Квантовая и оптическая электроника

Считаем, что число фотонов, поглощаемых в объеме наружного полупроводника в единицу времени, равно Ф/ hν , а количе-

ство генерируемых пар носителей определяется величиной η Ф . hν

Вэтом выражении η — квантовый выход внутреннего ФЭ

η= количество возбужденных пар носителей ≤ 1. (11.7)

кол-во поглощенных квантов излучения

Эффективность разделения носителей β определяется как

β = число пар носителей, дошедших до границы p-n-перехода ,

полное число генерированных пар

(11.8)

Эффективность разделения носителей зависит от толщины р- области: β = f (ω) и β ≈ 1, если ω < L .

Фототок соответствует количеству пар, подошедших к пере-

ходу

тральную чувствительность фотоэлемента.

Полный ток, протекающий во внешней цепи, будет определен следующим выражением

где UR — напряжение, возникающее на сопротивлении нагрузки при освещении ФЭ.

UR = UФ – Uк.

Полярность этого напряжения соответствует прямому напряжению на переходе, вследствие чего оно вызывает увеличение диффузионных токов основных носителей через переход.

266

Классификация фотоприемников достаточно условна и может осуществляться по многим признакам.

1.По среде, в которой происходит движение фотоэлектронов или оптически генерированных пар носителей заряда. Различают вакуумные и твердотельные (полупроводниковые) фотоприемники. Вакуумные приборы в данном пособии рассматривать не будем.

2.По структуре полупроводникового материала фотоприемника. Приемники с однородной структурой полупроводника. Приемники с p-n-переходами.

Например: фоторезисторы, фотодиоды, фототранзисторы и т.д.

3.Приборы с внутренним усилением фототока, лавинные фотодиоды, фототранзисторы, канальные фотоумножители и т.д.

4.По времени отклика на оптический сигнал и по частотным свойствам.

5.По области применения (фотометрия, солнечные элементы, оптоэлектронные схемы, волоконно-оптическая связь и т.д.

Оптическое излучение может характеризоваться световыми параметрами. Параметры оптического излучения, расчетные формулы, единицы величин и обозначения сведены в табл. 11.1.

Таблица 11.1 — Фотометрические параметры излучения

267

Параметры фотоприемников. Важнейшим параметром фо-

топриемника является чувствительность. Она отражает изменения электрического состояния на выходе фотоприемника при подаче на его вход единичного оптического сигнала.

Всоответствии с характеризующим параметром различают

чувствительности фотоприемника к потоку излучения SФе, к световому потоку SФv, к облученности SEе и к освещенности SЕv.

Взависимости от измеряемого параметра на выходе фото-

приемника различают токовую SI и вольтовую чувствительности SU фотоприемника. Примеры определения статической чувствительности фотоприемника приведены в выражениях

Дифференциальная чувствительность определяется отношением малых приращений измеряемых величин, например дифференциальная токовая чувствительность фотоприемника к освещенности

Чувствительность зависит от длины волны падающего излучения. Поэтому различают интегральную и монохроматическую (спектральную) чувствительность фотоприемника к немонохроматическому излучению заданного спектрального состава.

Квантовый выход внутреннего фотоэффекта h1 определяется числом неравновесных носителей (пар), созданных каждым поглощенным фотоном.

Скорость генерации неравновесных носителей G — определяется числом неравновесных носителей, возникающих в 1 см3 материала за 1 сек при его облучении

рость генерации уменьшается с ростом частоты. Фототок и чувствительность пропорциональны G и имеют примерно ту же зависисмость от частоты — рис. 11.8, а.

Ф, Iф

S1,η1

Рис. 11.8

а— зависимость S1 и η1 от энергии фотонов;

б— изменение фототока Iф со временем

Инерционность фотоприемников. Инерционность зависит от раз-

личных причин и может быть охарактеризована постоянными времени нарастания и спада фототока. Если фототок растет по закону

269

—постоянная времени спада (рис. 11,8, б).

Уодних приемников фототок полностью определяется величиной G(х) и объемом материала, в котором происходит поглощение света, у

других — величиной G(х)× Z(E), где Z(E) — коэффициент усиления, зависящий от напряженности поля Е.

Токи, идущие через фотоприемник в темноте и при освещении, испытывают шумовые (случайные) отклонения I от среднего значения тока I . Так как отклонения имеют разные знаки и их среднее значение равно DI = 0 , то мерой случайных отклонений является среднее значе-

ние квадрата отклонения DI 2 .

Вследствие хаотичности теплового движения свободных носителей (электронов) их концентрация в различных участках полупроводника изменяется со временем. Связанные с этим колебания возникающей ЭДС и тока пропорциональны температуре Т и определяют тепловой шум:

где R — сопротивление образца, f — полоса частот.

Дробовой шум вызван колебанием числа электронов, проходящих через прибор при постоянном внешнем напряжении.

DI 2 = 2qI Df . (11.21)

Шум такого типа определяется случайным характером про- цессов генерации, рекомбинации и диффузии электронов и дырок.

Пороговая чувствительность. Это уровень светового потока

где Ф — приведенный пороговый поток.

270

Обнаружительная способность определяется следующим со-

отношением

D = 1Фп , D (λ м, f , f ) , [ cм× Гц12Вт−1 ]. f ≈ 1 Гц. (11.23)

Рассмотрим некоторые типы фотоприемников.

11.3 Типы приемников излучения

Фоторезисторы. При освещении однородного полупроводника его электропроводность увеличивается. Это явление называется фотопроводимостью, а соответствующий прибор — фоторезистором. Схема наблюдения фотопроводимости показана на рис. 11.9, а.

Рис. 11.9 — Фотопроводимость:

а — схема наблюдения; б — фототок при различных световых потоках Ф и напряжениях U (Iф = f(Ф)U; в — переходы при собственной фотопроводимости

Если под действием света возникают только электроны в зоне проводимости, то добавочный ток (фототок):

nф — концентрация неравновесных (избыточных) фотоэлектронов, µ — подвижность электронов, E — напряженность поля, S — сечение образца.