литература / Sharapov_V._Datchiki

Глава 18. Приемники излучения

Рис. 18.7. Вольт-амперные характеристики в четырех квадрантах (а), ветви вольт-амперных характеристик в фотодиодном режиме (б), фотогальваническом режиме (в) и при работе на разные нагрузки по постоянному и переменному току (г)

менному току сопротивление должно быть большим, в идеале — режим холостого хода (Rн~; ; tg ~; 0; ~; 0). При работе с разными нагрузками по постоянному и переменному токам Rн~ определяет вольтовую чувствительность, а Rн~ — режим работы.

Сопротивление нагрузки по постоянному току желательно делать немного меньше Rн max, вычисленного по формуле (18.4) для Фmax, чтобы точка пересечения вольт-амперной характеристики (ВАХ) ФД с нагрузочной прямой находилась бы на прямолинейном участке ВАХ и небольшие колебания напряжения питания не влияли на фототок.

Фотогальванический режим работы ФД. В фотогальваническом режиме (рис. 18.6, b, d, e) работы ФД (рис. 18.7, в) напряжение на p-n-переходе определяется током, протекающим в цепи нагрузки, согласно формуле (18.2).

Если Rн , то ток во внешней цепи I = 0, а вместо VR в (18.2) можно подставить значение Vх. х — напряжение холостого хода:

После преобразований найдем напряжение холостого хода

18.2. Приемники излучения на основе внутреннего фотоэффекта

Напряжение холостого хода (фото-ЭДС) ФД в фотогальваническом режиме изменяется с ростом светового потока по логарифмическому закону и в пределе достигает значения, равного контактной разности потенциалов р-п- перехода. Зависимость Vх. х = f(Ф) — сложная и нелинейная, но диапазон изменения сигнала велик. Линейность наблюдают только на начальном участке при Iф << Is. Для получения максимальной вольтовой чувствительности продифференцируем уравнение (18.6):

где Is — темновой ток насыщения при Ф = 0, Іф = SІФ; R0 = kT/ (eIs) — сопротивление р-п-перехода при нулевом напряжении.

Для комнатной температуры kТ / e = 0,025,

После подстановки Iф = SI Фmax получим: SVmax = 0,025 SI / (SI Фmax + Is). Разделим полученное выражение для вольтовой чувствительности в фото-

диодном режиме (18.5) на выражение, полученное в фотогальваническом режиме. При напряжении питания ФД равно 15 В,получим:

SVmax ФД/ SVmax ФГ = [SIVП/(SIФmax + IS)]:{[(k T/ e)] [SI/(SIФmax + IS)]} = VП /(k T/ e) = 15:0,025 Ζ 600 раз.

Достоинства и недостатки использования ФГ и ФД режимов

Достоинства фотогальванического режима: отсутствие источников питания, малые собственные шумы, малый пороговый поток или большая обнаружительная способность.

Недостатки фотогальванического режима: нелинейная логарифмическая зависимость сигнала от потока излучения, малое внутреннее сопротивление, что заставляет использовать усилительный тракт с низкоомным входом; более чем на два порядка ниже вольтовая чувствительность по сравнению с ФД режимом, большая постоянная времени по сравнению с ФД режимом. Для реализации пороговых возможностей требуются большие коэффициенты усиления усилительного тракта с малыми собственными шумами и тепловыми шумами нагрузочного сопротивления, которое приходится охлаждать.

Достоинства фотодиодного режима: большая вольтовая чувствительность, большое внутреннее сопротивление фотодиода, что позволяет использовать большое внутреннее сопротивление усилительного тракта, соизмеримое с сопротивлением фотодиода; небольшие, по сравнению с ФГ режимом, коэффициенты усиления усилительного тракта; меньшая постоянная времени ФД из-за значительного приложенного напряжения питания, которое ускоряет образовавшиеся при облучении носители тока; больший, по сравнению с ФГ режимом, спектральный диапазон работы; линейность выходного сигнала в широком динамическом диапазоне облученностей.

Недостатки фотодиодного режима: необходимость в источнике питания, наличие обратного тока источника питания, который приводит к увеличению всех собственных шумов ФД, к которым добавляются шумы источника пита-

Глава 18. Приемники излучения

ния; меньшая предельная обнаружительная способность по сравнению с ФГ режимом без охлаждения.

Постоянная времени обычных ФД на основе Ge составляет 10-5 с, на основе Si — 10-6 с при напряжении питания порядка 20 В. Для уменьшения постоянной времени используют p-i-n-структуры с большим Vобр, уменьшают толщину базы и т.д.

