Приймачі випромінювання

Фотоелектричний приймач (скорочено фотоприймач) — оптоелектронний прилад для перетворення енергії оптичного випромінювання в електричну енергію. Під дією оптичного випромінювання відбувається зміна електрофізичних параметрів фотоприймача, обумовлена утворенням додаткових вільних носіїв заряду в напівпровіднику. Цей процес називається внутрішнім фотоелектричним ефектом або фотоефектом.

Для того, щоб поглинутий напівпровідником фотон випромінювання створював носії електричного заряду або фотоносії, його енергія Wф повинна бути достатньою для переходу електрона з валентної зони в зону провідності, тобто необхідне виконання співвідношення

image002, де h- постійна Планка.

З виразу (2.9.4) випливає, що фотоефект виникає у напівпровіднику тільки завдяки впливу на нього випромінювання з довжиною хвилі, більшою за деяке граничне значення

image004. (2.9.5)

Для поширених напівпровідникових матеріалів, таких як кремній, германій, арсенід галію, сірчистий і селенистий кадмій, значення lгр складає 1,1; 1,8; 0,9; 0,7 і 0,8 мкм.

Робота існуючих приймачів випромінювання основана на двох формах внутрішнього фотоефекту: фотогальванічному та ефекті фотопровідності.

Фотогальванічний ефект виникає в напівпровідниках із внутрішнім потенційним бар’єром (таких як РN-перехід, перехід метал-напівпровідник, гетероперехід). У зазначених структурах внутрішнє електричне поле переходу розділяє виниклі під дією оптичного випромінювання фотоносії, що створюють фото-ЕРС. Це явище лежить в основі роботи основної маси фотоприймачів: фотодіодів, фототранзисторів, фототиристорів та інших напівпровідникових структур.

Явище фотопровідності відрізняється від фотогальванічного ефекту тим, що поділу фотоносіїв не відбувається, а зміна їхньої концентрації впливає на провідність напівпровідника. На цьому ефекті працюють фоторезистори.

Чутливим елементом фоторезистора, устрій якого показано на рис. 2.9.3, а, є тонкий прошарок напівпровідникового матеріалу, розташований на діелектричній підкладинці. При вмиканні фоторезистора в електричне коло (рис. 2.9.3, б) при відсутності світла по колу тече темновий струм

image006, (2.9.6)

де b — постійний коефіцієнт; yo- темнова провідність напівпровідника, тотожна 1/Rо.

image008

Рис. 2.9.3. Пристрій (а), схема вмикання (б), енергетична (в) і вольт-амперна (г) характеристики фоторезистора:

1- напівпровідниковий прошарок; 2 — скляна підкладинка; 3 — електроди

Під впливом оптичного випромінювання провідність світлочутливого прошарку зростає, і струм через прилад збільшується до значення

image010, (2.9.7)

де yф фотопровідність напівпровідника.

Залежності струму від світлового потоку Iф = f(Ф) і прикладеної напруги Iф = f(U) при різних значеннях, наведені на рис. 2.9.3, в, г, являють собою енергетичну і вольт-амперну характеристики фоторезистора.

Незважаючи на великий коефіцієнт перетворення оптичного сигналу в електричний струм, простоту, малі габаритні розміри і масу, фоторезистори знаходять обмежене застосування внаслідок низької швидкодії і значної температурної нестабільності параметрів.

Основою більшості фотоприймачів, які використовуються у сучасних оптоелектронних приладах, є діодні структури. Вони прості, технологічні, мають високі показники чутливості і швидкодії, лінійність характеристик, малі значення паразитних параметрів (струмів витоку, ємності), високі зворотні напруги, високу температурну стабільність. Крім того, саме діодна структура є елементарною ланкою більшості складних приймачів: фототранзисторів, багатоелементних матриць і т.ін.

Найпростіший фотодіод являє собою звичайний напівпровідниковий діод, у якому забезпечується можливість впливу оптичного випромінювання на РN-перехід. У стані рівноваги, коли потік випромінювання цілком відсутній (Ф=0), концентрація носіїв, розподіл потенціалу й енергетична зонна діаграма фотодіода цілком відповідають звичайній РN-структурі.

Під впливом випромінювання в напрямку, перпендикулярному до площини РN-переходу, у результаті поглинання фотонів з енергією більшою, ніж ширина забороненої зони, в N-області виникають електронно-діркові пари. Під час дифузії фотоносіїв вглиб N-області основна частка електронів і дірок не встигає рекомбінувати і досягає межі PN-переходу. Тут фотоносії розділяються електричним полем PN-переходу, при чому, дірки переходять у Р-область, а електрони не можуть перебороти поле переходу і накопичуються на межі РN-переходу в N-області. Таким чином, струм фотоносіїв через РN-перехід обумовлений дрейфом неосновних носіїв — дірок. Дрейфовий струм фотоносіїв називається фотострумом Iф. Фотоносії-дірки заряджають Р-область позитивно стосовно N-області, а фотоносії-електрони — N-область негативно стосовно Р-області. Така різниця потенціалів називається фото-ЕРС. Еф.

