Самохвалов М.К. Элементы и устройства оптоэлектроники (2003), страница 8

Рост и спад фототокаобычно описывается экспоненциальными зависимостями:JФ = Jmax (1 – exp (- t/τн)), JФ = Jmax exp (- t/τсп).Постоянные времени определяют предельные значения рабочей частоты модуляции светового потока, при котором еще не заметно уменьшение фотоот-32клика. Обычно τн ‹ τсп, но имеют одинаковый порядок. При синусоидальной модуляции светового потока быстродействие приборов характеризуют граничнойчастотой, на которой фотоотклик уменьшается до уровня 0,7 стационарногозначения.Токи в фотоприемнике при отсутствии и наличии освещения испытываютслучайные отклонения ∆J от среднего значения. Отклонения имеют различныезнаки, поэтому среднее значение отклонения их среднего значения ∆Jср= 0.

Мера случайного отклонения (флуктуации) – среднее значение квадрата отклонения ∆J2ср. Фототок, соответствующий световому сигналу, наблюдается на фонеэтих отклонений (шумов), определяющих наименьший световой сигнал, который может быть зафиксирован. Шумы могут иметь различное происхождение.Тепловой шум (Джонсона-Найквиста) обусловлен хаотичностью тепловогодвижения электронов, концентрация их в различных участках полупроводников изменяется со временем. Отклонения тока ∆J2ср= ∆f kT/R, где ∆f - полосанаблюдаемых частот колебаний (разложение Фурье), R - сопротивление образца, Т - температура. Дробовый шум обусловлен отклонением от среднего значения числа электронов, проходящих через прибор при постоянном внешнемнапряжении. ∆J2ср = 2eJ∆f. Причинами его возникновения могут служить случайные процессы генерации, рекомбинации и диффузии и др. Существуют идругие виды шумов: фотонный, фоновый, технологический и т.д.

Пороговаячувствительность – уровень светового потока Фп, при котором сигнал равеншуму, то есть ∆JФ2= ∆J2ср. Так как (∆J2)1/2 и Фп могут зависеть от площади Sприемника и полосы частот пропускания ∆f, то при оценке способности фотоприемники регистрировать слабые световые потоки в качестве параметра используется приведенный пороговый поток ФП* = ФП/(S∆f)1/2 или обнаружительная способность D*=1/ФП*. Значение D*относят обычно к λmax, соответствующей максимальной спектральной чувствительности приемника, к определеннойчастоте модуляции (прерывания) светового потока и полосе ∆f, (обычно 1 Гц),включающей f, размерность - [D*( λmax, f, ∆f)] = м*Гц/Вт.Оптическая информация в оптоэлектронных устройствах практически сводится к двум видам: дискретные сигналы (во времени, пространстве и в спектральной области) и световые образы.К приемникам дискретных сигналов предъявляют следующие требования.1.

Высокая чувствительность на заданной длине волны, задаваемой источником (лазером, излучающим диодом и др.), т.е. высокий КПД.2. Высокое быстродействие, которое может быть обеспечено выбором физических принципов работы, уменьшением значений емкости и сопротивления.К фотоприемникам световых образов предъявляются следующие требования.1.

Многоэлементность – пространственная разрешающая способность возрастает при увеличении числа ячеек.2. Совместимость фоточувствительного растра с электронной схемой считывания (сканирования) и воспроизведения информации, в оптимальном случаеобе части устройства конструктивно и технологически объединены.3. Широкий спектр (например, видимый диапазон).334. Режим фотонного накопления – смена воспроизводимых образов достаточно инерционна (~1/25 с), но каждая ячейка должна быть быстродействующей.5. Широкий рабочий динамический диапазон, т.е.

приемник должен воспринимать как яркие, так и бледные области.6. Минимальный уровень шумов.БолометрыПриборы для измерения энергии излучения, основанные на изменении сопротивления термочувствительного элемента при нагревании вследствие поглощения измеряемого потока излучения. Используется для измерения мощности интегрального (суммарного) излучения. Данный вид приемников оптического излучения является одним из первых, «дооптоэлектронных», но использующихся до сих пор.Термочувствительный элемент в болометрах представляет собой тонкий слой(0,1-1 мкм) металла (Ni, Au, Bi и др.), поверхность которого покрыта слоемчерни, имеющий большой коэффициент поглощения в широкой области спектра, или полупроводник с большим температурным коэффициентом сопротивления ~ 0,04-0,06 К-1.

Размер и форма термочувствительного элемента определяется природой источника. Обычно он представляет собой две одинаковые полоски, вторая используется для компенсации в основном температурных помех.Разность температур ∆ Т12 преобразуется в разность сопротивлений ∆ R, проявляемых в разности токов ∆ J и разности напряжений ∆ V на нагрузочном сопротивлении.Металлические элементы в виде фольги или пленки из никеля, золота иливисмута, имеют следующие значения параметров:NiBiR5–10 Ом150–200 ОмЧувств. 7–10 В/Вт13–15 В/Втτ0,02 с0,02 сПолупроводниковые элементы из NiO, МnO, CоO изготавливаются по толстопленочной технологии. Также используются тонкие пленки полупроводников: кремния, арсенида галлия и др.

