книги из ГПНТБ / Козелкин В.В. Основы инфракрасной техники учебник

где /ф выражается в А;

е — заряд электрона (1,6-10-19 К );

h — постоянная Планка (6,625-10-34 Вт-с2); Ф — поток в Вт.

На использовании внешнего фотоэффекта основана работа фотоэлементов, фотоэлектронных умножителей, электронно-опти­ ческих преобразователен и телевизионных передающих трубок.

§4.4. ПРИЕМНИКИ С ВНУТРЕННИМ ФОТОЭФФЕКТОМ

1.Принцип действия и устройство

Вприемниках с внутренним фотоэффектом используют три основных явления, вызываемых излучением: фотопроводимость, фотогальванический и фотомагнитоэлектрпческий эффекты.

Наиболее широко в приборах ИК-техники используется явле­ ние фотопроводимости. На этом явлении основана работа при­ емников, получивших название фоторезнсторов, а также фотодио­

дов и фототрнодов (фототранзпсторов).

ФОТОРЕЗИСТОРЫ

Фоторезисторы — это полупроводниковые приемники лучи­ стой энергии, изменяющие свою проводимость (сопротивление) при воздействии лучистого потока.

Для возникновения фотопроводимости энергия фотонов е (энергия возбуждения) принимаемого излучения должна быть больше ширины запрещенной зоны Ае материала полупроводни­ ка.* Математически это условие можно записать в виде

выразить в электрон-вольтах,

По формуле (4.17) всегда можно определить границу чувст­ вительности фоторезистора, взяв из справочника по полупровод­ никовым материалам значение Дв. Например, если необходимо использовать чисто германиевый приемник, то этим приемником можно фиксировать излучение с длиной волны до ?„о=1,5 мкм,

ПО

селеннстосвшщовые и теллуристосвинцовые фоторезисторы. Для изготовления неохлаждаемых фоторезнсторов применяют суль­ фид кадмия CdS (сернистый кадмий) и селеипд кадмия CdSe (селенистый кадмии).

Технология изготовления фоточувствительных слоев из суль­ фида, селеинда и теллурида свинца представляет собой сложный и трудоемкий процесс. Фоточувствнтельные слои на основе солей свинца PbS, PbSe и РЬТе изготовляются в виде тонких пленок этих соединений, наносимых на стеклянные пли кварцевые под-

ложки осаждением пз химического раствора этих солей (хими­ ческий метод) пли испарением в вакууме (физический метод). Толщина пленки (слоя) 0,5—2 мкм, размеры от 0,3X0,3 мм до 10X10 мм. После нанесения слоев в вакуумной установке на них напыляются путем золочения электрические контакты (эле­ ктроды) и слои поступают на очувствление. Операция очувствле­ ния происходит при определенной для каждого соединения тем­ пературе. Затем фотослои соответствующее время выдерживают­ ся (стабилизируются) п поступают на сборку. Конструктивное оформление фоторезнсторов самое разнообразное и зависит от места установки и типа аппаратуры, для использования в кото­ рой они предназначены. На рис. 4.12, а показано устройство неохлаждаемого сернистосвинцового фоторезпетра. Фоточувствительный слой /, нанесенный на кварцевую подложку 2, прпклеи-

112

вает границу чувствительности до 9 мкм (Де<;0,15 эВ), порог чувствительности при охлаждении до 77 К составляет в макси­

Фп = 10-11 Вт/Тц'/2 при Яшах~36 мкм. Постоянная времени леги­ рованного германия не превышает 0,01 мкс.

Добавка меди (Ge : Си) обеспечивает прием излучений с дли­ ной волны до 30 мкм с Фп= 4-10~12 Вт/Гц' = при Лтах = 20 мкм и рп=1 мм2. Работает такой приемник также при температуре жидкого водорода или гелия.

Германий, легированный Zn или Си, требует глубокого ох­ лаждения до температуры 4—20 К, что существенно усложняет конструкцию приемников.

