Фотоприймачі з внутрішнім підсиленням

ьвівський Державний Університет

Ім. І.Франка

Кафедра нелінійної оптики

РЕФЕРАТ

на тему:

„Фотоприймачі з внутрішнім підсиленням”

Виконали:

Студенти факультету прикладної

математики та інформатики

II-го курсу групи ПМІ - 21

Ганцаж Андріан та

Тимовчак Степан

Львів 1999

Зміст:

1. Загальні принципи роботи фотоприймачів (ФП).

2. Основні характеристики і параметри ФП.

3. Різні типи внутрішнього підсилення в ФП:

– звичайне підсилення на основі p-n-переходу (біполярні

транзистори);

– інжекційне підсилення;

– лавинне підсилення;

5. Застосування ФП з внутрішнім підсиленням.

6. Перспективи.

ФОТОПРОВІДНІСТЬ НАПІВПРОВІДНИКІВ

Оптична генерація носіїв току. Вільні носії, що беруть участь в електропровідності напівпровідника і знаходяться з решіткою у термодинамічній рівновазі, з'являються в результаті термічної генерації. Вони називаються зрівноваженими, а провідність у цьому випадку – зрівноваженою провідністю. Поява вільних електронів і дірок може бути пов'язана з іншими чинниками, зокрема, із поглинанням оптичного випромінювання. Носії струму, що виникли в матеріалі, минаючи термічне збудження, називаються незрівноваженими. Відповідно і надлишкова провідність називається незрівноваженою.

При поглинанні фотона електронно-діркова пара одержує деяку надлишкову енергію і квазіімпульс. Зрівноважений розподіл фотоносіїв по енергіях і квазіімпульсах встановлюється за час, менший часу перебування у відповідних зонах. Тому вони встигають "термолізуватися", тобто розподіл їх по енергіях і квазіімпульсах стає таким же, як і для зрівноважених електронів і дірок. Повна електропровідність:

 = q(_nn₀ + _pp₀ + _nn + _pp),

де n₀ і p₀ – зрівноважені концентрації електронів і дірок; n, p – незрівноважені їх концентрації.

Фотопровідність:

_ф = q(_nn + _pp)

При h  E_g концентрація незрівноважених електронів і дирок пропорційна швидкості оптичної генерації, тобто g = a()N_ф, де N_ф – потік фотонів, () – квантовий вихід фотоіонізації (кількість електронно-діркових пар, утворених одним квантом світла).

Підсилення фотоструму. В однорідному напівпровіднику фотострум:

I_ф = qGK_ф,

де G – повна генерація; K_ф = _n / t_n + _p / t_p – коефіцієнт підсилення; t_n ,t_p – часи прольоту електронів і дірок між електродами при довжині зразка d і прикладеній напрузі U:

t_n = d² / (_n U), t_p=d²/(_p U)

В результаті:

K_ф = (_n / t_n + _p / t_p)U / d²

I_ф = qG(_n / t_n + _p / t_p)U / d²

Фізичний зміст коефіцієнта підсилення полягає в тому, що, утворена світлом незрівноважена провідність в напівпровіднику зберігається до того часу, поки не рекомбінуються в об’ємі чи не вийдуть з нього через контакти в зовнішній ланцюг залишкові носії. Оскільки електрони і дірки мають різні рухливості, то при досить великих напругах електричного поля (коли час прольоту електрона через зразок буде менший часу життя) за час до рекомбінації електронно-діркової пари від контакту до контакту пройде електронів більше, ніж один. Якщо час життя і рухливість не залежать від поля, то фотострум повинен лінійно зростати зі збільшенням прикладеної напруги чи зменшенням відстані між контактами. Така залежність буде зберігатись доти, поки час прольоту дірок не зменшиться до часу життя. Після цього фотострум перестає зростати, так як ефективний час життя незрівноваженої електронно-діркової пари починає спадати пропорційно до прикладеного електричного поля, що компенсує збільшення швидкості їх руху. В цій області зміщень швидкодія збільшується. Нелінійна залежність фотоструму може бути зв’язана з виникненням об’ємного заряду в напівпровіднику з залежністю від електричного поля рухливості і часу життя носіїв внаслідок їх “розігріву”, тобто збільшення швидкості вище теплової при даній температурі.

