Вольтаические сенсоры. Сенсоры на диодах и биполярных транзисторах

9.2. Сенсоры на диодах и биполярных транзисторах

Полупроводниковые диоды формируют, как известно, посредством локального легирования полупроводника, так чтобы образовался т.н. " - -переход" – переходной слой между областями полупроводника и типа [ [ 224 ] ]. Электрический ток через такую структуру может свободно протекать только в "прямом" направлении – от "анода" (область -типа) к "катоду" (область -типа). Известно следующее теоретическое выражение, описывающее вольтамперную характеристику (ВАХ) диода, т.е. зависимость протекающего сквозь него тока от приложенного напряжения:

где – т.н. "темновой" ток, обусловленный тепловой генерацией носителей заряда; – электрический заряд электрона; – приложенное к диоду напряжение; – постоянная Больцмана; – абсолютная температура диода.

Из формулы (9.2) видно, что ток через диод при фиксированном напряжении сильно зависит от абсолютной температуры. А если зафиксировать пропускаемый ток (например, с помощью схемы источника тока), то напряжение на прямо смещенном - -переходе, почти линейно возрастает с повышением температуры. Поэтому полупроводниковые диоды и биполярные транзисторы часто используют как чувствительные элементы в сенсорах температуры [ [ 117 ] ]. Такие сенсоры выпускаются многими фирмами и обеспечивают точность измерения температуры до 0,1 С.

Интересным сенсором и одновременно акутуатором является кремниевый лавинно-пробойный диод (silicon avalanche diode – SAD). Объектом его наблюдения является напряжение в той электрической цепи, параллельно которой он включен (в запорном направлении). Пока напряжение в сети остаётся ниже напряжения пробоя диода, последний, имея очень высокое сопротивление, практически не влияет на работу цепи. Но если напряжение в цепи хотя бы кратковременно превысит напряжение пробоя диода, в результате обратимого электрического пробоя сопротивление диода резко падает, и он практически закорачивает остальную цепь, защищая её от перегрузок. Он, таким образом, как бдительный сторож, неусыпно "охраняет вверенную ему электрическую цепь", действуя в нужный момент решительно и молниеносно. Такие диоды наиболее часто применяют в целях защиты цепей передачи данных и плат микросхем от опасных кратковременных перегрузок, например, от пробоев вследствие накопления статического электричества.

9.2.1. Фотодиоды

Однако наиболее известными диодными сенсорами являются фотодиоды. В фотоприемниках (сенсорах света) они ведут себя как управляемый светом источник тока. Благодаря наличию в толще -перехода внутреннего электрического поля дополнительные свободные носители заряда, которые возникают при поглощении квантов света, начинают перемещаться и создают дополнительный электрический ток, пропорциональный интенсивности света. Его называют "фототоком". Зависимость тока через фотодиод от напряжения и интенсивности падающего света довольно хорошо описывается формулой

где – "темновой" ток; – электрический заряд электрона; – напряжение на диоде ; – постоянная Больцмана; – абсолютная температура; – квантовый выход носителей заряда при возбуждении светом (усредненное количество носителей, которые возникают при поглощении одного кванта света); – квантовая интенсивность светового потока (фотонов/с).

На практике световой поток часто задают в люксах. Тогда коэффициент при нем имеет смысл светочувствительности фотодиода и задаётся в мкА/лк. Соответствующие вольтамперные характеристики фотодиода при отсутствии света и при его возрастающих интенсивностях показаны слева на рис. 9.4.

Справа рис. 9.4 приведена эквивалентная электрическая схема фотодиода. Рядом с источником тока показаны собственная электроемкость диода и его внутреннее сопротивление . Они в значительной мере и определяют быстродействие фотодиода. Чтобы обеспечить высокое быстродействие, надо, в первую очередь, уменьшать собственную емкость фотодиода. Этого достигают, используя фотодиоды структуры, которые показаны на рис. 9.5. В такой структуре непосредственно возле -области (анода) диода формируется обширная очень обедненная носителями, почти изолирующая, область кремния (так называемая -область). Этим достигается значительное уменьшение собственной емкости фотодиода.