ФОТОГАЛЬВАНИЧЕСКИЕ ( ФОТОВОЛЬТАИЧЕСКИЕ) ПРИЕМНИКИ

Существует и вторая разновидность приемников с внутрен­ ним фотоэффектом — это так называемые вентильные, или фо­ тогальванические, приемники. Принцип действия этих приемни­

При облучении одного из полупроводников, например с «- проводимостыо, его электроны, поглощая энергию излучения, пе­ рейдут в возбужденное состояние, получив избыток энергии. Если мощность излучения достаточно велика, то энергия возбужден­ ных электронов увеличится настолько, что они преодолеют со­ противление запирающего слоя и начнут перемещаться в сторону положительного заряда, т. е. в р-полупроводник. Положитель-

114

пые заряды-дырки этого полупроводника, не получив дополни­ тельной энергии, не могут преодолеть сопротивление запираю­ щего слоя и перейти в «-полупроводник. Следовательно, в «-по­ лупроводнике из-за ухода электронов возникнет избыток дырок— положительных зарядов, а в правой части вследствие притока электронов — избыток отрицательных зарядов. Между электро­ дами А п Б появится разность потенциалов, или фото-э.д.с.*. Ес­ ли в цепь электродов А и Б включить нагрузку, то в цепи по­ явится ток. Приемники, преобразующие лучистую энергию в электрическую без приложения напряжения, называют фото­ гальваническими пли фотовольтаическими.

Примером фотовольтаического приемника служит приемник из антпмоиида индия (InSb); « — /7-переход в InSb получают пу­ тем диффузии или вплавления в монокристалл антимонида ин­ дия цинка или кадмия. 'Фотогальванические приемники из InSb обладают высокой чувствительностью и мало инерционны. Так,

ладающий свойством односторонней проводимости при воздей­ ствии лучистой энергии.

Фотодиод, включенный в цепь без приложения к электродам А и Б напряжения, работает в вентильном режиме. При прило­ жении напряжения к электродам А и Б в прямом направлении (плюс на электроде Б, минус на А) электрическое поле р—«-пе­ рехода увеличивается н условия перехода зарядов из освещен­ ного слоя облегчаются, вследствие чего ток резко возрастает.

При изменении полярности ток становится равным нулю. Фо­ тодиод в этом случае работает в фотодиодном режиме.

На рис. 4.14 показаны схемы включения фотодиода при раз­ личных режимах и получающиеся при этом вольт-амперные ха­ рактеристики, т. е. зависимости тока i от внешней разности по­ тенциалов U на «—/з-переходе.

На рис. 4.14, а видно, что при Ф= 0, т. е. когда фотодиод не освещается, кривая изменения тока проходит через начало ко­ ординат, т. е. тока, создаваемого излучением, нет. Точки пере­ сечения кривых с осью токов соответствуют режиму короткого замыкания (/?„■-=0), а при пересечении с осью напряжений — режиму холостого хода (У?„ = оо). Рабочий режим выбирается ис­ ходя из максимальной мощности Р, выделяющейся в цепи на­

115

жения U1, которые нужно получить на выходе ФД, можно нан-

*М1

Ф о т о т р и о д (фототранзнстор) ФТ представляет собой по­ лупроводниковый приемник, состоящий из трех чередующихся

Р ис. 4 .14 . С х ем а вкл ю чен ия ф о т о д и о д о в и п ол ь т -ам п ер н ы е х а ­ рак тери сти к и :

а —'В вентильном режиме; С—в фотодиодном

областей проводимости р и п: р—п—р или п—р—п. Как и в по­ лупроводниковом транзисторе, фототриод имеет коллектор, эмит­ тер и базу. База обычно служит приемной площадкой излуче­ ния. Работает фототриод по принципу обычного полупроводни-

116

нового триода, в котором роль управляющего тока выполняет попадающее на базу излучение. На рис. 4.15 показаны условное обозначение, принципиальная схема конструкции и схемы вклю­ чения фототриода.

Ф о т о м а г и и т о э л е к т р н ч е с к и е (ФМЭ) приемники ос­ нованы на использовании эффекта Холла, который заключается в следующем. Если однородную полупроводниковую пластинку (рис. 4.16) поместить в магнитное поле с напряженностью Н, на­ правленной по оси х, и пропустить че­ рез нее ток /, направление которого перпендикулярно направлению маг­ нитного поля, то между точками А и Б, симметрично расположенными на плоскостях а и б, возникнет разность потенциалов

ются вверх и заряжают отрицательно верхнюю плоскость пла­

в поверхностном слое образуются электроны и свободные дыр­ ки, которые начнут диффундировать внутрь кристалла. Под воз­ действием магнитного поля электроны и дырки начнут откло­ няться в противоположные стороны: электроны вверх, а дырки вниз. Между поверхностями а и б возникнет фотомагнитная э. д. с. Магнитное поле создается постоянным магнитом, внутрь которого помещают чувствительный слой. Фотомагнитоэлектрический приемник, так же как и вентильный фотодиод, не требу­ ет для работы источника питания, что является большим досто­ инством этого типа приемников. Работают ФМЭ приемники без охлаждения.

