24
пропорциональна толщине области объемного заряда и является функцией энергетического положения центров генерации и температуры. Теоретически для резких р-п переходов величина тока изменяется пропорционально корню квадратному из обратного напряжения. Экспериментальные данные для кремниевых р-п переходов показывают, что обратный ток пропорционален Ui,N, где JV = 2,3. Это близко к теоретическому значению jV = 2, а несоответствие обусловливается нерезкостью границ р-п перехода, а также влиянием поверхностных утечек.
Величины обратных токов ФД на основе высокоомного кремния при напряжении 10 В составляют Ю-9—Ю-7 А; для лучших образцов фотодиодов с p-i-n структурой — не менее 10~10 А при комнатной температуре и величине обратного смещения 40 В. С повышением температуры величина обратного тока увеличивается. При температуре +60°С наблюдается увеличение темнового тока на один-два порядка по сравнению с его значением при комнатной температуре.
ПОРОГ ЧУВСТВИТЕЛЬНОСТИ И ШУМЫ
Порогом чувствительности фотоприемника называют минимальную величину светового сигнала, который может быть зарегистрирован ФП с заданной точностью. Чем меньше этот сигнал, тем выше порог чувствительности.
В условиях постоянной немодулированной засветки ФП основным фактором, ограничивающим порог чувствительности, является величина обратного темнового тока, так как при малых световых потоках величина фототока может оказаться сравнимой или меньшей величины темнового тока. Влияние темнового тока можно исключить модуляцией светового потока с последующим усилением переменного фототока, снимаемого с выхода ФП. Когда влияние темнового тока исключено, основным фактором, ограничивающим возможность регистрации слабых световых потоков, являются флук-туационные помехи или шумы ФП и регистрирующей схемы. Шумы ФП подразделяются на внешние и внутренние. Внешние шумы возникают за счет различных наводок и могут быть устранены. В отличие от них внутренние шумы всегда присущи каждому ФП. Природа внутренних шумов обусловлена корпускулярной природой света и электричества и связана с флуктуацией элементарных дискретных частиц (фотонов, электронов), образующих поток света или электрический ток. Для модулированного светового потока порогом чувствительности называется величина мощности излучения, при которой фотоответ равен величине шума.
Основными видами собственных шумов ФП являются тепловой шум, дробовой и избыточный, обратно пропорциональный частоте модуляции /, типа 1/f. Обычно источники шума представляют в виде эквивалентных генераторов э. д. с. или эквивалентных генераторов тока. Эквивалентный генератор э. д. с, представляющий среднеквадратичное значение э. д. с. Уё2, рассматривают обычно включенным последовательно с ФП как шумовую э. д. с. холостого хода. Эквивалентный генератор тока У12 обычно рассматривают включенным параллельно ФП как шумовой ток короткого замыкания. Обе эти величины обычно относят к единице полосы частот пропускания, так как амплитуда шумового напряжения или тока может зависеть от частоты, на которой измеряется шум. Тепловой
25
шум ФП можно определить по формуле для эквивалентного шумового тока
~l*m = 4kTg0bf9(18)
где go — активная часть проводимости, не зависящая от частоты; А/ — полоса пропускания.
Тепловой шум имеет место в ФП даже в условиях отсутствия тока через прибор, так как природа этого шума обусловлена хаотичным движением носителей заряда внутри объема прибора. Этот шум не зависит от частоты («белый» шум).
Дробовой (или генерационно-рекомбинационный) шум ФП появляется при протекании тока через прибор и обусловлен флук-туациями потока носителей заряда через р-п переход. Он так же, как и тепловой, не зависит от частоты и является «белым» шумом.
В области низких и средних частот (0,01—103 Гц) наблюдается резкое увеличение шума. Увеличение шума происхвдит по закону \/fny где л«1. Этот шум называется избыточным. Известно, что шум типа 1/f слабо зависит от температуры, возрастает после пластической деформации, зависит от состояния поверхности и технологии изготовления полупроводникового прибора. Влажная атмосфера может увеличить шум на несколько порядков. На величину избыточного шума оказывает влияние также плохое качество контактов прибора.
Если учитывать только дробовой шум, то пороговую чувствительность ФП можно записать в виде
0KW К2?(/Т + /Ф)А/
н==S ~~ S <1У'
где /т — темповой ток; /ф — фототок, создаваемый в результате фонового излучения; S = I$jE — чувствительность (интегральная или монохроматическая).
Для лучших ФП, выпускаемых в настоящее время, преобладающим является дробовой шум. Для снижения порога чувствительности необходимо уменьшать темновые токи и увеличивать чувствительность ФП. Снижением темновых токов пороговая чувствительность для кремниевых ФП уменьшена до (10-~13-М0-14) Вт/Гц1 /2 при длине волны света X=0,8-^0,9 мкм и для германиевых до 10-12 Вт/Гц1/2 при А,= 1,55 мкм. Для ряда ФП не наблюдается корреляции между величинами шума и темнового тока, что вызвано, по-видимому, появлением избыточного шума из-за несовершенства технологии <или других факторов.
Порог чувствительности ФП в схеме возрастает за счет шумов нагрузки и предусилителя. Для реализации низких собственных порогов чувствительности ФП необходимо применять предусилители с очень большими входными сопротивлениями (5—50 МОм), что, однако, ухудшает частотные свойства приборов. Поэтому на практике используют значительно меньшие сопротивления нагрузки.
ИМПУЛЬСНАЯ И ЧАСТОТНАЯ ХАРАКТЕРИСТИКИ
Импульсная характеристика представляет собой зависимость выходного сигнала ФП от времени при освещении его прямоугольным световым импульсом. По импульсным характеристикам определяют два параметра, характеризующие инерционность приборов:
26
время нарастания и спада сигнала на уровне 0,1—0,9. Форма импульса выходного сигнала и время нарастания и спада зависят от типа излучения, механизма переноса созданных светом носителей, режима работы ФП и сопротивления нагрузки. Импульсный режим работы реализуется в схемах и устройствах, где фотоприемник воспринимает импульсы излучения.
Уважаемый посетитель!
Чтобы распечатать файл, скачайте его (в формате Word).
Ссылка на скачивание - внизу страницы.