Щука А.А. Электроника (2005) (1152091), страница 121
Текст из файла (страница 121)
б.З показано устройство и зонная диаграмма гетерофотодиод ' ола. '= Аз. Раз Излучение вводится через слой СаА!Аз. Поглощение происходит в и-области СаАз и иблн. ница в ширине запрещенной зоны по обе стороны от гетероперехода составляет пр и ина ак вительно 0,4 эВ. Генерируемые в и-области дырки переносятся в р'-область. Шири , челна. тивной и-области выбирается такой, чтобы происходило полное поглощение из". па ы полу Структура работает при небольших напряжениях.
Выбирая соответствующие пар пе,то в проволников можно создать фотадиоды для любой части оптического спектр~ енных том, что в гетероструктурах длина волны определяется разницей ширины запреш зон и не связана со спектральной характеристикой поглощения излучения. 5. Приемники излучения 577 Рис. В.З. Схема Фотодиода с гетероструктурои (а1 и его зонная диаграмма (б( 6.2. Фотоприемники с внутренним усилением Фотоприемники, в которых происходит преобразование оптического излучения с одновременным усилением фототока, называют вротолрпкввввнктьвввв с вкутренннш ус пление ч.
Обычно используются в(эотолвраизисвнорьв биполярного типа, которые включаются в электрическую цепь по схеме с общим эмиттером. База не имеет внешнего вывода (рис. 6.4,а). Управление коллекторным током осуществляется на основе внутреннего фотоэффекта. Генерация носителей происходит в области базы под действием излучения. Коллекторный переход служит для разделения носителей.
Через эмиттерный переход происходит ннжекция дырок лля восстановления нсйтразьности базовой области, в которой остаются электроны. По сравнению с обычным диодом фототранзистор усиливает ток в Р раз, где Р— коэффициент передачи тока базы. При использовании фототранзисторов для них выбирают оптимальную конструкцию: Уменьшение толщины базы способствует повьпцению коэффициента передачи и уменьшению времени переключения, но снижает фоточувствительность прибора.
Поэтому оп- -в гимальное быстродействие транзистора лежит в пределах 1Π— 10 с. Оостиеяой транзистор представляет собой известную конструкцию из лвух транзисторов с общим коллектором. Коэффициент передачи тока базы составляет Р = РгРз где Р, и Р, -- соответственно коэффициенты передачи тока каждого транзистора. В результате чувствительность составного транзистора повышается н достигает значений - 1Ов, что выше, чем у обычных фотодиодов. Фояющирисявор представляет собой четырехслойную структуру типа и — р — и — р, котоРая освещается в плоскости расположения р — и-переходов К структуре приложено прямое напряжение.
Тиристор люжно представить как комбинацию лаух транзисторов, меж- '' 3. 370! Часть )!). Квантовая и оптическая электроника ду которыми имеется положительная обратная связь по току, Переход фототиристора „ закрытого состояния с низкой проводимостью в открытое состояние с высокой прово „ мостыо происходит под действием света. Тиристоры могут выдерживать токи от !О-з до 1О' А и напряжения до 10' В при мощности светового излучения от 1О ' до 1 Вт. б) Рис. Вгж Схема включения фоторезистора (в) и его выходные характеристики (О) В г)1оторезасяюрах испозщзуется эффект фотопроводимости или фоторезистивный эффект. Он заключается в изменении электропроводности среды, обусловленной действием электромагнитного излучения.
В зависимости от механизма поглощения носителей различают примесную, собственную и внутрнзонную фотопроводимость. Собственная и примесная фотопроводимосгь основана на внутреннем фотоэффекте, приводящем к генерации электронно-дырочных пар. Возможен также механизм фотообрыва носителей заряда от заряженного примесного центра. Генерируемые свободные носители получили название фотокосятелей'.
