Характеристики фотоприемников

 

Фотоприемники являются приборами, реагирующими на поток излучения и эта реакция описывается рядом характеристик:

1.Вольт-амперная характеристика отражает зависимость тока, проходящего в цепи фотоприемника, от напряжения на нем, т. е. , - общий ток.

2.Спектральная характеристика - определяет реакцию фотоприемника на воздействие излучения с различной длиной волны. Она определяет спектральную область применения приемника, а также его спектральную и интегральную чувствительность.

3.Энергетическая (световая) характеристика отражает зависимость фотоответа от интенсивности возбуждающего потока излучения. Эта характеристика может иметь конкретный вид как ампер-ватная, вольт-ватная, люкс-амперная характеристики.

Энергетической характеристикой называют также зависимость интегральной и спектральной чувствительности приемника от интенсивности засветки.

4.Температурные характеристики определяют зависимость таких параметров фотоприемника, как темновой ток, темновое сопротивление, чувствительность от температуры окружающей среды. Рабочая область температур регламентируется соответствующими техническими условиями эксплуатации, где оговариваются значения основных параметров в крайних точках рабочих температур при номинальном напряжении питания фотоприемника.

Температурный коэффициент фототока определяется соотношением:

%

где I₁ и I₂ - световой ток при температуре Т₁ и Т₂ соответственно.

5.Пороговые характеристики описывают способность фотоприемника реагировать на световые сигналы слабой интенсивности. Пороговые характеристики в значительной степени определяются собственными шумами прибора, которые представляют флуктуации тока в отсутствие засветки.

Шумы могут иметь следующие природы:

- тепловой или белый шум проявляется в виде беспорядочных колебаний на выводах фотоприемника;

- генерационно-рекомбинационный (дробовый) шум определяется флуктуацией концентрации и времени жизни носителей заряда.

- радиационный шум обусловлен случайными флуктуациями потока излучения.

6.Частотные характеристики определяют зависимость фоточув-ствительности от частоты модуляции света. Они являются характеристикой инерционности фотоприемника.

Фотоприемники характеризуются следующими параметрами:

1. Рабочее напряжение фотоприемника U_p - постоянное напряжение, приложенное к фотоприемнику, при котором обеспечиваются номинальные параметры при длительной работе.

2. Максимально допустимое напряжение U_max -максимальное значение постоянного напряжения, при котором отключение параметров прибора от номинальных значений не превышает установленных пределов.

3. Мощность рассеивания, выделяемая при прохождении фототока, определяющий разогрев фотоприемника. Каждый фотоприемник характеризуется определенным значением максимальной мощностирассеивания, которое не должно превышаться.

4. Тепловое сопротивление R_T -сопротивление фотоприемника в отсутствие падающего на него излучения.

5. Дифференциальное сопротивление R_Д - отношение малых приращений напряжения и тока на фотоприемнике.

6. Темновой ток фотоприемника I_T - ток, проходящий через фотоприемник при указанном напряжении питания на нем в отсутствии падающего на него излучения.

7. Коротковолновая ( длинноволновая ) граница спектральнойчувствительности - наименьшая (наибольшая) длина волны монохроматического излучения, при котором монохроматическая чувствительность фотоприемника равна 0,1 ее максимального значения.

8. Динамический диапазон линейности (в децибелах) - характеризует область значении лучистого потока Ф от Ф_max до Ф_min, для которой энергетическая характеристика линейна:

.

9. Максимум спектральной характеристики фотоприемника - длина волны, соответствующая максимальной чувствительности фотоприемника.

10. Токовая фоточувствительность S_i (А/лк или А/Вт) - определяет значение фототока, создаваемого единичным потоком излучения.

11. Вольтовая чувствительность S_u - характеризует значение сигнала в вольтах, отнесенные к единице падающего потока излучения. Единица измерения (В/Вт) или (В/лк).

Токовая и вольтовая чувствительности называются интегральными,если они характеризуют чувствительность к интегральному потоку излучения, имонохроматическими если характеризуют фоточувствительность к монохроматическому излучению.

12. Пороговая чувсвительность Р_пор определяет уровень мощности светового потока, при котором сигнал равен шуму.

13. Инерционностьфотоприемников характеризуется постоянными времён нарастания фронта t_н и спада t_сп фотоответа при импульсной засветке. Ими определяются предельные рабочие частоты модуляции света, при котором не происходит заметного уменьшения фотоответа.

14. Напряжение шума фотоприемника U_ш - среднее квадратичное значение флуктуации напряжения на заданной нагрузке в цепи фотоприемника в указанной полосе частот.

