- •2. Приемники оптического излучения (5,0 п. Л.)
- •2.1. Принципы действия приемников излучения
- •2.2. Основные параметры и характеристики приемников излучения
- •2.3. Тепловые приемники излучения
- •2.3.2 Теплопередача в приемниках излучения
- •2.3.3. Устройство основных видов тепловых приемников излучения
- •2.3.4. Термоэлектрические приемники излучения
- •2.3.5.1. Матрицы микроболометров?
- •2.3.6. Пироэлектрические приемники излучения
- •2.3.7. Дилатометрические приемники излучения
- •2.3.7.1. Оценка основных величин, характеризующих работу оап
- •2.4. Фотоэлектрические приемники излучения
- •2.4.1. Фотоэмиссионные приемники излучения
- •2.4.1.1.Основные законы фотоэффекта и закономерности фото-
- •2.4.1.3. Фотоэлементы с внешним фотоэффектом (фэ),
- •2.5. Полупроводниковые приемники излучения
- •2.5.1. Фоточувствительные материалы и их оптические свойства
- •2.5.2. Конструктивная схема чувствительного элемента (чэ) приемника
- •2.5.3. Устройство фоторезисторов и фотодиодов
- •2.5.4. Фоторезисторы
- •2.5.4.1. Спектральная характеристика чувствительности фоторезистора
- •2.5.4.2. Собственные шумы и пороговый поток излучения фоторезистора
- •2.5.4.3. Быстродействующие фоторезисторы
- •2.5.5. Фотогальванические приемники излучения
- •2.5.5.1. Фотодиод с гомогенным p-n – переходом
- •2.5.5.2. Фотодиод Шоттки
- •2.5.5.3. Гетерофотодиод с p-n – переходом
- •2.5.6. Лавинные фотодиоды
- •2.5.6.2. Собственные шумы и пороговый поток
- •2.5.6.3. Фотоэлектрические преобразователи
2.5.4.1. Спектральная характеристика чувствительности фоторезистора
Если на ЧЭ фоторезистора с приемной площадью толщиной , характеризующегося результирующим коэффициентом поглощения , падает равномерно распределенный по приемной площади монохроматический поток излучения , то, предполагая объемную плотность поглощенной мощности в (Вт/см3) неизменной по объему[2.35] и записав объемную плотность поглощенного потока фотонов (см–3с–1), получим скорость генерации фотоносителей в объеме ЧЭ , где - внутренний квантовый выход фотоэффекта [2.36].
В отсутствие рекомбинации фотоносителей в ЧЭ их избыточная концентрация нарастала бы во времени неограниченно по линейному закону . Однако в действительности из-за рекомбинации фотоносителей с мгновенной скоростью , пропорциональной, например, их избыточной концентрации, т.е. , где - среднее время жизни фотоносителей в свободном состоянии, обусловленное процессами рекомбинации, изменение неравновесной концентрации фотоносителей в ЧЭ ФР будет подчиняться уравнению непрерывности
, (2.62)
из которого в установившемся режиме легко получить установившееся значение неравновесной концентрации носителей в ФР
. (2.63)
Отметим, что формула (2.63) получена при неизменной скорости генерации фотоносителей в объеме ФР, линейной связи скорости объемной рекомбинации фотоносителей и их концентрации и независимости подвижности, коэффициента диффузии и времени жизни носителей от их неравновесной концентрации, вследствие чего установившаяся избыточная концентрация носителей изменяется пропорционально падающему потоку излучения, времени жизни и обратно пропорционально объему ЧЭ.
Приложение к ФР напряжения и использование (2.63) позволяет выразить ток ФР в виде
(2.64)
в котором - дрейфовые подвижности электронов и дырок; и определяются формулами
, (2.65)
и называются коэффициентами усиления электронного и дырочного фототоков в фоторезисторе, равными отношению среднего времени жизни фотоносителей к их дрейфовому времени пролета между электродами прибора. Анализ (2.65) показывает, что коэффициенты усиления фототока в ФР могут изменяться в широких пределах: от до .
На основании (2.64) по определению токовая монохроматическая чувствительность ФР может быть представлена выражением
, (2.66)
определяющего, как указано ранее, чувствительность идеализированного фоторезистора, отличающегося постоянством концентрации фотоносителей в объеме и отсутствием их поверхностной рекомбинации.
В реальных фоторезисторах процессы могут заметно отличаться от указанных идеальных условий из-за непостоянства концентрации фотоносителей по объему ЧЭ: при постоянстве скорости фотогенерации носителей в объеме (при слабом оптическом поглощении ( )) – в основном из-за их поверхностной рекомбинации [2.22]; в области сильного оптического ( ) – как из-за неравномерной скорости генерации фотоносителей, так и вследствие их рекомбинации на поверхности [2.22, 2.31].
В первом случае ( ) согласно [2.22] под влиянием поверхностной рекомбинации, характеризующейся скоростью (см/с), результирующее время жизни уменьшается по сравнению c объемным временем жизни пропорционально и по такому же закону снижается чувствительность ФР.
Во втором случае из решения уравнения непрерывности при неравномерной скорости фотогенерации носителей по объему и их поверхностной рекомбинации получают [2.22], что доля нерекомбинировавших на поверхности фотоносителей каждого вида после преобразования определяется функцией [2.2]
, (2.67)
которая зависит от скорости поверхностной рекомбинации и отношения толщины ФР к средней диффузионной длине каждого вида фотоносителей.
Изменение рекомбинационных функций (2.67) в зависимости от , отношений и для фоторезисторов из конкретных материалов является предметом изучения и анализа (см.[2.2, 2.35] в среде Mathсad на практических занятиях и при выполнении курсовой работы по дисциплине «Источники и приемники излучения».
Исходя из формул (2.66) и (2.67), монохроматическая токовая чувствительность определится выражением
, (2.68)
где и - рекомбинационные функции, рассчитанные по формулам (2.67) для электронов и дырок соответственно.
Выражение (2.68) показывает, что под влиянием поверхностной рекомбинации фотоносителей монохроматическая токовая чувствительность ФР снижается ( ) независимо от изменения длины волны падающего излучения.
Однако из условия очевидно, что толщина чувствительного элемента ФР (особенно в коротковолновой части области чувствительности) может значительно превосходить глубину поглощения излучения или полную глубину поглощения (см. (2.61)), в пределах которой происходит генерация фотоносителей. Поскольку кроме неравенства условием справедливости выражения (2.67) является также неравенство , то ясно, что при этом большинство фотоносителей будут генерироваться от фронтальной поверхности ЧЭ на малых по сравнению с диффузионной длиной расстояниях. Из-за этого рекомбинация фотоносителей на фронтальной поверхности будет тем более вероятной, чем больше показатель поглощения ; следствие этого – известный в практике полупроводниковых фотоприемников заметный спад монохроматической чувствительности в коротковолновой части области чувствительности. В [2.2] показано, что при расчете спектральной характеристики приемников, в которых фотоносители двигаются параллельно фронтальной поверхности ЧЭ (см. рис. 2.ХХ, а, б), коротковолновый спад монохроматической чувствительности можно успешно моделировать рекомбинационной функцией вида
, (2.67')
отличающейся от формулы (2.67) тем, что в последней толщина ЧЭ заменена на в области значений .
Графические зависимости функции (2.67') от длины волны при постоянных значениях и , изображенные на рис. 2.ХХ, позволяют убедиться в пригодности этой функции для моделирования влияния поверхностной рекомбинации на спектральные свойства фотоприемников в коротковолновой области спектра.