Якушенков Ю.Г. Теория и расчет оптико-электронных приборов (4-е изд., 1999) (1095908), страница 29
Текст из файла (страница 29)
Зто значение обычно не превышает нескольких десятков вольт, в редких случаях (например, для некоторых сернисто-кадмиевых фоторезисторов) — нескольких сотен вольт. Нужно отметить, что наиболее чувствительные фоторезисторы оказываются и наиболее инерционными.
Для ряда ПИ установлена прямая связь между порогом чувствительности Фп и постоянной времени т вида Фп т = сопэ$. Допустимая мощность рассеяния фоторезисторов зависит от материала чувствительного слоя, а также от режима облучения. При непрерывном облучении эта мощность находится в пределах от сотых до десятых долей ватта, при импульсном облучении она достигает единиц ватт. К числу основных шумов, определяющих порог чувствительности фоторезисторов, относятся тепловой и токовый шумы. Предел уменьшения порогового потока ограничивается радиационным шумом. Отметим такие достоинства фоторезисторов, как малые размеры и массу, пониженное по сравнению с фотоэмиссионными приемниками напряжение питания, возможность работы в значительно более широком спектральном диапазоне. Ряд фоторезисторов имеет очень высокую интегральную чувствительность, мощность их рассеяния достаточна для управления электрической цепью мощностью в несколько ватт.
К недостаткам фотоприемников этого класса можно отнести повышенную инерционность „значительную зависимость характеристик и параметров от температуры, малую линейную зону энергетической характеристики, зависимость выходного сигнала от площади засвет"и чувствительного слоя. Типовые параметры некоторых фоторезисторов приведены в табл. 6 2. Сведения о других параметрах и характеристиках фоторезисторов, в частности, об их конструктивных размерах, форме и размерах чув- 152 к Х $ к ~ хо 3 Ь Й о о о 2 х фй Ь о о ййх ~~А о о о о о \О м сч Во о ас о' со о оо о о ас о о оо оо оы к о о о х м о' СЗ о о о 3 о 2 о 3 Р о и а) к х к й о в ~~ОБ йй- о к к- чч оо о м м о к о чч : о сч о Ь Ь сч Я о о к СЗ М оо й-' о о о :о о « чч ч о о, м о к О кт оо х и, о -У' о о о о Е 154 Ю.Г.
Якукввнксв. Теория и расчет оптико-зпвктрсннык приборов о й к Ж а, к х о о х о о к О х о й и к а Ц х о о" т 3 ч х к »ф х ч о к а к з и 2 х х а ко и к х к и ч х й 2 о вя к о' к х х к х к к х о о х о х к к а яр х к к о н а ах и и к т". ф 1 к к х Гпааа 6. Приемник излучения как звено оптико-зпектронното прибора ствительного слОя, питаюп(их напряжениях и др., приведены в работах [9, 22, 30].
Фотодиоды и фототранзисторы. Фотодиодом принято называть полупроводниковый ПИ, основанный на использовании односторонней проводимости р-л-перехода, при освещении которого или образуется ВДС(фотогальванический, или вентильный режим — рис. 6.4, а), или при наличии источника питания в цепи фотодиода изменяется его обратный ток (фотодиодный режим — рис. 6.4, б). (Г Рис. 6.4. Схемы включения фотодиодов в фотогальваиичвсиом (о) и фотодиодиом (б) режимах Фотодиоды изготовляют на основе: одного р-п-перехода, сформированного на границе двух областей из одного материала с соответствующими примесями противоположного типа; ге героперехода, образующегося на границе двух областей различных материалов с примесями противоположного типа; контактного барьера, возникающего на границе металл — п- полупроводник и металл — р.полупроводник; различных МДП-структур (барьера Шоттки) и ряда других схем [9.
12, 22, 30]. В настоящее время основными материалами для изготовления фотодиодов служат германий, кремний, а также сурьмянистый индий и арсенид галлия. Очень важной характеристикой фотодиода является стабильность его параметров при изменении температуры, влажности, давления ~кружающей среды.