Для власного поглинання в області малих зміщень при рівномірній по об’єму генерації електронно-діркових пар зміна незрівноваженої провідності визначається рівнянням:

d_ф / dt = q(_n + _p)G - _ф / _ф,

де _ф = (_nn + _pp)( _nn / _n + _pp / _p)^-1

Це є час релаксації фотопровідності (час життя незрівноваженої провідності) і визначає темп затухання незрівноваженої провідності ф.

В стаціонарному стані (d_ф / dt = 0) фотопровідність:

_Фст = q(_n + _p)G_ф

Видно, що чим вище _ф, тим більша фотопровідність, але і більший час встановлення стаціонарного стану, тобто більша інерційність фотоприйомного приладу і менша полоса пропускання f. Якість фотоприймача оцінюється його добротністю

Q = K_фf

Для кожного типу фотоприймача з лінійним механізмом підсилення фотоструму його добротність є величина постійна .Виграш в коефіцієнті підсилення супроводжується пропорційним зменшенням полоси пропускання і навпаки.

ХАРАКТЕРИСТИКИ І ПАРАМЕТРИ ФОТОПРИЙМАЧІВ

ХАРАКТЕРИСТИКИ ФОТОПРИЙМАЧІВ

Фотоприймачі є приладами, що реагують на потік випромінювання.

Вольт-амперна характеристика відображає залежність струму, що проходить у ланцюзі фотоприймача, від напруги на ньому. Світловий (загальний) струм I = I_Т+ I_Ф де І_Т - струм за відсутності освітлення; I_Ф – фотострум.

Спектральна характеристика визначає реакцію фотоприймача на вплив випромінювання з різноманітною довжиною хвилі. Вона визначає спектральну область застосування приймача, а також його спектральну й інтегральну чутливості. Енергетична (світлова) характеристика відображає залежність фотовіддачі від інтенсивності збуджуючого потоку випромінювання (ампер-ватна, вольт-ватна, люкс-амперна характеристики).

Енергетичною характеристикою називають також залежність інтегральної або спектральної чутливості приймача від інтенсивності засвітки.

Температурні характеристики визначають залежність ряду параметрів (темновий струм, темновий опір, чутливість і ін.) від температури навколишнього середовища. При цьому обумовлюються значення основних параметрів у крайніх точках робочого діапазону при робочій напрузі живлення фотоприймача. Температурний коефіцієнт фотоструму (ТК) визначається відношенням

ТК = [(І₂ - І₁) / І₁(Т₂ - Т₁)]100%,

де І₁ і І₂ – світловий струм при температурі Т₁ і Т₂ відповідно.

Граничні характеристики описують здатність фотоприймача реагувати на світлові сигнали слабкої інтенсивності. У значній мірі ці характеристики визначаються власними шумами приладу, що є флуктуацією струму, що проходить через нього за відсутності засвітки або при впливі немодульованого світлового потоку.

Тепловий шум є білим і виявляється у вигляді безладних коливань на виводах фотоприймача. Напругу цього шуму можна зменшити навантаженням приймача узгодженим опором. До складу струмового (1/f), або надлишкового, шуму входять модуляційний і контактний шуми. Іноді (при частотах f1/2до цього типу шумів відносять і генераційно-рекомбінаційний шум.

Радіаційний шум обумовлений випадковими флуктуаціями потоку випромінювання. Спектр потужності радіаційного (фотонного) шуму має постійну амплітуду, що слабко залежить від частоти.

