ПРИЕМНИКИ ИЗЛУЧЕНИЯ
Фотоприемник – приемник оптического излучения – прибор, в котором под действием оптического излучения происходят изменения, позволяющие
обнаружить и измерить характеристики излучения.
Поглощение света в твердых телах
Процессы взаимодействия без изменения энергии фотонов включают в себя отражение, преломление, рассеяние, пропускание света, вращение плоскости поляризации и др.
Процессы взаимодействия с изменением энергии фотонов включают в себя различные виды поглощения
В общем случае необходимо учитывать 7 механизмов поглощения оптического излучения рис. :
1 – фотогенерация электроннодырочных пар (собственное поглощение),
2,3 – примесное поглощение,
4 –внутрицентровое поглощение,
5 – экситонное поглощение,
6 - электронное поглощение, вызывающее увеличение энергии электронов без увеличения их концентрации,
7 – фононное поглощение, т.е. поглощение кристаллической решет-
кой.
Для всех видов поглощения должны выполняться законы сохранения энер-
гии и импульса.
В зависимости от строения зон полупроводника электронные
переходы подразделяются на прямые и непрямые (рис.), поглощение фото-
нов сопровождается только лишь прямыми переходами электронов.
Ширина запрещенной зоны Eg полупроводника определяет минимальные
значения энергии поглощаемых фотонов: GaAs – 1,4 эВ, CdSe – 1,8 эВ, CdS -
2,5 эВ, ZnS - 3,7 эВ, Ge – 0,7 эВ, Si – 1,1 эВ, GaP – 2,3 эВ, SiC – 2,4-3,1 эВ. Для собственного поглощения должно выполняться условие
hν≥Eg,
для полупроводников в сильном электрическом поле проявляется
эффект Франца–Келдыша, приводящий к уменьшению ширины запрещенной зоны Еg(Е).
Для примесного поглощения энергия фотонов должна быть не мень-
ше глубины залегания примесного уровня в запрещенной зоне. Количественное описание процессов поглощения света проводится с использованием закона Бугера-Ламберта.
Если величина светового потока, падающего на полупроводник
- Фо, то на глубине х его величина составляет - Ф(х).
Изменение величины светового потока на расстоянии dx составляет
dФ/dx = α*Ф(x),
где α коэффициент поглощения света
dФ/Ф = -α*dx,
т.е. световой поток спадает по экспоненте вглубь полупроводника
Ф(х) = Фо*exp(-α*x).
Величина, обратная коэффициенту поглощения, – х* называется длиной поглощения света
(Ф(х*) =Фо/e).
При собственном поглощении величина коэффициента поглощения зна-
чительна α = 105 см-1 , а длина поглощения очень мала х* = 0,1 мкм.
Для примесного поглощения значения этих параметров зависят от концентрации примеси, для N = 1017 см –3; α = 10 см –1; х* = 0.1 см. Для 1,2,3 (рис.) механизмов поглощение сопровождается изменением количества свободных носителей, т.е. изменением проводимости и тока.
В фотоприемниках обычно используется собственное поглощение.
Примесное поглощение используется редко, например, для расширения спектральной характеристики в длинноволновой области.
Экситонное – 5 и внутрицентровое – 4 поглощение, а также поглощение сво-
бодными носителями - 6, поглощение кристаллической решеткой – 7 в фото-
приемниках практически не используется.
Внутренний фотоэффект в полупроводниках характеризуется квантовым
выходом
η1,
т.е. числом неравновесных носителей (пар), создаваемых каждым по-
глощенным фотоном.
Чувствительность фотоприемника зависит от скорости
генерации G, которая зависит от величины квантового выхода η1. Получим выражение для скорости генерации носителей.
Пусть на единичную площадку приемника по направлению х перпендикулярно поверхности падает поток излучения, имеющий плотность Ф1(x).
Изменение плотности потока с расстоянием –
dФ1/dx = - α*Ф1(x)
Тогда выражение для энергии, поглощенной в единич-
ном объеме на толщине dx –
dФ1 = - α*Ф1(x)*dx.
Число фотонов Q1, поглощенных за 1 секунду в единичном объеме на глубине х,
Q1 = α*Ф1/hν.
Число неравновесных носителей, возникающих за 1 с в единичном объеме,
G(x) = η1*Q1 =η1*α*Ф1(x)/hν.
В области собственного поглощения η1 = 1, тогда
Q1 ∼1/ν.
Если величина светового потока постоянна, скорость генерации носителей G падает с ростом частоты излучения, фототок ∼ G ∼1/ν.
В одних типах приемников (например, фотодиоды) JФ определяется величиной произведения
G(x)*V
(V - объем материала).
