Приемники излучения (фотоэлектрические приемники)

Лекция_12. (2 ЧАСА_08.05.07) ПРИЕМНИКИ ИЗЛУЧЕНИЯ (ФОТОЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ ПРИЕМНИКИ) Материалы: «Электронные , квантовые приборы и микроэлектроника», под ред. Федорова, стр. 359 СОДЕРЖАНИЕ 1 Электровакуумные фотоэлектрические приборы 2. Фотопроводимость полупроводников. Характеристики фотоприемных приборов 3. Фоторезисторы 4 Фотодиоды 5. p-i-n -фотодиоды 6. Лавинные фотодиоды 7. Фотоэлементы 8. Биполярный фототранзистор 9. Полевые фототранзисторы 10. Фототиристоры 11. Оптопары 12. Приемные оптоэлектронные модули ПРИЕМНИКИ ИЗЛУЧЕНИЯ (ФОТОЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ ПРИЕМНИКИ) Материалы: «Электронные , квантовые приборы и микроэлектроника», под ред. Федорова, стр. 359 В фотоэлектрических приборах осуществляется преобразо­вание световой энергии в электрическую. По принципу действия эти приборы делятся на две группы: фотоприборы с внешним фотоэффектом (электровакуумные и газонаполненные) и фотоприборы с внутренним фотоэффектом (полупроводниковые приемники излучения). 12.1 Электровакуумные фотоэлектрические приборы Электровакуумный фотоэлемент, использующий ВНЕШНЮЮ фотоэлектронную эмиссию, - это диод, у которого на внутренней поверхности стеклянного баллона нанесен фотокатод. Под действием электромагнитного излучения фотокатод эмиттирует электроны. Анод, выполненный в виде металлического кольца, собирает электроны. В электровакуумных фотоэлементах в баллоне создается высокий вакуум. В газонаполненных для заполнения баллона используют инертный газ, и увеличение в них тока, текущего через прибор, происходит за счет несамостоятельного газового разряда. Свойства и особенности фотоэлементов отражаются на ИХ ХАРАКТЕРИСТИКАХ • вольт-амперной, IФ = f(U) при Ф = const; • энергетической Iф =f(Ф) при U = const, (где IФ - фототок, Ф - световой поток). • Спектральной Кф() =f() (где Кф - чувствительность фотокатода к квантам света с длиной волны ). Вид этих характеристик для вакуумных фотоэлементов показан на рис, 12.1. Электровакуумные фотоэлементы обладают малой инерционностью. Применяются в различных устройствах автоматики, аппаратуре звукового кино, приборах для физических исследований. Основные их недостатки -невозможность микроминиатюризации, высокие анодные напряжения, малая интегральная чувствительность - ограничивают их применение, и во многих видах аппаратуры вместо них используют полупроводниковые приемники излучения. Остановимся подробнее на разновидности вакуумного фотоэлектрического прибора - фотоэлектронного умножителя (ФЭУ). Рабочие токи обычных фотоэлементов составляют всего несколько микроампер. Этот недостаток в ФЭУ отсутствует, так как в них осуществляется усиление фототока за счет вторичной электронной эмиссии. Принцип работы ФЭУ заключается в следующем (рис.12.2). В ФЭУ используют вспомогательные электроды (диноды D1, D1...Dm), с которых осуществляется вторичная эмиссия. Слабый световой поток (порядка 10-3лм и меньше) вызывает фотоэлектронную эмиссию из фотокатода ФК. Вылетевшие электроны под действием ускоряющего поля направляются и фокусируются на электрод D1, выполненный из металла с большим коэффициентом вторичной эмиссии  =6...8. Выбитые из динода D1 вторичные электроны образуют ток , где Iфк - ток, образованный первичными электронами фотокатода. Поле второго динода D2 ускоряет появившиеся вторичные электроны, которые в свою очередь выбивают вторичные электроны из динода D3 и т.д. Если m - число динодов, то к аноду А придет поток электронов в раз больший, чем было испущено фотокатодом. Коэффициент усиления ФЭУ М=. Потери электронов в одном ускоряющем и фокусирующем каскаде системы учитывают с помощью коэффициента . Тогда . Для повышения эффективности работы ФЭУ разработаны приборы с различной формой и расположением электродов. Основные параметры ФЭУ: • область спектральной чувствительности; • число ступеней умножения; • коэффициент усиления; • темновой1 ток, ограничивающий минимальный световой поток, который может регистрировать ФЭУ. Одна из последних разработок ФЭУ использует эффект умножения числа носителей заряда в р-n-переходе под действием быстрых электронов. обладающих значительной энергией. В качестве умножающих элементов используются диодные и транзисторные структуры. При бомбардировке свободными электронами с энергией до 10 кэВ в р-n -переходе идет генерация пар носителей заряда. На р-n -переход подается обратное напряжение. Поле перехода разделяет носители, в цепи анода появляется ток. Коэффициент усиления пропорционален коэффициенту умножения носителей в полупроводнике. Такие гибридные ФЭУ имеют большие выходные токи (до 0,5 А в стационарном и до 20 А в импульсном режиме). Малые габариты и высокое быстродействие дают возможность применять ФЭУ для регистрации световых потоков малой интенсивности в астрономии, телевидении, фототелеграфии. Импульсные и высокочастотные ФЭУ применяют для регистрации слабых световых импульсов, следующих через наносекундные промежутки времени. 