Для них R ~ 1–10 MОм, чувствительность ~50–103 В/Вт, τ ~ 1–5 мс. Чувствительность при охлаждении растет, но в то жевремя возрастает инерционность. Перспективными считаются болометры наоснове сверхпроводниковых материалов.Болометры относятся к приемникам ИК–излучения. Их основное достоинство и основной недостаток заключается в том, что они являются широкополосными приемниками излучения постоянной интенсивности.Пироэлектрические приемникиВ этом виде приемников оптического излучения используется пироэлектрический эффект, использующий температурную зависимость спонтанной поля-34ризации сегнетоэлектрических материалов, т.е.

они являются также тепловымиприемниками. Тепловые приемники излучения на основе пироэлектриков можно рассматривать как генераторы напряжения, внутреннее сопротивление которых носит емкостной характер, поэтому они пригодны для регистрации потоковизлучения переменной интенсивности. Чувствительный элемент в пироэлектрических приемниках представляет собой тонкую пластину пироэлектрика(триглицинсульфат, BaTiO3, PbTiO3 и др.) с электродами на поверхности перпендикулярной полярной оси. Электрод со стороны источника покрыт слоемпоглотителя (0,2–12 мкм). Наиболее высокое значение пирокоэффициента израспространенных пироэлектриков имеет керамика на основе цирконататитаната свинца, легированного лантаном (ЦТСЛ) - до 400 мкКл/м2*К, но материал имеет и существенный недостаток – низкую температурную стабильность.Чувствительность пироэлектрических приемников постоянна в широкомдиапазоне частот, поэтому они могут быть использованы при высоких частотахмодуляции излучения (до 50 МГц), тогда как другие теплоприемники используются до 100 Гц.

Пироэлектрические приемники применяются для регистрации излучения с частотой от 1010 до 1020 Гц, т.е. от инфракрасного до γ-излучения, диапазон регистрируемой мощности 10-9–109 Вт. Они могут использоваться при измерении быстро меняющихся тепловых процессов: в тепловидении, лазерной технике, в медицинских и космических приборах, преобразователях энергии, в частности, в пироконах, преобразующих распределение температуры неравномерно нагретых поверхностей в световые образы.ФоторезисторыФоторезистор – фотоэлектрический полупроводниковый приемник излучения, принцип действия которого основан на эффекте фотопроводимости. В основе его используется явление внутреннего фотоэффекта (фотопроводимости),открытого У.

Смитом в 1873 г. Эффект заключается в том, что при освещенииоднородного полупроводника его электропроводность увеличивается. Фоторезистор представляет собой обычно тонкую полоску полупроводника с омическими контактами на концах.Основные параметры фоторезисторов: фоточувствительность Sф, коэффициент внутреннего усиления фототока (Z), обнаружительная способность (D*) идр., а также специфические параметры: сопротивление в темновом RT и засвеченном Rсв состояниях, их отношение RT/Rсв, постоянные времени релаксациифотопроводимости τ.Упрощенная теория фоторезисторов, позволяющая связать параметры приборов с параметрами используемых материалов, использует следующие основные допущения.1) .

Геометрически резистор представляет собой параллепипед (рис. 13.).2) . Излучение полностью поглощается в полупроводнике, квантовый выходвнутреннего фотоэффекта η =1.3) . Пленка освещена равномерно и генерация однородна по толщине.35VwdlРис. 13. Упрощенная схема фоторезистора.4) . Поверхностными и контактными эффектами пренебрегают.5) . Дрейф и рекомбинация в объеме характеризуются некоторыми усредненными постоянными значениями µn, µp и τn, τp.6) . В засвеченном состоянии реализуется высокий уровень возбуждения(nф ≈ рф ›› nо,ро).7) .

Полупроводник имеет монополярную проводимость, обычно электронную, т. е. неосновные носители заряда сразу же захватываются ловушками.Эти ограничения позволяют легко определить все основные параметры.Ток через фоторезистор – JФ = VR/Rсв, где VR - напряжение, приложенное кфоторезистору. Отношение темнового сопротивления к световому: RT/Rсв=ρо*µn*τn*e*λ*Pизл/ (hc*V), где Pизл - мощность излучения, падающего на фоторезистор, V – объем фоторезистора.Чувствительность SV = µn*τn*(e*λ / hc)*(VR /l2).Коэффициент усиления Z = µn*τn*VR/l2 = τn/tпр. tпр = l2/µn*VR - время пролетаэлектрона через фоторезистор.К особенностям данных соотношений относится то, что значения всех параметров возрастают, когда µn*τn возрастает, то есть, для фоторезисторов лучшеиспользовать полупроводники с большими подвижностями µn и временамижизни носителей τn, что является редко совместимым. Поскольку RT/Rсв~ 1/V,то выгодно уменьшать объем полупроводника.