Болометры и фоторезисторы

Болометры и фоторезисторы К болометрам относятся приемники, у которых нагрев под действием падающего потока излучения вызывает изменение некоторых физических параметров чувствительного элемента. Среди них наибольшее распространение получили болометры сопротивления, основанные на зависимости электрического сопротивления материалов от температуры, и в этом смысле болометры аналогичны термометрам сопротивления, терморезисторам и т. п. Применяют болометры для бесконтактного дистанционного измерения температуры в качестве приемников лучистой энергии (особенно там, где используется длинноволновое инфракрасное излучение), в спектральных приборах, в астрономии (локация Луны), в различных системах ориентации, для измерения СВЧ мощности. Рис. Паутинный болометр. Болометры характеризуются следующими параметрами: - сопротивление активного элемента при комнатной температуре; - рабочее напряжение; - чувствительность (в В/Вт); определяется как отношение полезного сигнала, снимаемого с болометра, к мощности лучистой энергии при определенной частоте модуляции, падающей на активный элемент; - порог чувствительности (в Вт), численно равный мощности излучения, которая вызывает сигнал, эквивалентный уровню собственных шумов болометра, т. е. порог чувствительности определяется минимальной мощностью излучения, которую при данных условиях способен зарегистрировать болометр; - постоянная времени, характеризующая тепловую инерционность активного элемента (время, за которое сигнал достигает 63% от установившегося значения); - уровень собственных шумов. Спектральный диапазон чувствительности болометров простирается до 50 мкм. При необходимости их можно сделать селективными приемниками при помощи внешнего оптического фильтра или путем введения соответствующих красителей в органическую пленку, наносимую на поглощающий слей. Для уменьшения влияния тепловых и радиационных помех современные болометры делаются компенсационного типа. С этой целью берут идентичный термочувствительный элемент и располагают его возможно ближе к рабочему, облучаемому элементу. Такие болометры обычно имеют три внешних вывода от активного и компенсационного термисторов и от средней точки. Активный и компенсационный элементы болометра включаются в мостовую электрическую схему, при этом помехи, воздействующие в одинаковой степени на оба элемента, не вызывают нарушения баланса. Сопротивления других плеч моста, как правило, помещают в массивный металлический экранирующий кожух. Питание мостовой схемы осуществляют постоянным или переменным током с частотой несколько сот или тысяч Гц. При питании схемы постоянным током усиление сигнала с выхода болометра производят на частоте модуляции воспринимаемого лучистого потока. При питании схемы переменным током сигнал вначале усиливают на частоте изменения тока, а затем после детектирования — на частоте модуляции. Для уменьшения инерционности чувствительный элемент болометра монтируется на кварцевой или стеклянной подложке, что приводит к уменьшению чувствительности на нулевой частоте модуляции регистрируемого излучения. Болометры делятся на два основных типа: металлические и полупроводниковые. Часто болометры изготовляются вместе с предусилителем. Высокоомные болометры легко согласуются с входным сопротивлением лампового усилителя. Металлический болометр представляет собой термочувствительную полоску, изготовленную из рыхлого металла, нанесенного на подложку из диэлектрика, которая помещена в баллон. Для уменьшения порога чувствительности площадь болометрической полоски делается небольшой, а для уменьшения постоянной времени - очень тонкой. Типичные размеры болометра сопротивления: площадь порядка 1 мм2, толщина 0,1-0,01 мкм; при таких размерах постоянная времени составляет 0,010,02 с. Получение тонких металлических полосок чисто механическими методами (например, прокаткой) связано с большими трудностями; поэтому в настоящее время их изготовляют методом термического распыления в вакууме на какую-либо диэлектрическую подложку, например на тонкую (0,02-0,03 