Важливими властивостями фотоприймачів є стабільність – спроможність зберігати фотоелектричні параметри у визначених межах протягом заданого часу - і довговічність - спроможність тривалої роботи у визначеному режимі за умови зберігання фотоелектричних параметрів у межах норм. Як правило, в якості критеріїв оцінки стабільності і довговічності виступають темновой струм і чутливість (для фотодіодів) і темновий опір (для фоторезисторів). Довговічність характеризує безупинний режим роботи приладу протягом зазначеного часу в певних умовах.

Умови роботи пристроїв, у яких застосовуються фотоприймачі, дуже часто відрізняються від нормальних. Прилади при цьому піддаються різноманітного роду механічним і кліматичним впливам (вібрація, удари, трясіння, наявність підвищеної вологості і лінійні прискорення). Працездатність фотоприймачів у різноманітних умовах забезпечується рядом технологічних і конструктивних заходів.

Частотні характеристики визначають залежність фоточутливості від частоти модуляції світла. Вони є характеристикою інерційності фотоприймача.

ПАРАМЕТРИ ФОТОПРИЙМАЧІВ

Робоча напруга фотоприймача U_p - постійна напруга, прикладена до фотоприймача, при якому забезпечуються номінальні параметри при тривалій роботі в заданих експлуатаційних умовах. Його вибирають із запасом відносно пробивної напруги.

Максимально допустима напруга U_max – максимальне значення постійної напруги, при якому відхилення параметрів приладу від номінальних значень не перевищує встановлених меж. При роботі в імпульсному режимі U_max може бути збільшене.

Потужність розсіювання, що виділяється при проходженні фотоструму, визначає розігрів фотоприймача. Велика потужність, що розсіюється, може призвести до необоротної зміни струмів І_т і I_ф. Кожний приймач характеризується визначеним значенням максимальної потужності розсіювання Р_доп, що не повинне перевищуватися. Значення Р_доп залежить від умов тепловідводу, розмірів робочої площадки й інших чинників.

Темновий опір R_т – опір фотоприймача за відсутності падаючого на нього випромінювання в діапазоні його спектральної чутливості.

Диференціальний опір R_д – відношення малих приростів напруги і току па фотоприймачі.

Темновий струм фотоприймача І_т - струм, що проходить через фотоприймач при зазначеній напрузі на ньому за відсутності потоку випромінювання в діапазоні спектральної чутливості.

Короткохвильова (довгохвильова) межа спектральної чутливості – найменша (найбільша) довжина хвилі монохроматичного випромінювання, при якому монохроматична чутливість фотоприймача дорівнює 0,1 її максимального значення.

Динамічний діапазон лінійності (у децибелах) характеризує область значень променистого потоку Ф (від Ф_mах до Ф_min), для котрої енергетична характеристика лінійна: (=101g(Ф_mах/Ф_min).

Максимум спектральної характеристики фотоприймача – довжина хвилі, що відповідає максимуму чутливості фотоприймача. Положення максимуму залежить від об'ємного часу життя незрівноважених носіїв, швидкості поверхневої рекомбінації, геометричних розмірів світлочутливої площадки й інших чинників.

Струмова фоточутливість S_i (А/лк або в А/Вт) визначає значення фотоструму, утворюваного одиничним потоком випромінювання. Нерідко замість потоку випромінювання, що падає на фотоприймач, задається щільність падаючого потоку, що вимірюється у Вт/м².

Вольтова фоточутливість S_u характеризує значення сигналу у вольтах, віднесене до одиниці падаючого потоку випромінювання.

Струмова і вольтова чутливості називаються інтегральними, якщо вони характеризують чутливість до інтегрального потоку випромінювання і монохроматичними, якщо характеризують фоточутливість до монохроматичного випромінювання. Звичайно фотоприймачі описують або інтегральною фоточутливістю, або фоточутливістю в максимумі випромінювання (S_imax, S S_imin ) із вказанням довжин хвиль, при яких чутливість зменшується вдвічі.