12.2. Фотопроводимость полупроводников При падении на фоточувствительную поверхность прибора оптического излучения оно частично отражается и частично поглощается поверхностью. При поглощении оптического излучения в полупроводниковом материале возникают электроны и дырки, которые создают избыточную электропроводность, называемую фотопроводимостью (внутренний фотоэффект). Степень фотопроводимости зависит от коэффициента поглощения фотонов материалом, скорости генерации носителей заряда, от квантового выхода, т.е. от числа электронно-дырочных пар, образуемых под действием одного кванта излучения. Для полупроводниковых материалов при оценке проходящей, отраженной и поглощенной световой энергии используют ряд коэффициентов, из которых отметим коэффициент поглощения . Коэффициент является постоянной величиной, характеризующей уменьшение мощности излучения по координате х, направленной в глубь полупроводника нормально к его поверхности: где Рпад(0) - мощность излучения падающего на поверхность полупроводника. Зависимость коэффициента поглощения от длины волны излучения (частоты, энергии кванта) называют спектром поглощения. Отдельные области спектра соответствуют различным механизмам поглощения энергии излучения в полупроводниках. Существует ряд механизмов поглощения энергии, из которых наиболее значимыми являются собственное и примесное поглощения. Фотопроводимость возникает, когда энергия фотонов превышает некоторое пороговое значение. При собственном поглощении пороговую энергию определяет ширина запрещенной зоны, а при примесном - энергия активации соответствующего уровня примесного центра. Свойства фотоприборов описываются системой характеристик и параметров. Наиболее часто используются следующие характеристики: • спектральная характеристика чувствительности отражает реакцию прибора на воздействие излучения с различной длиной волны. Она определяет спектральную область применение прибора; • энергетическая характеристика отражает зависимость фотоответа прибора от интенсивности возбуждающего потока излучения (ампер-ваттная, вольт-ваттная, люкс-амперная характеристики); • пороговые характеристики показывают способность фотоприбора регистрировать излучение малой интенсивности; • вольт-амперная характеристика отражает зависимость тока фотоприемника от приложенного к нему напряжения. Из большого числа используемых параметров отметим следующие: • темновое сопротивление - сопротивление прибора в отсутствие падающего на него излучения; • IТ-темновой ток, проходящий через прибор при указанном напряжении в отсутствие потока излучения; • токовая чувствительность SI (А/лм или А/Вт) определяет значение фототока, создаваемого единичным потоком излучения. Инерционность прибора характеризуют частотные характеристики, которые описывают зависимость чувствительности от частоты модуляции излучения или длительности импульсов, а также постоянные времени нарастания и спада фотоотклика при импульсном излучении. 12.3. Фоторезисторы Фоторезистор – это полупроводниковый резистор, действие которого основано на фоторезистивном эффекте. При облучении фоторезистора фотонами в полупроводниковом фоточувствительном слое возникает избыточная концентрация носителей заряда. Если к фоторезистору приложено напряжение, то через него будет проходить дополнительная составляющая тока – фототок, обусловленный избыточной концентрацией носителей. Фототок соответствует прохождению через фоторезистор и через внешнюю цепь электронов. Принцип устройства фоторезистора поясняется на рис. 12.3,а. На диэлектрическую пластину 1 нанесен тонкий слой полупроводника 2 с контактами 3 по краям. Схема включения фоторезистора приведена на рис. 12.2,б. Полярность источника питания не играет роли! Если облучения нет, то фоторезистор имеет некоторое большое сопротивление RТ, называемое темновым. Оно является одним из параметров фоторезистора и составляет 104 - 107 Ом. Соответствующий ток через фоторезистор называют темновым током. При действии излучения с достаточной энергией фотонов на фоторезистор в нем происходит генерация пар подвижных носителей заряда (электронов и дырок) и его сопротивление уменьшается. Для фоторезисторов применяют различные полупроводники, имеющие нужные свойства. Так, например, сернистый свинец наиболее чувствителен к инфракрасным, а сернистый кадмий – к видимым лучам. Фоторезисторы характеризуются интегральной чувствительностью S, т.