- •Введение
- •§ 1.1. Тепловые источники излучения
- •§ 1.3. Импульсные источники излучения
- •§ 1.4. Светодиоды
- •§ 1.5. Естественные источники излучения
- •§ 2.2. Прохождение излучения через атмосферу
- •§ 2.3. Пропускание атмосферы в спектральных интервалах
- •Глава 3. Классификация приемников излучения, их параметры и характеристики
- •§ 3.2. Параметры и характеристики приемников излучения
- •§ 3.3. Пересчет параметров приемников излучения
- •Глава 4. Приемники излучения на основе внутреннего фотоэффекта
- •§ 4.1. Принцип действия приемников излучения на основе внутреннего фотоэффекта
- •§ 4.2. Фоторезисторы
- •§ 4.3. Фотодиоды
- •§ 4.4. Приемники излучения с внутренним усилением фототока
- •§ 4.5. Приемники излучения на основе многокомпонентных систем
- •§ 4.6. Многоцветные ПИ, фоторезисторы и фотодиоды с СВЧ-смещением
- •§ 4.7. Координатные ПИ
- •§ 5.1. Физические основы и принцип действия
- •§ 5.2. Электровакуумные фотоэлементы и фотоэлектронные умножители
- •§ 5.4. Электронно-оптические преобразователи
- •Глава 6. Многоэлементные приемники излучения
- •§ 6.1. Многоэлементные приемники излучения на основе фотодиодов и фоторезисторов
- •§ 6.2. Многоэлементные фотоприемные устройства на основе приборов с зарядовой связью
- •§ 6.3. Многоэлементные приемники излучения на основе приборов с зарядовой инжекцией
- •§ 7.2. Болометры
- •§ 7.3. Оптико-акустические приемники излучения
- •§ 7.4. Пироэлектрические приемники
- •§ 7.5. Радиационные калориметры
- •§ 7.6. Приемники на основе термоупругого эффекта в кристаллическом кварце
- •Список литературы
- •Оглавление
В последние годы для охлаждения Ф Р используют газовые микрокриогенные машины, работающие на основе различных цик лов с ресурсом работы до 20 тыс. ч при температуре охлаждения до 4 К и хладопроизводительности более 2 Вт, однако при их работе возникают вибрации и помехи, которые ухудшают пара
метры ПИ [27]. |
|
Широкое распространение в |
последние десятилетия получили |
т е р м о э л е к т р и ч е с к и е |
х о л о д и л ь н и к и на эф |
фекте Пельтье, в которых охлаждение достигается за счет проте кания электрического тока через термопарные спаи, при этом один из спаев нагревается, а другой охлаждается. Самым распро страненным материалом для термоэлектрических холодильников служит теллурит висмута (Bi2Te3), у которого показатель доб ротности равен (2— 2,5) X 10~3 К"1. При использовании одного каскада такого микрохолодильника достигают перепада темпера тур холодного и горячего спаев 70°. При использовании несколь ких каскадов термоспаев достигают температуры 140— 160 К, что бывает часто недостаточно. Тем не менее в диапазоне охлаж дения 200— 273 К указанные термоэлектрические микрохоло дильники широко применяют, так как они имеют большой ресурс работы и малые размеры, бесшумны в работе, у них отсутствует вибрация.
Конструкции неохлаждаемых ФР. Конструктивно Ф Р состоит из тонкого слоя фоточувствительного полупроводникового мате риала с электродами в виде пленок, которые не подвергаются кор розии, наносимых испарением в вакууме из золота, платины или серебра. Фоточувствительный слой Ф Р из CdS и CdSe наносят пульверизацией на стеклянную или керамическую подложку, реже испарением в вакууме и спеканием порошкообразной массы. Ф Р на основе PbS и PbSe изготавливают химическим осаждением фоторезистивного слоя на подложку из стекла или кварца. Для защиты резистивного слоя от действия атмосферы его покрывают лаком или заделывают в герметичный корпус.
В настоящее время нет ни одной отрасли науки и техники, где не применяли бы ФР. Их широко используют в тепловизорах, радиометрах, теплопеленгаторах, в приборах спектрального ана лиза, в системах световой сигнализации и защиты. ФР применяют в системах контроля и измерения геометрических размеров, ско ростей движения объектов, температуры, управления различными механизмами, для определения качественного и количественного состава твердых, жидких и газообразных сред и т. д. Ф Р сегодня— один из самых распространенных ПИ.
