Лавинного переключения

Лавинные фотодиоды. Если в фотодиодах использовать электрический пробой, сопровождающийся лавинным умножением носителей заряда, как в полупроводниковых стабилитронах, то фототок, а следовательно, и чувствительность значительно возрастут. Темновой ток лавинного фотодиода имеет примерно то же значение, что и в обычном фотодиоде, однако при освещении характеристики этих фотодиодов существенно отличаются. Чувствительность лавинных фотодиодов может быть на несколько порядков больше, чем у обычных фотодиодов (у германиевых — в 200—300 раз, у кремниевых — в 10*—106 раз). Лавинные фотодиоды являются быстродействующими фотоэлектрическими приборами, их частотный диапазон может достигать 10 ГГц. Недостатком лавинных фотодиодов является более высокий уровень шумов по сравнению с обычными фотодиодами.

условленный фоновой засветкой преобразователя; М и х — коэффициенты лавинного умножения фототока и избыточного шума лавинного фотодиода (для остальных типов преобразователей свет — сигнал, рассмотренных в гл. 9, принимается М= \, х=0); /6, /к и гб — посто-

Лавинный фотодиод — фотодиод с внутренним усилением, принцип действия которого основан на явлении ударной ионизации атомов фотоносителями в сильном электрическом поле. В лавинных фотодиодах используют электрический пробой, сопровождающийся лавинным умножением носителей заряда, как в полупроводниковых стабилитронах, при этом фототек, а следовательно, и чувствительность значительно возрастают. Темновой ток лавинного фотодиода имеет примерно такую же величину, что и обычный фотодиод, однако при освещении характеристики этих фотодиодов существенно отличаются. Чувствительность лавинных фотодиодов может быть на несколько порядков больше, чем обычных (у германиевых в 200 — 300 раз, а у кремниевых в 104— 10е раз). Спектральный диапазон чувствительности кремниевых лавинных фотодиодов К = 0,35— 1,13 мкм. Лавинные фотодиоды являются быстродействующими фотоэлектрическими приборами, их граничные частоты могут достигать значений до 10 ГГц. Недостатком лавинных фотодиодов является более высокий уровень шумов (произвольные изменения — флуктуации токов через прибор — см. также § 5.10) по сравнению с обычными фотодиодами. Лавинные фотодиоды можно применять для обнаружения световых сигналов и счета световых импульсов в релейных устройствах автоматики.

Лавинный фотодиод. На 14-18 показано устройство кремниевого лавинного фотодиода с р-n переходом, изготовленного методами Планерной технологии, а также платиново-кремниевого фотодиода с барьером Шоттки. В обоих приборах фоточувствительная область выполнена в виде круглого окна малого диаметра (40—60 мкм). Небольшие размеры этой области обусловлены одним из основных требований к прибору: лавинообразное размножение носителей должно возникать при некотором обратном на-

14-18. Устройство кремниевого лавинного фотодиода с охранным кольцом (в) и платиново-кремнйевого лавинного фотодиода с барьером Шоттки (б).

14-19. Вольт-амперные характеристики лавинного фотодиода.

— лавинного фотодиода 386

где У„ров — пробивное напряжение; U — напряжение на р-п переходе; /п= 1,5-4-2 для кремния р-типа; m=3,4-s-4 для кремния я-типа. Тогда ВАХ лавинного фотодиода можно представить в виде

Очевидно, что нормальная работа фотодиода возможна только при достаточно стабильном выходном токе /ф, т. е. при стабильном значении коэффициента усиления М. Пусть мы хотим иметь относительные изменения коэффициента усиления не больше 10% (dM/M=Q,\). Тогда для кремниевого фотодиода (« = 3,5; М=300) получим dU/U=0,0001 = =0,01 %, т. е. для надежной работы лавинного фотодиода необходима очень высокая стабилизация питающего напряжения. Следует также подчеркнуть, что типичные значения ?/Проб = 30-ь 100 В. Это приводит к большим потерям энергии t/проб/ф в фотодиоде. Развитие пробоя происходит не одновременно по всей площади р-п перехода, а в отдельных «микроплазмах». Это вызывает дополнительную нестабильность М и увеличивает шумы. Перечисленные недостатки в сочетании с разбросом параметров у отдельных образцов ограничивают применение лавинных фотодиодов.

На 7.13 указана область лавинного размножения ЛО в структуре с р+-п-переходом, где напряженность электрического поля ?>?Л.Р. Вольт-амперная характеристика германиевого лавинного фотодиода приведена на 7.14. Рабочая точка А выбирается в предпробойной области на ВАХ фотодиода. При малых потоках излучения коэффициент М — постоянная величина. С увеличением потока излучения концентрация оптически возбужденных носителей растет, их заряд компенсирует объемный заряд ионов в обедненной области перехода, электрическое поле перехода уменьшается, область лавинного размножения ЛО сужается и, следовательно, коэффициент лавинного размножения падает. Ток увеличивается, и на последовательном сопротивлении фотодиода rs возрастает падение напряжения. С увеличением светового потока падает предельно возможное значение М, так как средняя напряженность электрического поля в переходе и толщина ЛО уменьшаются. В результате крутизна характеристики в области пробоя падает, т. е. обратная ветвь ВАХ в этой области становится более пологой, хотя ток через диод и возрастает. В точке А ( 7.14) отношение /ф//0бР=Л41 есть коэффициент усиления лавинного фотодиода. С увеличением потока Ф значение М\ падает из-за уменьшения крутизны обратной ветви ВАХ.

