Источники и приёмники Излучения (1059978), страница 26
Текст из файла (страница 26)
Вольтовую чувствительность при этом условии определяют по формуле 5 =-5— ууа 1+ УхоУХн где е,„— полное сопротивление нагрузки. Если Я„(( )7ы то 5у „= 5у2„= сопз(, т. е. 5гоьх не зависит от потока излучения. Если условие вычисления Ухо,х по формуле (4.27) не выполняется, то вольтовую чувствительность определяют по формуле 1 5' = 5'У'оу+ ууоуг„+ (уфуу,) (1 — у.уу,) ' где 1„— ток нагрузки при постоянной засветке. Фотогальванический режим не требует источника питания и обеспечивает существенно меньшие шумы, что часто компенсирует 117 потери чувствительности, так как позволиет реализовать большее отношение сигнал/шум.
ФД в фотогальваническом режиме имеют малое внутреннее сопротивление, поэтому их используют в цепях с малым сопротивлением нагрузки (в измерительных приборах и усилителях с малым входным сопротивлением). Фотодиоды в фотодиодном режиме обладают значительным внутренним сопротивлением и применяются в цепях с большим сопротивлением нагрузки. Работа с малыми сигналами в фотогальваническом режиме предъявляет особые требования к усилителю, который должен при больших коэффициентах усиления иметь малый уровень шума. Постоянная времени и частотные характеристики ФД. Постоянная времени ФД опрелгеляется временем пролета носителей от места их генерации под действием освещенности (в тонком поверхностном слое) до р — п-перехода, где они рекомбиннруют, и постоянной времени схемной оелаксации тр (/сС-цепочка ФД), Постоянная времени /сС-цепочки у обычных ФД не превышает 10 ' с, поэтому при глубине залегания р —.и-перехода (толщине базы) в несколько микрометров времени переноса неосновных носителей составляет 1О ' — 10 ' с, что и определяет тад.
Время же пролета зависит от структуры ФД и механизма переноса неосновных носителей, образующих фототок. При равномерном распределении примесей в р- и а-областях, когда «тянущее» поле р — и-перехода мало, преобладающим механизмом переноса нвляется диффузия. В этом случае в фотогальваническом режиме при одинаковой толщине освещаемой базы ФД меньшая постоянная времени и большая граничная частота получаются при освещении р-полупроводника, так как коэффициент диффузии электронов (неосновных носителей), образующих фототок О„значительно больше коэффициента диффузии дырок Ор, а следовательно, время диффузии электронов соответственно короче. Для германиевых ФД граничная частота (МГц) /„» — 3!50,й;, гДе /!„, /1р — тог(Щина базы из и- н Р-полУпРовоДников соответственно, мкм.
Для кремния /„р —— 330/ЛнЧ /„р =- 990//лр. При наличии значительных примесей в р- или п-областях (область с более высокой концентрацией примеси обозначается плюсом над буквой примеси — р' — и или р — и+) постоянная времени т и граничная частота /ср определяются механизмом переноса носителей тока за счет диффузии в электрическом («тянущем») поле р — а-перехода, которое уменьшает т на порядок. В таких ФД постоянная схемной релаксации (тр — — /сС) также умень.- шается. В диодном режиме прн наличии обратного внешнего напряжения литания наблюдается механизм переноса носителей тока пу- 118 а) в/у) 40 в' а,а б) дУ/ 0,0 а) х/г) 80 0,0 0,7 07 О,а г га уаабмрк 10 га уа гаа гаабиГЧ дг йа Ва гаармрЧ Рис.
4.11. Экспериментальные в«статные характеристики кремниевых фотоднодов: а, б — р — и-структура (а — на основе кремния р-тнпв, б— нв освоив кремния а-типе); е — р — ! — а-структурв: Д = 0,51 мкм; — — — — Л =- 06 мкм тем дреифа в сильном электрическом поле, которое ускоряет носители и значительно уменьшает постоянную времени ФД. На рис.
4.11 приведены экспериментальные частотные характеристики кремниевого ФД, у которого в фотогальваническом режиме гранячная частота составляет 1 — 2 МГц, а в фотодиодном режиме при Р;вр — — 150 В доходит до 200 МГц [!51. Форма частотной характеристики и /ср зависит от параметров самого ФД, от приложенного обратного напряжения питания, от спектрального состава падающего на ФД излучения (меняется глубина проникновении излучения), от формы модуляции излучения и т.
