Модуляции светового

Принцип работы. В транзисторах со структурой металл—диэлектрик-полупроводник (МДП) принцип работы основан на модуляции сопротивления проводящего канала на поверхности полупроводника под воздействием эффекта поля (см. § 2.5). МДП-транзисторы со структурой металл— оксид — полупроводник в настоящее время являются основными элементами сверхбольших интегральных схем (СБИС). Они находят широкое применение также в мощных ключевых схемах. МДП-транзисторы являются униполярными приборами, работа которых основана на использовании только основных носителей заряда. Процессы инжекции в МДП-транзисторах не используются. На 3.33 схематически показана конструкция МДП-тран-зистора. В полупроводниковой подложке р-типа сформированы две высоколегированные п"1"-области — исток и сток.

(см. §2.12). База диода при этом заполняется дополнительным количеством электронов и дырок, что приводит к уменьшению ее сопротивления, т. е. к модуляции сопротивления базы диода.

При подаче на диод прямого напряжения ток через диод устанавливается не сразу, так как с течением времени происходит накопление в базе инжектированных через р-м-переход неосновных носителей (дырок) и уменьшение в связи с этим сопротивления базы ( 3.33). Этот процесс модуляции сопротивления базы происходит не мгновенно, так как накопление дырок в базе диода связано с относительно медленным процессом диффузии их от p-n-перехода в глубь базы.

Принцип действия. При напряжении на затворе относительно истока, равном нулю, и при наличии напряжения на стоке ток стока оказывается ничтожно малым. Он представляет собой обратный ток p-n-перехода между подложкой и сильнолегированной областью стока. При отрицательном потенциале на затворе (для структуры, показанной на 6.8, а) в результате проникновения электрического поля через диэлектрический слой в полупроводник при малых напряжениях на затворе (меньших t/зипир) У поверхности полупроводника под затвором возникают объединенный основными носителями заряда слой и область объемного заряда, состоящая из ионизированных нескомпенсированных примесных атомов. При напряжениях на затворе, больших порогового {/зи.юр, у поверхности полупроводника под затвором возникает инверсный слой, который и является проводящим каналом между истоком и стоком. С изменением напряжения на затворе изменяется концентрация носителей заряда в проводящем канале, а также толщина или поперечное сечение проводящего канала, т. е. происходит модуляция сопротивления проводящего канала. Основной причиной модуляции сопротивления проводящего канала в МДП-транзисторах с индуцированным каналом является изменение концентрации носителей заряда в проводящем канале; в полевых транзисторах с управляющим переходом — изменение толщины или поперечного сечения канала.

вяшаевия и рассасывания носителей в базе и эффект-модуляции сопротивления базы играют лишь второстепенную роль. Основное влияние на характер установления токов и напряжений оказывают процессы заряда и разряда барьерной емкости р-п перехода.

При высоком уровне инжекции (2.9) наблюдается эффект модуляции сопротивления базы — уменьшение ГБ с ростом тока из-за увеличения концентрации носителей в базе. В этом случае rz=rw[l — (Lp/W^\n(l+d)] [121 где ГБО — немодулированное сопротивление; б = t±pn(Q)INg =

Если не учитывать модуляцию сопротивления базы (§2.5), получим зависимость U(t), показанную штриховой линией. Для правильного описания переходного процесса нужно принять во внимание постепенное уменьшение сопротивления базы, в результате чего напряжение, достигнув максимума ?/макс=?Лтер+/пр''Б, далее уменьшается до установившегося значения Unp, соответствующего меньшему сопротивлению базы г'ъ: ипр=иПер-}-1прг'ъ. Процессы модуляции сопротивления базы, а вместе с ним и установления прямого напряжения завершаются за время примерно равное эффективному времени жизни неосновных носителей в базе.