е. отношением фототока Iф к световому потоку Ф при номинальном значении наряжения: А также удельной чувствительностью, т. е. интегральной чувствительностью отнесенной к 1 В приложенного напряжения: где Ф – световой поток. Обычно удельная чувствительность составляет несколько сотен или тысяч микроампер на вольт-люмен. Фоторезисторы имеют: линейную вольт-амперную и нелинейную энергетическую характеристику (рис. 12.4). Спектральная характеристика фоторезистора - зависимость фототока от длины волны падающего света (рис. 12.5). Для каждого фоторезистора существует свой максимум спектральной характеристики - Это связано с различной шириной запрещенной зоны используемых материалов. Максимум спектральной характеристики может находиться в инфракрасной, видимой или ультрафиолетовой частях спектра. К параметрам фоторезисторов кроме темнового сопротивления и удельной чувствительности следует еще отнести: • максимальное допустимое рабочее напряжение (до 600 В); • кратность изменения сопротивления (может быть до 500), • температурный коэффициент фототока . Значительная зависимость сопротивления от температуры характерная для полупроводников, является недостатком фоторезисторов. Существенным недостатком надо считать также их большую инерционность, объясняющуюся довольно большим временем рекомбинации электронов и дырок после прекращения облучения, Практически фоторезисторы применяются лишь на частотах не выше нескольких сотен герц или единиц килогерц. Собственные шумы фоторезисторов значительны. Тем не менее, фоторезисторы широко применяются в различных схемах автоматики и во многих других устройствах. 11.4 Фотодиоды фотодиодом называют полупроводниковый диод в которых используется внутренний фотоэффект, т.е. обратный ток диода зависит от освещенности (светового потока). Фотодиоды изготовляются на основе электронно-дырочных переходов, контактов металл-полупроводник и гетеропереходов. (Рис. 12.6,а). Под воздействием светового потока на электронно-дырочный переход и прилегающие к нему области происходит генерация пар носителей заряда, проводимость диода возрастает и обратный ток увеличивается. Добавка к обратному току, связанная с освещением, называется фототоком Iф. Полная величина обратного тока Iобр = Iт + Iф , где Iт - темновой ток (при нулевом световом потоке Ф = 0), т.е. это обратный ток обычного диода. Фототок обычно представляют выражением Iф = Si интФ, а коэффициент пропорциональности Si инт называют интегральной токовой чувствительностью фотодиода. Интегральная чувствительность обычно составляет десятки миллиампер на люмен. Она зависит от длины волны световых лучей и имеет максимум при некоторой длине волны, различной для разных полупроводников. Темновой ток фотодиода (Ф=0) описывается уравнением где -температурный (тепловой) потенциал, где k – постоянная Больцмана, Т – абсолютная температура, q – заряд электрона а семейство вольт-амперных характеристик при Ф  0 , Это семейство характеристик изображено в III квадранте на рис.12.7. На рис.12.6, б показана схема включения фотодиода с резистором Rн. Изменение напряжения на резисторе Rн. и есть полезный эффект, связанный с освеще­нием. Если Rн. = 0 (режим короткого замыкания), то в цепи течет так называемый фототок короткого замыкания Iкз, соответствующий на рис. 12.7 значению при U = 0. Имеется несколько разновидностей фотодиодов. У лавинных фотодиодов происходит лавинное размножение носителей в p-n –переходе и за счет этого в десятки раз возрастает чувствительность. В фотодиодах с барьером Шотки имеется контакт полупроводника с металлом. Это диоды с повышенным быстродействием. Улучшенными свойствами обладают фотодиоды с гетеропереходами. Все фотодиоды могут работать и как генераторы ЭДС. Наибольшее распространение в ВОСП получили лавинные и p-i-n фотодиоды.