§ 4.3. Фотодиоды
Принцип действия фотодиодов. Фотодиодами называют полу проводниковые приборы, основанные на внутреннем фотоэффекте, использующие одностороннюю проводимость р — n-перехода, при
Рис. 4.9. Схема генерирования и разделения пар носителей заряда при освеще нии р —/г-перехода (а) и способы включения ФД на активную и реактивную на грузки: фотодиодный (б, г) и фотогальванический (в, д)
освещении которого появляется э. д. с. (фотогальванический режим) или (при наличии питания) изменяется значение обрат ного тока (фотодиодный режим). Фотодиоды (ФД) можно изго тавливать на основе гомоперехода (р — /г-перехода, образованного на границе двух областей одинакового материала, но с приме сями противоположного типа), гетероперехода (р— /г-перехода, образованного на границе двух областей разного материала с при месями противоположного типа) и барьера Шоттки (контактного барьера, образующегося на границе металл и /г-полупровод- ник или металл и р-полупроводник и различных МДП струк тур) [85].
Односторонняя проводимость (вентильный фотоэффект) возни кает при освещении одной или обеих областей р — /г-перехода. Рассмотрим режимы работы ФД. При работе ФД в фотогальваническом режиме в случае освещения п-области в ней образуются но вые носители заряда — электроны и дырки (рис. 4!.9, а). Они диффундируют к р — п-переходу, где неосновные носители — дырки — переходят в /7-область (обратный ток неосновных носи телей), а электроны, для которых диффузионное поле р — /г-пере хода является запирающим, остаются в /г-области.
При постоянном освещении в p-области накапливаются дырки, а в /г-области — электроны. Это приводит к появлению фото- э. д. с, поле которой направлено против поля диффузии в р — /г-
переходе. Фото-э. |
д. с. понизит одностороннюю проводимость |
р — /г-перехода, что |
увеличит прямой ток основных носителей. |
При разомкнутой внешней цепи и неизменном освещении пря мой ток будет увеличиваться до тех пор, пока токи основных и неосновных носителей не уравновесятся, при этом между электро дами р — n-перехода устанавливается некоторая разность потен
циалов холостого хода |
Кх. х, |
возникающая под действием осве |
|
щения. |
|
|
|
При |
подключении |
к |
контактам фотодиода нагрузки |
(рис. 4.9, |
а) и отсутствии освещения через р — я-переход и нагру |
зочное сопротивление потечет ток термически генерированных неосновных носителей 18, называемый темновым током. При освещении появляется дополнительный фототок неосновных но сителей
|
|
|
(4.22) |
где VR — падение |
напряжения на |
нагрузке от протекающего |
|
в цепи тока, |
VR = |
IR H; е — заряд |
электрона; k — постоянная |
Больцмана; |
Т — абсолютная температура. |
Это выражение позволяет построить вольт-амперные характе ристики фотогальванического режима.
Таким образом, ФД в фотогальваническом режиме непосред ственно преобразует энергию света в электрическую (при осве щенности 8000 лк фото-э. д. с. составляет 0,1 В). При работе ФД в фотодиодном режиме к нему прикладывают обратное напряжение (рис. 4.9, б). В этом случае в отсутствии освещения через р — п- переход и сопротивление нагрузки протекает обратный дырочный ток I s. При освещении же дг-области через р — ^-переход и со противление нагрузки будет протекать дополнительный дырочный фототок неосновных носителей /ф. Суммарный ток в цепи будет складываться из темнового тока и фототока неосновных носителей.
Ток основных носителей в диодном режиме можно считать пре небрежимо малым, так как прикладываемое обратное напряжение источника питания складывается с напряжением поля диффузии р — n-перехода и препятствует току основных носителей.
Выражение для вольт-амперной характеристики фотодиодного режима имеет вид
(4.23)
где V — напряжение внешнего источника, В.
Рассмотрим схемы включения, вольт-амперные характеристики и выбор нагрузки ФД.
Фотодиодный режим работы ФД. Схема включения ФД в фотодиодном режиме приведена на рис. 4.9, б, а эксперимен тально полученные вольт-амперные характеристики ФД-1 — на рис. 4.10, а, б.
Теоретически вольт-амперные характеристики можно рассчи тывать по формуле (4.23) [23, 24]. При изменении сопротивления нагрузки меняется угол наклона прямых а, так как
tg а = 1/Я„ = I/V„.