К характерным импульсным параметрам диодов относят емкость диода Сд — емкость между выводами диода при заданном обратном напряжении (например, ?A,6i> = —5 В); заряд переключения <3„к •— полная величина заряда, переносимого обратным током после переключения диода с заданного прямого на обратное напряжение при соответствующих значениях прямого тока и обратного напряжения; максимальное импульсное прямое падение напряжения t/пр.и.макс — максимальное падение напряжения на диоде в прямом направлении при заданной силе импульсного прямого тока; время установления прямого сопротивления /уст — время от момента включения прямого тока диода до момента достижения заданного уровня прямого напряжения на диоде при модуляции сопротивления базы в результате ипжекции носителей через электрический переход; время восстановления обратного сопротивления /Вос — отрезок времени от момента прохождения тока через нуль при переключении диода с прямого на обратное импульсное напряжение до момента достижения обратным током заданного уровня отсчета. Время восстановления обратного сопротивления /вое включает в себя две составляющие — длительность фазы постоянного обратного тока t\ а длительность спада переходного обратного тока t2 (длительность среза). Обе составляющие ti и t2 являются важными параметрами, характеризующими импульсный режим работы ДНЗ. Длительность фазы высокой обратной проводимости или постоянного тока ti определяется для ДНЗ как отрезок времени от момента прохождения тока через нуль при переключении диода с прямого на обратное импульсное напряжение до момента, при котором переходной обратный ток уменьшится до заданного уровня от максимального значения обратного тока (например, 0,9/обр.и.макс). Длительность спада обратного тока 12 оценивается отрезком времени, за который спадающий переходный обратный ток диода уменьшается от одного заданного уровня (например, от 0,9 /„бр.и.макс) до другого заданного уровня от максимального значения обратного тока (например, до 0,1/обр.и.макс). Кроме того, ДНЗ характеризуется временем жизни неосновных носителей заряда т — отношением заряда, переносимого переходным обратным током диода, к значению прямого тока при его длительном протекании.

— модуляции сопротивления базы 69

вяшаевия и рассасывания носителей в базе и эффект-модуляции сопротивления базы играют лишь второстепенную роль. Основное влияние на характер установления токов и напряжений оказывают процессы заряда и разряда барьерной емкости р-п перехода.

Наряду с биполярными в полупроводниковых интегральных микросхемах успешно применяют МДП-транзисторы, которые по принципу действия относятся к полевым приборам. Их работа основана на модуляции сопротивления (проводимости) слоя полупроводникового материала поперечным электрическим полем. В отличие от биполярных транзисторов, полевые не имеют усиления по току. Они являются активными элементами, обеспечивающими усиление по мощности и напряжению, их характеристики зависят от напряжения, а принцип действия основан на эффекте поля.

14. Что называется предельной частотой модуляции светового потока применительно к оптоэлектронным приборам?

Фоторезисторы обладают значительной инерционностью, обусловленной временем генерации и рекомбинации электронов и дырок, происходящих при изменении освещенности фоторезистора. Время установления стационарного значения фотопроводимости называют временем фотоответа фоторезистора. Оно определяет максимально допустимую частоту модуляции светового потока, т. е. частотный диапазон работы фоторезистора.

Частотные характеристики некоторых типов фоторезисторов изображены на 4.5. Как следует из кривых, чувствительность некоторых типов фоторезисторов значительно уменьшается при частотах модуляции светового потока около I кГц (кривая )). Фоторезисторы из селенистого свинца менее инерционны и могут работать при частотах порядка 10 кГц (кривая 2).

Частотные характеристики зависят от -материалов фотодиода. В настоящее время созданы высокочастотные (быстродействующие) фотодиоды на основе германия и арсенида галлия, которые могут работать при частотах модуляции светового потока в несколько сотен мегагерц.

питания) заряды в базе рассасываются и прибор переходит из открытого состояния в закрытое. Это время составляет десятки микросекунд. Следовательно, фототиристоры могут работать при частотах модуляции светового потока порядка нескольких десятков килогерц.

Газоразрядные фотоэлементы обладают значительной инерционностью, обусловленной временем деионизации газа. На 4.23 приведена частотная характеристика газоразрядного фотоэлемента. Из характеристики видно, что при частотах модуляции светового потока порядка 10 кГц чувствительность фотоэлемента значительно уменьшается, поэтому его применение ограничивается этими частотами, что является существенным недостатком газоразрядных фотоэлементов. К другим недостаткам газоразрядных фотоэлементов по сравнению с вакуумными относятся более сильное «утомление» фотокатода и меньший срок службы (порядка 700 ч), обусловленные бомбардировкой катода положительными ионами.

новесных носителей заряда. При импульсной модулнции необходимо, чтобы длительность светового импульса была велика по сравнению с лт и больше, чем r2/(4D) и r/(D/t)1/2. Так же можно оценить интервал между световыми импульсами. Частэта модуляции светового потока обычно составляет 30—300 Гц.

вия, частота модуляции света должна быть такой, чтобы фотомагнитная ЭДС успевала установиться за время, разное длительности светового импульса, и спадать до нуля в интервале между импульсами.

Ток иАСф, соответствующий фотопроводимости образца, зависит от освещенности образца и изменяется с частотой модуляции! светового потока, так же как фотомагнитный ток. Можно так подобрать значение и знак напряжения U, чтобы фототоком скомпенсировать ток короткого замыкания:

10.26. Какими физическими явлениями можно объяснить уменьшение фототока с ростом частоты модуляции светового потока? ........

Граничная частота модуляции светового потока, гц 5000 5000 10 6 - - - - 70