В других типах (лавинный фотодиод, фоторезистор, фототран-
зистор) –
IФ = e*G(x)*Z(E),
где Z(E) – коэффициент усиления, зависящий от электрического поля (Z - 102 -106).
Чувствительность фотоприемника определяется тем, на сколько сильно из-
меняются его электрические характеристики при облучении светом, т.е. зависит от квантового выхода и коэффициента усиления.
Основные характеристики и параметры фотоприемников
Спектральная характеристика чувствительности отображает реакцию приемника на воздействие излучения с разной длиной волны, она определяет спектральную область применения прибора.
Энергетическая (световая) характеристика отображает зависимость фотоответа прибора от интенсивности возбуждающего потока излучения (амперваттная, вольт-ваттная, люкс-амперная).
Энергетической характеристикой называют также зависимость интегральной или спектральной чувствительности приемника от интенсивности облучения.
Пороговые характеристики – показывают способность фотоприемника регистрировать излучение малой интенсивности. В основном они определяются уровнем собственных шумов прибора – флуктуаций тока в отсутствии облучения или при немодулированном световом потоке.
Вольт-амперная характеристика отображает зависимость тока фотоприемни-
ка от приложенного напряжения.
Частотные характеристики описывают зависимость чувствительности от частоты модуляции излучения или длительности импульсов и характеризуют
инерционность прибора.
Температурные характеристики определяют зависимость параметров прибора от температуры окружающей среды. Рабочий температурный интервал указывают в паспорте прибора, при этом указывают значения основных параметров в крайних точках интервала.
К основным параметрам фотоприемников относят
- рабочее и максимально допустимое напряжение,
-мощность рассеивания,
-тепловое сопротивление
Чувствительность фотоприемников описывается токовой или вольтовой чувствительностью.
Токовая чувствительность (А/лм или А/Вт) определяет значе-
ние фототока, создаваемого единичным потоком излучения:
SI = IФ/Ф.
Вольтовая чувствительность характеризует значение фотонапряжения, отнесенное к единице потока излучения (В/лм или В/Вт):
SV = VФ/Ф.
В общем случае зависимости IФ(Ф) и VФ(Ф) являются нелинейными
Коротковолновая (длинноволновая) граница спектральной чувствительности
определяется наименьшей (наибольшей) длиной волны монохроматического
излучения, при которой монохроматическая чувствительность прибора равна
0,1 от ее максимального значения.
Динамический диапазон линейности (в децибелах) характеризует область
значений светового потока Ф (от Фmin до Фmax), в которой энергетическая (све
товая) характеристика является линейной:
Δ = 10 lg Фmax/Фmin.
Инерционность фотоприемника характеризуют постоянные времени нарас-
тания τн и спада τсп фотоотклика для импульса излучения. Рост и спад фототока обычно описывается экспоненциальными зависимостями:
JФ = Jmax (1 – exp (- t/τн)), JФ = Jmax exp (- t/τсп).
При синусоидальной модуляции светового потока быстродействие приборов характеризуют граничной частотой, на которой фотоотклик уменьшается до уровня 0,7 стационарного значения.
Токи в фотоприемнике при отсутствии и наличии освещения испытывают
случайные отклонения ΔJ от среднего значения. Отклонения имеют различные знаки, поэтому среднее значение отклонения их среднего значения
ΔJср= 0.
Мера случайного отклонения (флуктуации) – среднее значение квадрата отклонения
ΔJ2ср.
Фототок, соответствующий световому сигналу, наблюдается на фоне
этих отклонений (шумов), определяющих наименьший световой сигнал, кото
рый может быть зафиксирован.
Шумы могут иметь различное происхождение.
Тепловой шум (Джонсона-Найквиста) обусловлен хаотичностью теплового
движения электронов, концентрация их в различных участках полупроводни-
ков изменяется со временем. Отклонения тока
ΔJ2ср= Δf kT/R,
где Δf – полоса наблюдаемых частот колебаний (разложение Фурье), R - сопротивление образца, Т - температура.
Дробовый шум обусловлен отклонением от среднего зна-
чения числа электронов, проходящих через прибор при постоянном внешнем
напряжении.
ΔJ2ср = 2eJΔf.
Причинами его возникновения могут служить случайные процессы генерации, рекомбинации и диффузии и др. Существуют и
другие виды шумов: фотонный, фоновый, технологический и т.д.
Пороговая чувствительность – уровень светового потока Фп, при котором сигнал равен шуму, то есть
ΔJФ2= ΔJ2ср.
Так как (ΔJ2)1/2 и Фп могут зависеть от площади S
приемника и полосы частот пропускания Δf, то при оценке способности фото
приемники регистрировать слабые световые потоки в качестве параметра ис-
пользуется приведенный пороговый поток
ФП* = ФП/(SΔf)1/2
или обнаружительная способность
D*=1/ФП*.