мкм) пленку из нитроцеллюлозы, натянутую на рамку из стекла или керамики. При толщинах 0,1-0,01 мкм металлические слои частично прозрачны, и поэтому для увеличения коэффициента поглощения их покрывают слоем черни, обычно золотой, получаемой при термическом распылении золота в атмосфере чистого азота или водорода при давлении 1-5 мм рт. ст. Толщина слоя черни составляет 20-30 мкм. Первые образцы металлических болометров состояли из тонкой зачерненной полоски платиновой фольги; в современных вариантах этих приборов используют золото, никель, висмут (для висмута ТКС равен 0,005 1/°C). Коэффициент преобразования таких приборов достигает 10-25 В/Вт. Золотая чернь неселективна в широком диапазоне длин волн. Особую группу болометров составляют металлические сверхпроводящие болометры, которые отличаются значительно меньшим порогом чувствительности. В этих болометрах используется эффект резкого уменьшения сопротивления у некоторых металлов и сплавов при низких температурах. Так, например, у применяемого чаще всего материала - нитрида ниобия - изменение температуры на 0,01 К в области перехода в сверхпроводящее состояние (Тс = 14,36 К) приводит к изменению сопротивления в два раза. Благодаря большой величине температурного коэффициента сопротивления (50-100 1/°C) и низкой рабочей температуре величина порога чувствительности оказывается малой. Постоянную времени болометра можно уменьшить за счет отвода тепла от болометрической полоски в массивную подложку. Для болометра из нитрида ниобия постоянная времени 10 до 0,5 мкс, а порог чувствительности — от 1012 до 10-10 Вт/Гц1/2. Однако сложность криогенной системы и необходимость поддержания температуры в переходном диапазоне затрудняет применение сверхпроводящих болометров в инфракрасной аппаратуре, особенно предназначенной для установки на подвижных объектах. Чувствительный элемент полупроводниковых болометров выполнен из полупроводникового материала толщиной 10-20 мкм, нанесенного на подложку в виде тонких прямоугольных пластин. У полупроводниковых болометров температурный коэффициент сопротивления на порядок больше, чем у металлических (порядка 0,05 1/°C), соответственно больше у них и коэффициент преобразования, достигающий 1000 В/Вт. Кроме того они обладают большей механической прочностью по сравнению с металлическими, не требуют применения вакуумной оболочки, менее инерционны; всё это и обусловило их более широкое практическое использование. Порог чувствительности металлических болометров определяется шумом Джонсона (тепловым), и у лучших болометров он составляет 5х10-11 Вт/Гц1/2. У полупроводниковых болометров он выше, чем у металлических (несмотря на большое различие в коэффициенте преобразования), так как определяется токовым шумом (от 10-9 Вт/Гц1/2). Порог чувствительности некоторых полупроводниковых болометров можно уменьшить путем их охлаждения, так как температурный коэффициент сопротивления полупроводников возрастает по абсолютной величине при понижении температуры. Это реализовано, например, в угольном болометре и болометре из германия, легированного галлием. Порог чувствительности полупроводниковых болометров приблизительно прямо пропорционален корню квадратному из площади чувствительной площадки. Уменьшение размеров последней связано с трудностями создания оптической фокусирующей системы. Поэтому разработаны иммерсионные болометры, в которых чувствительный элемент находится в оптическом контакте с линзой, выполненной из материала с большим показателем преломления. При размерах приемной площадки иммерсионного болометра 0,1х0,1 мм можно получить выигрыш в пороговой чувствительности в 3,6 раза по сравнению с болометром, имеющим приемную площадку с размерами 1х1 мм при прочих равных условиях. Зависимость чувствительности полупроводниковых болометров разных типов от частоты: 1 - без подложки; 2 - с тыльной металлической пластиной; 3 - с кварцевой подложкой Детекторы на основе фотопроводимости (фоторезисторы) Фотоэлектрическими эффектами называют такие эффекты в полупроводниках, когда освещение изменяет электрические