Інтегральні струмову і вольтову чутливості S_і і S_u обчислюють за формулами:

S_i = , S_u =

де І, U і I_т, U_т - загальні і темнові струм і напруга на фотоприймачі відповідно.

Гранична чутливість Р_пор визначає рівень потужності світлового потоку, при якому сигнал дорівнює шуму.

Інерційність фотоприймачів характеризується постійними часу фронту наростання _н і спаду _сп фотовідповіді при імпульсній засвітці. Ними визначаються граничні робочі частоти модуляції світла, при котрих ще не відбувається помітного зменшення фотовідповіді. Як правило, _нсп. Постійна часу _сп визначається як інтервал часу після припинення впливу випромінювання, після закінчення якого напруга фотосигналу, що спадає по експоненті , зменшується в е раз. Якщо використовується синусоїдальна модуляція світлового потоку, то швидкодія фотоприймача характеризується граничною частотою f_гр на якій фотовідповідь зменшується до рівня 0,7 щодо стаціонарного значення.

Напруга шуму фотоприймача U_ш – середнє квадратичне значення флуктуації напруги на заданому навантаженні в ланцюзі фотоприймача в зазначеній смузі частот.

Струм шуму фотоприймача І_ш – середнє квадратичне значення флуктуації струму, що проходить через фотоприймач у зазначеній смузі частот.

Ефективна фоточутлива площа S_еф – площа фоточутливого елемента еквівалентного по фотосигналу фотоприймача, чутливість котрого рівномірно розподілена по фоточутливому елементу і дорівнює максимальному значенню локальної чутливості S_max даного фотоприймача.

Ефективне поле зору фотоприймача _еф – тілесний кут, обумовлений співвідношенням:

_еф = S(, )sincosdd,

де S – чутливість фотоприймача; – кут між напрямком падаючого випромінювання і нормаллю до фоточутливого елемента; – азимутальний кут.

Коефіцієнт фотоелектричного зв'язку багатолементного фотоприймача К_ф.с – відношення напруги сигналу з неопроміненого елемента в багатоелементному фотоприймачі до напруги фотосигналу із сусіднього опроміненого елемента, визначене на лінійній ділянці енергетичної характеристики і при робочій напрузі на всіх елементах.

РОЗДІЛ 1. ОСНОВНІ ТИПИ ФОТОПРИЙМАЧІВ

ФОТОРЕЗИСТОРИ

Фоторезистори є найбільш простим типом приймачі випромінювання. Їхня дія заснована на явищі фотопровідності. Для виготовлення Фоторезисторів застосовуються напівпровідникові матеріали у вигляді полікристалічних плівок, пресованих таблеток, монокристалічних пластинок. Використовується фоточутливість матеріалів як в області власного поглинання, так і в примістній області. Схематична конструкція фоторезистора з омічними струмовідвідними контактами показана на мал.1.1

М
ал.1.1. Схематична конструкція фоторезистора.

До переваг фоторезисторів варто віднести відносну дешевину виготовлення, ширину номіналів опорів ,що перекриваються, простоту виконання фоточутливих елементів із складною конфігурацією, а також високу технологічну сумісність із порошковими і плівковими електролюмінесцентними випромінювачами. Недоліками фоторезисторів є значна інерційність, температурна і тимчасова нестабільність характеристик.

ФОТОДІОДИ

О
сновним елементом фотодіода (ФД) є p-n-перехід. При освітленні його відбувається генерація електронно-діркових пар. Електричне поле переходу розділяють незрівноважені носії заряду. Струм, утворений цими носіями, збігається за напрямом з оберненим струмом p-n-переходу. p-n-перехід як фотоприймач застосовується в двох режимах – фотодіодному і режимі генерації фото-ЕРС (вентильному) (мал. 1.2). У першому випадку на діод подається обернена напруга і струм через структуру є функцією інтенсивності світла. В другому випадку p-n-перехід сам використовується в якості джерела ЕРС або струму.

