Laboratoare VLSI

Scopul lucrarii : studierea principiului de functionare si a constructiei fotodiodei, fotorezistorului si fototranzistorului. Cercetarea caracteristicilor curent – tensiune si luminoasa.

Date teoretice :

1. Fotodioda – este o diode semiconductoare, in care are loc separarea spatial a purtatorilor de sarcina de neechilibru, generate la iluminarea cu un flux de fotoni de catre bariera de potential.

Vom precauta principiul de functionare a fotodiodei. In lipsa iluminarii si tensiunii de la sursa externa (U=0) se instaleaza un echilibru intre fluxurile termice ale purtatorilor de sarcina prin jonctiune din regiunea de tip n in regiunea de tip p si invers. La iluminarea, de exemplu, a regiunii de tip n cu un flux de fotoni, a caror energie este mai mare sau egala cu largimea benzii interzise, datorita absorbtiei fotonilor, are loc generarea perechilor de electroni si goluri, adica a purtatorilor de sarcina de neechilibru. Acesti purtatori difundeaza in adancul regiunii de tip n cu viteza determinata de coieficientul de difuzie a purtatorilor de sarcina minoritari (goluri).

Daca latimea W a regiunii de tip n e cu mult mai mica ca Lp, atunci majoritatea purtatorilo nu va dovedi sa se recombineze si va ajunge la granite jonctiunii p-n. perechile electron-gol, apropiate de jonctiune, sint dezmembrate de campul intern al jonctiunii. Golurile sint accelerate de campul intern al jonctiunii spre regiunea de tip p si fara obstacole trec in regiunea de tip p.

In cazul conectarii la bornele fotodiodei a rezistentei de sarcina Rs si in absenta iluminarii prin jonctiunea p-n si Rs nu va circula curentul, fiindca fluxurile de electroni si goluri generate termic prin jonctiune p-n sint echilibrate reciproc. Iluminarea exercita un fotocurent determinat de fotopurtatori de sarcina minoritari.

In regim de scurtcircuit (Rs=0) tensiunea pe bornele fotodiodei Uf=0, iar curentul in circuitul exterior I=If=Isc. Valorile curentului in regim de scurtcircuit si t.e.m. pentru una din caracteristicile sint reprezentate prin puncte.

In regimul de fotodioda la fotodioda se aplica tensiunea cu polarizare inversa.

In absenta iluminarii prin jonctiunea p-n si Rs va curge un current invers de saturatie Is datorat de generarea termica a purtatorilor de sarcina minoritari. La iluminarea regiunii de tip n prin jonctiune si Rs va parcurge in afara de curentul de intuneric, egal cu curentul de saturatie Is, un fotocurent suplimentar If datorat generarii optice a purtatorilor de sarcina minoritari, a carui directive de curgere coincide cu curentul Is.

Caracteristicile importante ale fotodiodei sint sensibilitatea spectral si integral. Sensibilitatea integral in current a fotodiodei se defineste ca raportul intre fotocurentul invers si fluxul luminous incident.

Unul din avantajele regimului de fotodioda consta in posibilitatea de a obtine mari caderi de tensiune pe rezistenta sarcinii Rs, fiindca adaosul luminescent total al curentului If poate fi obtinut la prezenta in circuit a Rs cu valori mari. Respectiv e mare si valoarea semnalului obtinut de pe rezistenta Rs.

Un alt avantaj al regimului de fotodioda consta in inertia mai mica a fotodiodei. Ea se determina cu timpul de trecere a purtatorilor de sarcina minoritari prin regiunea de tip n.

2. Fototranzistorul – receptor fotogalvanic de radiatie, al carui element fotosensibil contine structura tranzistorului, care asigura amplificarea interna a fotocurentului. Sunt cunoscuti fototranzistori unipolari si bipolari. Mai pe larg se utilizeaza tranzistorii bipolari.

Jonctiunea colectorului este polarizata indirect, iar jonctiunea emitorului – direct. Radiatia luminoasa incidenta este absorbita in regiunea bazei si in ea va avea loc generarea de electroni si goluri de neechilibru. Fotopurtatorii de sarcina minoritari (golurile) sub actiunea difuziei si driftului ajung la collector, crescand in circuitul acestuia fotocurentul If. Regiunea iluminata baza-colector poate fi precautata ca fotodioda.

Purtatorii de sarcina majoritari (electronii), generate de lumina, ajungand la emitor, determina o diminuare a barierei de potential si, in consecinta, o crestere puternica a nivelului de injectie a golurilor din jonctiunea emitorului. Purtatorii de sarcina injectati, difuzind in baza, ajung la jonctiunea colectorului si sint transferati de campul acestei jonctiuni in collector, unde maresc inca mai mult curentul colectorului, adica curentul circuitului exterior. Curentul datorat de goluri, conditionate de sarcina negativa de volum in regiunea bazei, depaseste valoarea curentului, determinat de goluri, generate in baza la inceput sub actiunea luminii. Are loc amplificarea interioara a fotocurentului.

Caracteristicile volt-amperica de iesire a fototranzistorului sint analogice cuc aracteristicile fotodiodei, la care curentii sint mariti de Ki ori. Sensibilitatea integral in curent a fototranzistorului e de Ki ori mai mare decat sensibilitatea fotodiodei Sid, formata de jonctiunea baza-colector.

3. Fototrezistorul – dispozitivul semiconductor, la care conductivitatea electrica s emodifica sub actiunea fluxului de radiatie optica.

Sensibilitatea in general, depinde de tensiunea aplicata si puterea de iluminare. In afara de aceasta ea depinde si de compozitia spectral a radiatiei. Caracteristicile spectrale ale diferitor fotorezistori se deosebesc considerabil una de alta.