Для забезпечення високої чутливості до випромінювання необхідно, щоб у фотодіоді дифузійна складова струму була мінімальною. Тому фотодіод працює або зовсім без зовнішньої напруги (фотогальванічний режим), або завдяки зворотній зовнішній напрузі (фотодіодний режим).

При використанні фотодіода у фотогальванічному режимі (рис. 2.9.4, а) джерело зовнішньої напруги відсутнє і діод працює як генератор фото-ЕРС.

Вольт-амперні характеристики фотодіода у фотогальванічному режимі наведені на рис. 2.9.4, б.

У фотодіодному режимі роботи послідовно з фотодіодом під’єднується джерело зворотної напруги (рис. 2.9.5, а). При збільшенні світлового потоку збільшується струм, що протікає по колу, відповідно до виразу

image012. (2.9.8)

image014

Рис. 2.9.4. Схема вмикання (а) і вольт-амперні характеристики (б) фотодіода у фотогальванічному режимі

Робочою областю фотодіода на сімействі вольт-амперних характеристик (рис. 2.9.5, б) є ділянки, що лежать у III квадранті. Як випливає з рис. 2.9.5, б, у фотодіодному режимі при заданому потоці випромінювання, фотодіод є джерелом струму, величина якого практично не залежить від параметрів зовнішнього кола (Езв, R).

Спектральна характеристика фотодіодів аналогічна спектральній характеристиці світлодіодів. Швидкодія фотодіодів визначається, в основному, ємністю РN-переходу й менше процесами поділу фотоносіїв.

Одним із шляхів створення швидкодіючих фотоприймачів з високою чутливістю є використання лавинного пробою. У лавинних фотодіодах поле в активній зоні велике, і енергія, яка одержується фотоносіями, перевищує енергію утворення електронно-діркових пар, що призводить до лавиноподібного процесу розмноження носіїв.

image005

Рис. 2.9.5. Схема вмикання (а) і вольт-амперні характеристики (б) фотодіода в фотодіодному режимі

До основних фотодіодних конструкцій, перспективних для використання в оптоелектронних приладах, варто віднести кремнієву РIN-структуру, контакт метал-напівпровідник (бар’єр Шоткі) і гетеропереходи.

У кремнієвих РIN-фотодіодах (рис. 2.9.6) більша частина (до 90%) потужності, поглиненої в кремнієвому кристалі, припадає на частку I-області. Сильне електричне поле, що виникає в I-області навіть при невеликих зворотних зсувах, сприяє швидкому розсмоктуванню електронів і дірок, що генеруються світлом, забезпечує малі рекомбінаційні втрати, високу фоточутливість і малу (10-9-10-10 с) інерційність.

Ці переваги обумовлюють застосування PIN-фотодіодів у швидкодіючих пристроях.

В той же час PIN-фотодіоди характеризуються малим значенням фото-ЕРС. (до 0,45 В), великими струмами витоку, низькою стійкістю до радіаційних впливів і технологічною несумісністю з інтегральними мікросхемами.

image003

Рис. 2.9.6. Пристрій кремнієвого PIN – фотодіода з фронтальним освітленням

Рис. 2.9.7. Пристрій фотодіода з бар’єром Шоткі

У фотодіодах на основі бар’єра Шоткі (рис. 2.9.7) у приконтактній частині напівпровідника утворюється область об’ємного заряду, збіднена рухливими носіями заряду. Зовнішня зворотна напруга, що практично повністю належить до цієї області, створює досить значну напруженість електричного поля, яка швидко «витягає» електрони і дірки. Охоронне кільце усуває паразитні крайові ефекти, що сприяє різкому зниженню струму витоку й підвищенню пробивної напруги. Для зменшення втрат на відбиття випромінювання на поверхню напівпрозорої золотої плівки наноситься просвітлювальне покриття із сірчистого цинку.

Фотодіоди з бар’єром Шоткі мають ряд переваг: високу чутливість (до 0,5 А/Вт), малу інерційність (до 10-10 с), широкий вибір використовуваних матеріалів, простоту виготовлення і технологічну сумісність з інтегральними схемами.

Будова і принцип дії гетерофотодіодів можна показати на прикладі GaAs-GаАlАs-структури, наведеної на рис. 2.9.8. У такому фотоприймачі оптичне випромінювання, проходячи через перший прошарок Р+СаА1Аs, поглинається в середньому прошарку N-GаАs. Високий ступінь чистоти середнього прошарку забезпечує малі втрати на рекомбінацію електронів і дірок, що генеруються світлом, а велика напруженість електричного поля — швидке їхнє розсмоктування.

image020

Рис. 2.9.8. Пристрій гетерофотодіода на основі GaAs-GaAlAs -структури

Гетерофотодіоди характеризуються високою фоточутливістю, малою інерційністю, можливістю роботи при малих зворотних напругах, великим значенням фото-ЕРС. (до 0,8-1,1 В). Вони технологічно сумісні з елементами інтегральних оптичних схем, але складні у виготовленні.