Значение D*относят обычно к λmax, соответствующей максимальной спектральной чувствительности приемника, к определенной
частоте модуляции (прерывания) светового потока и полосе Δf, (обычно 1 Гц), включающей f, размерность - [D*( λmax, f, Δf)] = м*Гц/Вт.
Оптическая информация в оптоэлектронных устройствах практически сво-
дится к двум видам:
- дискретные сигналы (во времени, пространстве и в спек-
тральной области)
- световые образы.
К приемникам дискретных сигналов предъявляют следующие требования:
1. Высокая чувствительность на заданной длине волны, задаваемой источни-
ком (лазером, излучающим диодом и др.), т.е. высокий КПД.
2. Высокое быстродействие, которое может быть обеспечено выбором физи-
ческих принципов работы, уменьшением значений емкости и сопротивления.
К фотоприемникам световых образов предъявляются следующие требования:
1. Многоэлементность – пространственная разрешающая способность воз-
растает при увеличении числа ячеек.
2. Совместимость фоточувствительного растра с электронной схемой считы-
вания (сканирования) и воспроизведения информации, в оптимальном случае
обе части устройства конструктивно и технологически объединены.
3. Широкий спектр (например, видимый диапазон).
4. Режим фотонного накопления – смена воспроизводимых образов доста-
точно инерционна (~1/25 с), но каждая ячейка должна быть быстродействую-
щей.
5. Широкий рабочий динамический диапазон, т.е. приемник должен воспри-
нимать как яркие, так и бледные области.
6. Минимальный уровень шумов.
Болометры
Приборы для измерения энергии излучения, основанные на изменении со-
противления термочувствительного элемента при нагревании вследствие по-
глощения измеряемого потока излучения. Используется для измерения мощности интегрального (суммарного) излучения.
Термочувствительный элемент в болометрах представляет собой тонкий слой
(0,1-1 мкм) металла (Ni, Au, Bi и др.), поверхность которого покрыта слоем
черни, имеющий большой коэффициент поглощения в широкой области спек
тра, или полупроводник с большим температурным коэффициентом сопротив-
ления ~ 0,04-0,06 К-1. Размер и форма термочувствительного элемента опреде
ляется природой источника. Обычно он представляет собой две одинаковые полоски, вторая используется для компенсации в основном температурных помех.
Разность температур Δ Т12 преобразуется в разность сопротивлений Δ R, проявляемых в разности токов Δ J и разности напряжений Δ V на нагрузочном сопротивлении.
Металлические элементы в виде фольги или пленки из никеля, золота или
висмута, имеют следующие значения параметров:
Ni Bi
R 5–10 Ом 150–200 Ом
Чувств. 7–10 В/Вт 13–15 В/Вт
τ 0,02 с 0,02 с
Полупроводниковые элементы из NiO, МnO, CоO изготавливаются по тол-
стопленочной 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 же
время возрастает инерционность. Перспективными считаются болометры на
основе сверхпроводниковых материалов.
Болометры относятся к приемникам ИК–излучения. Их основное достоинст-
во и основной недостаток заключается в том, что они являются широкополос
ными приемниками излучения постоянной интенсивности.
Пироэлектрические приемники
пироэлектрический эффект, использующий температурную зависимость спонтанной поляризации сегнетоэлектрических материалов, т.е. они являются также тепловыми приемниками.
Тепловые приемники излучения на основе пироэлектриков мож-
но рассматривать как генераторы напряжения, внутреннее сопротивление которых носит емкостной характер, поэтому они пригодны для регистрации потоков излучения переменной интенсивности.
Чувствительный элемент в пироэлектрических приемниках представляет собой тонкую пластину пироэлектрика
(триглицинсульфат, BaTiO3, PbTiO3 и др.) с электродами на поверхности пер-
пендикулярной полярной оси.
Электрод со стороны источника покрыт слоем
поглотителя (0,2–12 мкм). Наиболее высокое значение пирокоэффициента из
распространенных пироэлектриков имеет керамика на основе цирконата-
титаната свинца, легированного лантаном (ЦТСЛ) - до 400 мкКл/м2*К, но материал имеет и существенный недостаток – низкую температурную стабильность.
Чувствительность пироэлектрических приемников постоянна в широком
диапазоне частот, поэтому они могут быть использованы при высоких частотах модуляции излучения (до 50 МГц), тогда как другие теплоприемники используются до 100 Гц.
Пироэлектрические приемники применяются для регистра-
ции излучения с частотой от 1010 до 1020 Гц, т.е. от инфракрасного до γ-излу-
чения, диапазон регистрируемой мощности 10-9–109 Вт. Они могут использо-
ваться при измерении быстро меняющихся тепловых процессов: в тепловиде-
нии, лазерной технике, в медицинских и космических приборах, преобразова-
телях энергии, в частности, в пироконах, преобразующих распределение температуры неравномерно нагретых поверхностей в световые образы.
