Фотоприймачі з внутрішнім підсиленням

Зміст:

1. Загальні принципи роботи фотоприймачів (ФП).

2. Основні характеристики і параметри ФП.

3. Різні типи внутрішнього підсилення в ФП:

– звичайне підсилення на основі p-n-переходу (біполярні

транзистори);

– інжекційне підсилення;

– лавинне підсилення;

5. Застосування ФП з внутрішнім підсиленням.

6. Перспективи.

ФОТОПРОВІДНІСТЬ НАПІВПРОВІДНИКІВ

Оптична генерація носіїв току. Вільні носії, що беруть участь в електропровідності напівпровідника і знаходяться з решіткою у термодинамічній рівновазі, з'являються в результаті термічної генерації. Вони називаються зрівноваженими, а провідність у цьому випадку – зрівноваженою провідністю. Поява вільних електронів і дірок може бути пов'язана з іншими чинниками, зокрема, із поглинанням оптичного випромінювання. Носії струму, що виникли в матеріалі, минаючи термічне збудження, називаються незрівноваженими. Відповідно і надлишкова провідність називається незрівноваженою.

При поглинанні фотона електронно-діркова пара одержує деяку надлишкову енергію і квазіімпульс. Зрівноважений розподіл фотоносіїв по енергіях і квазіімпульсах встановлюється за час, менший часу перебування у відповідних зонах. Тому вони встигають "термолізуватися", тобто розподіл їх по енергіях і квазіімпульсах стає таким же, як і для зрівноважених електронів і дірок. Повна електропровідність:

s = q(mnn0 + mpp0 + mnDn + mpDp),

де n0 і p0 – зрівноважені концентрації електронів і дірок; Dn, Dp – незрівноважені їх концентрації.

Фотопровідність:

sф = q(mnDn + mpDp)

При hn ³ Eg концентрація незрівноважених електронів і дирок пропорційна швидкості оптичної генерації, тобто g = ah(l)Nф, де Nф – потік фотонів, h(l) – квантовий вихід фотоіонізації (кількість електронно-діркових пар, утворених одним квантом світла).

Підсилення фотоструму. В однорідному напівпровіднику фотострум:

Iф = qGKф,

де G – повна генерація; Kф = tn / tn + tp / tp – коефіцієнт підсилення; tn ,tp – часи прольоту електронів і дірок між електродами при довжині зразка d і прикладеній напрузі U:

tn = d2 / (mn U), tp=d2/(mp U)

В результаті:

Kф = (tn / tn + tp / tp)U / d2

Iф = qG(tn / tn + tp / tp)U / d2

Фізичний зміст коефіцієнта підсилення полягає в тому, що, утворена світлом незрівноважена провідність в напівпровіднику зберігається до того часу, поки не рекомбінуються в об’ємі чи не вийдуть з нього через контакти в зовнішній ланцюг залишкові носії. Оскільки електрони і дірки мають різні рухливості, то при досить великих напругах електричного поля (коли час прольоту електрона через зразок буде менший часу життя) за час до рекомбінації електронно-діркової пари від контакту до контакту пройде електронів більше, ніж один. Якщо час життя і рухливість не залежать від поля, то фотострум повинен лінійно зростати зі збільшенням прикладеної напруги чи зменшенням відстані між контактами. Така залежність буде зберігатись доти, поки час прольоту дірок не зменшиться до часу життя. Після цього фотострум перестає зростати, так як ефективний час життя незрівноваженої електронно-діркової пари починає спадати пропорційно до прикладеного електричного поля, що компенсує збільшення швидкості їх руху. В цій області зміщень швидкодія збільшується. Нелінійна залежність фотоструму може бути зв’язана з виникненням об’ємного заряду в напівпровіднику з залежністю від електричного поля рухливості і часу життя носіїв внаслідок їх “розігріву”, тобто збільшення швидкості вище теплової при даній температурі.

Для власного поглинання в області малих зміщень при рівномірній по об’єму генерації електронно-діркових пар зміна незрівноваженої провідності визначається рівнянням:

dsф / dt = q(mn + mp)G - sф / tф,

де tф = (mnDn + mpDp)( mnDn / tn + mpDp / tp)-1

Це є час релаксації фотопровідності (час життя незрівноваженої провідності) і визначає темп затухання незрівноваженої провідності sф.

В стаціонарному стані (dsф / dt = 0) фотопровідність:

sФст = q(mn + mp)Gtф

Видно, що чим вище tф, тим більша фотопровідність, але і більший час встановлення стаціонарного стану, тобто більша інерційність фотоприйомного приладу і менша полоса пропускання Df. Якість фотоприймача оцінюється його добротністю

Q = KфDf

Для кожного типу фотоприймача з лінійним механізмом підсилення фотоструму його добротність є величина постійна .Виграш в коефіцієнті підсилення супроводжується пропорційним зменшенням полоси пропускання і навпаки.

ХАРАКТЕРИСТИКИ І ПАРАМЕТРИ ФОТОПРИЙМАЧІВ

ХАРАКТЕРИСТИКИ ФОТОПРИЙМАЧІВ

Фотоприймачі є приладами, що реагують на потік випромінювання.

Вольт-амперна характеристика відображає залежність струму, що проходить у ланцюзі фотоприймача, від напруги на ньому. Світловий (загальний) струм I = IТ + IФ де ІТ - струм за відсутності освітлення; IФ – фотострум.

Спектральна характеристика визначає реакцію фотоприймача на вплив випромінювання з різноманітною довжиною хвилі. Вона визначає спектральну область застосування приймача, а також його спектральну й інтегральну чутливості. Енергетична (світлова) характеристика відображає залежність фотовіддачі від інтенсивності збуджуючого потоку випромінювання (ампер-ватна, вольт-ватна, люкс-амперна характеристики).

Енергетичною характеристикою називають також залежність інтегральної або спектральної чутливості приймача від інтенсивності засвітки.

Температурні характеристики визначають залежність ряду параметрів (темновий струм, темновий опір, чутливість і ін.) від температури навколишнього середовища. При цьому обумовлюються значення основних параметрів у крайніх точках робочого діапазону при робочій напрузі живлення фотоприймача. Температурний коефіцієнт фотоструму (ТК) визначається відношенням

ТК = [(І2 - І1) / І1(Т2 - Т1)]100%,

де І1 і І2 – світловий струм при температурі Т1 і Т2 відповідно.

Граничні характеристики описують здатність фотоприймача реагувати на світлові сигнали слабкої інтенсивності. У значній мірі ці характеристики визначаються власними шумами приладу, що є флуктуацією струму, що проходить через нього за відсутності засвітки або при впливі немодульованого світлового потоку.

Тепловий шум є білим і виявляється у вигляді безладних коливань на виводах фотоприймача. Напругу цього шуму можна зменшити навантаженням приймача узгодженим опором. До складу струмового (1/f), або надлишкового, шуму входять модуляційний і контактний шуми. Іноді (при частотах f1/2до цього типу шумів відносять і генераційно-рекомбінаційний шум.