свойства полупроводника. В первую очередь речь будет идти об изменении электропроводности полупроводника под действием освещения. Это явление получило название фотопроводимости. Все эти эффекты могут появляться в полупроводнике под действием освещения при условии, что в кристалле происходит фотоэлектрически активное поглощение света, фотоэлектрически активным мы будем считать такое поглощение света, которое изменяет концентрацию носителей заряда либо в некоторых случаях изменяет подвижность носителей заряда. Как мы знаем, концентрация носителей заряда может изменяться за счет собственной или примесной генерации. При фотоэлектрических явлениях примесная или собственная генерация осуществляется при освещении кристалла. Подвижность носителей заряда под действием света может меняться, когда при освещении изменяется энергетическое состояние носителей заряда, изменяя их эффективную массу (изменяя закон дисперсии) или изменяется характер рассеяния носителей заряда, изменяя время релаксации. Обычно широко исследуются и уже нашли применение в технике фотоэлектрические явления, вызванные изменением концентрации носителей заряда при освещении. Изменение проводимости под действием освещения при генерации светом избыточных концентраций Δn электронов и Δр дырок можно записать в виде величины Δσcв — световой проводимости: Δσсв= eμnΔn + eμnΔр. (5.13) Если σсв > 0, то эффект называется положительным, а если Δσсв < 0, то эффект называется отрицательным фоторезистивным эффектом. Проводимость, создаваемую равновесными носителями заряда (в отсутствие освещения), мы будем называть темновой проводимостью σт σт= eμnn0 + eμnр0. (5.14) Полная проводимость при освещении σ будет представлять собой сумму: σ= σсв+σт. (5-15) Теоретическое описание явления фотопроводимости, таким образом, требует определения временного и пространственного распределения избыточной концентрации носителей заряда, которое, как мы установили ранее, можно найти, решая уравнения непрерывности для электронов и дырок при задании различных граничных и начальных условий. Самое общее решение уравнения непрерывности невозможно, так как выбор конкретного выражения для скорости рекомбинации и скорость генерации будет определяться конкретными внешними условиями, интенсивностью и длиной волны используемого освещения, действующими в кристалле механизмами рекомбинации носителей заряда. Поэтому в каждом конкретном случае необходимо решение своего уравнения непрерывности. Спектральные характеристики фотопроводимости определяются действующими в данном полупроводнике механизмами поглощения света и рекомбинации генерированных светом носителей. Зная основные механизмы поглощения света, мы можем выделить среди них фотоэлектрически активные механизмы: собственное и примесное поглощение, а также экситонное поглощение. Экситонное поглощение само по себе не создает свободных носителей заряда. Экситон - нейтральная система и участвовать непосредственно в электропереносе не может. Но при дальнейшем тепловом распаде экситона (напомним, что энергии связи экситонов невысоки ~0,01 эВ) появляется пара носителей - электрон в зоне проводимости и дырка в валентной зоне, которые могут давать вклад в электропроводность. Количественная характеристика явления фотопроводимости фоточувствительность. Существует несколько способов определения фоточувствительности и поэтому имеет смысл остановиться на этом подробнее. Обычно под фоточувствительностью понимают фотопроводимость на единицу интенсивности возбуждающегося излучения, т. е. изменение электропроводности, отнесенное к интенсивности возбуждения. Величина, называемая удельной фоточувствительностью, имеет размерность [см·Ом-1Вт-1], получаемую умножением фотопроводимости на площадь пространства между электродами и делением на мощность поглощенного излучения. Если фотопроводимость линейно меняется при изменении напряжения или интенсивности света, то удельная фоточувствительность не будет зависеть от приложенного напряжения или интенсивности света. Удельная фоточувствительность характеризует свойства данного вещества. Покажем, что она пропорциональна времени. жизни носителей заряда и их подвижности.