Фотодетектори грають важливу роль у волоконно-оптичних системах зв’зку ближнього ІЧ-діапазону (0,8 – 1,6 мкм). Вони детектують оптичні сигнали, тобто перетворюють зміни інтенсивності випромінювання в електричні коливання, які відповідним чином підсилюються і піддаються наступній обробці.
Фотодетектори, що призначені для таких систем, повинні мати:
1) високу чутливість в робочому діапазоні довжин хвиль;
2) високу швидкодію;
3) низький рівень шумів;
4) малі розміри;
5) низькі керуючі напруги і струми;
6) високу надійність в роботі.
Провідність власних фото резисторів описується формулою =q(nn+pp), і збільшення провідності під дією освітлення в основному пов’язано зі збільшенням кількості носіїв.
Довгохвильова границя фотопровідності в цьому випадку визначається із співвідношення
де с - довжина хвилі, що відповідає ширині забороненої зони Eg .
Випромінювання з довжинами хвиль меншими с, поглинається в напівпровіднику з утворенням електронно-діркових пар.
Робота фотодетекторів взагалі і фото резисторів зокрема характеризується трьома параметрами:
1) квантовою ефективністю або підсиленням;
2) часом фотовідгуку;
3) чутливістю (виявною здатністю).
Фотострум, що протікає між контактами, рівний
Визначаючи вихідний фотострум як
отримаємо коефіцієнт підсилення фотоструму
де tr=L/vd - час прольоту носіїв.
де - квантова ефективність (тобто кількість фотогенерованих носіїв віднесене до кількості фотонів, що падають), Popt - потужність падаючого випромінювання, h - енергія фотона.
Час фотовідгуку фоторезиста визначається часом прольоту tr. Оскільки для фоторезистів характерні великі відстані між контактами і слабкі електричні поля, то їх час фотовідгуку зазвичай більший аналогічного параметра для фотодіодів.
Відносним критерієм якості фотодетекторів є потужність, що еквівалентна шуму (NEP), яка визначається як середньоквадратична потужність падаючого випромінювання, необхідного для отримання відношення сигнал/шум, рівного 1, в полосі частот 1 Гц.
Для інфрачервоних детекторів найбільш вживаним критерієм якості є питома виявна здатність D*:
де В – ширина смуги.
Для виключення невизначеності в D* необхідно вказувати, чи є джерелом випромінювання абсолютно чорне тіло чи монохроматичне джерело і при якій частоті здійснюється модуляція. Рекомендується виражати D* як D*(,f,1) або D*(T,f,1), де - довжина хвилі (мкм), f - частота модуляції (Гц), T - температура (К). При цьому ширина смуги завжди рівна 1 Гц.
Для фоторезистора, чутливість якого обмежена фоновим випромінюванням, ідеальна виявна здатність D* при квантовій ефективності рівній 1, визначається виразом
де c - швидкість світла і =h/kT.
Для детектування випромінювання в середньому, дальному і наддальному ІЧ-діапазонах фоторезистори охолоджуються до низьких температур (77 і 4,2 К). При таких температурах зменшуються теплові ефекти, що викликають термічну іонізацію і спустошення енергетичних рівнів, і збільшуються підсилення і ефективність детектування.
Для роботи фотодіода на високих частотах необхідно забезпечити малі часи прольоту, тому збіднена область має бути тонкою. З іншого боку, для збільшення квантової ефективності (кількість фотогенерованих електронно-діркових пар, віднесене до кількості падаючих фотонів) збіднений шар повинен бути досить товстим, щоб забезпечити поглинання більшої частини випромінювання, що падає. Таким чином, існує взаємозв’зок між швидкодією і квантовою ефективністю.
Фотодіод може працювати в фотовольтаїчному режимі, характерному для сонячних батарей – незміщений діод під’єднується до нагрузочного опору.
Однак конструктивно фотодіод суттєво відрізняється від сонячної батареї. В роботі фотодіоду визначаючу роль грає лише випромінювання, що зосереджене у вузькому інтервалі довжин хвиль в центрі оптичного діапазону, а сонячні батареї повинні мати високу чутливість в широкому діапазоні довжин хвиль сонячного випромінювання. Фотодіоди мають малі розміри, необхідні для мінімізації ємності переходу, тоді як сонячні батареї відносяться до приладів з великою площею.
Однією з найбільш важливих характеристик фотодіодів є квантова ефективність, тоді як якість сонячних батарей в основному оцінюється за ефективністю перетворення потужності (потужність, яка виділяється на загрузці, віднесена до потужності падаючого сонячного випромінювання).
В сімейство фотодіодів входять діоди з p-n переходом, p-i-n - діоди, діоди зі структурою метал-напівпровідник (з бар’єром Шотткі) і діоди з гетеропереходом.