Лавина в фотодиоде развивается относительно медленно, так как каждая ионизация осуществляется в среднем через время свободного пробега носителей тпр. Постоянная времени нарастания тока определяется соотношением тнр = =МтПр, где коэффициент М различен для больших и малых световых потоков. После окончания короткого импульса светового потока ток лавины медленно уменьшается, пока все носители не покинут обедненный слой электрического перехода. Если за время пролета носителя происходит только одна ионизация атома, то для оценки быстродействия лавинного фотодиода вводят параметр Mfrp= (2niHV)~l. Величина frp называется граничной частотой фотодиода. Постоянная времени тн~1пс, что соответствует Af/rp=160 ГГц. В кремниевых фотодиодах максимальное значение коэффициента лавинного размножения

коллекторе Т3, входящего в цепь запуска. Транзистор Т3 заперт, поскольку при отсутствии входных импульсов на базе Т3 за счет внешнего источника смещения -т-?см создается положительное запирающее напряжение. Пренебрегая током /к() запертого транзистора Т3, можно считать, что этот транзистор обеспечил полное отключение триггера от генератора запускающих импульсов как по переменной, так и по постоянной составляющей напряжения. При появлении на выходных зажимах генератора Г импульса отрицательной полярности транзистор 7"3 отпирается. Напряжение на его коллекторе, а следовательно, и на коллекторе транзистора Tt получает положительное приращение. Через элементы /?С2 и С2 это приращение напряжения передается на базу Тг и выводит этот транзистор из режима насыщения. В схеме триггера возникает лавинный процесс переключения, приводящий к насыщению Ti и запиранию Тг. Если к моменту возникновения условий для лавинного переключения входной импульс закончился, то транзистор Т3 запрется и не будет влиять на характер переключения токов и напряжений в триггере. Если длительность запускающего импульса велика и после выхода транзистора Т2 из режима насыщения транзистор Т3 остается включенным, то уровень UKa на коллекторе 7j поддерживается принудительно за счет входного импульса и переключение триггера обеспечится и без регенеративной стадии: насыщение транзистора Т3 за счет воздействия входного импульса вызовет запирание транзистора Т2, а его запирание приведет к появлению большого базового тока транзистора Tj и его насыщению.

тически всем напряжением источника питания Е. Запускающий импульс положительной полярности через емкость Сзап поступает на аноды диодов. Амплитуда этого импульса меньше напряжения источника питания Е. Поэтому указанный импульс не может открыть диод Д2, а отпирает только диод Д( и через него поступает на коллектор транзистора 7\. Далее этот импульс через ускоряющий конденсатор С2 передается на базу транзистора Т2, выводит его из режима насыщения и создает условия для лавинного переключения транзисторов

денсатор Cj передается на базу транзистора 7\, находящегося в режиме насыщения, вызывает рассасывание избыточного заряда дырок и создает условия для нового лавинного переключения транзисторов триггера. После переключения запертым вновь оказывается диод Д2, и новый запускающий импульс поступает на триггер через диод Д4. Каждый запускающий импульс вызывает изменение состояния триггера на обратное: Qn+i = Qn-

Ждущий мультивибратор с уменьшенным временем восстановления. В схеме 6.61 время восстановления соответствовало длительности фронта импульса на коллекторе транзистора Т2. Поэтому сокращение времени восстановления помимо повышения допустимой частоты запуска мультивибратора приводит и к сокращению длительности среза импульса. Кроме того, сокращение времени восстановления позволяет уменьшить изменение длительности выходного импульса при работе в режиме малой скважности. Разработан ряд мер по сокращению времени восстановления ждущих мультивибраторов. Одной из таких мер является использование эмиттерного повторителя в цепи восстановления ( 6.70). При формировании выходного импульса конденсатор Cj разряжается через участок эмиттер — коллектор насыщенного транзистора TI, диод Д и резистор /?д2 на источник — Е. При этом диод Д смещен в прямом направлении и его прямое сопротивление очень мало. Формирование импульса происходит практически так же, как и в схеме 6.66. После окончания формирования импульса и лавинного переключения транзисторов начинается процесс восстановления напряжения. Конденсатор С1 заряжается через выходное сопротивление эмиттерного повторителя на транзисторе Т3 и эмиттерный переход насыщенного транзистора Т2 ( 6.71). Учитывая, что транзистор TI заперт, из элементов, находящихся в базовой цепи Т3, можно учитывать только резистор /?щ. Он связывает базу Т3 с источником питания — ?, т. е. базовая цепь транзистора Т3 питается от источника — Е через резистор ^к). Используя гибридную Г-образную эквивалентную схему транзистора (см. § 3.3), нетрудно получить соотношение для выходного сопротивления эмиттерного повторителя: гвых = Аэ + (гб ~Ь Rr)!B, где /?г — выходное сопротивление источника сигналов, которые поступают на базу транзистора. В данном случае функцию RT выполняет /?К1, т. е. гвш=га + (r$ + RKi)/B3. Обычно сопротивление /?К1 превышает значения га и rg. С учетом допущений ra < RKi, rg < RKl можно счи-