2.Параметры и характеристики приемников

Вприборах инфракрасной техники приемник облучается или постоянным потоком излучения, или прерывистым, когда излу­ чение поступает на приемник отдельными «порциями», последо­

вательно следующими друг за другом. Достигается это с по­ мощью устройств, которые периодически, по определенному за­ кону, закрывают доступ излучения к приемнику. Изменение по­

117

тока излучения от максимума до минимума называется модуля­ цией. Частота, с которой поступают «порции» излучения на приемник, называется частотой модуляции и обозначается че­ рез /„.

Все приемники излучения с внутренним фотоэффектом неза­ висимо от принципа их действия и устройства можно охаракте­ ризовать рядом общих параметров и характеристик.

ПАРАМЕТРЫ

Параметр — это величина, единственное значение которой характеризует определенное свойство приемника. Параметр мо­ жет быть измерен непосредственно или вычислен по данным из­ мерений других величин. Основными параметрами приемников лучистой энергии являются:

—внутреннее сопротивление RT\

—постоянная времени (инерционность) т;

—уровень шумов и ш\

—интегральная чувствительность 5;

—порог чувствительности Фг;

—обнаружнтельная способность D* пли «нормированный» порог чувствительности.

Фотоэлектронные приемники характеризуются еще величиной

облучения.

Иногда для оценки приемников используют кратность изме­ нения сопротивления, которая равна отношению величины /?т к сопротивлению приемника при определенной освещенности и тем­ пературе 20+5° С. Величина сопротивления приемника опреде­ ляет требования к входной схеме усилителя сигналов, снимае­ мых с приемника.

От сопротивления слоя зависит уровень шумов приемника. Гемновое сопротивление у большинства полупроводниковых при­ емников нестабильно по времени и сильно изменяется в зависи­ мости от окружающих условий. Например, на рис. 4.17 показана зависимость темнового сопротивления сернистосвинцовых фото­ резисторов от температуры слоя. Из рисунка видно, что при ох­ лаждении слоя от комнатной температуры (293 К) до темпера­ туры твердой углекислоты (195 К) внутреннее сопротивление изменяется почти в 6 раз, а при охлаждении до температуры жидкого азота (77 К) 7?т увеличивается в 100 раз. Изменение Rr сильно сказывается на изменении сигнала, снимаемого с при­

емника.

Шу м ы п р и е мн и к о в . Если приемник подсоединить к ис­ точнику питания, то в цепи приемника, состоящей из последова­ тельно соединенных источника питания Un и приемника /?т, все­

118

гда будут существовать колебания (флюктуации) напряжения. Хаотические сигналы с переменной амплитудой и частотой, слу­ чайно возникающие в цепи приемника, называются шумами. Ве­ личина шумов оценивается обычно среднеквадратичным значени­ ем его амплитуды. Основными видами шумов являются следую­ щие.

Т е п л о в ы е шумы, которые вызываются хаотическим теп­ ловым движением свободных электронов. В результате такого движения число электронов, перемещающихся в одном направ­ лении, не равно числу электронов, движущихся в противоположном направлении; разница создает на­

пряжение шума Ur. Величина теп­ ловых шумов может быть найдена по известной из электроники фор­ муле Найквиста

U, 4Ш ?тд /, (4. 20)

где k — постоянная Больцмана,

Т— температура слоя в граду­ сах Кельвина;

приемника при протекании темнового тока, возникающего вследствие теплового движения электронов и их рекомбинации с положительными носителями (дырками); на эти шумы накла­ дываются шумы контактов электродов. Напряжение токовых шумов Ui можно найти из соотношения

/ — частота настройки усилителя.

Зависимость £/,- от размеров чувствительного слоя определяется следующим соотношением:

119