Фоторезисторы
Фоторезистор – фотоэлектрический полупроводниковый приемник излуче-
ния, принцип действия которого основан на эффекте фотопроводимости. В ос
нове его используется явление внутреннего фотоэффекта (фотопроводимости), открытого У. Смитом в 1873 г. Эффект заключается в том, что при освещении однородного 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*)
И др., а также специфические параметры:
- сопротивление в темновом RT
- засвеченном Rсв состояниях,
- их отношение RT/Rсв,
- постоянные времени релаксации фотопроводимости τ.
Упрощенная теория фоторезисторов, позволяющая связать параметры при-
боров с параметрами используемых материалов, использует следующие основные допущения:
1) . Геометрически резистор представляет собой параллепипед (рис.).
2) . Излучение полностью поглощается в полупроводнике, квантовый выход
внутреннего фотоэффекта η =1.
3) . Пленка освещена равномерно и генерация однородна по толщине.
4) . Поверхностными и контактными эффектами пренебрегают.
5) . Дрейф и рекомбинация в объеме характеризуются некоторыми усреднен-
ными 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 электрон-
ную, т. е. неосновные носители заряда сразу же захватываются ловушками.
Рис. Упрощенная схема фоторезистора
Эти ограничения позволяют легко определить все основные параметры.
Ток через фоторезистор –
JФ = VR/Rсв,
где VR - напряжение, приложенное к
фоторезистору.
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 пролета электрона через фоторезистор.
К особенностям данных соотношений относится то, что значения всех пара-
метров возрастают, когда μn*τn возрастает, то есть, для фоторезисторов лучше
использовать полупроводники с большими подвижностями μn и временами
жизни носителей τn, что является редко совместимым. Поскольку RT/Rсв~ 1/V,
то выгодно уменьшать объем полупроводника. Коэффициент усиления и чувствительность Z и SФ возрастают ~ VR/l2, но при высоких напряженностях поля в полупроводнике образуется пространственный заряд, и когда он захватывает всю область между контактами, тогда tпр=τм – времени диэлектрической релаксации, не зависящему от приложенного напряжения.
Предельное теоретическое значение коэффициента усиления Zmax=τn/τм для
высокоомных полупроводников достигает 106–107. В низкоомных полупроводниках с ростом напряжения уменьшается μn и происходит ограничение скорости носителей заряда, приводящее к насыщению коэффициента усиления
Zmax=τn*Vmax/l.
С ростом величины приложенного напряжения VR и мощности падающего
излучения Pизл происходит разогрев фоторезистора и увеличение шумов, тогда RT уменьшается, Rсв - увеличивается. Максимальная рабочая температура связана с шириной запрещенной зоны применяемого полупроводника и длиной волны оптического излучения следующими соотношениями:
Tmax = C1*Eg =C2*λ,
где Eg измеряется в эВ; λ - в мкм. C1 – 400-800 К/эВ для примесного и
собственного поглощения в полупроводниках; C2 – 500-1000 К/мкм.
Инерционность фоторезистора, определяемая значениями постоянной времени релаксации полупроводника, τрел = С3*τn, где обычно С3 = 1, зависит от степени возбуждения и типа фотопроводника.
Добротность фоторезистора характеризуется произведением коэффициента
усиления на полосу частот, - Q = Z/τрел = μn*VR/l2.
Основными материалами, используемыми для изготовления фоторезисторов,
являются полупроводниковые соединения: CdS, CdSe, PbS, получаемые по толстопленочной и тонкопленочной технологии, а также - Si, Ge, GaAs, используемые в полупроводниковой технологии.
Достоинствами фоторезисторов являются линейность вольтамперной харак
теристики, отсутствие выпрямления и внутренней ЭДС,
основным недостатком
– невысокое быстродействие.
Фотодиоды
Фотодиод – фоточувствительный полупроводниковый диод с р-n переходом.
При освещении р-n перехода в нем возникают электронно-дырочные пары, которые разделяются электрическим полем (фотовентильный режим). Если фотодиод включен на бесконечно большую нагрузку, то в нем реализуется фотовольтаический эффект.
В р-n переходе возникает фотоЭДС в результате накопления зарядов – VФ. Если внешняя цепь замкнута, то в ней при освещении фотодиода протекает фототок JФ.
Направление тока совпадает с направлением обратного тока перехода.
VФ – смещает p-n переход в прямом направлении, сни-
жая величину потенциального барьера.
Вольт-амперная характеристика фотодиода описывается выражением:
J =Jo(exp (eV/kT)–1) – JФ.