После разряда конденсатора Сг до нуля формирование выходного импульса на коллекторе Т\ заканчивается. Конденсатор С2 за это время успевает зарядиться до полного напряжения Е через резистор RKi и входную цепь насыщенного транзистора Т2. После лавинного переключения транзисторов схема переходит в то состояние, с которого было начато рассмотрение. Процессы в схеме повторяются. Это чередование состояний происходит с периодом Т.

Выведем условие лавинного переключения транзистора в блокинг-генераторе. Пренебрегая паразитными параметрами импульсного трансформатора, заменим его индуктивным элементом намагничивания LM. Ток намагничивания / в этом элементе при переключении практически не изменяется, оставаясь равным нулю. Выходную цепь «коллектор — эмиттер» транзистора Т, находящегося в активном режиме, можно заменить генератором тока AiK- Нагрузкой базовой обмотки трансформатора Тр является суммарное сопротивление, состоящее из сопротивления гвха транзистора Т и сопротивления Re- При пересчете суммарного сопротивления гвх а -f R6 в цепь коллекторной обмотки получаем RQ = (R6 + гвх а)/п2 к Яб/"2*

Данное неравенство является условием лавинного включения транзистора блокинг-генератора. В частном случае, когда нагрузка /?н является высокоомной (/?„ -*• оо), оно принимает вид В/п > 1, или В > п. Так как у транзисторов В ^> 1, то условие лавинного переключения легко выполняется.

Как отмечалось, блокинг-генератор может работать и в автоколебательном режиме ( 6.120). В схеме 6.120 использован транзистор p-n-p-типа. После включения источника питания —Е конденсатор С начинает заряжаться через RQ. Когда напряжение на конденсаторе снизится до напряжения отсечки ео5, появляется отпирающий ток базы транзистора Т, последний переходит в активный режим и создаются условия для его лавинного переключения. Транзистор включается и переходит в режим насыщения. Начинается процесс формирования вершины выходного импульса, включающий в себя:

нулевой уровень и снизится до значения еоС. Запирающее напряжение на базе транзистора исчезает, транзистор переходит в активный режим и начинается новый процесс лавинного переключения. Процессы в схеме периодически повторяются. Зависимость выходного напряжения блокинг-генератора и напряжения на времязадающем конденсаторе С от времени показаны на 6.121.

Начинается процесс лавинного переключения. В это время в схеме действует положительная обратная связь через два контура, в каждый из которых входит транзистор Т3. В первом из этих контуров отрицательное приращение напряжения на эмиттерах Tj и 7j усиливается транзистором Ts (без изменения фазы скачка, поскольку при ?„ = const можно считать, что транзистор Т8 по переменной составляющей включен по схеме с общей базой). С коллектора Тя отрицательное приращение напряжения передается через делитель Rt,Rt на базу транзистора Tt, перешедшего в активный режим. Отрицательное приращение напряжения на базе Tt повторяется на его эмиттере, т. е. передается и на эмиттер Та. Контур положительной обратной связи замыкается. Коэффициент усиления по напряжению, больший единицы, в данном контуре создает каскад на транзисторе Ts, коллекторная нагрузка которого не должна быть очень малой. Второй контур включает коллекторную цепь транзистора 7\. Отрицательное приращение напряжения на коллекторе Г2 после усиления транзистором Та и передачи через делитель RsRe на базу Tt приводит к увеличению коллекторного тока транзистора Tt и повышению потенциала его коллектора. Положительное приращение напряжения с коллектора Tt через конденсатор С2 передается на базу транзистора Та, в результате чего коллекторный ток этого транзистора уменьшается, еще более снижая потенциал коллектора.

ного транзистора Т\, диод Д и резистор Rfa на источник — Е. При этом диод Д смещен в прямом направлении и его прямое сопротивление очень мало. Формирование импульса происходит практически так же, как и в схеме 5.58. После окончания формирования импульса и лавинного переключения транзисторов начинается процесс восстановления напряжения. Времязадающий конденсатор Ct заряжается через выходное сопротивление эмиттерного повторителя на транзисторе Т3 и эмиттерный переход насыщенного транзистора Т2 ( 5.68). Учитывая, что транзистор Тг заперт, из элементов, находящихся в базовой цепи Т3, можно учитывать только резистор RKi. Он сйязывает базу Т3 с источником питания — Е, т. е. базовая цепь транзистора Тз питается от источника — Е через RKi. Используя гибридную Т-образную эквивалентную схему транзистора, нетрудно получить соотношение для выходного сопротивления эмиттерного повторителя: