PHOTO (Фотоприймачі з внутрішнім підсиленням)

Л 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 f 1/2 до 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.