Частотная характеристика ФД может быть скорректирована в электронном тракте.

Спектральная характеристика ФД зависит от толщины базы (глубины залегания р-п-перехода) и от диффузионной длины неосновных носителей. Для повышения спектральной чувствительности в длинноволновой области увеличивают диффузионную длину носителей, а для повышения спектральной чувствительности в коротковолновой области необходимо создать большее электрическое поле в базе, чтобы генерируемые в тонком слое носители разделялись в поле и не успевали рекомбинировать, как это происходит в поверхност- но-барьерных ФД.

Спектральная чувствительность ФД меняется при переходе от фотогальванического режима к фотодиодному, так как меняется коэффициент собирания носителей (рис. 18.8, а). Значительное влияние на спектральную чувствительность ФД оказывает температура фоточувствительного слоя. Повышение температуры уменьшает ширину запрещенной зоны (для Si наблюдаемая зависимость является линейной и определяется выражением d( E)/dT = 4 / 10—4 эВ/гр., для Ge — квадратичной) и увеличивает коэффициент собирания носителей, что смещает границу спектральной чувствительности ФД в ИК-область (рис. 18.8, б). Понижение температуры уменьшает диффузионную длину неосновных носителей и коэффициент собирания, что смещает спектральную чувствительность в коротковолновую область. Совокупный эффект этих механизмов для Si показывает (рис. 18.9.б), что абсолютная спектральная характеристика ФД на основе Si с понижением температуры понижается с одновременным смещением максимума в коротковолновую область.

На рис. 18.10 приведены спектральные характеристики неохлаждаемых ФД на основе InAs, GaAs, Si, Ge и охлаждаемого ФД на основе InSb. Интегральная чувствительность кремниевых ФД лежит в пределах 3—20 мА/лм, германиевых — в пределах 15—25 мА/лм.

Рис. 18.8. Экспериментальные частотные характеристики кремниевых фотодиодов: а —на основе кремния р-типа, б — p-n структура на основе кремния n-типа, в — p-i-n структура (—) для л = 0,91 мкм, (– –) для л = 0,6 мкм

18.2. Приемники излучения на основе внутреннего фотоэффекта

Рис. 18.9. Изменение спектральной чувствительности ФД при переходе от фотогальванического режима к фотодиодному (а) и влияние на нее температуры (б)

Рис. 18.10. Спектральные характеристики охлаждаемых ФД на основе InSb (а), неохлаждаемых на основе InAs (б), GaAs; Si и Ge (в)

Впромышленности ФД применяют для управления и контроля технологическими процессами, в космической технике — в системах ориентации, навигации и стыковки космических аппаратов. Кроме того, ФД широко применяют в измерительных и следящих системах, в дальномерах, в приборах для измерения угловых скоростей и линейных перемещений наблюдаемых объектов и т.д.

Высокочастотные ФД. Для уменьшения постоянной времени ФД уменьшают толщину базы для того, чтобы образовавшиеся на поверхности носители быстрее достигли р-п-перехода. Расширяют p-n-переход за счет подачи высокого обратного напряжения и делают базу прозрачной для регистрируемого излучения с тем, чтобы излучение поглощалось в самом р-п-переходе. В настоящее время высокочастотные ФД изготавливают на основе гетеропереходов, барьеров Шоттки и р-i-п-структур.

Ввысокочастотных ФД с гетеропереходом материал освещаемого полупроводника подбирают так, чтобы регистрируемое излучение проходило бы сквозь него и поглощалось бы в самом р-п-переходе и вблизи за ним. Глубину залегания р-п-перехода в этом случае делают небольшой (гетерофотодиод с переходом n-GaAs—pGe имеет глубину залегания р-п-перехода 50 мкм). Кроме

Глава 18. Приемники излучения

того, р-п-переход расширяют за счет увеличенного обратного напряжения, что позволяет получить постояннную времени 10—20 нс.

Впоследние годы разработаны ФД с гетеропереходом на основе халькогенидов свинца (PbS, PbSe и PbTe), ФД с гетеропереходом PbS—GaAs, с контактами из золота на PbS и из Au—Sn на GaAs. Они имеют спектральную чувствительность 0,9—3,2 мкм при 77К с обнаружительной способностью 2·109 см·Гц1/2/Вт.

