1.1.2. Виды фотоприемников и их основные характеристики

Как уже отмечалось, в основе работы полупроводниковых фотоприемников лежит явление внутреннего фотоэффекта, при котором под действием света в веществе появляются дополнительные (неравновесные) электроны и дырки, создающие фототок или фото-э. д. с.

Степень изменения электрических характеристик фотоприемника при освещении зависит от скорости генерации фотоносителей G, т. е. от числа носителей (электронно-дырочных пар), возникающих за единичное время в единичном объеме вещества. Для фотоприемника с р-п-переходом важна величина G и общее число возникающих пар как в области самого перехода, в которой присутствует сильное электрическое поле, увлекающее носители, так и в тонких слоях, прилегающих к переходу. Возникшие в этих слоях фотоэлектроны и дырки после диффузии к переходу также подхватываются электрическим полем и создают дополнительный ток в цепи. Таково происхождение фототока в фотодиодах с р-п -переходами, которые являются сейчас наиболее используемыми фотоприемниками. То же происходит в запирающих слоях, образующихся на контакте металла и полупроводника. Максимальная напряженность неоднородного поля в переходах обычно имеет порядок 105В/см. На ток некоторых типов фотодиодов, в которых создается поле напряженностью E >5·105 В/см, влияют как скорость генерации носителей светом, так и E (лавинные диоды).

Другой тип фотоприемников представляет собой однородный полупроводник (без запирающих слоев), в котором внешний источник напряжений создает слабое однородное поле (E ≈1·102 В/см). В этом случае фототок зависит от G, E и протяженности образцов вдоль поля (см. п. 1.1.3).

Чувствительность фотоприемника определяется тем, насколько сильно изменяются его электрические характеристики при облучении светом. Если освещение приводит к росту тока в цепи на Iф, то так называемая токовая чувствительность составляет SI= Iф /Ф, где Ф—поток излучения, падающий на прибор. Если при освещении приемника напряжение на выходе увеличивается на Uф, то вольтовая чувствительность SV= Uф /Ф. Поток Ф может быть выражен как в энергетических единицах (ваттах), так и световых (люменах). В общем случае зависимости Iф (Ф) и Uф (Ф) являются нелинейными, т. е. чувствительность зависит от Ф.

Другой важной характеристикой приемника является квантовый выход внутреннего фотоэффекта η1, определяемый числом неравновесных носителей (пар), которые созданы каждым поглощенным фотоном. Чувствительность фотоприемника зависит от скорости генерации G, которая, в свою очередь, зависит от η1.

Получим выражение для скорости генерации носителей. Пусть на единичную поверхность приемника по направлению х, перпендикулярному этой поверхности, падает поток Ф1(x) (плотность потока излучения). Используя уже приводившееся в п. 1.1.1 выражение для энергии, поглощаемой в слое dx, получим — дФ1(х) = αФ1(х)dх, откуда поглощаемая энергия в расчете на 1 см3 составляет

(1.2)

Число Q1 фотонов, поглощаемых за 1 с в 1 см3 на глубине х, таково: Q1=αФ1/(hv). Число неравновесных носителей, возникающих в 1 см3 за 1с, составляет

(1.3)

Подпись: Рис. 1.3. Зависимость квантового выхода η1 и чувствительности S приемника от энергии фотонов (а), изменение фототока Iф со време-нем (б)

В области собственного поглощения η1=1, а Q1~l/v,поэтому при неизменном потоке Ф1скорость генерации G также уменьшается обратно пропорционально частоте. Фототок и чувствительность SI пропорциональны G и имеют ту же зависимость от v (рис. 1.3, а).

Как отмечалось, у одних типов приемников (обычные фотодиоды) фототок полностью определяется величиной G(x) и объемом материала, в котором происходит поглощение света, у других (лавинный фотодиод, фоторезистор, фототранзистор)—величиной G(xZ(E) где Z(E ) — коэффициент усиления, зависящий от напряженности поля E. Значения Z, которые отражаются и на чувствительности приборов, приведены в табл. 1.1. Причины появления этого множителя различны для разных приемников и будут рассмотрены позже.