Квантова ефективність – це кількість фотогенерованих електронно-діркових пар віднесене до кількості фотонів, що падають.
де Ip - фотострум, що обумовлений поглинанням падаючого оптичного випромінювання з потужністю Popt і довжиною хвилі (що відповідає енергії фотона h).
Порівняльним критерієм якості є чутливість, яка визначається як відношення фотоструму до оптичної потужності:
Таким чином, для даної квантової ефективності чутливість лінійно зростає з ростом . Для ідеального фотодіода (=1) R=(/1,24) (А/Вт), де довжина виражена в мікрометрах.
Внаслідок того, що сильно залежить від довжини хвилі, для даного напівпровідника область довжин хвиль, в якій можна отримати помітний фотострум, обмежена. Довгохвильова границя с визначається шириною забороненої зони напівпровідника і рівна 1,7 мкм для Ge і 1,1 мкм для Si. Для довжин хвиль більших с, значення надто мале, щоб забезпечити помітне поглинання. Короткохвильова границя фотовідгуку обумовлена тим, що в області коротких хвиль коефіцієнт дуже великий (105 см-1) і випромінювання поглинається в безпосередній близькості до поверхні, де часи рекомбінації малі. Внаслідок цього фотоносії рекомбінують раніше ніж виходять з поверхневого шару.
ip, (is-)1/2, Cj, Rj, Rs визначаються параметрами фотодіода. Компонента Cj ємність переходу, Rj - опір переходу, Rs - послідовний опір. Змінний опір RL відповідає зовнішньому нагрузочному опору, а Ri - вхідному опору підсилювача. Всі опори вносять в систему додаткові теплові шуми. Послідовний опір Rs зазвичай набагато менший ніж інші опори, тому його можна не враховувати.
Потужність еквівалентна шуму (NEP), яка рівна середньоквадратичній оптичній потужності при S/N=1 і B=1 Гц, описується виразом
Для того, щоб збільшити чутливість фотодіода, необхідно і Req збільшувати, а IB і ID зменшувати.
Біполярний фототранзистор відрізняється від звичайного біполярного транзистора тим, що перехід база-колектор, який грає в ньому роль чутливого елементу (зображається у виді діода з паралельно підключеною ємністю), має більшу площу.
Біполярний фототранзистор може бути інтегрально суміщений з іншими приладами. Наприклад, використовуючи додатковий транзистор, можна сформувати складений фототранзистор з суттєво більшим коефіцієнтом підсилення.
Швидкодія розглянутих структур обмежується великою ємністю переходу база-колектор і знижується при збільшення підсилення за рахунок ефекту зворотнього зв’язку.
Так, типовий час відгуку для фотодіода становить 0,01 мкс, тоді як для біполярного фототранзистора він рівний 5 мкс, а для складеного фототранзистора 50 мкс.
Фототранзистор може бути виготовлений на основі гетероструктури, наприклад, симетричної структури n-AlGaAs/p-GaAs/n-AlGaAs. Ефективна інжекційна здатність забезпечується за рахунок того, що шар бази має більш вузьку заборонену зону, ніж шари колектора і емітера. Таким шляхом виключається присутнє звичайним транзисторам обмеження, що полягає в необхідності створення слабко легованого базового шару, і можна реалізувати умови, при яких збіднена область запірного шару в основному зосереджена в шарі колектора. Це дозволяє отримати в одному приладі високе підсилення і високу напругу заперання.
В заповненому дірками стані центри індія нейтральні, а при збудженні дірок в валентну зону стають відємно зарядженими. Прилад працює наступним чином. Від’ємна напруга на польовому електроді викликає збагачення каналу; при цьому всі центри індія захоплюють дірки і переходять в нейтральний стан.
де B– різниця потенціалів між рівнем Фермі і рівнем Фермі власного напівпровідника, Ci - питома ємність окисла, NA -концентрація бору і NIn - концентрація фотоіонізованих центрів індія. Струм в області насичення пропорційний (VG-VT)2 і, таким чином, зміна струму каналу може бути представлена в виді
Використовуючи замість індія інші акцепторні домішки, можна забезпечити максимальне узгодження області чутливості приладу з необхідним спектральним діапазоном.
ІЧ-детектор може бути інтегрально суміщений з елементами накопичення і пам’яті і вихідним підсилювачем, що відкриває широкі перспективи для його використання в багатоелементних ІЧ-фотоприймачах великої ступеню інтеграції.
Если не удалось найти и скачать доклад-презентацию, Вы можете заказать его на нашем сайте. Мы постараемся найти нужный Вам материал и отправим по электронной почте. Не стесняйтесь обращаться к нам, если у вас возникли вопросы или пожелания:
Email: Нажмите что бы посмотреть