ref-21437 (Матричные фотоприемники)

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ РЕСПУБЛИКИ МОЛДОВА

Технический Университет Молдовы

Факультет Радиоэлектроники

Кафедра Телекоммуникаций

Курсовая работа

На тему:

Матричные фотоприемники

Выполнил Борденюк В.М

студент Гр.TLC-023

Проверил

Преподаватель Морозова В.А

Кишинев 2004

Содержание

Введение .

1 Основные теоретические положения, физические эффекты, фотопроводимость.

2 Принцип работы прибора.

3 Анализ параметров , характеристика конструкций.

4 Технология изготовления.

5 Принципиальная схема

6 Область применения.

7 Выводы : перспективы развития.

Библиография.

Введение

В наши дни прогресс в различных областях науки и техники немыслим без приборов оптической электроники. Оптическая электроника уже давно играет ведущую роль в жизни человека. А с каждым годом ее внедрение во все сферы человеческой деятельности становится все интенсивнее. И этому есть свои причины. Устройства оптоэлектроники имеют ряд отличий от других устройств. Можно выделить следующие их достоинства.

а) Высокая информационная емкость оптического канала, связанная с тем, что частота световых колебаний (около 10¹⁵ Гц) в 10³-10⁴ раз выше, чем в освоенном радиотехническом диапазоне. Малое значение длины волны световых колебаний обеспечивает высокую достижимую плотность записи информации в оптических запоминающих устройствах (до 10⁸ бит/см²).

б) Острая направленность светового излучения, обусловленная тем, что угловая расходимость луча пропорциональна длине волны и может быть меньше одной минуты. Это позволяет концентрированно и с малыми потерями передавать электромагнитную энергию в заданную область пространства. В малогабаритных электронных устройствах лазерный луч может быть направлен на фоточувствительные площадки микронных размеров.

в) Возможность двойной – временной и пространственной модуляции светового луча. Минимальная элементарная площадка в плоскости, перпендикулярной направлению распространения, которая может быть выделена для независимой модуляции части луча близка к ²( 10⁸ см²). Это позволяет производить параллельную обработку информацию, что очень важно при создании высокопроизводительных комплексов.

г) Так как источник и приемник в оптоэлектронике не связаны друг с другом электрически, а связь между ними осуществляется только посредством светового луча (электрически нейтральных фотонов), они не влияют друг на друга. И поэтому в оптоэлектронном приборе поток информации передается лишь в одном направлении – от источника к приемнику. Каналы, по которым распространяется оптическое излучение, не воздействуют друг на друга и практически не чувствительны к электромагнитным помехам (отсюда и высокая помехозащищенность).

д) возможность непосредственного оперирования со зрительно воспринимаемыми образами: фотосчитывание, визуализация (например, на жидких кристаллах).

Любое оптоэлектронное устройство содержит фотоприемный блок.

Существующая в настоящее время потребность ускоренной переработки возрастающих объемов информации ставит значительные трудности в использовании современной вычислительной техники. Трудности связаны прежде всего с недостаточными быстродействиями и объемом памяти ЭВМ. Применяемые в современных ЭВМ типы запоминающих устройств с последовательной выборкой при Основное емкости 10^7-10⁹ бит имеют быстродействие порядка десятков и сотен секунд.

Запоминающее устройство (ЗУ) на магнитных сердечниках , а также полупроводниковая память ,хотя удовлетворяют требованиям по быстродействию (10^-6  ,  10 ^-7  ) б, недостаточны по объему (10⁶ -10⁵ )   бит.

В ряде вышедших за последние годы работ показано , что ЗУ ,созданные на основе оптоэлектронных методов обработки информации , могут удовлетворить высоким требованиям как по быстродействию . так и по объему обрабатываемой информации.

Параметры таких устройств весьма сильно зависят от характеристик составных элементов. В том числе и от фотоприемных матриц , С помощью которых производится считывание информации.

1 Основные теоретические положения, физические эффекты, фотопроводимость.

1.1  Фотоприемники
        Фотоприемники предназначены для преобразования входного оптического сигнала в электрический. Различают следующие виды фотоприемников:
                                                                1. фотоэлемент;
                                                                2. фотоэлектронный умножитель;
                                                                3. фотодиод p-n-типа;
                                                                4. фотодиод p-i-n-типа;
                                                                5. лавинный фотодиод;
                                                                6. фототранзистор;
                                                                7. фототиристор.
В технике оптической связи нашли применение, в основном, различные типы фотодиодов. В фотодиодах оптическое излучение преобразуется в электрические сигналы за счет явления внутреннего фотоэффекта, при котором в области p-n- перехода полупроводника поглощаемый фотон образует пару новых носителей заряда – электрон и дырку. При отсутствии внешнего поля, в области p-n-перехода существует внутреннее электрическое поле, препятствующее движению носителей. При облучении перехода фотонами света возникают электронно-дырочные пары. Поле p-n-перехода пространственно разделяет электроны и дырки, и создает тем самым фото-ЭДС между смежными областями кристалла. За счет этого образуется ток (фототок), вызванный движением электронов по внешней цепи.