-fc- ГЧЭ
Рис. 4.10. Вольт-амперные характеристики ФД-1 (а), ветвь вольт-амперной ха рактеристики фотодиодного режима (б), фотогальванического (б) и при работе на разные нагрузки по постоянному и переменному току (г):
1 — область фотодиодного режима; II — область фотогенераторного режима; |
1 — ф |
= 0; |
|||||
2 — ф = 50 мкВт; 3 — Ф = 250 мкВт; |
4 — Ф = |
1250 мкВт; 5 — Ф = |
2500 мкВт; |
6 — |
|||
Я н = 80 Ом; |
7 — R H = |
650 Ом |
|
|
|
||
При этом падение напряжения на |
нагрузке и |
ФД |
будет |
||||
VH = IR H; |
|
V |
= |
Vп 1RH, |
|
|
|
Ток внешней цепи в фотодиодном режиме при приложении на |
|||||||
пряжения питания Vn в запирающем |
направлении |
/ = |
/5 + |
/ф. |
|||
Значение фототока можно рассчитать через токовую чувстви |
|||||||
тельность ФД S j и падающий |
поток |
излучения Ф |
|
|
|
||
/ф = |
S jO . |
|
|
|
|
Из приведенных выражений IR n = Ун = S jO R H+ IsR *•
Продифференцировав это выражение, получим формулу для интегральной вольтовой чувствительности ФД
Sv = d V JdO = S TR H.
Следовательно, чтобы повысить вольтовую чувствительность, необходимо увеличить сопротивление нагрузки R n. Максимальное значение R Kmax связано с максимальным потоком излучения, ко торый можно зарегистрировать ФД, следующим соотношением:
R н max = Уп/(/ф max + la) = Vn/ ( S ^ max + Is). |
(4.24) |
При этом точка пересечения прямой нагрузки с вольт-ампер- ной характеристикой, соответствующей максимальному потоку излучения Ф шах, должна лежать в области диодного режима.
С учетом этого выражения можно получить две приближенные формулы для Sy шах при /ф > 18 и /ф <g; /s, удобные для практи ческих расчетов:
1ф^> Is — Sy max = Уд/Фшах;
1ф С |
Is — S y max = |
S j |
(VJIs). |
Если /ф > /s» то |
максимальная |
вольтовая чувствительность |
|
не зависит от параметров ФД, а если /ф |
/s, то она тем больше, |
чем меньше значение темнового тока I s. При работе ФД с модули рованным сигналом от объекта на фоне немодулированной фоно вой засветки целесообразно иметь минимальную вольтовую чув ствительность по постоянному току (от фона) и максимальную по переменному току (от объекта). Для этого используют трансфор маторную или дроссельную схемы включения ФД, позволяющие получить большое сопротивление по переменному току (индуктив ное сопротивление) и малое по постоянному току (активное со противление) (рис. 4.10, г). Вольт-амперные характеристики в этом случае будут иметь вид, приведенный на рис. 4.10, г [94].
По постоянному току /= сопротивление нагрузки R H= должно быть малым. В идеале надо иметь режим короткого замыкания
(R н ~^0; tg а |
оо; а — 90°). По переменному току сопротивле |
||
ние Я н~ должно |
быть большим (# н~ |
оо; tg а |
0; а -> 0), в |
идеале — режим |
холостого хода. При |
работе с разными нагруз |
ками по постоянному и переменному токам Я н~ определяет воль
товую |
чувствительность, а Я н= — режим работы. При |
/ф/х, « |
h |
||
имеем |
|
|
|
|
|
|
Sv max = |
S, [VJIs) = |
S / Z H~, |
(4.25) |
|
где ZH~ — сопротивление |
нагрузки по |
переменному |
току. |
Со |
противление нагрузки по постоянному току желательно делать намного меньше R Hmах, вычисленного по формуле (4.24).
