротивление при напряжениях смещения, близких к нулю, МОм...............

Эквивалентная  мощность  шума,  Вт-Гц""1/2......

0,4 10-7

150 1

1—5 10-12

При регистрации низкой постоянной освещенности приходится использовать большие RBX. Сохранение линейности может быть обеспечено при наличии на ФП напряжения смещения. При этом необходимо всеми мерами уменьшать фоновый входной ток операционного усилителя, обусловленный, в частности, и темповым током ФП, так как в противном случае возникает заметное входное остаточное (тем-новое) напряжение. При этом следует использовать ФП с p-i-n структурой, обладающие малыми темновыми токами, в сочетании с операционными усилителями на полевых транзисторах. Возможность существенного уменьшения темнового выходного напряжения не устраняет, однако, проблему температурного дрейфа. Темновой ток ФП примерно удваивается при повышении температуры на каждые 10°С, поэтому во многих случаях используется фотовольтаический режим работы ФП, при котором темновой ток равен нулю. В табл. 3 приведены параметры ФП, используемых обычно в паре с операционным усилителем.

Используемые для регистрации слабых световых потоков фотоэлектронные умножители имеют более высокую чувствительность. Однако светочувствительный датчик, включающий совместно работающие ФП и операционный усилитель, имеет другие, не менее важ-

54

ные преимущества. Световая характеристика твердотельного датчика (зависимость выходного тока от освещенности) более линейна, чем аналогичная характеристика датчика с фотоумножителем. Нелинейность световой характеристики датчика с ФП не превышает 1% при изменении входной освещенности в пределах десяти декад. Твердотельный датчик обладает более стабильными параметрами и имеет повышенные световые допуски, не перегружается и не насыщается. Его спектральная характеристика отличается широким диапазоном (200—1100 нм). К другим преимуществам твердотельных датчиков следует отнести пониженную чувствительность к ударным и вибрационным нагрузкам, значительно меньшее напряжение питания (±15 В) операционного усилителя (по сравнению с 1000 В для ФЭУ), упрощение компановки, а также более высокую повторяемость геометрических размеров, необходимую для изготовления матричных датчиков высокой плотности.

Скачать файл