Собственная фотопроводимость сводится к генерации электронов из внешней зоны и генерации дырок из зоны проводимости, если величина кванта энергии не меньше ширины запрещенной зоны. Примесная фотопроводимасть происходит вследствие переходов, обусловленных примесями в полупроводнике, при этом энергия квантов облучения может быть меньше шири иы запрещенной зоны. Внутризонная фотопроводимость связана с изменением подвижности носителей заряда при их перераспределении по энергетическим состояниям, обусловленная поглощением излучения. На основе такого типа полупроводниковых материалов и изготавливают фоторезистор" ы. Будучи подключенным к калиброванной элелжрической пепи, фоторезистор позволяь оляет измерять световые потоки.
В зависимости от назначения фоторезисторы могут быть одно- и многоэлементные, с о с ох- нвание лаждением или без охлаждения, открытые и герметизированные. Возможно встранва фоторезисторов в интегральные схемы для предварительной обработки сигналов. а основе На рис. 6.5 приведены графики спектральной чувствительности фоторезисторав на ос различных материалов. ва Оии В последние голы разрабатываются также различные фотоприемные устройст~~. т актом представляют собой гибридную конструкцию фоточувствительного элемента с тра Фото обработки сигнала, ко~орые изготавливаются по микроэлектронной технологии приемные устройства широко распространены в волоконно-оптических системах свя вязи.
6. Приемники излучения Рис. в.б. Кривые спектральной чувствительности фотсрвзисторов на основе СОЗ (1), СОЗе (2), РЬЗ (3), твердого раствора типа Рьз-Рьзв (4, б), Рьзе (б), Рьзп (7) 6.3. Гетеродинный прием оптического излучения Рассмотренные типы приемников излучения способны реагировать на излучение любой степени когерентности. Это объясняется физическими процессами, лежащими в основе приема излучения: поглощение фотонов и генерация свободных носителей одинаковы как для когерентного, так и для некогерентного излучения. Этот метод регистрации оптического излучения получил название прямого детектирования излучения.
Детектор реагирует не на напряженность электрического поля волны, а на поток фотонов или мощность волны. Такие детекторы получили название квадратичных. Для регистрации когерентного излучения был разработан метод ветерапазшрованил, предложенный в 1947 году Г. С. Гореликом. Этот метод оыл позаимствован из радиотехники. Идея метода заключается в смешении двух гармонических сигначов, различающихся по частоте или по фазе, и дальнейшем прямом детектировании с помощью обычного квадратичного детектора. При смешении возникает разностная частота, которая и анализируется, в результате чего выделяется мощность колебаний с разностной частотой, а также мощностгь эквивалентная шуму (МЭШ). Мощность шума в полосе с частотой Лг" при спектральной плотности шума 5„, определяется выражением (б.2) тле („, — шумовой ток.
Спектральная плотность мощности шума определяется формулой Шоттки для дробового шума: 5„, =291. где I — среднее значение тока. Тогда мощность шума в полосе частот о7' определяется как Часть ///. Квантовая и оптическая злектрони, 500 В этом выражении среднее значение тока представляет собой сумму тока сигнала /,. м щ ности Р, и тока фона !/„„, мощностью /',!„„/ = !,. е !/„„.
(6.3) Пусть сигнал представляет собой когерентное колебание вида Е, = Е„ соз(а,/), а генерн руемый генератором кояебаний сигнал Е,. = Е„соя(ы,!). При этом мощность генератора сигналов в соответствии с известной теоремой Пайгин„ будет: Р, = — Е„,, 8к а мол!посты етеродина соответственно: ь ° 8п где с — скорость света, Фототокн, генерируемые от сигнала и гетеродина, определим как: (6.4) /; !, = 9з)А йт (6.5) где г! — заряд электрона, г) — потери иа отражение и неполное поглощение, А — площадь фоточувствительного элемента, Р / /щ — число падающих фотонов.