Фотогальванический режим работы ФД. В фотогальваническом режиме работы ФД (рис. 4.9, в) напряжение на р — п-пере- ходе определяется током, протекающим в цепи нагрузки, согласно
формуле |
(4.22). |
|
|
|
|
|
|
|
Если |
Я н -> сю, то ток во внешней |
цепи |
/ = |
0, а вместо VR |
||||
в (4.22) |
можно подставить |
значение Vx. х |
— напряжения |
холо |
||||
стого хода |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
0 = / s [exp |
|
- |
l] |
- |
/ф- |
|
|
После преобразований |
найдем |
напряжения |
холостого |
хода |
||||
|
V ' „ , = ^ l n ( - £ |
+ .) = |
- |
> |
( |
^ + |
1) . |
(4.26) |
Напряжение холостого хода VT. х (фото-э. д. с.) ФД в фотогальваническом режиме изменяется с ростом светового потока по логарифмическому закону и в пределе достигает значения, рав ного контактной разности потенциалов р — /г-перехода. Зависи
мость Vx.T = f (Ф) — сложная и нелинейная, но диапазон изменения сигнала велик. Линейность наблюдается только на начальном участке при /ф Is- Чтобы получить максимальную вольто вую чувствительность, продифференцируем уравнение (4.26)
с |
_ |
х . х kT_ _ _ _ 1_ _ _ _ Sj_ _ |
d c |
|||
шах |
нт |
* |
1 |
“ |
xx°01 |
|
|
d<D |
“ 6 |
(S/0//fl) + l |
I s |
I ф / 1 8 + I |
9 |
где Is — темновой |
токнасыщения |
при Ф = |
0; / ф = |
S /Ф; |
R 0 — |
||||
сопротивление р — /i-перехода при |
нулевом |
напряжении, |
R 0 = |
||||||
= |
kT/(eIs). |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Для комнатной |
температуры |
|
|
|
|
|
|
|
|
S - ~ = 0’025 |
|
|
|
|
|
|
||
|
Можно получить |
приближенные |
формулы |
при |
/ф < |
Is и |
|||
I ф |
Is> удобные для |
практических |
расчетов: |
|
|
|
|||
|
|
|
|
|
ЬТ |
|
|
|
|
|
1ф |
Is |
S y max = RoSl — ejs |
ST\ |
|
|
|||
|
1Ф» h ~ Sy |
max a R QS J ^ |
|
Ig a RoS: A |
= |
■ |
|||
|
Отсюда следует, что вольтовая чувствительность в фотогальва- |
ническом режиме уменьшается с увеличением потока излучения, падающего на ФД. Если известно максимальное значение фототока /фтах = 5/Фщах, то максимальное сопротивление нагрузки по постоянному току можно найти из соотношения [24]:
RH max = 0,2 |
j - |
• |
(4.27) |
|
Ф шах |
|
|
Следует иметь в виду, что оптимизировать нагрузку на весь диапазон работы ФД не удается, так как сопротивление р— п- перехода меняется в зависимости от освещенности. Вольтовую чувствительность при этом условии определяют по формуле
с |
о |
Яо |
«Ъутах |
|
l +Ro/ZH ’ |
где ZH — полное сопротивление нагрузки. Если ZH < R01 то
Sy max = S/ZH= Const,
т. e. Sy шах не зависит от потока излучения. Если условие вы числения Ян max по формуле (4.27) не выполняется, то вольтовую чувствительность определяют по формуле
Sy = S jR о ! + Ro/ZB+ (/фЦа) (1 - /н//ф) ’
где /н — ток нагрузки при постоянной засветке. Фотогальванический режим не требует источника питания и
обеспечивает существенно меньшие шумы, что часто компенсирует
потери чувствительности, так как позволяет реализовать большее отношение сигнал/шум. ФД в фотогальваническом режиме имеют малое внутреннее сопротивление, поэтому их используют в цепях с малым сопротивлением нагрузки (в измерительных приборах и усилителях с малым входным сопротивлением).
Фотодиоды в фотодиодном режиме обладают значительным внутренним сопротивлением и применяются в цепях с большим со противлением нагрузки.
Работа с малыми сигналами в фотогальваническом режиме предъявляет особые требования к усилителю, который должен при больших коэффициентах усиления иметь малый уровень шума.
