- •Введение
- •1. Общие сведения о датчиках физических величин
- •1.1. Основные характеристики датчиков
- •1.2. Классификация датчиков
- •2. Датчики деформации
- •2.1. Принцип действия
- •2.2. Конструкции тензодатчиков и их параметры
- •2.2.1. Конструкции металлических датчиков
- •2.2.2. Конструкции полупроводниковых датчиков
- •2.2.3. Основные параметры тензорезисторов
- •2.2.4. Тензодиоды и тензотранзисторы
- •2.3. Области применения и типы датчиков
- •Контрольные вопросы
- •3. Датчики температуры
- •3.1. Принцип действия
- •3.1.1. Термопары
- •3.1.2. Металлические термометры сопротивления
- •3.1.3. Термисторы
- •3.1.4. Позисторы
- •3.1.5. Измерение температуры с помощью диодов и транзисторов
- •3.2. Конструкции и параметры датчиков температуры
- •3.2.1. Термопары
- •3.2.2. Металлические термометры сопротивления
- •3.2.3. Термисторы
- •3.2.4. Позисторы
- •3.3. Области применения и типы датчиков
- •3.4. Термоанемометрический метод измерения скоростей потока газов и жидкостей
- •Контрольные вопросы
- •4. Твердотельные датчики газов
- •4.1. Принцип действия твердотельных датчиков газов
- •4.1.1. Термокондуктометрические датчики
- •4.1.2. Термохимические (каталитические) ячейки
- •4.1.3. Электрохимическая (топливная) ячейка
- •4.1.4. Полупроводниковые датчики газов
- •4.2. Конструкции и параметры датчиков
- •4.2.1. Термокондуктометрическая измерительная ячейка
- •4.2.2. Термохимическая (каталитическая) ячейка
- •4.2.3. Конструкция и параметры топливных элементов
- •4.2.4. Конструктивные и технологические особенности твердотельных датчиков газов
- •Контрольные вопросы
- •5. Датчики магнитного поля
- •5.1. Принцип действия
- •5.2. Преобразователи Холла
- •5.2.1. Технология изготовления и конструкции
- •5.2.2. Основные параметры и свойства
- •5.2.3. Применение преобразователей Холла
- •5.3. Полупроводниковые магниторезисторы
- •5.4. Магниторезисторы из ферромагнетиков
- •5.5. Магнитодиоды
- •5.6. Биполярные магнитотранзисторы
- •Контрольные вопросы
- •6. Оптические датчики
- •6.1. Принцип действия полупроводниковых приемников излучения
- •6.2. Основные характеристики фотоприемников
- •6.3. Фоторезисторы
- •6.3.1. Технология изготовления и конструкция
- •6.3.2. Характеристики и параметры
- •6.4. Фотодиоды
- •6.5. Полупроводниковые фотоэлементы
- •6.6. Фототранзисторы
- •6.7. Датчики ик-излучения
- •Контрольные вопросы
- •7. Датчики влажности
- •7.1. Единицы измерения влажности
- •7.2. Методы измерения влажности
- •7.3. Конденсационные датчики
- •7.4. Психрометрические датчики
- •7.5. Сорбционные датчики влажности
- •7.5.1. Кулонометрические датчики
- •7.5.2. Пьезосорбционные датчики
- •7.5.3. Импедансные датчики
- •Контрольные вопросы
- •8. Датчики микроэлектромеханических систем
- •Контрольные вопросы
- •Заключение
- •Библиографический список
6.4. Фотодиоды
В качестве фотодиодов используются диоды с p-n переходом, смещенным в обратном направлении. Неосновные носители заряда, возникшие при освещении в прилегающих к p-n переходу областях на расстоянии, не превышающем диффузионной длины, диффундируют к p-n переходу и проходят через него под действием электрического поля. Это приводит к росту обратного тока при освещении. К аналогичному результату приводит поглощение света непосредственно в p-n переходе.
При освещении обратные токи не зависят от напряжения, хотя обратная ветвь ВАХ в затемненном состоянии может не иметь участка насыщения тока рис. 6.6.
Рис. 6.6. ВАХ фотодиода (а) и его структура (б)
на основе p-n перехода
Свойства фотодиода характеризуются параметрами и зависимостями, аналогичными для фоторезисторов. Но есть и существенные отличия: световая характеристика IФ = f(E) является линейной, т.к. база фотодиода меньше диффузионной длины неосновных носителей. Это большое преимущество перед фоторезисторами.
Следствием линейности является независимость интегральной чувствительности от напряжения. Поэтому вместо интегральной удельной чувствительности используется интегральная чувствительность К = IФ/Ф.
Следующей особенностью и преимуществом фотодиодов является малая инерционность. На инерционность влияют три фактора: 1) время диффузии или дрейфа неравновесных носителей через базу τД; 2) время пролета через p-n переход τi; 3) время перезарядки барьерной емкости Сбар p-n перехода характеризуется постоянной времени RбСбар , где Rб – сопротивление базы. Для сплавного фотодиода из Ge τД = 50 нс, τi = 0,1 нс, RбСбар = 1 нс. Следовательно, инерционность определяет τД. Для диффузионных фотодиодов все три фактора дают одинаковый вклад порядка наносекунд.
Спектральная характеристика фотодиода со стороны длинных волн определяется шириной запрещенной зоны, со стороны коротких – ростом влияния поверхностной рекомбинации при уменьшении длины волны. Коротковолновая граница зависит от толщины базы и скорости поверхностной рекомбинации. При уменьшении этих величин коротковолновую границу можно сдвинуть в сторону меньших длин волн.
Положение максимума на спектральной зависимости зависит от степени роста коэффициента поглощения k. При резком росте k с уменьшением длины волны (в Ge) положение максимума определяется шириной запрещенной зоны (λmax = 1,55 мкм) и не зависит от толщины базы. Если зависимость k (λ) слабая ( в Si), то максимум смещается от толщины базы и скорости поверхностной рекомбинации ( от 0,6 мкм до 1 мкм путем изменения технологии и конструкции).
Основными материалами фотодиодов являются Ge и Si. Германиевые фотодиоды ФД-1 – ФД-3 имеют следующие параметры: Iт = 15 – 30 мкА, τсп = 10 мкс, К = 15 – 20 мА/лм. Для кремниевого фотодиода ФДК-1: Iт = 3 мкА, τсп = 10 мкс, К = 3 мА/лм.
Для ИК-диапазона 8 – 14 мкм используются фотодиоды на основе твердых растворов HgxCd1-xTe. Эти фотодиоды могут работать в широком частотном диапазоне (до 109 Гц). Для ИК-диапазона 3 – 5 мкм применяются фотодиоды на основе InSb.
Фотодиоды могут быть созданы на основе выпрямляющего контакта металл-полупроводник и на основе гетеропереходов. Принцип действия фотодиода на основе выпрямляющего контакта аналогичен принципу действия фотодиода с p-n переходом, но в параметрах есть различия: спектральная характеристика оказывается более широкой, чем у фотодиода с p-n переходом (коротковолновая граница сдвинута к меньшим значениям дли волн, со стороны длинных волн спектр ограничивает не значение Еg, а высота потенциального барьера металл-полупроводник, поэтому длинноволновая граница сдвигается в сторону более длинных волн). Другой особенностью фотодиодов на основе контакта металл-полупроводник является меньшая инерционность (так как сопротивление базы много меньше). Это позволяет принимать СВЧ колебания.