НАПІВПРОВІДНИКОВІ ФОТОПРИЙМАЧІ

Загальна характеристика фотоприймачів. За принципом дії всі фотоприймачі можна розділити на теплові та фотоелектричні; іноді серед останніх виділяють ще фотоелектронні прилади. У теплових фотоприймачах використовують зміна опору чутливого елемента в залежності від його нагрівання під дією поглиненого їм випромінювання. У фотоелектричних (фотоелектронних) вакуумних приладах використовують зовнішній фотоефект, а в напівпровідникових фотоприймачах - внутрішній.

Найбільше застосування знаходять напівпровідникові фотоелектричні приймачі, які і будуть основним предметом розгляду в цьому розділі. У загальному випадку у всіх напівпровідникових фотоприймачах ( фотодетекторах ) відбуваються такі процеси: генерація вільних носіїв за рахунок впливу випромінювання на напівпровідник; перенос носіїв і, можливо, їх множення "залежно від типу приладу; взаємодія із зовнішнім ланцюгом. В результаті цих процесів формується вихідний сигнал, параметри якого залежать від падаючого оптичного випромінювання.

Можна виділити дві основні групи оптоелектронних напівпровідникових фотоприймачів, призначених для прийому, обробки та зберігання інформації: дискретні фотоприемники з малою апертурою - для прийому оптичних імпульсів (сигналів); багатоелементні фотоприймачі - для сприйняття світлових образів (зображень).

Серед фотоприймачів першої групи кращими з точки зору високих швидкодії і чутливості в робочому діапазоні довжин хвиль і низького рівня шумів є фотодіоди (особливо з р - * - я структурою і лавинні), а серед другої - фоточутливі прилади із зарядним зв'язком.

Фотоприймачі є вкрай важливою складовою частиною оптоелектронних інформаційних систем. Потреби оптоелектроніки стимулювали створення фотоприймачів, що володіють високими швидкодією і чутливістю, що працюють в самих різних діапазонах довжин хвиль, що мають хороші експлуатаційні характеристики і т. Д. Перспективи розвитку оптоелектроніки значною мірою визначаються рівнем досягнень в розробці фотоприйомних пристроїв.

Фоторезистори.

Фоторезистор представляє собою тонку пластинку або плівку напівпровідника 1 з омічними контактами 2 на двох протилежних кінцях (рис. 16.12), до яких підключається електричний джерело живлення з напругою V. Напівпровідник зазвичай наноситься на скляну підкладку 3. Найбільш поширені фоторезистори на основі С <18 і Сс18е, що працюють в довгохвильовій частині видимої області спектра. Фоторезистори, виготовлені на основі РЬв і РЬ8е, мають найбільшу чутливість в ІК діапазоні ~ 3 ... 5 мм). В ІК діапазоні працюють також фоторезистори на основі Ое, 81, Пааво, 1п8Ь і т. Д.

Падіння на поверхню фоторезистора випромінювання генерує в ньому вільні носії за рахунок власного або домішкового поглинання (див. П. 16.2). За відсутності світлового потоку провідність фоторезистора називається темнової і описується формулою (див. П. 1.3) а = (] (р п п + | ДРР). Під дією оптичного випромінювання за рахунок зростання числа нерівноважних вільних носіїв відбувається збільшення провідності (і, отже, струму):

де Дл, Др- відповідно концентрації нерівноважних електронів і дірок, Так - фотопровідність.

Для напівпровідника з електронною провідністю (в разі примесной (донорной) фотопровідності або за умови, що дірки відразу ж після рекомбінації захоплюються центрами рекомбінації) фототок / ф має тільки електронну складову і визначається співвідношенням

Мал. 16.12

Тут / і ф = А п - концентрація фотоелектронів, і ін = 1, / * пр - їх швидкість дрейфу, що визначається часом прольоту * пр відстані Ь між контактами фоторезистора, 5 - площа поперечного перерізу світлочутливого шару (перпендикулярного напрямку вектора щільності струму), V = ЬЕ - обсяг напівпровідника (див. рис. 16.12).

У стаціонарних умовах опромінення і протікання постійного фототока швидкість генерації носіїв в одиниці об'єму Сгрени = дорівнює швидкості їх рекомбінації (7 ^ = л ф / т:

де час життя т є кількісною характеристикою інтенсивності рекомбінації, а N - повне число фотонів, що падають на світлочутливу поверхню (площею А) в одиницю часу. (Передбачається, що товщина приладу більше глибини проникнення світла.)

Дуже важливий параметр фоторезисторов - коефіцієнт внутрішнього посилення фотоструму До п , який визначається відношенням числа фотоносіїв, що проходять через прилад в одиницю часу (фотострум / ф), до повного числа квантів оптичного випромінювання, що падають на світлочутливу площадку в одиницю часу (ВИХІДНИЙ ТОК / ф І ) , т. е.

Вираз для фотоструму / фі = дп ^ У / х виходить множенням формули (16.2) на заряд носія <7.