Постоянная времени и частотные характеристики ФД. Постоян ная времени ФД определяется временем пролета носителей от места их генерации под действием освещенности (в тонком по верхностном слое) до р — п-перехода, где они рекомбинируют, и постоянной времени схемной релаксации тр (7?С-цепочка ФД). Постоянная времени RC-цепочки у обычных ФД не превышает 10~9 с, поэтому при глубине залегания р — я-перехода (толщине базы) в несколько микрометров времени переноса неосновных но сителей составляет 10“7— 10“8 с, что и определяет тФД. Время же пролета зависит от структуры ФД и механизма переноса неос
новных носителей, образующих фототок. |
При равномерном рас |
|
пределении примесей в /?- и /г-областях, |
когда «тянущее» |
поле |
р — я-перехода мало, преобладающим механизмом переноса |
яв |
ляется диффузия. В этом случае в фотогальваническом режиме при одинаковой толщине освещаемой базы ФД меньшая постоян ная времени и большая граничная частота получаются при осве щении р-полупроводника, так как коэффициент диффузии элект ронов (неосновных носителей), образующих фототок D ei значи тельно больше коэффициента диффузии дырок Ь р, а следователь но, время диффузии электронов соответственно короче.
Для германиевых |
ФД граничная частота (МГц) |
|
/ гр = |
1 5 0 0 / Л ^ ; |
/ г р = 3 1 5 0 / Л р , |
где /in, hp — толщина базы из п- и р-полупроводников соответ
ственно, |
мкм. |
|
Для |
кремния /Гр = 3 3 0 /Л ;* ; / гр |
= 9 9 0 /Нгр. |
При |
наличии значительных |
примесей в р- или п-областях |
(область с более высокой концентрацией примеси обозначается плю сом над буквой примеси — р+— п или р — я+) постоянная времени т и граничная частота /гр определяются механизмом переноса но сителей тока за счет диффузии в электрическом («тянущем») поле р — я-перехода, которое уменьшает т на порядок. В таких ФД постоянная схемной релаксации (тр = RC) также умень шается.
В диодном режиме при наличии обратного внешнего напряже ния питания наблюдается механизм переноса носителей тока пу-
20 |
100 frМГц Ю 20 |
50 !00 |
200f/лГц |
1,0 |
10 100Г9мГц |
Рис. 4.11. Экспериментальные |
частотные |
характеристики |
кремниевых |
||
фотодиодов: а, |
б — р —/г-структура (а — на основе кремния p-типа, б — |
||||
на основе кремния л-типа); |
в — р —i—^-структура: |
Л = |
0,51 мкм; |
||
|
------— к = 0,6 мкм |
|
|
тем дрейфа в сильном электрическом поле, которое ускоряет но сители и значительно уменьшает постоянную времени ФД. На рис. 4.11 приведены экспериментальные частотные характеристики кремниевого ФД, у которого в фотогальваническом режиме гра
ничная частота |
составляет 1— 2 МГц, а |
в фотодиодном режиме |
|
при 1/обр = |
150 |
В доходит до 200 МГц |
[15]. |
Форма частотной характеристики и /гр зависит от параметров |
|||
самого ФД, |
от |
приложенного обратного |
напряжения питания, |
от спектрального состава падающего на ФД излучения (меняется глубина проникновения излучения), от формы модуляции из лучения и т. д.
Постоянная времени обычных ФД на основе Ge составляет 10"5 с, на основе Si — 10-в с при напряжении питания порядка 20В. Чтобы уменьшить постоянную времени, используют p —i— ftструктуры с сильным У0бР» уменьшают толщину базы и т. д.
Частотную характеристику ФД можно скорректировать в элек тронном тракте, как об этом говорилось выше.
Фототок и спектральная чувствительность ФД. Фототок ФД образуется избыточными, генерированными при освещении не основными носителями, дошедшими до р —я-перехода. Его зна чение входит в общее выражение для вольт-амперных характе ристик ФД, поэтому в фотогальваническом режиме
/фх = Е рхсс (к) г] (к) ev,
где /фх — плотность тока, А/см2; Е р%— спектральная плотность
энергетической освещенности в квантах, квант/см2-с; а (Я) — спектральный коэффициент поглощения, отн. ед.; г\(к) — кван
товый |
выход |
полупроводника, |
1/квант; |
е — заряд электрона, |
|||
А-с; |
v — доля |
нерекомбинированных |
носителей |
заряда, дошед |
|||
ших |
до |
р — /г-перехода (коэффициент |
собирания), |
отн. ед. |
|||
Так |
как |
|
|
|
|
|
|
|
|
Фх = Е рьАфдН\; |
а (X) = |
1 — р (^), |
то
Ч |
= ф * - Я Г К :1 - Р М Ч М * 1 0 |
’ |
( 4 -2 8 > |
Рис. 4.12. Изменение спектральной чувствительности кремниевого ФД при переходе от фотогальванического режима к фотодиодному
(а) и влияние на нее температуры (б)
где /4ФД — площадь фоточувствительной площадки, см2; р (к) — спектральный коэффициент отражения, отн. ед.