д. Постоянная времени обычных ФД на основе Пе составляет 10 ' с, на основе 8! — 1О ' с при напряжении питания порядка 20 В. Чтобы уменьшить постоянную времени, используют р — ! — а- структуры с сильным Рввр, уменьшают толщину базы и т. д. Частотную характеристику ФД можно скорректировать в электронном тракте, как об этом говорилось выше. Фототок и спектральная чувствительность ФД. Фототок ФД образуется избыточными, генернрованнымн при освещении не- основными носителями, дошедшими до р — и-перехода. Его значение входит в общее выражение для вольт-амперных характеристик ФД, поэтому в фотогальваническом режиме /<р = Е„лм (лр»),л) ео, где /св — плотность тока, А/смв; Е»л — спектральная плотность л в. энергетической освещенности в квантах, квант/см с; сх (7)— спектральный коэффициент поглощения, отн.
ед.; «! (Х) — квантовый выход полупроводника, 1/квант; е — заряд электрона, А.с; о — доля нерекомбинированных носителей заряда, дошедших до р — п-перехода (коэффициент собирания), отп. ед. Так как Фл = ЕрлАфдеаи; сс() ) = 1 — р(),), то /щ = Фл — ((1 — р(л)») ())Цо —, е ! л йс Афд (4.28) 119 500 10 070 100 а)1Р,млй/МО7 500 О/1/У,мкд/мдн 500 а) Ю,см та 'Вт 01 О) 2т,ам ГЧ'1АВт ' таз дц 05 ОО 10 д,мхм 05 ОВ 1ОЛ.,млм Рис. 4.!2. Изменение спектральной чувствительности кремниевого ФД при переходе от фотогальванического режима к фотоднодному (а) н влияние на нее температуры (б) где АФд — площадь фоточувствительной площадки, см'! р (Л) спектральный коэффициент отражения, отн.
ед. Из выражения (4,28) можно получить абсолютную спектральную характеристику чувствительности фотодиода (А/Вт) Заае Л Ф ' ! (11 Р Л)т) Л Ц. Как видно из этого выражения, спектральная чувствительность ФД определяется в основном свойствами полупроводника, из которого он изготовлен. Спектральная характеристика ФД зависит от толщины базы (глубины залегания р — п-перехода) и от диффузионной длины неосновных носителей. Чтобы повысить спектральную чувствительность в длннноволновой области, надо увеличить диффузионную длину носителей, а в коротковолновой области — создать большие тянущие электрические поля в базе, чтобы генерируемые в тонком слое носители разделялись тянущим полем и не успевали рекомбинировать, как это происходит в поверхностно-барьерных ФД.
Спектральная чувствительность ФД меняется при переходе от фотогальванического режима к фотодиодному, так как меняется коэффициент собирания носителей (рис. 4.12, а). На спектральную чувствительность ФД значительно влияет температура фоточувствительного слоя.
Повышение температуры уменьшает ширину запрещенной зоны (для Я вЂ” с) (АЕ)/бТ = 4 10 ' эВ/К н зависимость линейная, для Сге — квадратичная] н увеличивает коэффициент собирания носителей, что смещает границу спектральной чувствительности ФД и ИК-область (рис. 4.12, б), и, наоборот, понижение температуры уменьшает диффузионную длину неосновных носителей и коэффициент собирания, что смещает спектральную чувствительность в коротковолновую область. Совокупный эффект этих механизмов для Я показывает рис.
4.12, б, из которого видно, что абсолютная спектральная характеристика ФД на основе Я с понижением температуры понижается с одновременным смещением максимума в коротковолновую область. На рис. 4.13 !20 10 2 Ь Вдали О) В(д) 1,0 О,О 0,5 0,2 0 0,1 05 05 07 й О 1,1 1,,У 1г5 1,7 Д,МЛМ Рис. 4. !3.
Спектральные характеристики охлаждае. мых ФД из !поь (а), неохлаждаемых из !пда (б)! Стада, о! и Сте (в) приводятся спектральные характеристики неохлаждаемых и охлаждаемого ФД. Интегральная чувствительность кремниевых ФД лежит в пределах 3 — 20 мА/лм, германиевых 18 — 25 мА/лм. Энергетическая характеристика, шумы и обнаружительная способность ФД. Энергетическая характеристика ФД в диодном режиме линейна в широких пределах. В фотогальваническом— нелинейна, но диапазон измерения сигнала велик. Линейность энергетической храктеристикн в фотогальваническом режиме наблюдается только при условии 1ф сс' 1и.
Значение потока излучения, для которого сохраняется линейность энергетической характеристики в фотогальваническом режиме, Ф= 0,2А — 'и при — ')) 1, "тиот где А = 1 —:4 — постоянный коэффициент, зависящий от материала фоточувствительного слоя (для Сте А = 1). Так как сопротивление р — и-перехода /гз меняется в зависимости от /ф, невозможно подобрать оптимальное для всех случаев )с„. Для случая 80 ~ 1ф/1з < 10ьз с погрешностью 3 — 4% можно считать оптимальным Киам0,88йе 1 1 !п (1ф/1а) !2! а)ймлА(Се) 5 мкА(СЦ е12,СВ ВОС ХСС Ш,7СС Г,к Рис.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