Если J = 0,
V = VФ = kT*ln(JФ/Jo+1),
таким образом - VФ -напряжение холостого хода, нелинейно зависит от Ф.
Рис. Энергетическая диаграмма p-n перехода.
Если сопротивление внешней цепи бесконечно мало - VФ = 0, в ней протекает
ток J = JФ - ток короткого замыкания.
Если весь свет поглощается вблизи p-n
перехода,
JФ = e*η*Ф/hν.
Если часть света поглощается за его пределами, то
вместо квантового выхода η подставляется величина
ηo = η*KC,
где KC - коэффициент собирания фотоэлектронов и дырок (<1).
Время пролета электронами и дырками области поля в p-n переходе опреде-
ляется скоростью дрейфа и составляет ∼ 10-10с. Однако значительная часть из
лучения поглощается за пределами области пространственного заряда, фотогенерированные носители попадают в ОПЗ вследствие диффузии. Диффузионная длина неосновных носителей заряда в кремнии Ln,p составляет ∼ 5*10-3 см, что ограничивает время диффузионного переноса - τ∼10–6-10–7с.
Область спектральной чувствительности определяется зависимостью коэф-
фициента поглощения от длины волны оптического излучения α(λ). Длинно-
волновая граница λmax определяется шириной запрещенной зоны используемого полупроводника и составляет 1,1 мкм для кремния и 1,7 мкм для германия, для больших длин волн поглощение резко уменьшается. Коротковолновая граница
λmin определяется резким увеличением коэффициента поглощения >105 см–1,
тогда поглощение происходит очень близко к поверхности, где велика скорость рекомбинации (λmin∼ 0,3 мкм для Si и Ge).
Частотные характеристики фотодиодов определяются тремя факторами:
- диффузией,
- дрейфом
- емкостью ОПЗ.
Для уменьшения длительности диффузионных процессов переход располагают близко к поверхности. В фотодиодах с
p-n переходом основное поглощение излучения происходит не в ОПЗ, а в p- или n-области. Так как, обычно, Dn>Dp, в качестве внешней используют p-область.
Для уменьшения длительности процессов перезарядки емкости ОПЗ умень-
шают емкость р-n перехода, оптимизируя его толщину, dопт∼ 5 мкм. Фотодиод не обладает внутренним усилением (Z = 1).
Для снижения потерь на отражение света от поверхности используют про-
светляющее покрытие, обычно пленки ZnS (n = 2,3).
Достоинства фотодиодов:
1. Простая технология, однородность параметров изготавливаемых структур
(что особенно важно для многоэлементных приемников).
2. Малое сопротивление базы обеспечивает высокие значения фотоЭДС (для
Si до 0,7- 0,8 В).
3. Совместимость технологии с технологией ИС, что дает возможность изго-
тавливать интегральные фотоприемники.
P-i-n фотодиоды
P-i-n фотодиоды представляют собой наиболее типичные фотоприемники на
основе р-n переходов с большим обедненным слоем. Структура этих диодов
включает n+-основу, достаточно широкую слаболегированную i-область и тонкую p+-область. Оптимальное сочетание высокой чувствительности и быстродействия в них обуславливается малым влиянием процессов диффузии носителей.
Изготовление структур производится с использованием планарно-эпитак-
сиальной технологии. В качестве базовой подложки используется высокоомный
слаболегированный кремний р-типа проводимости (π-Si, ρ>104 Ом*см) тол-
щиной 200 мкм. На ней с помощью эпитаксии выращивается пленка n+-Si с
ρ<0,01 Ом*см толщиной 30-70 мкм. Затем производится подшлифовка пластины со стороны высокоомной области до ее толщины 30-70 мкм. (Прямая эпитаксия слаболегированного кремния ρ>100-1000 Ом*см на низкоомной подложке затруднительна, так как процесс должен протекать очень долго, при этом образуется повышенная плотность дефектов.) На высокоомной стороне пластины диффузией формируется низкоомный p+-слой толщиной 0,2-0,3 мкм.
Рис. Энергетическая диаграмма p-i-n фотодиода при освещении под об-
ратным смещением (а) и относительные размеры p-i-n областей структуры (б н).
Рис. Структура p-i-n фотодиода.
К достоинствам p-i-n фотодиодов относятся следующие.
1. Высокая фоточувствительность (для λ ≈ 0,9 мкм SJmax ≈ 0,7 А/Вт) и высокое
быстродействие (10 –9–10 –10 с).
2. Высокая фоточувствительность в длинноволновой части спектра (обуслов-
лена широкой i-областью).
3. Малая барьерная емкость.
4. Высокая эффективность при малых обратных напряжениях.
К недостаткам p-i-n фотодиодов относятся.
1. Малая фотоЭДС (≤ 0,35-0,45 В).