Из выражения (4.28) можно получить абсолютную спектраль ную характеристику чувствительности фотодиода (А/Вт)
•^абс ^ Ш Р М Л ^ М-
Как видно из этого выражения, спектральная чувствитель ность ФД определяется в основном свойствами полупроводника, из которого он изготовлен. Спектральная характеристика ФД зависит от толщины базы (глубины залегания р — /г-перехода) и от диффузионной длины неосновных носителей. Чтобы повы сить спектральную чувствительность в длинноволновой области, надо увеличить диффузионную длину носителей, а в коротковол новой области — создать большие тянущие электрические поля в базе, чтобы генерируемые в тонком слое носители разделялись тянущим полем и не успевали рекомбинировать, как это проис ходит в поверхностно-барьерных ФД. Спектральная чувствитель ность ФД меняется при переходе от фотогальванического режима к фотодиодному, так как меняется коэффициент собирания но сителей (рис. 4.12, а). На спектральную чувствительность ФД значительно влияет температура фоточувствительного слоя. Повы
шение температуры уменьшает ширину запрещенной зоны |
[для |
|||
Si — d (AE)/dT = 4-10_4с эВ/К |
и |
зависимость |
линейная, |
для |
Ge — квадратичная ] и увеличивает |
коэффициент собирания |
но |
||
сителей, что смещает границу |
спектральной |
чувствительности |
ФД и ИК-область (рис. 4.12, б), и, наоборот, понижение темпе ратуры уменьшает диффузионную длину неосновных носителей и коэффициент собирания, что смещает спектральную чувстви тельность в коротковолновую область. Совокупный эффект этих механизмов для Si показывает рис. 4.12, б, из которого видно,
что абсолютная |
спектральная характеристика ФД |
на |
основе Si |
||
с понижением |
температуры понижается |
с одновременным |
сме |
||
щением максимума в коротковолновую |
область. |
На |
рис. |
4.13 |
а) |
б) 1),см-Гц12-втг |
D,сМ'Гц^'Вт*
Рис. 4.13. Спектральные характеристики охлаждае мых ФД из InSb (а), неохлаждаемы.х из InAs (б); GaAs, Si и Ge (в)
приводятся спектральные характеристики неохлаждаемых и охла ждаемого ФД. Интегральная чувствительность кремниевых ФД лежит в пределах 3— 20 мА/лм, германиевых 15— 25 мА/лм.
Энергетическая характеристика, шумы и обнаружительная спо собность ФД. Энергетическая характеристика ФД в диодном режиме линейна в широких пределах. В фотогальваническом — нелинейна, но диапазон измерения сигнала велик. Линейность энергетической храктеристики в фотогальваническом режиме наблюдается только при условии /ф Is. Значение потока излу чения, для которого сохраняется линейность энергетической характеристики в фотогальваническом режиме,
|
ф = 0 , 2 Л ^ - |
при - т § - » |
1 , |
где А = |
1-М — постоянный |
коэффициент, |
зависящий от ма |
териала |
фоточувствительного |
слоя (для Ge А = 1). |
|
Так как сопротивление р — n-перехода R 0 |
меняется в зависи |
мости от /ф, невозможно подобрать оптимальное для всех случаев ЯнДля случая 50 < 1ф/18 Ю10 с погрешностью 3— 4% можно считать оптимальным
In (/<h//s)
a)ItmA(6e) 1,мкА(Si)
Рис. 4.14. Зависимость темнового тока ФД из Ge (- |
-) и Si (------) от тем |
пературы (а) и схема включения ФД на операционный усилитель (б); |
|
1 — при Ф = 0,005 лм; 2 — при Ф |
= 0 |
В условиях работы ФД в диодном режиме с немодулированными потоками излучения основным фактором, ограничивающим его обнаружительную способность, служит обратный темновой ток источника питания. Значение его при комнатной температуре для разных типов ФД колеблется от единиц до десятков микро ампер. Темновой ток германиевых ФД сильно зависит от темпе ратуры (при изменении температуры от 20 до 50 °С /т меняется в 3— 5 раз, рис. 4.14, а), влажности и давления, что не наблюдается у кремниевых ФД. Кроме того, достоинством кремниевых ФД является также возможность их работы с обратными напряже ниями в сотни вольт, что недопустимо для германиевых ФД.