Після підстановки в формулу (16.3) цього виразу і співвідношення (16.1) для фотоструму / ф отримаємо вираз для коефіцієнта внутрішнього посилення у вигляді

де (£ пр ) -1 = і обр / Ь у * пр - час прольоту носіїв між контактами фоторезистора (див. рис. 16.12).

Підкреслимо ще раз, що формула (16.4) отримана для напівпровідника з електронною провідністю. Крім того, вважається, що генерація вільних носіїв відбувається тільки за рахунок опромінення, т. Е. Не враховується термогенерации носіїв. У приладах з великим часом життя носіїв т і малою відстанню Ь між контактами коефіцієнт посилення може бути значним, особливо в високоомних напівпровідниках я ~ 10 6 ... 10 8 ).

У напівпровідниках, що володіють підвищеною фотопроводимостью, К і має менші значення через падіння рухливості і насичення дрейфовой швидкості (див. П. 1.3).

Постійна часу релаксації т рел фотопровідності після припинення оптичного збудження пропорційна часу життя електронів т. Час же ФОТОвідповідь (фотооткліка) визначається часом прольоту вільних носіїв між контактами приладу, т. Е. Величиною * пр . Оскільки для фоторезисторів характерні великі відстані між контактами і слабкі електричні поля, їх час ФОТОвідповідь зазвичай більше, ніж у фотодіодів. Крім коефіцієнта внутрішнього посилення і постійної часу релаксації, до основних параметрів фоторезистора (як і більшості фотоприймачів) відносяться:

монохроматична чутливість 5 ф (Х), яка визначається відношенням фотоструму / ф до повної потужності монохроматичноговипромінювання Р изл з довжиною хвилі Ху падаючої на чутливу майданчик фоторезистора, т. е.

інтегральна чутливість

де 5 ФГ - спектральна щільність чутливості (вимірювана в А / (Вт • мкм), якщо довжина хвилі X виражена в мкм);

час наростання (спаду) * нр (сп) фотоструму, яке зазвичай визначається між рівнями 0,1 і 0,9 амплітуди імпульсу фотоструму при впливі на фоторезистор ідеально прямокутного імпульсу випромінювання; при експоненційному наростанні і спаді фототока час наростання (спаду) пов'язано з часом релаксації співвідношенням t НP (сп) = 2,2т ред ;

гранична частота /, яка визначається частотою модуляції оптичного випромінювання, що відповідає зменшенню чутливості до рівня 0,707 від чутливості для не- модульованого випромінювання;

обнаружительная здатність (див. [20])

де П * вимірюється в см • Вт 1 • Гц 1/2 ; Ji ^ 1 - середньоквадратичне значення шумового струму (див. Гл. 22); Д / - робоча смуга частот

фотоприймального пристрою. Величина £) * дозволяє порівнювати граничні можливості різних по влаштуванню і умов застосування фотоприймачів. Обнаружительная здатність дорівнює величині, зворотній порогової потужності фотоприймача, т. Е. Тієї потужності, яка ще помітна на тлі шуму для світлочутливої площадки в 1 см 2 і пристрій використовується смузі частот 1 Гц.

Специфічними параметрами фоторезисторів є опору в темнової Я т , і засвіченому Я св станах, їхнє ставлення Я т / К зй і постійна часу релаксації фотопровідності.

Для Сс18- і CdSe-фoтopeзіcтopoв типові значення параметрів: Я т / Д св = 10 г ..10 6 , Д св = 10 2 ... 10 8 Ом, Я г = 10 7 ... 10 14 Ом. Інерційність перемикання характеризується часом близько 100 мс. У мініатюрних планарних арсенід-галієвих фоторезисторах вдалося досягти ~ 10 12 с. Однак така швидкодія реалізується лише при порушенні потужними лазерними імпульсами; при малоинтенсивной засветке т ~ 10 " 9 с.

На рис. 16.13 представлені залежності одного з найважливіших параметрів фотоприймачів - обнаружительной здатності - від довжини хвилі. Відзначимо, що для прийому випромінювання в ІК діапазоні з X> 2 мкм фоторезистори охолоджуються до температури рідкого азоту 77 К і парів рідкого гелію 4,2 К. При таких температурах зменшуються теплові ефекти, що викликають термічну іонізацію і спустошення енергетичних рівнів, збільшуються посилення і ефективність прийому випромінювання. Фоторезистори на СС18 володіють найбільшою чутливістю (див. Рис. 16.13) на довжинах хвиль X ~ 0,5 мкм; в діапазоні Л - 10 мкм використовуються фоторезистори на основі Н ^ Сс1Те. Для прийому випромінювання в діапазоні довжин хвиль X - 100 ... 400 мкм ефективно працюють ОаАя-прилади - особливо при прийомі сигналів великої інтенсивності.

Фоторезистори широко використовуються для детектування в ІК області спектра при довжинах хвиль більше декількох мікрометрів. Для прийому слабких сигналів на більш коротких хвилях в якості високочастот-

Мал. 16.13

них оптичних демодуляторів використання фоторезисторів обмежена. У цих випадках доцільно застосування фотодіодів.

 
< Попер   ЗМІСТ   Наст >