Лекция 2 (Шесть лекций), страница 3

Рис. 15

Равенство (6.1) определяет красную границу фотоэффекта

Примесное поглощение (примесная фотопроводимость) имеет место тогда, когда энергии квантов не хватает для образования электронно-дырочной пары, но ее достаточно, чтобы возбудить примесный атом до состояния, когда образуется свободный электрон и связная дырка или свободная дырка и связный электрон.

Красная граница для п/п материалов

В фотоприемниках с внутренним фотоэффектом используются две формы фотоэффекта:

1. Эффект фотопроводимости

2. Фотогальванический эффект

Эффект фотопроводимости используется в фоторезисторах. Под воздействием падающего на п/п материал оптического излучения (в результате поглощения полупроводником фотонов) в нем образуются дополнительные дырки и электроны (фотоносители), что приводит к уменьшению сопротивления фоторезистора.

Фоторезисторы наиболее простые и дешевые фотоприемники, однако они имеют малую чувствительность и низкое быстродействие.

Фотогальванический эффект возникает в полупроводниках с внутренним потенциальным барьером (например с p-n переходом или с переходом металл-полупроводник). Внутреннее электрическое поле перехода разделяет возникшие под воздействием оптического излучения фотоносители. Пространственно разделенные фотоносители разных знаков (дырки и электроны) создают фотоЭДС.

Рис. 17. Упрощенная структура фотодиода (а) и схема энергетических зон в p-n переходе в отсутствие падающего излучения (б) и при облучении светом (в)

Схемы включения фотодиода (ФД)

Рис. 18. Схемы включения фотодиода.

а – фотогальванический режим; б – фотодиодный режим

Е_обр – напряжение источника обратного напряжения

Рис. 19. Вольт-амперные характеристики фотодиода.

2. Основные характеристики ФД

1. Квантовая эффективность (квантовый выход) - отношение среднего числа эмитированных электронов (или других носителей) к среднему числу падающих фотонов.

2. Интегральная (общая) чувствительность S_i [отношение среднего тока ФД к среднему значению мощности оптического излучения, падающего на детектор (ед. измерения-А/Вт)].

[А/Вт, А/лм] (1 Вт=683 лм на λ=555 нм).

3. Пороговая чувствительность P_пор (пороговая мощность в единичной полосе частот) определяет уровень мощности светового потока, при котором сигнал на выходе фотодетектора равен среднеквадратическому напряжению шумов (ед. измерения – Вт/Гц^1/2).

4. Спектральная характеристика (зависимость квантовой эффективности или чувствительности ФД от длины волны падающего на него монохроматического излучения.

5. Постоянная времени фотодиода  (характеризует быстродействие). Определяется временем нарастания фронта импульса. Это время от начала воздействия входного светового потока до момента, когда выходной сигнал ФД достигает 0,63 от максимального значения. (e=2,73; 1/e =0,37)

6. Частотная характеристика (зависимость чувствительности ФД от частоты синусоидальной модуляции интенсивности оптического излучения).

Ширина полосы пропускания f = 0,35/ .

7. Темновой ток (ток ФД при отсутствии внешнего облучения).

3. Основные типы фотодиодов

Основными приемниками излучения в ВОСП являются полупроводниковые фотоприемники на основе кремния и германия: p-i-n фотодиоды и лавинные фотодиоды (ЛФД).

ФД на основе структур типа р⁺-i-n ⁺ , называемых pin-фотодиодами,

i – слой с собственной проводимостью, обладающий большим сопротивлением; р⁺ и n ⁺ – сильно легированные слои р и n – типа.

Преимущество pin-ФД – высокие быстродействие и чувствительность.

Повышенное быстродействие рin-ФД обусловлено малыми величинами барьерной емкости перехода и сопротивления объемов р⁺ и n ⁺ -областей и переходом от процессов диффузии фотоносителей к их дрейфу в сильном электрическом поле.

Высокая чувствительность рin-ФД обусловлена резким снижением потерь фотоносителей, которые происходят в результате процессов рекомбинации.

Типичные характеристики p-i-n фотодиодов

Кремниевые p-i-n фотодиоды: максимальная квантовая эффективность до 90%;

диапазон длин волн 0,4…1,12 мкм; площадь светочувствительного окна 1 мм²; темновой ток 1…100 нА; емкость 1 пф и менее; быстродействие 1 нс и менее.

Германиевые p-i-n фотодиоды: максимальная квантовая эффективность 50-60%;

диапазон длин волн 0,6…1,4 мкм; площадь светочувствительного окна 0,01 мм²; темновой ток 100…1000 нА; емкость 1 пф и менее; быстродействие 0,1 нс.

p-i-n фотодиоды на InGaAs имеют аналогичные характеристики, но диапазон длин волн 1,1 …1,65 мкм.

Быстродействие современных ФД до нескольких ГГц. Чувствительность 0,5…0,9 А/Вт

Лавинные ФД (ЛФД),

ЛФД относятся к ФП с внутренним усилением.

Эффект лавинного умножения заключается в следующем: фотоносители, генерируемые под действием света в области обратносмещенного р-n- перехода, при обратном напряжении, близком к пробивном, приобретают дополнительную энергию, достаточную для ионизации узлов кристаллической решетки с образованием новых электронно-дырочных пар.

Преимущество ЛФД - значительное увеличение чувствительности.

Недостаток более высокий уровень шумов и высокое напряжение питания.

Материалы для ЛФД

Схемы фотоприемных устройств на основе фотодиодов и операционных усилителей

Рис. 22

Входное сопротивление ОУ при замкнутой петле обратной связи уменьшается и становится равным

где Rо.с. – сопротивление в цепи обратной связи; Ко – коэффициент усиления ОУ при разомкнутой петле ОС.

12