В условиях приема модулированных сигналов влияние тем нового тока на обнаружительную способность ФД можно умень шить в электронном тракте, усилив сигнал на частоте модуляции.
У ФД наблюдаются токовый, дробовый, тепловой и радиа ционный шумы.
При работе ФД в фотогальваническом режиме обнаружитель ная способность ограничивается шумами усилительного тракта, так как собственные шумы ФД в этом случае малы и обнаружи тельная способность достигает для германиевых ФД до 1012 Гц1/2/Вт
при |
X = 1,55 мкм, |
а для |
кремниевых— 1013-М014 Гц1/2/Вт при |
|||||
X = |
0,8ч-0,9 |
мкм. |
|
|
|
|
|
|
Электронный тракт ФД. На рис. |
4.14, |
б приведена |
схема |
|||||
включения |
германиевого |
фотодиода |
типа |
ФД-9111А с |
S j |
= |
||
= 17 мА/лм, / т = |
10 мкА, Упит = 12,6 В, |
Ф тах = 0,035 |
лм |
во |
вход интегрального операционного усилителя КУТ 401Б с коэф
фициентом усиления k = |
100. Сопротивление нагрузки при Ф шах = |
|||||
= 0,035 лм согласно выражению (4.24) будет |
|
|
|
|||
< |
|
12,5 |
^ 2 |
-104 |
Ом. |
|
/т + 5/Фтах |
10-10”®Н- 17-10“3 0,035 |
|||||
|
|
|
|
Максимальная вольтовая чувствительность ФД
Svmах = |
S j ^ H m a x = |
1 7 - 1 0 “ 3 - 2 - 1 0 4 = 3 4 0 |
В / Л М . |
Расчетные |
параметры |
схемы |
имеют следующие |
значения: |
|||
R H = |
20 кОм, |
R BX1 = |
R BT2 = 2 |
кОм, сопротивление |
обратной |
||
связи |
R 0, с = |
kRBX1 |
= |
200 |
кОм |
[90]. |
|
Высокочастотные |
ФД. Для того чтобы уменьшить постоянную |
времени ФД, уменьшают толщину базы, чтобы образовавшиеся на поверхности носители быстрее дошли до р — n-перехода и там рекомбинировали. Расширяют р — м-переход за счет подачи вы сокого обратного напряжения, чтобы излучение в большей сте пени поглощалось в нем. Делают базу прозрачной для регистри
руемого излучения |
с тем, чтобы излучение поглощалось в самом |
р — п-переходе. В |
настоящее время высокочастотные ФД изго |
тавливают на основе гетеропереходов, барьеров Шоттки, поверх ностного барьера, создаваемого ионным легированием, и на основе
р—i— n-структур .
Ввысокочастотных ФД с гетеропереходом материал освещае
мого полупроводника подбирают так, чтобы регистрируемое из лучение проходило сквозь него и поглощалось в самом р — п-пере- ходе. Глубину залегания р — л-перехода в этом случае делают небольшой (гетерофотодиод с переходом nGaAs— pGe имеет глу бину залегания р — /г-перехода 50 мкм). Кроме того, р — п-пере ход расширяют за счет обратного напряжения, что позволяет получить постоянную времени 10— 20 не.