Если скорость генерации равна G, то в условиях невысокого уровня возбуждения и линейной рекомбинации избыточная концентрация носителей заряда стационарна и равна: Δn = Gτn; Δр = Gτp, (5.16) где τn, τp- времена жизни электронов и дырок. Подставляя выражения (3.16) в формулу (3.13), получим Δσсв = Gе (μnτn + μnτp.). (5.17) Известно, что скорость генерации определяется как число пар, генерируемых в единицу времени в единице объема. Поэтому G=ηαI0(1- R), (5.18) где I0- интенсивность света, падающего на единицу площади образца; R- коэффициент отражения; α- коэффициент поглощения; η- квантовый выход, определяющий число пар генерируемых при поглощении одного фотона. Тогда определяем, как было указано выше, удельную фоточувствительность β соотношением β=ΔσсвS/(I0)полн, (5.19) где S- площадь между электродами (фактически это освещаемая площадь образца); (I0)полн- полная интенсивность света, падающего на всю освещаемую поверхность образца. Подставляя выражение (5.18) в формулу (5.19) и учитывая условие (5.17) и то, что (I0)полн=I0 S, получим: β=ηα(1-R)е (μnτn + μnτp.). (5.20) Таким образом, удельная фоточувствительность β, называемая также фотоответом, определяется важнейшими параметрами полупроводника: временем жизни и подвижностью носителей заряда, коэффициентами поглощения и отражения света в данной спектральной области, квантовым выходом фотоионизации. I Свет Релаксация фотопроводимости Пусть полупроводник σф освещается импульсом света прямоугольной формы, как это изображено на рисуноке 5.1, а. стационарное значение б) t фотопроводимости достигается не мгновенно, а лишь через Рисунок 5.1. Релаксация фотопроводимости при возбуждении её импульсом света. некоторое время после начала освещения (рисунок 5.1, б). При выключении света неравновесная проводимость исчезнет также через некоторое время после прекращения освещения (рисунок 5.1., б). Нас будут интересовать законы нарастания и спада фотопроводимости в зависимости от уровня освещения. Рассмотрим случаи малого и большого уровня возбуждения. а) t Изменение концентрации избыточных носителей заряда в единицу времени и dΔn/dt есть разность между скоростями генерации и рекомбинации носителей заряда. Поскольку скорость генерации G=ηαI/ћω,то dΔn/dt =ηαI/ћω-R (5.21) где R учитывает уменьшение концентрации избыточных носителей заряда в результате процесса рекомбинации. При малом уровне освещения, для которого Δn<<(n0+p0), так как R = Δn/τ, поэтому dΔn/dt =ηαI/ћω-Δn(t)/τ. (5.22) Разделяя переменные и интегрируя с учетом начального условия Δn=0 при t=0, получаем выражения, характеризующие изменения концентрации избыточных электронов во времени: Δn=[ηατI/ћω][1-еxp(-t/τ)] = Δnст[1- еxp(-t/τ); (5.23) аналогично для процесса спада Δn= [ηατI/ћω][exp(-t/τ)] = Δnстеxp(-t/τ) (5.24) Отсюда следует, что релаксация фотопроводимости при малой освещенности определяется экспоненциальным законом с постоянной времени, соответствующей времени жизни неравновесных носителей заряда. Фотопроводимость зависит, также, от интенсивности света. При линейном законе рекомбинации стационарная фотопроводимость пропорциональна интенсивности света, т. е. σсв ~ I/ћω (5.25) При квадратичной рекомбинации следует, что σсв ~ √(I/ћω). (5.26) В общем случае можно считать, что σсв ~ Ib/ћω. (5.27) При b = 1 фоторезистивный эффект называюг линейным, при b<1сублинейным. Следовательно, Jф зависимость стационарного 1 фототока полупроводника от интенсивности света должна 2 иметь два участка; при слабой освещенности—линейный, а при большой освещенности — I сублинейный (рисунок 5.2). . Если в полупроводнике имеются центры захвата, то они оказывают влияние на кинетику фотопроводимости. Свободные электроны будут не только рекомбинировать с дырками, но будут также захватываться центрами прилипания, что уменьшит скорость нарастания стационарной концентрации Рисунок 5.2. Зависимость стационарного фототока от интенсивности освещения полупроводника. 