Ввысокочастотных ФД на основе PbS базой служит PbS р-типа, далее идет слой PbS n-типа, полученный ионным легированием (внедрением ионов Sb), и

слой SiO2 с отверстиями для электролитического осаждения контактов из Au на слой PbS n-типа. При температуре 77 К и нулевом смещении такие ФД с площадкой 0,14 мм2 имеют сопротивление 5 / 109 Ом, D max = 6·1011см Гц1/2/Вт

иmax = 3,4 мкм, при 195К — 5 / 104 Ом, D max = 1,1·1011 см Гц1/2/Вт и max = = 2,95 мкм. При внедрении ионов Sb в PbTe р-типа при 77К и площадке

0,14 мм2 (нулевое смещение) получают max = 4,4 мкм (при 5,1 мкм обнаружительная способность уменьшается вдвое) с D max = 1,4·1011см Гц1/2/Вт. Параметры таких фотодиодов стабильны.

Поверхностно-барьерные высокочастотные ФД. У поверхностно-барьерных ФД (ПБФД) р-п-переход располагается на поверхности полупроводника. Постоянная времени у них достигает 1 нс. Их изготавливают на основе эффекта Шоттки (образование контактного барьера на границе металл—полупровод- ник) или при специальной обработке, когда проводимость поверхностного слоя полупроводника, в отличие от объемного слоя, приобретает иной знак. На рис. 18.11, а показано схематическое устройство ПБФД на основе эффекта Шоттки. Падающий поток проходит сквозь просветляющее покрытие 1, омический контакт с поверхностным инверсионным слоем 2, выполненным из тонкой (2—10 нм) золотой пленки, и поглощается в области р-п-перехода. Поглощение потока излучения в этой области приводит к слабой зависимости фототока и постоянной времени от напряжения питания, так как нет необходимости перемещать носители к р-п-переходу. ПБФД имеют более широкий диапазон спектральной чувствительности. Сильно поглощаемое УФ-излучение проходит через тонкую пленку золота и поглощается в области р-п-перехода,

Рис. 18.11. Схема ПБФД (а), его усредненные спектральные характеристики (б) и структура ФД p-i-n типа (в); 1 — просветляющее покрытие; 2 — тонкая полупрозрачная пленка из золота или палладия; 3 — область p-n-перехода; 4 — изолирующее кольцо; 5 — омический контакт; 6 — AuGaP; 7 — AuGaAsP; 8 — «Астра-1»; 9 — ФПЗ-3

18.2. Приемники излучения на основе внутреннего фотоэффекта

что позволяет реализовать спектральную чувствительность до 0,2 мкм. С другой стороны, отсутствие термообработки при изготовлении ПБФД обеспечивает высокую диффузионную длину неосновных носителей, что сдвигает границу чувствительности в ИК-область. На рис. 18.11, б приведены усредненные

относительные спектральные характеристики ПБФД: AuGaP— max = 0,44 мкм,

Sинт = 5,2 / 1010 мкА/Вт; AuGaAsP— max = 0,54мкм, Sинт = 6,2 / 1010 мкА/Вт; «Астра-1» — max = 0,8мкм, Sинт = 1,5 / 109 мкА/Вт; ФПЗ-1— max = 0,8мкм, Sинт = 1,8 / 109 мкА/Вт.

ПБФД отличаются от обычных малым темновым током (до 10—10 А/см2) и

толщиной 2—6 мкм выращивают на подложке из BaF2 шириной около 0,35 мм. Поверхностный барьер формируют, напыляя на пленки свинец. Омические контакты создают напылением на пленки платины. Такие ПБФД площадью 10-3 см2 при температуре 77К имеют сопротивление 1,5—74 кОм, D = = 1,8 / 1010 см Гц1/2 /Вт и квантовую эффективность до 70 %. Постоянная времени лучших ПБФД составляет единицы наносекунд. У ПБФД наблюдается тепловой, дробовый и токовый шумы. При работе ПБФД на высоких частотах модуляции потока излучения при небольших обратных смещениях (примерно 6 В), основную роль в электронном тракте обработки сигнала играет тепловой шум сопротивления нагрузки.

ФД p-i-п-типа. Ширину потенциального р-п-перехода можно увеличить в p+-i-n+-структурах, представляющих собой собственный полупроводник i c большим удельным сопротивлением (в 106—107 раз более высоким, чем у п- и р-областей), ограниченный с двух сторон сильно легированными слоями п- и р-типа (рис. 18.11, в). На p- и n-области наносят контакты. При приложении к контактам напряжения смещения сильное равномерное внутреннее электрическое поле электронно-дырочного р-п-перехода сосредоточивается в i-области. При малой толщине освещаемого слоя п- или р-типа (0,5 мкм) падающее излучение поглощается в i-слое. Постоянная времени такого ФД определяется временем пролета носителей через переход: при ширине i-области 0,1 мм

2= (1,7Χ 1,3)·10-9с. При небольшой площади перехода (примерно 2 / 10-4 см2) емкость перехода мала и время схемной релаксации будет 10-11—10-12 с.