В последние годы разработаны ФД с гетеропереходом на основе
хальгогенидов свинца (PbS, PbSe и РЬТе), ФД с гетеропереходом PbS— GaAs, с контактами из золота на PbS и из Au— Sn на GaAs
имеют |
спектральную |
чувствительность |
0,9— 3,2 мкм при |
77 К |
с обнаружительной |
способностью 2х10 9 см-Гц1/2/Вт. |
|
||
В |
высокочастотных ФД на основе |
PbS базой служит |
PbS |
p-типа, далее идет слой PbS n-типа, полученный ионным леги рованием (внедрением ионов Sb), и слой S i0 2 с отверстиями для электролитического осаждения контактов из Au на слой PbS /г-типа. При 77 К и нулевом смещении такие ФД с площадкой
0,14 |
мм2 имеют |
|
сопротивление |
5x10® |
Ом, |
£>хтах = |
6 х |
||
X 10й см-Гц1/2/Вт |
при А,ша> = |
3,4 мкм; при |
195 К — 5 х 104 |
Ом, |
|||||
1,1 X 1011 см-Гц1/2/Вт |
при Яшах |
= |
2,95 мкм. |
|
|
|
|||
Внедряя ионы Sb в РЬТе p-типа при 77 К и площадке 0,14 мм2 |
|||||||||
(при |
нулевом смещении), получают |
Хтах = 4,4 мкм (при 5,1 мкм |
|||||||
обнаружительная |
способность |
уменьшается |
вдвое) |
с D xшах = |
|||||
= 1,4х 10й см-Гц1/2/Вт. Эти |
фотодиоды имеют стабильные |
па |
|||||||
раметры [57]. |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Поверхностно-барьерные |
высокочастотные ФД. У поверхно- |
||||||||
стно-барьерных ФД |
(ПБФД) |
контактный барьер располагается |
на поверхности полупроводника. Их изготавливают на основе эффекта Шоттки (образование контактного барьера на границе металл — полупроводник) или специальной обработкой, когда поверхностный слой полупроводника в отличие от объемного при обретает иной знак [23]. На рис. 4.15, а показано схематическое устройство ПБДФ на эффекте Шоттки. Падающий поток проходит
*
1111 z
0,*+ |
0,6 |
0,8 |
1,0 Х,мкм |
Рис. 4.15. Схема ПБФД (а), его усредненные спектральные характеристики (б) и структура ФД р—i—/г-типа (в):
1 — просветляющее покрытие; 2 — тонкая полупрозрачная пленка из золота или палла дия; 3 — область р —п-барьера; 4 — изолирующее кольцо; 5 — омический контакт; 6 — AuGaP; 7 — AuGaAsP; 8 — сАстра-1»; 9 — ФПЗ-1
сквозь просветляющее покрытие 1 и сквозь оптический контакт с поверхностным инверсионным слоем 2 , выполненный из тонкой
(2— 10 нм) золотой пленки, |
и поглощается в области |
р — п-пере- |
хода. Поглощение потока |
излучения в этой области |
приводит |
к слабой зависимости фототока и постоянной времени от на пряжения питания. ПБФД имеют более широкий диапазон спек тральной чувствительности. Сильно поглощаемое УФ-излучение проходит через тонкую пленку золота и поглощается в области р —я-перехода, что позволяет реализовать спектральную чувстви тельность до 0,2 мкм. С другой стороны, отсутствие термообра ботки при изготовлении ПБФД обеспечивает высокую диффузи онную длину неосновных носителей, что сдвигает границу чув ствительности в ИК-область.
На рис. 4.15, б приведены усредненные относительные спек
тральные |
характеристики |
ПБФД: AuGaP, |
A,max |
= 0,44 |
мкм, |
||||||
5 абс = |
5,2xlO wl° мкА/Вт; |
AuGaAsP, |
Xmax = |
0,54 |
мкм, |
Sa6c = |
|||||
= 6,2• 1010 |
мкА/Вт; |
«Астра-1», ^max = 0,8 |
мкм, |
Sa6c |
= |
1»5х |
|||||
X 109 мкА/Вт; |
ФПЗ-1, Хшах = 0,8 мкм, |
Sa6c |
= 1,8 х 109 мкА/Вт. |
||||||||
ПБФД отличаются от обычных малым значением темнового |
|||||||||||
тока (~10~7 А/см2) и малой постоянной времени |
схемной релак |
||||||||||
сации |
(тр |
= |
RC = 1 |
не). |
|
|
|
|
|
|
|
На |
основе |
PbSe |
изготовляют ПБФД с Г |
= |
6 |
мкм. Пленки |
p-типа толщиной 2— 6 мкм выращивают на подложке из BaF2 шириной примерно 0,35 мкм. Поверхностный барьер формируют напылением на них свинца. Омические контакты создают напыле нием на них платины. Такие ПБФД площадью 10~3 см2 при 77 К
имеют |
омическое |
сопротивление 1,5— 74 |
кОм, D = 1,8х |
X 1010 см-Гц1/2/Вт и квантовую эффективность до 70%. Постоян |
|||
ная времени П БФД |
составляет единицы наносекунд. |
||
У |
ПБФД наблюдаются тепловой, дробовый |
и токовый шумы. |
При работе на высоких частотах, при небольших обратных сме щениях ( ~ 6 В) основную роль играют тепловой шум сопротивле ния нагрузки.