Диод p-n-типа при наличии обратного смещения, созданного внешней электрической цепью создает обедненную область, в которой отсутствуют носители и действует сильное электрическое поле.  Эта область образована неподвижными положительно заряженными атомами донора в n-области и неподвижными отрицательно заряженными атомами акцептора в p-области. Если теперь осветить фотодиод, то возникшие носители (электроны и дырки) ускоряются в этом поле и движутся в n-слой (электроны) и в p-слой (дырки). Так фотодиод отрабатывает световые сигналы. Ширина обедненной области зависит от концентрации примесей и величины напряжения смещения. Чем меньше примесей, тем шире обедненная область. Положение и ширина поглощающей области зависят от длины волны падающего света и от материала фотодиода. Чем сильнее поглощается свет, тем тоньше поглощающая область. Ширину обедненного слоя можно увеличить, повысив напряжение смещения, но в таком обедненном слое очень слабое по напряженности поле. Для устранения этого недостатка была создана p-i-n-структура фотодиода. В такой структуре между p- и n- слоями помещен слой полупроводника с высоким сопротивлением и толщиной в несколько десятков микрометров. В таком фотодиоде свет падает на i-слой и носители ускоряются сильным полем в этом слое. Это понижает инертность и повышает частоту преобразования до нескольких гигагерц. Для повышения чувствительности увеличивают светопоглощающую поверхность, а для понижения емкости перехода повышают напряжение обратного смещения.

Чаще всего p-i-n-фотодиоды на длину волны 0,85 мкм изготавливают из кремния (Si), а на большие длины волн (1,2 – 1,6 мкм) – из германия (Ge), InGaA sили InGaAsP.

Лавинные фотодиоды (ЛФД или APD-фотодиоды). Рассмотренные типы фотодиодов только отдают во внешнюю цепь электрический ток, вызванный светом, но не усиливают его. Ток на их выходе обычно равен нескольким наноамперам или меньше. В отличие от них ЛФД усиливает фототок.
 
 Основное отличие ЛФД от PIN фотодиодов заключается в наличии дополнительного p-слоя. Обратное смещение при этом сильно увеличивается и расширяет обедненный слой до размеров i-слоя, а напряженность электрического поля в нем возрастает. Электронно-дырочные пары, рожденные светом, разделяются и ускоряются этим полем в обедненном слое, получая энергию, превышающую энергию ионизации атомов кристалла. Сталкиваясь затем с нейтральными атомами, носители вызывают увеличивающееся в геометрической прогрессии рождение электронов и дырок. При явлении, называемом лавинным эффектом коэффициент усиления возрастает с увеличением обратного смещения и достигает значений порядка 1000 .
ЛФД имеют высокое быстродействие и их пороговая частота достигает нескольких гигагерц. К недостаткам этих приборов можно отнести сильную температурную зависимость коэффициента усиления, нелинейность преобразования и малую площадь рабочей поверхности (0,05 мм2).

Из большого числа фотоприемных устройств (фотодиодные и фототранзисторные приборы , электровакуумные и твердотельные видиконы фотоэлектронные умножители и др. ) наиболее полно удовлетворяют требованиям оптоэлектронных устройств обработки информации твердотельные матричные фотоприемники.

В настоящее время в основном применяются дискретные и гибридные матрицы фотоприемников .

Дискретные матрицы фотоприемников с малым геометрическими размерами и небольшим количеством элементов создаются из отдельных кремниевых фотодиодов.

Гибридная матрица фотоприемника имеет большой счет интеграции и разрабатываются на базе специально созданных кремниевых линеек ,каждая из которых содержит одно количество элементов.

.

1.2 .ПРИНЦИП ДЕЙСТВИЯ ФОТОДИОДА

Полупроводниковый фотодиод – это полупроводниковый диод, обратный ток которого зависит от освещенности.

Обычно в качестве фотодиода используют полупроводниковые диоды с p-n переходом, который смещен в обратном направлении внешним источником питания.

При поглощении квантов света в p-n переходе или в прилегающих к нему областях образуются новые носители заряда. Неосновные носители заряда, возникшие в областях, прилегающих к p-n переходу на расстоянии, не превышающей диффузионной длины, диффундируют в p-n переход и проходят через него под действием электрического поля.

То есть обратный ток при освещении возрастает. Поглощение квантов непосредственно в p-n переходе приводит к аналогичным результатам. Величина, на которую возрастает обратный ток, называется фототоком.

Свойства фотодиода можно охарактеризовать следующими характеристиками.

а) вольт-амперная характеристика фотодиода представляет собой зависимость светового тока при неизменном световом потоке и темнового тока I_темн от напряжения.

б) световая характеристика фотодиода, то есть зависимость фототока от освещенности, соответствует прямой пропорциональности фототока от освещенности. Это обусловлено тем, что толщина базы фотодиода значительно меньше диффузионной длины неосновных носителей заряда. То есть практически все неосновные носители заряда, возникшие в базе, принимают участие в образовании фототока.

г) спектральная характеристика фотодиода – это зависимость фототока от длины волны падающего света на фотодиод. Она определяется со стороны больших длин волн шириной запрещенной зоны, при малых длинах волн большим показателем поглощения и увеличения влияния поверхностной рекомбинации носителей заряда с уменьшением длины волны квантов света. То есть коротковолновая граница чувствительности зависит от толщины базы и от скорости поверхностной рекомбинации. Положение максимума в спектральной характеристике фотодиода сильно зависит от степени роста коэффициента поглощения.

д) постоянная времени – это время, в течение которого фототок фотодиода изменяется после освещения или после затемнения фотодиода в е раз (63%) по отношению к установившемуся значению.

е) темновое сопротивление – сопротивление фотодиода в отсутствие освещения.

ж) интегральная чувствительность

K = I_ф/ ,

где I_ф – фототок, – освещенность.