Основний недолік діодних структур — низька чутливість — усувається у фотоприймачах із внутрішнім підсиленням: фототранзисторах, фототиристорах, інтегральних фотоприймачах.

Фототранзистори виготовляються за стандартною планарною технологією кремнієвих інтегральних схем і відрізняються від звичайних транзисторів наявністю фотоприймального вікна, через яке світло, пройшовши тонкий емітерний прошарок, потрапляє на базу (рис. 2.9.9, а). При вмиканні фототранзистора за схемою з загальним емітером базовий фотострум підсилюється в b разів (b = 50 ¸ 200), цим самим забезпечує високу фоточутливість приладу.

image022

Рис. 2.9.9. Пристрій (а), умовне позначення (б), еквівалентна схема (в) і вольт-амперні характеристики фототранзистора (г)

Фототранзистори відрізняються схемотехнічною зручністю і гнучкістю, цілком електричною і технологічною сумісністю з інтегральними схемами, проте характеризуються великою інерційністю (10-5 ¸ 10-6 с) і меншою стабільністю параметрів.

Для безконтактних пристроїв управління випрямлячами і перетворювачами, у системах контролю високовольтних ліній електропередач, у схемах управління виконавчими механізмами в автоматиці й інших пристроях потужної оптоелектроніки широко застосовуються фототиристори (рис. 2.9.10.).

Основна перевага фототиристорів полягає в здатності переключати великі струми і напруги. При засвічуванні базової області випромінюванням, потужність якого перевищує поріг відмикання, за рахунок генерації носіїв зарядів чотиришарова структура переходить із замкненого стану у відкритий (рис. 2.9.10, г). Крім того, фототиристори мають вмонтовану пам’ять, тому що після припинення світлового впливу прилад залишається ввімкненим.

Значно підвищити основні показники фотоприймачів дозволяє використання досягнень мікроелектроніки. В інтегральних фотоприймачах у єдиному технологічному процесі на одній підкладинці виготовляються фотодіод і транзистор (складений фототранзистор) або фотодіод і інтегральний підсилювач. У таких приладах забезпечується не тільки висока чутливість і швидкодія, але й підвищується температурна стабільність і лінійність характеристик.

В якості фотоприймачів застосовують також польові транзистори з PN- або MОН — затвором, одноперехідні транзистори, структури метал- діелектрик- напівпровідник- діелектрик- метал (МДНДМ — структури), фотоварікапи, але широкого поширення вони не знайшли.

image024

Рис. 2.9.10. Пристрій (а), умовне позначення (б), еквівалентна схема (в) і вольт-амперні характеристики (г) фототиристора

До числа оптоелектронних елементів інформаційних систем, що найбільш швидко розвиваються, відносяться багатоелементні фотоприймачі. Ці прилади реагують не тільки на яркісно-часові характеристики, але і здатні сприймати просторові параметри об’єктів, тобто оперувати з зображеннями, що важливо в системах передачі, прийому й обробки інформації.

Існуючі багатоелементні фотоприймачі роблять аналіз досліджуваного об’єкта шляхом поелементного послідовного перегляду, тому поряд із великою кількістю елементарних фоточутливих комірок прилади повинні містити й пристрої для зчитування інформації.

Основні параметри фотоприймачів

Принцип дії сканувальних багатоелементних фотоприймачів полягає в наступному. Оптичне випромінювання від об’єкта фокусується на фоточутливу поверхню, де світлова енергія переходить в електричну. Реакція кожного елемента (зміна струму, заряду, напруги) пропорційна його освітленості, тому яркісна картина яскравості перетворюється в електричний рельєф. При скануванні проводиться послідовне опитування кожного елемента і зчитування інформації, що знаходиться в ній. Таким чином, на виході пристрою утворюється послідовність електричних сигналів, в якій закодований образ, що сприймається.

Головні успіхи в розвитку багатоелементних фотоприймачів пов’язані з створенням приладів із зарядовим зв’язком (ПЗЗ). ФотоПЗЗ являє собою матрицю (лінійну або двомірну) структур метал-діелектрик-напівпровідник (МДН-структур), розташованих на кристалі так близько один до одного, що між сусідніми елементами виникає зв’язок.

Багатоелементні ПЗЗ-фотоприймачі відрізняються високою чутливістю (до 10-4 лк×с), роздільною здатністю (до 40 лін/мм), малою споживаною потужністю, високою частотою сканування (до 109 Гц). Вони прості у виготовленні, технологічні, здатні працювати в різноманітних спектральних діапазонах.

Вищезгадані переваги роблять фотоприймачі на основі ПЗЗ-структур незамінними для систем автоматичного управління і контролю в різних галузях промисловості (контроль розмірів, положення предметів, наявності дефектів, якість обробки), в пристроях введення інформації в ЕОМ, для автоматизації засобів зв’язку й у системах оптичної обробки інформації.

Васюра А.С. – книга “Елементи та пристрої систем управління автоматики”

Один комментарий к “Приймачі випромінювання”

  1. Basil_CHe Says:

    Спасибо большое, для курсовой помогло!



Оставьте комментарий к статье