Фотодиоды и фотоприёмные устройства с. 9

Тема: Фотодиоды и фотоприёмные устройства (краткий конспект)

Содержание: Фотоприёмники оптического излучения. Классификация фотонных детекторов. Физические основы работы ФП: фоторезисторы, фотодиоды, p-i-n – фотодиоды, лавинные ФД. Шумы и чувствительность приемников излучения. Параметры фотоприёмников.

Рекомендуемая литература:

1. А. Н. Игнатов Оптоэлектронные приборы и устройства: Учеб. пособие – М.: Эко-Трендз, 2006.–272 с.

2. А.И. Астайкин, М.К. Смирнов Основы оптоэлектроники: Учебное пособие / А. И. Астайкин, М.К. Смирнов. — М.: Высшая школа, 2007. — 277 с: ил.;

3. Е.С. Кухаркин. Электрофизика информационных систем. М., Высшая школа, 2001. – 672 с.

4. Пихтин А.Н. Оптическая и квантовая электроника: Учебник для вузов/А.Н. Пихтин – М.:Высш. шк., 2001.-573с.: ил.

Классификация фотонных детекторов

Можно разделить классификацию приёмников излучения по устройству и назначению и по принципу работы, рассмотрим каждый из них:

Классификация приёмников излучения по устройству и назначению: одноэлементные и многоэлементные.

Одноэлементные: дискретные во времени, в пространстве, в спектральной области. Для приёма коротких чувствительных импульсов. Требования: малая активная площадь, высокая монохроматическая чувствительность, высокое быстродействие, низкий уровень шумов.

Многоэлементные: для регистрации световых картин (образов). Требования: высокая разрешающая способность, высокая чувствительность в широком спектральном диапазоне, самосканирование, низкий уровень шумов.

Фотоэлектрические явления, при которых происходит перераспределение электронов по энергетическим состояниям в результате поглощения фотонов, называют внутренним фотоэффектом.

В отличие от внешнего фотоэффекта, заключающегося в полном отрыве эмиссии фотоэлектронов, при внутреннем фотоэффекте происходит изменение только энергетического состояния электронов, приводящее к изменению концентрации свободных носителей заряда или их подвижности, а так же перераспределению их внутри кристалла. Внешний фотоэффект наблюдается при освещении любых веществ, то внутренний фотоэффект характерен только для полупроводников и диэлектриков.

На практике находят применение две формы проявления внутреннего фотоэффекта:

– фотовольтаический эффект – используется для преобразования световой энергии в электрическую (например, в солнечной энергетике);

Типичной структурой солнечного преобразователя является кремниевый монокристаллический n+-p – фотодиод.

– фотопроводимость (увеличение проводимости при появлении фотоносителей в результате внутреннего фотоэффекта) – используется при регистрации световых импульсов.

Фоторезисторы

Принцип работы фоторезисторов основан на изменении проводимости, т.е. на использовании эффекта образования в фоточувствительных материалах электронно-дырочных пар под воздействием падающего оптического излучения.

Схема включения фоторезистора

Выходной сигнал определяется изменением напряжения на сопротивлении нагрузки Rн при изменении сопротивления фотослоя R_Ф.

При ΔR<<R_Ф

Оптимальное согласование при R_н = R_Ф:

Х арактеристики фоторезисторов:

Вольтамперная, характеризующая зависимость фототока (при постоянном световом потоке Ф) или темнового тока от приложенного напряжения. Для фоторезисторов эта зависимость практически линейна Закон Ома нарушается в большинстве случаев только при высоких напряжениях на фоторезисторе.

С ветовая (люксамперная), характеризует зависимость фототока от падающего светового потока постоянного спектрального состава. Полупроводниковые фоторезисторы имеют нелинейную люксамперную характеристику. Наибольшая чувствительность получается при малых освещенностях. Это позволяет использовать фоторезисторы для измерения очень малых интенсивностей излучения. При увеличении освещенности световой ток растет примерно пропорционально корню квадратному из освещенности. Наклон люксамперной характеристики зависит от приложенного к фоторезистору напряжения.

Спектральная, характеризующая чувствительность фоторезистора при действии на него потока излучения постоянной мощности определённой длины волны.

Спектральная характеристика определяется материалом, используемым для изготовления светочувствительного элемента. Сернисто-кадмиевые фоторезисторы имеют высокую чувствительность в видимой области спектра, селенисто-кадмиевые – в красной, а сернисто-свинцовые – в инфракрасной.

Ч астотная, характеризующая чувствительность фоторезистора при действии на него светового потока, изменяющегося с определённой частотой. Наличие инерционности у фоторезисторов приводит к тому, что величина их фототока зависит от частоты модуляции падающего на них светового потока – с увеличением частоты светового потока фототок уменьшается. Инерционность ограничивает возможности применения фоторезисторов при работе с переменными световыми потоками высокой частоты.

Достоинства фоторезисторов: малые размеры и масса, - возможность работы в широком спектральном диапазоне,

Недостатки фоторезисторов: - низкое быстро-действие (10^-3 – 10^-5 c), - нелинейность энергетической характеристики, - зависимость параметров от температуры.