В резутьтате супсрпозиции двух колебаний Е, и Е,. имеем величину полного тока в виде: !(/) = — ' — (!:; - Е,) . г/и4 с ., з Ьт 4т. Проведем несложные арифметические операции и выделим в первую скобку постоянные составляющие фототоков сигнала и гетеродина, а во вторую скобку — — токи с суммарными оптическими частотами: (6.6) !(г) = (/ + / ) + 2~/У ! соз(сз — га )/+(/ соя 2гв /+ / соя 2ы /+ 2 /! / соз(ы + аз )/) (6 2) Анализ этого выражения показывает, что на вторую скобку фотоприемники не реагиру ют, поскольку сумма оптических частот лежит вне предела чувствительности любых фо топриемников.
В итоге квадратичный фотоприемник на основе гетеродина будет реаги ровать на величину; Срелняя мощность этого тока пропорциональна ! „или к (6.9) !'-„, = 2/.!,. Р / =(! +/ )т2х//,/,соз(ы,— гв,,)!. (6.8) Значение (/,, + /,] является константой для данного фотоприемного устройства, а знал ачение фототока с разностной частотой определяется как: !и,(/) =. 2з///,.! соз(гв, -сз,)!. 5. Приемники излучения 581 Если значение б » 1„ то можно ожидать большого усиления, однако из-за сильной засветки фотоприемника излучением гетеролнна возникает сильный радиационный шум, опредсляемый формулой Шоттки: 1„„= 2гу/,Л/ . Если мощность фототока с разностной частотой приравнять к мощности радиационного шума гетсролина, то ? =2д! ф =(~, =2з'! . (6.10) Р, С учетом, что /, = ЧЧ вЂ” ' получаем; лу Ьу У',= — ф. т1 (6.! 1) Из этого следует, что гетеродинный приемник с квантовой эффективностью равной еди- нице способен зарегистрировать один фотон в частной полосе 1 Гц.
Гетеродинный прием является весьма эффективным и чувствительным методом при условии согласования вол- новых фронтов сигнала и гетеродина, Метод гетеродинирования позволяет выделить слабые оптические сигналы прн наличии внутренних тепловых шумов приемника излучения.
Гетеролинный метод широко используется в лазерной интерферометрин, голографии, путем смешения пучков нескольких лазеров или деления пучка лазерного излучения на лва — опорный и несущий. В этом случае частоты одинаковы, но при суперпозиции ко- лебаний используется разность фаз. При использовании пучка олного лазера гетеродинный прием называется гомодиииым. Контрольные вопросы Что таксе фотодисл? 2. Какие физические явления разделения носителей в фотодиоле вы знаете? 3. Опишите принцип действия фотодиодов иа явлении разделения носителей электрическим полем и нх характеристики. Опишите принцип действия лавинных фотоднодов и их характеристики.
Что такое р — 1 — и-диод и каковы его характеристики Опишите принцип действия фотодиодов Кйотткн н их характеристики. Опшцитс принцип действия фотодиодов иа гетсроструктурах и их характеристики 8. Опиши~с прин1ы1п дейсгвия присыинкоя ишучсция на фототранзисторг н их характеристики. Опишите принцип дейсзяия приемников излу к;ния на фоторсзисторах и их характеристики. 1б. Опишите принцип гетеродиицого приема оптического излучения и его особенности. Анализ этой формулы позволяет заключить, что входная мошность оптического излуче- ния линейно связана с мощностью сигнала разностной частоты.
Мошность сигнала разностной частоты может точно воспроизводить распределение ин- тенсивности спектральной линии сигнала. Часть /!1. Квантовая и оптическая электрон!я, а 588 Рекомендуемая литература Интегршьнал оптика Г!ол ред. Т. Тамира. — Мл Мир, 1978. 2 Курбатов Н. Н. Оптоэлектроника видимого н инфракрасного диапазона спектра.— М, Из„ МФТИ. 1999. 2 Носов Ю. р. Оптоэлектроника.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