Частотная характеристика ФД р-i-п-типа в коаксиальном исполнении (корпус представляет часть коаксиального кабеля) с площадью перехода около

2/ 10-4 см2 простирается до частот 20 ГГц. Темновой ток мал и составляет для кремниевых ФД примерно (1Χ8)·10-9А. Структура р-i-п является одной из основных структур высокочастотных ФД.

Приемники с внутренним усилением фототока Лавинные фотодиоды. Лавинные фотодиоды (ЛФД) усиливают фототок за

счет ударной ионизации р-п-перехода и образования лавинного процесса размножения поступающих в этот переход неосновных носителей. При достаточном обратном электрическом смещении р-п-перехода образовавшиеся при освещении электроны ускоряются электрическим полем и сталкиваются с атомами решетки в области р-п-перехода, образуя дополнительные электронно-дыроч- ные пары (рис. 18.12), которые в свою очередь совершают такой же процесс.

18.2. Приемники излучения на основе внутреннего фотоэффекта

рок в базе, вызванным отсутствием контактирующих отрицательных зарядов, которые не могут туда поступать из-за ее обрыва.

При облучении образующиеся дырки диффундируют к эмиттеру и коллектору. Дырки, пришедшие к коллектору, увеличивают его ток, а электроны создают избыточный нескомпенсированный отрицательный объемный заряд, уменьшающий потенциальный барьер перехода эмиттер—база и вызывающий резкое увеличение потока дырок из эмиттера в область базы.

Эти дырки, пройдя базовую область, попадают в коллектор и еще больше увеличивают ток ФТ, причем ток за счет дырок, вызванных отрицательным объемным зарядом в области базы, превосходит значение тока, определяемого дырками, генерированными в базе первоначально под действием излучения. Таким образом происходит усиление фототока. Базовый вывод можно использовать для выбора начального режима и стабилизации рабочей точки ФТ при изменении окружающей температуры.

Благодаря усилению фототока интегральная чувствительность ФТ выше, чем у ФД, и достигает 0,2—0,5 A/млм. Вольтовая чувствительность ФТ немного выше, чем у ФД (а иногда и ниже), так как темновой ток ФТ больше, а рабочее напряжение питания меньше (3В). Вольт-амперные характеристики ФТ аналогичны ФД (рис. 18.13, в). ФТ имеют меньшее внутреннее сопротивление

иих характеристики обладают большей крутизной, чем у ФД. Энергетические характеристики ФТ линейны в широком диапазоне.

По постоянной времени и частотным характеристикам ФТ уступают ФД, так как коллекторный переход имеет большую емкость — примерно 105 пФ/см2, что увеличивает постоянную времени схемной релаксации. (Постоянная времени фототранзисторов 10-4—10-6 с.)

Полевые ФТ. Полевые ФТ отличаются от обычных большой интегральной чувствительностью. Конструктивно ФТ состоит из трех электродов: истока, стока и затвора (рис. 18.14, д). Между истоком и стоком образуется фоторезистивный проводящий канал с сопротивлением, изменяющимся при облучении

изависящим от потенциала затвора, который отделен от проводящего канала р-n-переходом. Ширина р-n-перехода также зависит от потенциала затвора. Расширение р-n-перехода уменьшает сечение канала и увеличивает его сопротивление и наоборот. При освещении полевого ФТ переход канал—затвор

можно рассматривать как обычный ФД с подключенным сопротивлением RН, по которому потечет фототoк IФ, пропорциональный потоку излучения. Паде-

Рис. 18.14. Эквивалентная схема включения фототранзисторов с автоматическим смещением (а), высокостабильная с избирательной связью (б) и ее чувствительность (в), схема с избирательной связью (г) и устройство и включение полевого фототранзистора (д)

Глава 18. Приемники излучения

ние напряжения на нагрузке VH = RН IФ изменит потенциал затвора, что приведет к изменению тока стока Ic

I c S VH SRH I ф,

где S — крутизна характеристики передачи dIс/dVН при напряжении сток—ис- ток Vси = const. Токовая чувствительность полевого ФТ

где SІ — токовая чувствительность обычного ФД; SRH — увеличение чувствительности полевого ФТ относительно ФД более чем на три порядка.