В этом отношении кремниевые фотодиоды имеют существенные преимущества перед германиевыми. Темновой ток Кремниевых приемников почти постоянен, а темновой ток германиевых фотодиодов при изменении температуры от 20 до 50'С может изменяться в 3...5 раз. Другим достоинством кремниевых фотоднодов является возмож~ость работы с большими обратными напряжениями (до 100 В), что недопустимо для германиевых фотодиодов. Ю.Г.
Яктшвнков. Теория и расчет оптико-электронных приборов Постоянная времени фотодиода в значительной степени зависит от способа его изготовления, от размеров площадки. Для сплавных фотодиодов значение к обычно близко к 10 з с; для диффузионных фо- .6 тодиодов при маленьких площадках т может достигать 10' с. В специальных фотодиодах с малой толщиной базы можно достигнуть г =10 с. Стремление увеличить чувствительность фотодиодов и уменьшить их постоянную времени привело к разработке р+и-фотодиодов [9). Типичный р-1-л-фотодиод состоит из трех последовательных областей: из тонкой сильно легированной п-области, более толстого слоя с очень малой концентрацией примеси (г-область) и сильно легированной р-области.
В результате освобождения г-области от носителей под воздействием обратного смещения вней устанавливается сильное и почти постоянное поле. Падающее излучение поглощается в к- и л-областях и образует электронно-дырочные пары. Электроны и дырки разделяются полем и покидают Робласть, а пары, возникающие в и-области, диффундируют к переходу, где дырки захватываются сильным ускоряющим электрическим полем и проходят через переход, а электроны остаются в п-области, При площади чувствительного слоя около 100 мм' кремниевые 1 р-г-л-фотодиоды обладают чувствительностью 0,015 А.Вт' при Х = 0,4 мкм и временным разрешением 5 нс. При приеме излучения с Х = 0,9 мкм и напряжении смещения кГ,„= 1000 В их чувствительность составляет 0,53 А Вт', а темновой ток х,ь 20 мкА при кГ,„= 700 В и 1,< 5 мкА при ГТ,„= 300 В.
Световые характеристики этих диодов при 1Г,„= 100...1000 В линейны до значений фототоков в 6 А. В фотодиодах усиление тока можно получить умножением числа носителей. На этом принципе основаны лавинные фотодиоды [9), в которых при обратном напряжении, равном или близком к пробивному, в области р-и-перехода подвижные носители приобретают столь высокие скорости, что вызывают ионизацию атомов решетки, т. е. образуют новые электронно-дырочные пары. Это же ускорение действует и на носители, появившиеся в области р-и-перехода при его освещении, Для обеспечения стабильности коаффициента усиления фототока необходимо очень тщательно стабилизировать питающее напряжение и температуру, что усложняет использование лавинных фотодиодов. Эти ПИ используют для приема слабых сигналов, в основном при .з .в лазерной локации.
Их постоянная времени составляет 10' ...10' с при коэффициенте внутреннего усиления до 10' и рабочем напряжении 30...100 В. Глава б. Приемник излучения кзк звено оптико-электронного прибора Среди других полупроводниковых ПИ, созданных за последнее время, можно отметить фотодиоды с барьером Шоттки, характеризующиеся сравнительно простой технологией изготовления, параметры которых близки к параметрам ря-п-фотодиодов, а также гетерофотодиоды [9]. Сравнительно большие темновые токи при включении обычных фотодиодов в фотодиодном режиме делают невозможным их использование для измерения малых потоков. В этом случае необходимо работать в фотогзльваннческом режиме, при котором обнаружительная способность системы определяется практически не весьма малыми шумами приемника, а шумами схемы его включения или последующих электронных звеньев.
Наибольшее влияние на обнаружительную способность фото- диодов оказывают дробовый, тепловой (электрического сопротивления базы), а также токовый шумы. Фотогл(танзисторы — это обладающие свойством усиления фото- тока ПИ с двумя р-п-переходами, в которых происходит направленное движение носителей тока.
Фототранзисторы имеют высокий квантовый выход (около 100). Однако наличие второго р-и-перехода приводит к значительному увеличению шумов, поэтому часто предпочитают использовать фотодиоды, добавляя дополнительный каскад в усилитель сигнала, шум которого меньше влияет на обнаружительную способность прибора по сравнению с шумом, возникающим при использовании фототранзистора. Основными видами шумов в фототранзисторах являются тепловой и дробовый шумы.