15.Ток шума фотоприемника I_ш - среднее квадратичное значение флуктуации тока, проходящего через фотоприемник в указанной полосе частот.

16. Коэффициент фотоэлектрической связи многоэлементного фотоприемника К_ф.с - отношение напряжения сигнала с необлученного элемента в многоэлементном фотоприемнике и напряжению фотосигнала с соседнего облученного элемента, определяемое на линейном участке энергетической характеристики и рабочим напряжением во всех элементах.

 

Фотодиоды

Принцип действия и режимы эксплуатации фотодиодов. Полупроводниковым фотодиодом называют полупроводниковый диод, обратный ток которого зависит от освещенности. Фотодиоды являются быстродействующими фотоприемниками и применяются для регистрации модулированного по интенсивности излучения.

Упрощенная структурная схема фотодиода и физические процессы, протекающие в нем, показаны на рис.8.13. Основным элементом фотодиода является p-n - переход. При освещении n -области перехода происходит генерация электронно-дырочных пар. Эти носители диффундируют в глубь n -области. Если ширина n -области w достаточно мала, то носители не успевают рекомбинировать в n -области и достигают границу p-n - перехода. Электроны и дырки разделяются электрическим полем p-n - перехода напряженностью E₀, при этом дырки будут захвачены ускоряющим полем перехода и переходят в p -область, а электроны не могут преодолеть поле перехода и будут скапливаться у границы p-n - перехода в n -области. Поэтому фототок через p-n - переход обусловлен дрейфом не основных носителей - дырок.

Рис.8.13. Структурная схема фотодиода

 

Дрейфовый поток носителей образует фототок I_Ф. Дырки "заряжают" p -область положительно относительно n-области, а электроны - n -область отрицательно по отношению к p -области. Возникшая таким образом разность потенциалов называется фото-ЭДС E_Ф. Она снижает внутренний потенциальный барьер Е₀ до значения DЕ»Е₀ - Е_Ф. При этом должна выполнятся условие Е_Ф < Е₀, т. к. в противном случае исчезает "разделительные свойства" p-n - перехода.

Для обеспечения высокой чувствительности к излучению необходимо, чтобы в фотодиоде диффузионная составляющая тока была минимальной. Поэтому фотодиод работает или без внешнего напряжения в фотогальваническом режиме, или при обратном внешнем напряжении, называемом фотодиодным режимом. Схемы включения имеют вид, показанный на рис.8.14.

 

Рис.8.14. Схемы включения фотодиода: а) и б) – соответственно, фотогальванический и фотодиодный режимы.

 

Фотогальванический режим (рис.8.14.а) характеризуется тем, что фотодиод работает генератором фото-ЭДС. При этом ток фотодиода равен:

I _ФД = U / R_Н = I_Ф-I_Т = I_Ф-I₀( -1). (8.35)

где I₀ – обратный ток насыщения, j_T=kT/e - температурный потенциал,
e - заряд электрона.

В фотодиодном режиме работы (рис.8.14.б) последовательно с фотодиодом включается источник обратного напряжения Е_обр. При этом ток фотодиода равен: I_ФД = I_Ф+I_T»I_Ф.

Вольт - амперные и спектральные характеристики фотодиода. В общем случае ток фотодиода описывается выражением (8.35).

I_ФД = U / R_Н = I_Ф(Ф)-I₀ ( -1).

Это выражение представляет собой зависимость тока фотодиода I _ФД от напряжения на фотодиоде при различных значениях потока излучения Ф, т. е. является уравнением вольт - амперной характеристики фотодиода.

Рис.8.15. Семейство вольт–амперных характеристик фотодиода.

Типичное семейство вольт - амперных характеристик фотодиода приведено на рис.8.15.

Семейство вольт - амперных характеристик фотодиода расположено в квадрантах I, III и IV.

Квадрант I не рабочая область для фотодиода, т. к. к p-n - переходу приложено прямое напряжение и диффузионная составляющая тока полностью подавляет фототок.

Квадрант III – рабочая область работы фотодиода. В рабочем диапазоне обратных напряжений фототок практически не зависит от обратного напряжения и сопротивления нагрузки.

Квадрант IV соответствует фотогальваническому режиму. По точкам пересечения вольт - амперных характеристик с осью напряжения можно определить фото-ЭДС при различных потоках Ф. У кремниевых фотодиодов значение фото-ЭДС равно ~0,5 В.

Спектральная характеристика фотодиода подобна аналогичной характеристики фоторезистора. Спектральные характеристики германиевого и кремниевого фотодиода имеют вид, показанный на рис.8.16.