Чтобы в полупроводнике при поглощении фотона образовалась пара носителей заряда (электрон + "дырка"), энергия фотона должна быть больше ширины запрещенной энергетической зоны. Для кремния, например, это 1,12 эВ. Такую энергию имеют кванты света с длиной волны меньше 1,1 мкм – это так называемая "красная граница" фоточувствительности для чистого кремния. С другой стороны, видимый свет с длиной волны, существенно меньше 1,1 мкм, уже сильно поглощается кремнием. Из-за этого, если -область кремния относительно толстая, свет так и не доходит до -перехода. Поэтому для того, чтобы кремниевые фотодиоды имели высокую чувствительность и в видимой области спектра, -область кремния надо делать очень тонкой.

Фотодиоды, которые должны быть чувствительны к свету из ближней инфракрасной области спектра с длиной волны от 1,2 до 2 мкм, делают из германия, а чувствительные к свету средней и далекой инфракрасной (ИК) области – из еще более "узкозонных" полупроводников . Из-за узкой запрещенной зоны темновой ток у таких фотодиодов и дробовой шум при комнатных температурах слишком велики. Поэтому фотодиоды, которые должны работать в средней и далекой ИК области спектра, как правило, приходится охлаждать.

9.2.2. Фотодиоды Шотки

Для обеспечения чувствительности кремниевых фотодиодов также в фиолетовой и ультрафиолетовой областях используют так называемые фотодиоды Шотки ( рис. 9.6). Вместо -перехода в них формируют т.н. "барьер Шотки", возникающий на границе раздела "металл – полупроводник". Для этого на фоточувствительную область кремния напылением в вакууме наносят очень тонкий слой золота, достаточно прозрачный для видимого и ультрафиолетового света.

9.2.3. Схемы включения фотодиодов

Различают несколько режимов работы фотодиодов. Один из них – фотовольтаический (режим измерения фото-ЭДС), обозначенный на рис. 9.4 слева рабочим участком 1. Наклон этого участка определяется большим внутренним сопротивлением прибора или схемы, измеряющей напряжение на фотодиоде. Поскольку сопротивление очень велико, то через фотодиод в этом режиме протекает совсем незначительный ток. Каждому значению светового потока соответствует свое измеренное напряжение .

Намного чаще в фотодиодных сенсорах света используют электронную схему, показанную на рис. 9.7. Одним из преимуществ такой схемы является то, что в ней напряжение на фотодиоде почти не меняется, благодаря чему сводятся к минимуму потери на перезарядку входной емкости. С помощью операционного усилителя и резистора обратной связи фототок превращается в выходное напряжение со значительным усилением мощности. Рабочий участок фотодиода в таком режиме, который называют "фотоэлектрическим", представлен слева на рис. 9.4 отрезком 2. Наклон его определяется номиналом резистора обратной связи . Ёмкость обратной связи вводят в схему ( рис. 9.7) для компенсации сдвига фаз и коррекции частотной характеристики сенсора [ [ 325 ] ].

Если требуется максимальное быстродействие, то фотодиод используют в режиме фотопроводимости, в котором на него подается большое обратное напряжение смещения. Это приводит к значительному расширению обедненной зоны возле -области и к уменьшению собственной емкости фотодиода. Однако надо помнить, что при этом возрастают и темновой ток, и собственный дробовой шум фотодиода. Типичная схема включения фотодиода в таком режиме показана на рис. 9.8.

Соответствующий рабочий участок представлен слева на рис. 9.4 отрезком 3, наклон которого, как и в предыдущей схеме, определяется номиналом резистора обратной связи . Если этот номинал не слишком велик, то напряжение на фотодиоде меняется мало. Фотосенсор, собранный по такой схеме, может работать на частотах в сотни мегагерц.

Микроэлектронная технология позволила формировать на небольших кристаллах кремния фотодиоды вместе с интегральными схемами усиления фототока, обеспечивая не только высокое быстродействие, но и весьма высокую чувствительность.