Мал. 1.2. Схеми вмикання діода у фотодіодному (а) і фотовентильному (б)

режимах

Фотодіодний режим використання p-n-переходів і інших аналогічних структур має визначені переваги по відношенню до фотовентильного: висока швидкодія, краща стабільність характеристик, великий динамічний діапазон лінійності характеристик, підвищена фоточутливість у довгохвильовій області. Недолік фотодіодного режиму пов'язаний із темновим струмом, що проходить через прилад при оберненому зсуві за відсутності випромінювання. В опорі навантаження створюється напруга зсуву, значення котрої експоненціально залежить від температури. Надлишковий шум і шум, обумовлений температурними коливаннями напруги зсуву, зникають, якщо діод знаходиться при нульовому зсуві. Тому фотовентильний режим може виявитися кращим від фотодіодного. Енергетичні характеристики фотоелементів близькі до лінійного при малих опорах навантаження і є логарифмічними (залежність фотовідповіді від інтенсивності засвітки) при великому навантаженні.

Т
ипова структура фотодіода і його вольт-амперна характеристика (ВАХ) показані на мал. 1.3.

Мал.1.3 ВАХ фотодіода (a) і його структурна схема (б).

Оцінимо розмір фотоструму для простого випадку, коли випромінювання поглинається в n-області і інтенсивність світла постійна по товщині ( – ширина бази. При оберненому зсуві процес переносу генерованих світлом носіїв заряду не відрізняється від переносу зрівноважених носіїв в n-базі. Для визначення фотоструму можна скористатися формулою для оберненого струму p-n-переходу, яка для випадку p_p>>n_n має вигляд:

І_нас= gSL_pp_n / _p.

Це cтрум незрівноважених носіїв заряду, що генеруються з темпом p_n/_p в шарі бази шириною, рівною довжині дифузії неосновних носіїв (дірок) L_p. За аналогією фотострум

І_ф= qS(р / _p),

де p – концентрація генерованих світлом носіїв. Оскільки

Похожие работы

Електроніка та мікропроцесорна техніка

Скачать

312140

1

113

... 4.                 Як графічно позначаються польові транзистори? Інструкційна картка №9 для самостійного опрацювання навчального матеріалу з дисципліни «Основи електроніки та мікропроцесорної техніки» І. Тема: 2 Електронні прилади 2.4 Електровакуумні та іонні прилади Мета: Формування потреби безперервного, самостійного поповнення знань; розвиток творчих здібностей та активізації розумово ...

Комп’ютеризована вимірювальна система параметрів електричних машин з газомагнітним підвісом

Скачать

129405

15

14

... дипломного проекту. Рисунок 3.1 – Схема електрична структурна пристрою контролю середнього значення кутової швидкості 4. Розробка принципової схеми комп’ютеризованої вимірювальної системи параметрів електричних машин з газомагнітним підвісом 4.1 Аналіз лінійного фотоприймача Фотоелектричні перетворювачі площа-напруга (ППН) використовуються у багатьох пристроях, таких як перетворювач ...

Технології WDM

Скачать

33200

4

2

і канали можуть бути додані або виділені з групового оптичного сигналу за допомогою оптичних мультиплексорів введення/виведення (ОАDM) 2.2 Технологія DWDM та СWDM Технологія WDM широко розповсюджена в світі у вигляді двох основних типів систем: Системи з щільним спектральним розділенням каналів DWDM (Dense Wavelength Division Multiplexing) Системи з нещільним (грубим) спектральним розді ...

Когрентність другого порядку як об’єкт експериментального дослідження

Скачать

45940

0

5

... когерентність зберігається, називають довжиною когерентності. Кореляційна функція другого порядку відображає кореляцію між амплітудами світлового пучка в двох просторово-часових крапках. Когерентність другого порядку наочно просліджується в досвіді Юнга. Зв'язок теоретичного опису когерентності другого порядку з даними інтерференційних вимірів дає комплексна міра когерентності, нормована величина ...