2. Повышенные токи утечки.
3. Невысокая воспроизводимость.
4. P-i-n диоды не совместимы с ИС.
Фотодиоды с барьером Шоттки
Фотоприемники с поверхностным барьером Шоттки также обладают высоким быстродействием и эффективностью. Барьеры на контакте металла с полупроводником могут быть получены и на полупроводниковых материалах, в которых невозможно создать р-n переходы. Если электронный полупроводник контактирует с металлом, у которого работа выхода меньше работы выхода полупроводника, то определенное число электронов переходит из полупроводника в металл. Ионизированная донорная примесь в полупроводнике образует слой положительного пространственного заряда, обладающий высоким сопротивлением. При включении диода в обратном направлении ширина ОПЗ увеличивается в соответствии с формулой
dОПЗ = [ 2εε0 (ϕ K + V)/ eND]1/2,
где φК – контактная разность потенциалов.
Если ND = 1017 см –3; V ≈ 1-5 B;
то d ≈ (1-10)*10 –5 см.
Тонкий слой металла толщиной 0,01 мкм наносится на полупроводник вакуумным напылением. Для уменьшения потерь излучения, вызываемых отражением света от поверхности металла, на него наносят просветляющее покрытие (обычно пленка ZnS).
Излучение направляют сквозь полупрозрачную пленку металла (слой Au
пропускает 95% потока излучения с λ = 0,63 мкм). Если d >х*, основная часть излучения поглощается в ОПЗ. Возникающие электронно-дырочные пары быстро разделяются полем и время пролета носителей может быть очень малым (10-11-10-10 с). Таким образом, фотодиод с барьером Шоттки является аналогом p-i-n фотодиода в коротковолновой части спектра, когда все излучение поглощается в ОПЗ. В этих фотодиодах с уменьшением длины волны излучение так же поглощается в слое пространственного заряда, но ближе к металлу. Поэтому коротковолновая граница спектральной области смещается в сторону меньших значений и они могут использоваться как эффективные приемники ультрафиолетового излучения. Длинноволновая граница определяется величиной потенциального барьера контакта металл-полупроводник и расположена дальше, так как высота барьера всегда меньше ширины запрещенной зоны. Таким образом, спектральная область фотодиодов с барьером Шоттки значительно шире в обе стороны, чем у p-n переходов.
studfiles.net
Количество просмотров публикации Приемники оптического излучения - 100
Литература
Методы спектрального разделения светового потока
Методы пространственного разделения светового потока
Разделение светового потока крайне важно для выделения полезного сигнала на фоне действующих на вход прибора оптических помех (фильтрация). Также разделение светового потока используется при проектирование двух- и многоканальных оптико-электронных приборов и систем.
Пространственное разделение светового потока осуществляется с помощью специальных устройств – диспергирующего элемента. В качестве диспергирующего элемента используются диафрагмы, щели, растры, спектральные призмы, дифракционные решетки и др.
Схема прибора с пространственным разделением светового потока приведена на рисунке 20.
Щ1 – входная щель; Л1, Л1 – линзы или объективы; Щ2 – выходная щель или фотопластинка, ДЭ – диспергирующий элемент
Рисунок 20 – Схема спектрального прибора с пространственным разделением светового потока с помощью угловой дисперсии
Освещаемая исследуемым излучением входная щель Щ1 находиться в фокальной плоскости коллиматорного объектива Л1, который направляет на диспергирующий элемент ДЭ параллельный пучок лучей. Второй объектив Л2 фокусирует вышедшие из ДЭ параллельные пучки, создаваемые параллельными пучками изображения входной щели – спектральные линии – получаются в разных местах фокальной плоскости Л2 исходя из длины волны.
Спектральное разделение светового потока осуществляется с помощью оптических фильтров. Цель использования оптических фильтров – ограничение излучения, падающего на фотоприемник, определенным интервалом длин волн.
Один из возможных способов построения приборов со спектральным разделением (спектральной фильтрацией) светового потока приведен на рисунке 21.
Lλc и Lλп – яркости источника сигнала и помех;
Ф – оптический цветоделительный фильтр; БЛ – блок логики
Рисунок 21 – Схема прибора, реализующего способ
двухцветной спектральной фильтрации
По принципу действия оптические фильтры делятся на:
- абсорбционные;
- отражательные;
- дисперсные;
- интерференционные.
Абсорбционные светофильтры обладают спектральной избирательностью, обусловленной различным поглощением различных участков спектра электромагнитного излучения. Наиболее массовые фильтры. Производятся на базе окрашенных оптических стёкол или органических веществ (к примеру, из желатина).
Стеклянные фильтры отличаются стабильностью характеристик, высокой устойчивостью к температурным и иным воздействиям.