1- слабое освещение; 2сильное носителей заряда. При выключении возбуждающего света опустошение ловушек будет затягивать спад концентрации носителей заряда. В результате этого будет иметь место замедление процесса нарастания и спада фотопроводимости. К числу материалов с высокой фотопроводимостью относятся сульфиды, селениды и теллуриды некоторых металлов (например CdS и CdSe, PbS, Tl2S. К фотопроводникам относятся также некоторые оксиды, интерметаллиды и полупроводники, такие как Se, Ge, Si, GaAs, а также некоторые органические соединения. 5.3.1.Фоторезисторы представляют собой пластинки или пленки фотоактивного полупроводникового материала, снабженные двумя невыпрямляющими контактами. При подаче внешнего напряжения в отсутствие освещения в цепи, в которую включен фоторезистор, течет ток, называемый темновым. Величина темнового тока определяется напряжением и сопротивлением образца (т. е. его равновесной проводимостью и размерами) в соответствии с законом Ома. При освещении фоторезистора ток в цепи изменяется, поскольку изменяется проводимость материала. Приращение тока в цепи, т. е. разность токов при наличии и в отсутствие освещения, называется с в е т о в ы м током, или фототоком. F d l w U Рисунок 5.3. Фоторезистор Фототок в цепи, в которую включен освещенный полупроводник (фоторезистор), зависит не только от интенсивности освещения полупроводника, но и от приложенного напряжения, размера контактов, расстояния между ними, способа освещения. Рассмотрим фоторезистор, схематически изображенный на рисунке 3.3, а и представляющий собой прямоугольную пластинку однородного материала с размерами l,d,w. Схема включения фоторезистора и его вольтамперная характеристика показаны на рисунке 3.4. При равномерном поглощении излучения в объеме полупроводника (т. е. в случае, когда глубина проникновения света >w) плотность светового тока, текущего через полупроводник в поле с напряженностью Ē=U/I j  U eN  ( U ) . F q I l2 (5.28) Полный световой ток в цепи фоторезистора I  jF dw  eN V ( U ) F q l2 (5.29) где V=lwd- объем освещенного образца. Множитель NqV=Nqv представляет собой количество квантов излучения, поглощаемых в секунду во всем объеме освещенного полупроводника V. Выражение (5.28) можно переписать в виде IF e  N V (U )  N qvG , q l2 (5.30) Где Nqvη - количество генерируемых в объеме пар носителей заряда; множитель G, равный отношению количества электрических зарядов, проходящих в секунду между электродами фоторезистора IF/е к числу генерируемых в объеме пар носителей заряда Nqvη, называется коэффициентом усиления фототока: I G  F   ( U ) eN l2 qv (5.31) Введем понятие времени дрейфа (времени пролета) носителей заряда между электродами фоторезистора. Это время равно расстоянию между электродами l, поделенному на скорость дрейфа v   (U ) ; d l (5.32) Подставив (3.32) в (3.31), получим G ; T 2 l T U (5.33) Поток зарядов через фоторезистор IF/е может быть меньше поглощенного потока фотонов Nqv или превышать его - это зависит от приложенного напряжения U и расстояния между электродами l ( от времени дрейфа носителей T и от характера электродов. Если электрическое поле в полупроводнике достаточно велико, время пролета носителей заряда может стать меньше времени их жизни T<τ, и коэффициент усиления может существенно превышать единицу. Фоторезисторы из сульфида кадмия, например, характеризуются коэффициентом усиления G ≈ 105. Коэффициент усиления фототока зависит не только от параметров материала, характеризующих его фоточувствительность, но и от конструкции фоторезистора и величины приложенного напряжения. Величина времени жизни носителей заряда кроме чувствительности определяет и инерционность процессов изменения проводимости полупроводников. При рассмотрении механизма фотопроводимости было видно, что с прекращением освещения полупроводника равновесная концентрация носителей заряда (точно так же, как и с включением освещения стационарная концентрация неравновесных носителей) устанавливается не мгновенно - процессы нарастания и спада фотопроводимости носят релаксационный характер. Время, в течение которого