Таблица 1.1. Типичные значения коэффициента усиления и времени фотоответа

Фотоприемник

Коэффициент усиления

Постоянная времени

Фоторезистор

Фотодиод с р-п-переходом

Диод с p-i-n переходом

Диод с поверхностным барьером

Лавинный фотодиод

Фототранзистор

1-105

1

1

1

102-104

102

10-2-10-7

10-6-10-8

10-8-10-10

10-10

10-9

10-6

Фотоприемники не мгновенно откликаются на включение и выключение света (рис.1.3,б). Подобная инерционность приемников имеет различное происхождение, формально же она может быть охарактеризована постоянными времени нарастания и спада фототока. Для спада тока постоянная времени τ2 соответствует уменьшению тока в е раз. При этом предполагается, что фототок уменьшается по закону Iф = Iмехр( — t/ τ 2). Если рост тока идет по закону Iф = Iм(1-e -t/ τ 1), то τ1 —постоянная времени нарастания фототока. К моменту t= τ1 имеем Iф≈63%Iм . Постоянные времени τ 1 и τ 2 могут несколько различаться, но имеют, как правило, один порядок. Типичные значения т приведены в табл. 1.1.

Токи, идущие через фотоприемник в темноте и при освещении, испытывают случайные отклонения ΔI от среднего значения тока . Так как эти отклонения имеют разные знаки и их среднее значение , мерой случайных отклонений (флуктуации) является среднее значение квадрата отклонения . Фототок, соответствующий световому сигналу, наблюдается на фоне этих колебаний (шумов), которые определяют и наименьший световой сигнал, который может быть зарегистрирован.

Шумы могут иметь различное происхождение. Так называемый тепловой шум связан с тем, что вследствие хаотичности теплового движения свободных электронов их концентрация в различных участках полупроводника изменяется со временем. Связанные с этим колебания возникающей э. д. с. и тока пропорциональны температуре Т:

(1.4)

где k—постоянная Больцмана, R—сопротивление образца, а Δf—полоса наблюдаемых частот колебаний (колебания произвольной формы могут быть представлены как результат сложения синусоидальных колебаний с различными частотами f)

Дробовый шум вызван колебанием числа электронов, проходящих через прибор при неизменном внешнем напряжении. Эти колебания также связаны с флуктуациями концентрации носителей в тех областях прибора, которые определяют значение силы тока. В этом случае

, (1.5)

Подпись: Рис. 1.4. Фотопроводимость:
а – схема наблюдения; б – фототок при различных световых потоках Ф и напряжениях U; в- переходы электронов при собственной прово-димости

где q—-заряд электрона. Шум такого типа может определяться случайным характером процессов генерации, рекомбинации и диффузии электронов и дырок. Существуют и другие виды шумов, в разной мере проявляющихся в разных устройствах. Пороговая чувствительность фотоприемника характеризуется уровнем светового потока Фп, при котором сигнал равен шуму, т.е.. Так как и Фп могут зависеть от площади s приемника и полосы частот Δf, при оценке способности фотоприемника регистрировать слабые световые потоки используется приведенный пороговый поток , а также так называемая обнаружительная способность . Значения D* относят обычно к длине волны λм, соответствующей максимуму спектральной чувствительности приемника, к определенной частоте f модуляции (прерывания) светового потока и полосе Δf, включающей f. Таким образом, D * м, f, Δf) имеет размерность [см • Гц1/2 Вт-1 ]. Обычно Δf = 1 Гц.

Введение в оптоэлектронику


*****
Новосибирск © 2009-2017 Банк лекций siblec.ru
Лекции для преподавателей и студентов. Формальные, технические, естественные, общественные, гуманитарные, и другие науки.