Желатиновые фильтры, несмотря на большее разнообразие оптических характеристик, механически непрочны, быстро выцветают, и потому намного менее распространены, чем стеклянные.
Пластмассовые фильтры находят применение благодаря намного большей лёгкости окраски и разнообразия получаемых свойств по сравнению со стеклянными. Οʜᴎ долговечнее желатиновых.
Жидкостные светофильтры – сосуды со стеклянными стенками, заполненные растворами красителей. Используются редко, в основном в научных исследованиях, при наличии у используемого вещества уникальных характеристик.
Действие отражательных фильтров основано на спектральной зависимости отражения непрозрачного материала. Преимуществом отражательного фильтра перед абсорбционными является единственность участвующей в оптической системе поверхности и отсутствии хроматических аберраций, вносимых преломляющими прозрачными средами.
Дисперсные светофильтры основаны на зависимости показателя преломления от длины волны. В сочетании с отражающими и/или интерференционными фильтрами, а также растром часто служат для создания расщепляющих оптических систем — дихроических призм. Находят применение в современных мультимедийных проекторах, где являются основным инструментом разделения светового потока мощной лампы накаливания на три спектральных диапазона. Применяются в качестве эффектных фильтров для получения радужных изображений.
Интерференционные фильтры отражают одну и пропускают другую часть спектра падающего излучения, благодаря явлению многолучевой интерференции в тонких диэлектрических плёнках. Также называются дихроичные фильтры. Простейшая конструкция такого фильтра представляет собой тонкую пленку, обладающую требуемыми спектральными характеристиками и имеющую определенную толщину и два стекла, расположенные по обе стороны от пленки. Толщина пленки напрямую связана с центральной длиной волны полосы пропускания такого фильтра. Пленка наносится на одно из стекол путем напыления в глубоком вакууме, затем сверху эта пленка закрывается вторым стеклом для защиты пленки от внешних воздействий. Пленка состоит из металла, обладающего требуемыми спектральными характеристиками, чаще это серебро или золото. В последнее время в качестве материала стали использовать диэлектрики.
Для получения более качественных характеристик интерференционного фильтра используют поочередное напыление пленок разных толщин из разных материалов.
Дисперсные фильтры, как и интерференционные обладают одним недостатком – полоса пропускания фильтра сдвигается при изменении угла падения света на фильтр. Размещено на реф.рфК примеру, при изготовлении интерференционных фильтров заранее оговаривается диапазон углов падения лучей на фильтр (как правило: 0±15о или 45±15о). В случае если угол падения луча на интерференционный фильтр больше заявленного, то полоса пропускания смещается в коротковолновую область. В дисперсных фильтрах наблюдается тот же эффект. При этом чувствительность к изменению угла падения у дисперсного фильтра выше чем у интерференционного, в связи с этим предпочтительнее использовать интерференционные фильтры.
Особенностью интерференционного фильтра является то, что он пропускает не только ту полосу длин волн, для которой изготавливался (основная полоса пропускания), но и полосы с центральными длинами волн, отстоящими на октаву от предыдущей полосы. Τᴀᴋᴎᴍ ᴏϬᴩᴀᴈᴏᴍ, интерференционный фильтр с основной длиной волны равной λ является многополосным фильтром с центральными длинами волн: λ, 2λ, 4λ, 8λ, и т.д. Следует заметить, что вторичные максимумы пропускания меньше основного и убывают с увеличением ʼʼрасстоянияʼʼ до основного максимума (рисунок 21). На рисунке основной максимум обозначен как ʼʼ0ʼʼ.
Рисунок 22 – Максимумы пропускания интерференционного фильтра
Это свойство должна быть легко устранено путем сочетания интерференционного фильтра с абсорбционным при условии, что оба фильтра имеют одну и ту же центральную длину волны. В этом случае абсорбционный фильтр обеспечивает удаление из пропускаемого спектра длины волн, далеко отстоящих от центральной длины волны (отстоящие на октаву и дальше), а интерференционный фильтр улучшает крутизну среза полосы пропускания абсорбционного фильтра. В результате такой сдвоенный фильтр имеет узкую полосу пропускания. Следует заметить, что применение сочетания таких фильтров приводит к уменьшению коэффициента пропускания в полосе пропускания. Вместе с тем, в случае если свет падает на сочетание таких фильтров со стороны абсорбционного фильтра, то свет, непрошедший через фильтр, будет поглощаться абсорбционным фильтром, в случае если свет падает со стороны интерференционного фильтра, непрошедший свет будет отражаться.
1. Годжаев, Н.М. Оптика: Учебное пособие для физических специальностей вузов /Н.М. Годжаев : учебное пособие / Н.М. Годжаев. - М. : Выcшая школа, 1977. - 432 с.