устанавливается динамическое равновесие между скоростью генерации и скоростью рекомбинации носителей, т. е. постоянная времени процессов нарастания и спада фотопроводимости, в рассмотренном простейшем случае линейной рекомбинации совпадает со временем жизни носителей заряда. I,мка ФР Rн I IF Iт U0 U,В Рисунок 5.4. Схема включения фоторезистора (а) и его вольт-амперные характеристики Время установления стационарной величины фотопроводимости называют в р е м е н е м ф о т о о т в е т а ф о т о р е з и с т о р а , а обратную ему величину— с к о р о с т ь ю ф о т о о т в е т а . Чем меньше скорость фотоответа, т. е. чем больше постоянная времени релаксации фотопроводимости, тем более инерционен фотоприемник, изготовленный из этого материала. Поскольку одна и та же величина – время жизни носителей заряда – определяет и чувствительность, и инерционность процесса фотопроводимости, можно ожидать, что наиболее фоточувствительные материалы окажутся и наиболее инерционными. Характеристики и параметры фоторезисторов Фоторезисторы обычно включают в цепь постоянного или переменного тока последовательно с сопротивлением нагрузки, как это показано на рисунке 3.4. В электрическом отношении они ничем не отличаются от обычных резисторов, применяемых, например, в радиотехнике. Вольт-амперные характеристики фоторезисторов и в темноте (когда в цепи течет темновой ток Iт) и при освещении, как правило, линейны, т. е. для них выполняется закон Ома. В некоторых случаях при повышении напряжения линейность вольт-амперных характеристик нарушается - либо из-за «неомичности» контактов, либо из-за контактных явлений на границах зерен поликристаллического материала. Типичные вольт-амперные характеристики показаны на рисунке 5.4. Здесь Iт темновой ток, I - ток в цепи освещенного фоторезистора, а их разность IF =I - IT представляет собой собственно фототок. Световые характеристики фоторезисторов обычно строят в зависимости от освещенности их поверхности, а не от величины светового потока (из-за малости рабочей площадки прибора). Эти характеристики называют люкс-амперными. Световые характеристики фоторезисторов нелинейны, и пропорциональная зависимость между фототоком и освещенностью может наблюдаться только в узком интервале изменения освещенности и при малых ее величинах. При освещении фоторезистора характеризуется величиной времени фотоответа. Если увеличить частоту следования световых импульсов (частоту модуляции светового потока f) так, что период колебания освещенности станет меньше, чем время фотоответа, амплитуда переменной составляющей фототока будет снижаться в соответствии с выражением I  f I . 2 1 (2f ) (5.34) Инерционность процесса нарастания или уменьшения фототока характеризуется постоянной времени τ0, в течение которого фототок увеличивается или уменьшается в е (2,73) раз, считая, что изменение тока происходит по экспоненциальному закону. Наименьшую инерционность имеют сернисто-свинцовые фоторезисторы (40-400 мксек), а наибольшую – фоторезисторы на основе сернистого кадмия (1-140 мсек). Спектральные характеристики фоторезисторов в общих чертах определяются материалом, из которого они сделаны, а в деталях - технологией изготовления. Они несколько различаются для фоторезисторов из поликристаллического и монокристаллического материала. Спектральный диапазон чувствительности фоторезисторов принято характеризовать длиной волны, соответствующей максимуму чувствительности λm и длиной волны λ0,5, при которой спектральная чувствительность снижается вдвое по сравнению с максимальной. (Рисунок 5.5.) За порог фотоэффекта λ0 условно принимают длину волны, при которой чувствительность составляет 1 % от максимальной. I,% CdS PbS PbSе 75 50 25 0,6 1,2 1,8 2,4 3,0 λ,мкм Рисунок5.5. Спектральные характеристики фоторезисторов Для фоторезисторов, чувствительных в видимой области спектра, принята следующая система параметров: 1. Величина темпового сопротивления Rт. 2. Величина рабочего и предельно допустимого напряжения. 3. Допустимая мощность рассеяния. Чувствительность: спектральная, измеренная при освещении