Рис. 8.16. Спектральные характеристики некоторых фотодиодов:

1 -кремний, 2 - германий.

 

Длинноволновая граница фоточувствительности определяется значением ширины запрещенной зоны Eg. Спад коротковолновой части объясняется ростом коэффициента поглощения с уменьшением длины волны и поглощением большей части излучения приповерхностным слоем.

 

P-i-n – фотодиоды

Одним из основных параметров фотодиодов является быстродействие, определяемое его инерционностью. Увеличить быстродействие фотодиода без снижения его чувствительности возможно в фотодиодах с p-i-n - структурой. Упрощенная структурная схема p-i-n - фотодиода представлена на рис.8.17.

Рис.8.17. Структурная схема p-i-n – фотодиода

 

В p-i- n -структуре i -областью является высокоомный полупроводник, на противоположных плоскостях которой выращивают низкоомные слои p⁺ и n⁺ -типов проводимости. Эти слои получаются сильным легированием. Сопротивление i -слоя в 10⁶-10⁷ раз больше чем легированных слоев. При достаточно больших обратных напряжениях сильное и почти однородное электрическое поле E распространяется на достаточно широкую i -область. Повышение быстродействия обусловлено тем, что процесс диффузии через базу, характерный для обычной структуры, в p-i-n -структуре заменяется дрейфом носителей через i -область в сильном электрическом поле. Время дрейфа дырок через i -область составляет: t_др = w/v_p = w/m_pE, (8.36)

где V=m_pE – скорость дрейфа дырок в электрическом поле.

При E=2×10⁶ В/м дрейфовая скорость равна V»(6¸8)×10⁴ м/с. В данном случае при w=10^-2 мы получим t_др≈10^-8-10^-9 с. Граничная частота для этого диода ∆f≈10⁹ Гц.

Темновой ток, например, кремниевых p-i-n - диодов очень мал и лежит в пределах I_Т≈(1¸8)×10^-9 А.

P-i-n - фотодиоды имеют следующие основные достоинства:

1. Сочетание достаточно высокой чувствительности и высокого быстродействия.

2. Малая барьерная емкость.

3. Малые рабочие напряжения в фотодиодном режиме (несколько вольт), что обеспечивает электрическую совместимость с интегральными микросхемами.

Недостатками p-i-n - фотодиодов являются:

1. Требование высокой чистоты i- области.

2. Плохая технологическая совместимость с тонкими легированными слоями интегральных схем.

 

Лавинные фотодиоды

В обычном фотодиоде при поглощении света один фотон образует одну электронно-дырочную пару. Неосновные носители этих пар или рекомбинируют, или протекают через p-n - переход, обуславливая фототок.

В лавинных фотодиодах носители, проходящие через p-n - переход, приобретают в сильном электрическом поле перехода (рис.8.18) энергию, достаточную для ударной ионизации атомов решетки, и создают на своем пути вторичные пары. В результате фототок за счет лавинного умножения значительно увеличивается. Вследствие лавинного умножения носителей при увеличении обратного напряжения возникает лавинный пробой, что приводит к значительному быстродействию фотодиода. В качестве примера в таблице 8.1. представлены параметры лавинного фотодиода ЛФД-2-А.

Для развития лавинного пробоя необходимо выполнение двух условий:

-толщина p-n - перехода, в которой сосредоточено внутреннее электрическое поле, должна превышать длину свободного пробега неосновных носителей заряда;

-энергия, накапливаемая не основными носителями в область перехода, должна быть достаточной для возбуждения валентных электронов полупроводника, т.е. превышала порог ударной ионизации

. (8.37)

Напряжение лавинного пробоя связано с удельным сопротивлением полупроводника следующим соотношением: , (8.38)

где а и b – постоянные, зависящие от разновидности полупроводника, например, для германия b =85, а=0,62.

 

 

Рис.8.18. а) - структура ЛФД, б) - распределение концентрации примеси, в) - распределение электрического поля.

 

Зависимость коэффициента лавинного усиления от напряжения на фотодиоде приближенно выражается следующим соотношением:

(8.39)

Типичные характеристики коэффициентов лавинного умножения для кремниевых лавинных фотодиодов G_max≈10⁴÷10⁶, для германиевого лавинного фотодиода G_max≈200÷300.

Вольтамперные характеристики лавинного фотодиода (рис.8.19) описываются выражением: , (8.40)

где U₀ -напряжение источника напряжения, I -фототок в отсутствии лавинного усиления.

 

 

Рис.8.19. Вольтамперные характеристики лавинного фотодиода Ф₂>Ф_1.