К недостаткам работы полевого ФТ относят нелинейность его энергетических характеристик, так как при больших уровнях потока излучения потенциал затвора становится столь малым, что его изменение уже не влияет на ток стока, который близок к максимальному значению. Постоянная времени полевых фототранзисторов (примерно 10-7 с) определяется инерционностью цепи затвора и временем пролета носителей через канал.

Фототиристоры. Фототиристор — это фотоэлектрический полупроводниковый прибор р-n-р-n-структуры с тремя р-n-переходами. При освещении он переводится из закрытого состояния в открытое в прямом направлении. Схема работы фототиристора аналогична схеме работы обычного тиристора с той разницей, что управляющей величиной является не ток, а световой поток [1].

Многоэлементные фотоприемные устройства на основе приборов с зарядовой связью (ФПЗС)

ПЗС-фотоприемник ФПЗС представляет собой ряд простых МДП-струк- тур (металл—диэлектрик—полупроводник), выполненных на одном кристалле и образующих систему элементарных конденсаторов. В ПЗС-структуре осуществляется: формирование зарядного рельефа, адекватного распределению освещенности на фоточувствительной поверхности, хранение и перенос зарядового рельефа в сторону выходного устройства, а также детектирование зарядов, т.е. преобразование пространственных зарядов в выходное напряжение видеосигнала. ФПЗС выполняет одновременно функции приемника и анализатора оптического изображения.

Благодаря регулярности структуры на одном кристалле ФПЗС удается разместить большое число (до 10 млн) элементов. Ниже будет показано, что современные матричные ФПЗС фактически являются многофункциональными приборами, которые могут работать по различным алгоритмам в зависимости от управляющих сигналов. Рассмотрим принцип действия ПЗС.

Приборы с зарядовой связью: ПЗС, представляют собой ряд МДП-струк- тур, сформированных таким образом, что полоски металлических электродов (ламелей) образуют регулярную систему пикселей с достаточно малыми расстояниями между соседними ламелями (рис. 18.15).

Принцип действия ПЗС: если приложить к электроду пикселя 2 отрицательное напряжение — V2, электроны в подложке (основные носители) уходят от поверхности в глубину п-полупроводника. При этом в области электрода 2 на границе раздела диэлектрик—полупроводник образуется область, обедненная электронами, представляющая собой потенциальную яму для неосновных

18.2. Приемники излучения на основе внутреннего фотоэффекта

Рис. 18.15. Схема ПЗС: А — входная секция (запись); Б — выходная секция (считывание); О — исток входной секции; 1 — затвор входной секции; 2, 3 — электроды; 4 — затвор выходной секции; 5 — выходной сигнал

носителей-дырок. При освещении этой области изображением объекта со стороны прозрачного (для данного диапазона спектра) электрода 2 (или со стороны подложки) образовавшиеся пропорционально локальной облученности дырки притягиваются к границе раздела диэлектрик—полупроводник и локализуются в узком поверхностном слое. Если теперь к электроду 3 приложить отрицательное напряжение большей амплитуды, то образуется более глубокая потенциальная яма, и дырки перетекают из ямы 2 в яму 3.

При приложении к электродам ПЗС управляющих напряжений определенного значения заряды перемещаются вдоль поверхности от структуры к структуре. Вводят заряд (запись) и без светового воздействия через входную секцию записи, потенциал которой регулируют. Секция включает в себя диффузный исток неосновных носителей типа р-п-перехода и входной затвор секции (входной ключ), управляющий движением заряда из диффузионного истока в первую потенциальную яму.

Вывод заряда из системы — считывание — осуществляют через обратно смещенный правый р-п-переход, работающий как емкость, напряжение на которой меняется пропорционально перенесенному на нее пакету зарядов. Выходной затвор секции (выходной ключ) после считывания очередного пакета зарядов с правого р-п-перехода возвращает его в исходное состояние, т.е. подготавливает для следующего пакета зарядов.

ПЗС может внешнюю информацию (электрическую или световую строки изображения объекта) преобразовать в зарядовые пакеты подвижных носителей, размещаемые на границе диэлектрик—п-подложка.

Считывание осуществляют при их направленном управляемом перемещении вдоль поверхности при последовательной подаче внешнего напряжения на контакты.

Таким образом, линейка ПЗС позволяет распределение освещенности в строке изображения объекта превращать в зарядовые пакеты носителей, хранить зарядовую информацию и преобразовывать ее в видеосигнал при последовательной смене потенциалов на ламелях за счет формирования сдвигового регистра ПЗС.

Наибольшее распространение получили перемещающие заряд регистры (рис. 18.16), образованные тремя электродами, соединенными токопроводящими шинами и образующими трехфазную электродную систему, так как они