Фотоприемники

Фотоприемники – это оптоэлектронные приборы для преобразования энергии оптического излучения в электрическую энергию. Под действием оптического излучения происходит изменение электрофизических параметров фотоприемника, обусловленное образованием дополнительных свободных носителей в полупроводнике. Процесс образования дополнительных носителей заряда (фотононосителей) внутри полупроводника под действием оптического излучения называется внутренним фотоэффектом или фотоэлектрическим эффектом.

В фотоприемниках используются внутренние фотоэффекты, а именно фотогальванический и эффект фотопроводимости.

Фотогальванический эффект возникает в полупроводниках с внутренним потенциальным барьером (с p–n-переходом, с переходом металл – полупроводник, с гетеропереходом). Внутреннее электрическое поле перехода разделяет возникшие под воздействием оптического излучения фотоносители. Пространственно разделенные фотоносители разных знаков – дырки и электроны – создают фото-ЭДС.

Эффект фотопроводимости в отличие от фотогальванического эффекта состоит только в создании фотоносителей. В результате увеличения концентрации носителей проводимость полупроводника возрастает.

Оба эффекта используются на практике: фотогальванический эффект – в фотодиодах, фототранзисторах, фототиристорах и других фотоприемниках с p–n-переходами, эффект фотопроводимости – в фоторезисторах.

Рассмотрим процесс образования дополнительных дырок и электронов, т.е. фотоносителей при поглощении полупроводником фотонов оптического излучения. Энергия фотонов может быть передана электронам валентной зоны с переводом этих электронов в зону проводимости, т.е. энергия фотонов идет на ионизацию атомов полупроводника. Этот процесс называется эффектом собственной фотопроводимости. Возможно примесное поглощение, при котором энергия фотонов излучения идет на ионизацию или возбуждение примесных атомов. Концентрация примесных атомов мала, и они в основном ионизированы уже при относительно низких температурах. В результате собственная фотопроводимость существенно выше примесной и основная доля фотоносителей – это собственные фотоносители. Чтобы фотон излучения создавал собственные фотоносители, необходимо выполнение следующих энергетических соотношений:

, (2.1)

где – энергия фотона; , – энергетические уровни дна зоны проводимости и потолка валентной зоны; – длина волны.

Значит, собственный фотоэффект в полупроводнике возможен только при воздействии на полупроводник излучения с длиной волны, меньшей некоторого граничного значения:

, (2.2)

где – ширина запрещенной зоны; – длинноволновая граница спектральной чувствительности материала.

Таким образом, при длине волны излучения > собственный фотоэффект в полупроводнике невозможен; при < собственный фотоэффект может иметь место.

Важнейшим параметром фотоприемника является чувствительность. В общем случае чувствительность фотоприемника отражает изменение электрического состояния на выходе фотоприемника при подаче на его вход единичного оптического сигнала. Если измеряемой величиной является фототок, то имеем токовую чувствительность. Чаще всего определяют чувствительность фотоприемника к потоку излучения, т.е. = / , где – значение фототока; – световой поток.

Чувствительность фотоприемника не есть постоянная величина, и зависит, в частности, от параметров излучения. Для учета этой зависимости вводят понятия статической и динамической дифференциальной чувствительности фотоприемника, при этом статическая чувствительность определяется отношением постоянных значений измеряемых величин. Дифференциальная чувствительность равна отношению малых приращений измеряемых величин: например, дифференциальная токовая чувствительность фотоприемника к потоку излучения

. (2.3)

Чувствительность зависит от длины волны падающего излучения. Поэтому различают интегральную и монохроматическую чувствительности фотоприемника. Интегральная чувствительность определяется как отношение прироста фототока к приросту светового потока немонохроматического (белого) излучения, а монохроматическая – к приросту светового потока определенной длины волны.

В тех случаях, когда чувствительность фотоприемника зависит от величины напряжения питания (например, для фоторезисторов), применяют удельную интегральную чувствительность, которая представляет собой интегральную чувствительность, приведенную к одному вольту питающего напряжения:

. (2.4)

Кроме полезного сигнала на выходе фотоприемника всегда имеет место хаотический сигнал со случайной амплитудой и спектром – это шум фотоприемника. Шум не позволяет регистрировать сколь угодно малое значение входного излучения, так как оно становится неразличимым на фоне шума. Шумы определяются случайными процессами, и уровень шумов характеризуют вероятностными параметрами: математическим ожиданием (средний уровень шума), среднеквадратичным значением или дисперсией. Распределение мощности шума по спектру часто задается спектральной плотностью шума – шумом в единичной полосе частот.

Основными видами шумов для фотоприемника являются: тепловой, дробовой, токовый, радиационный. Тепловой шум обусловлен хаотическим тепловым движением свободных электронов. Дробовой шум определяется тем, что электрический ток является потоком дискретных частиц и зависит от их числа, которое флуктуируют во времени. Токовый шум обусловлен генерационно-рекомбинационным и контактным шумом. Радиационный шум определяется флуктуациями числа фотонов, попадающих на фоточувствительный слой от внешних излучений (фон, объект регистрации).

Обычно шум фотоприемника количественно характеризуют током шума или напряжением шума. Под током шума понимают среднеквадратичное значение флуктуации тока, протекающего через фотоприемник в указанной полосе частот. Напряжение шума – это среднеквадратичное значение флуктуации напряжения на заданном сопротивлении нагрузки в цепи фотоприемника.

Связь чувствительности фотоприемника с шумами количественно определяют пороговым потоком фотоприемника , равным среднеквадратичному значению действующего на фотоприемник потока излучения, при котором среднеквадратичное значение фототока равно среднеквадратичному значению тока шума. Таким образом, если на фотоприемник действует некоторый поток излучения, то на выходе фотоприемника появляется одновременно сигнал шума и полезный сигнал. Если поток излучения равен пороговому потоку, то значения тока шума и фототока сравниваются, т.е. при .

Так как шум зависит от полосы частот, в которой шум измеряется, то значение зависит от частоты. Поэтому чаще всего определяют порог фотоприемника в единичной полосе частот ( ) как минимальное среднеквадратичное значение синусоидально модулированного потока с заданным спектром, взятое по отношению к полосе пропускания частот.

Уровень шумов фотоприемника зависит от площади фоточувствительного элемента. Для характеристики этой зависимости введен параметр – удельный пороговый поток фотоприемника:

, (2.5)

где – порог в единичной полосе частот; – площадь фоточувствительного элемента фотоприемника.

Таким образом, удельный пороговый поток – это пороговый поток фотоприемника в единичной полосе частот, отнесенный к единичному по площади фоточувствительному элементу.

Основными характеристиками фотоприемников являются: световая, вольт-амперная, спектральная, температурная и частотная.

Световая характеристика выражает зависимость фототока от потока излучения, падающего на фотоприемник при неизменном напряжении на электродах прибора. Световую характеристику иногда называют энергетической или люкс-амперной.

Вольт-амперная характеристика – зависимость величины тока через фотоприемник от приложенного к нему напряжения при постоянном световом потоке.

Спектральная характеристика – зависимость чувствительности фотоприемника от длины волны падающего на фотоприемник монохроматического излучения при постоянной величине питающего напряжения и постоянном световом потоке.

Температурная характеристика – это, как правило, ряд зависимостей, указывающих, как изменяются различные параметры фотоприемника (например, чувствительность, уровень шумов) при изменении температуры.

Частотная характеристика – это зависимость чувствительности фотоприемника от частоты модуляции потока излучения падающего на фотоприемник.