К недостаткам фототранзисторов относятся: значительная нестабильность параметров и характеристик во времени и при изменении температуры окружающей среды; меньшая, чем у фотодиодов, обнаружительная способность. У ряда фототранзисторов в центре чувствительного слоя вследствие затенения эмиттером части базы имеется «слепое пятно». Поэтому при их использовании совершенно необходимо распределять поток по всей чувствительной поверхности фотослоя, т. е. применять конденсоры.
Параметры некоторых отечественных фотодиодов и фототранзисторов приведены в табл. 6.3. Тепловые (иеселективиые) приемники излучения. Принцип работы втеракоэлеменвков основан на использовании термоэлектрического эффекта Зеебека, который заключается в появлении электродвижукцей силы (термоЭДС) в цепи, состоящей из двух разнородных по составу проводников (рис. 6.
5), при условии, что между двумя их спая- 166 167 5ЛГ. Якушенков. Теория и Расчет оптико-эпектроннык приборов Таблица 6.3 Параметры некоторых фотодиодов и фототраизисторов Интегральная токовая чувствительность вп мнА/лк Диапазон спвктрвлъисй чувствительности аЛ, мкм Тип приемнвка Материал тл1 1,6 10Б 0,6 10' 750 мА/лм 0.4 1,6 1,0 1,0 1,6 1,0 0,4...1,9 0,5...1,2 0,47...1,12 0.4...1,9 0.5...1,2 Св 81 Вт Се 61 ФД-7Г КФДМ ФД-24 К ФТГ-3 ФТ-1К Порог чувст- Площадь чувстви- Б тельиогО слОя, мм Гэю, ЛМБМБтк Напряжение питания У,, В Постоянная времени т, с Тип приемника 5 10з 5.10в 1Б6 10' 10 20...22 26...28 25 25 ФД-7Г КФДМ ФД.24К ФТТ-3 ФТ-1К 1...2 78 3 2...3 10Б 1 тук 2,5 10' 8.10' ми имеется разность температур, т.е.
контактные разности потенциа- лов на каждом спае различны. Рис.6.5.Прияципиальиая схема включения термоэлемевта В качестве материалов для металлических термоэлементов используют сурьмяно-висмутовые спаи, серебро, железо, теллур,константан, хромель и различные сплавы этих веществ, а для полупроводниковых — сурьму, кремний, теллур, селен. Данные об их термоэлектрических свойствах приведены в литературе [9, 22]. Обычно сопротивление термоэлемента очень мало (не выше десятков омов), что обуславливает необходимость применения трап сформаторного входа в качестве согласующего звена между ПИ и усилителем, а это усложняет конструкцию прибора. К недостаткам термоэлементов следует также отнести их большую инерционность (постоянная времени составляет десятки и сотни миллисекунд).
Принцип работы бо лолкелтра основан на изменении электрического сопротивления полупроводника или металла при нагреве чувствительной площадки под действием падающего на него потока излучения. Относительное изменение сопротивления болометра при из- Глава б. Приемник иитутенив как звено оптико-электронного прибора менении его температуры на /лТ в случае, если Ькт «К„можно представить уравнением Айв / Вв = 6,А Т.
Температурный коэффициент сопротивления (ТКС) (1, для большинства металлов в широком диапазоне температур обратно пропорционален температуре, т.е. (), = 1/Т, а для большинства полупроводников Р, = -3000/Тк. Важно отметить различные знаки изменения сопротивления полупроводниковых и металлических болометров. Простейшая схема включения болометра аналогична схеме включения фоторезистора. Болометр обычно включают по мостовой схеме (рис. 6.6), которая питается постоянным или переменным током. Влияние окружающей температуры может вызвать нежелательный разбаланс моста, поэтому в качестве уравновешивающего элемента схемы часто применяют также болометр, называемый компенсационным. Прн изменении внешних условий оба болометра в одинаковой степени изменяют свое сопротивление, в результате чего равновесие моста сохраняется.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