2. Оптика, 6-е изд. / Ландсберг Г.С. -М.: ФИЗМАТЛИТ, 2006. - 848 с.
3. Якушенков, Ю.Г. Теория и расчет оптико-электронных приборов : учебник для приборостроит. спец. ВУЗов / Ю. Г. Якушенков. - 3-е изд., перераб. и доп. - М. : Машиностроение, 1989. - 359 с. : ил. - Б. ц.
Устройство, предназначенное для преобразования оптического сигнала в электрический, называют приемником оптического излучения (приемником излучения, фотоприемником). К приемникам оптического излучения часто относят устройства, преобразующие ИК или УФ излучение в видимое, к примеру, электронно-оптические преобразователи, фотопленки различных видов и другие фоточувствительные материалы, а также фотоприемные устройства (ФПУ), в которых в единую конструкцию объединены собственно приемник ПИ и схема предварительной обработки электрического сигнала, к примеру схема предварительного усиления.
Помимо преобразования одного вида энергии (оптической) в другой (электрическую) многие специальные приемники излучения и ФПУ выполняют в ОЭП и другие функции: преобразуют закон распределения освещенности (а не просто поток излучения) в соответствующий электрический сигнал, служат для анализа закона распределения освещенности в изображении, определения координат изображений и их отдельных зон, фильтрации полезного сигнала на фоне помех и т.д. Типичными ПИ такого типа являются электровакуумные передающие телевизионные трубки, а также их твердотельные аналоги, к примеру ПЗС-матрицы.
referatwork.ru
Обычные светоизлучающие диоды
Суперлюминисцентные светодиоды
Лазерные светодиоды
Фотодиоды
Фототранзисторы
p-i-n фотодиоды
Лавинные фотодиоды
Имеется множество различных устройств, которые способны преобразовывать электронные сигналы в световое излучение и наоборот, что необходимо для дальнейшего их применения в волоконно-оптических телекоммуникационных системах. Но, в настоящее время, только два типа таких устройств: светодиоды и инжекционные лазеры, вырабатывают излучение, которое действительно пригодно для использования в волоконно-оптических линиях. Устройства обоих типов представляют собой полупроводниковые диоды с переходами на основе соединений элементов третьей и пятой групп периодической таблицы (например, арсенид галлия или фосфид индия).
Светоизлучающие диоды характеризуются большим сроком службы, меньшим временным дрейфом параметров, большей линейностью и меньшей температурной зависимостью излучаемой мощности, низкой стоимостью и простотой эксплуатации. Излучение возникает в процессе рекомбинации носителей заряда, которые образуются при прохождении тока через диод. Поскольку, оно имеет спонтанный характер, который определяется случайными характеристиками, можно использовать только модуляцию по интенсивности излучения. Мощность излучения светодиодов может достигать нескольких десятков мкВт, ширина спектра - до 200 нм, а ширина диаграммы направленности (ширина пучка) - до 120°. Для достижения максимальной эффективности было идеально, если бы все излучение от источника поступало в линию. Для светодиодов потери мощности при переходе в линию составляют 10 дБ. Кроме того, поскольку излучение - не когерентное, то есть оно происходит в некотором спектральном диапазоне, будет происходить дополнительное искажение передаваемого сигнала (уширение импульсов), за счет различий в распространении разных спектральных составляющих. Понятно, что не плохо было бы добиться сужения пучка излучения и его спектра. Направленность излучения можно улучшить путем применения линз.
Наиболее оптимальное решение для светоизлучающих диодов реализовано в суперлюминисцентных светодиодах, в которых происходит усиление спонтанного излучения за счет волноводного распространения вдоль p-n перехода. Пучок их излучения - уже, до 30°, а спектр - 20-80 нм. Эти диоды занимают промежуточное положение между обычными светодиодами и лазерными.
Излучение лазера имеет вынужденную природу, оно образуется, когда падающий фотон вызывает переход электронов со второго энергетического уровня, на котором предварительно была сформирована инверсная заселенность, на первый. При этом выделяются фотоны излучения, направленного в одну сторону с одинаковыми длиной волны и поляризацией, то есть образуется когерентное излучение. При наличии отражающих торцов или других оптических резонаторов. Вынужденное излучение лазерных диодов позволяет использовать модуляцию по параметрам световой волны, например частотную. Кроме того, они характеризуются максимальной для полупроводниковых излучателей мощностью до нескольких сотен милливатт, минимальной шириной спектра и очень узкой направленностью. Поскольку лазерные диоды отличаются более сложной конструкцией и большими электрическими нагрузками, то они уступают в надежности, удобстве эксплуатации и стоимости. Это определяет их преимущественное применение для осуществления передачи на дальние расстояния в магистральных линиях.
studfiles.net
