Пороговая чувствительность поверхностно-барьерных приборов определяется шумом самого ФП и связанного с ним пред-усилителя. В данном случае следует анализировать тепловой шум, дробовый и шум типа 1//. Если к ФП приложено высокое обратное смещение, уровень шума на низких частотах определяется шумом 1//. При небольших смещениях (примерно 6 В) основную роль играет тепловой шум, обусловленный сопротивлением нагрузки и эквивалентным шумовым сопротивлением пред-усилителя.
Поверхностно-барьерные ФП могут быть использованы в качестве приемников излучения коротковолновой области солнечного спектра или регистраторов сцинтилляций, где они могут заменить фотоумножители.
|
71 |
Q |
|
|
ю' |
\ |
|
|
юг |
. |
|
|
ю3 |
]____1—1—1 |
V |
0,2
02 мкм
Рис. 26. Коэффициент собирания поверхностно-барьерной структуры золото—сульфид цинка п-типа.
ЛАВИННЫЙ ФОТОДИОД
Лавинный ФД относится к классу приборов с внутренним усилением (к этому классу приборов относятся также фототранзисторы и канальные фототранзисторы). Усиление сигнала происходит за счет образования лавинного процесса в области объемного заряда прибора при условии сильного электрического поля в этой области. В области объемного заряда происходит лавинное размножение поступающих туда неосновных носителей — дырок и электронов, которые, приобретая достаточную энергию в сильном поле, сталкиваются с решеткой кристалла и образуют дополнительную электронно-дырочную пару. Дополнительные пары в свою очередь совершают такой же процесс, т. е. происходит размножение. В результате входной ток (/о) усиливается в М раз, где M=Ilh — коэффициент умножения. Выражение для коэффициента умножения можно записать с помощью эмпирической формулы
/о
1
(23)
39
где Vup — напряжение лавинного пробоя, при котором М—^оо; п — показатель, изменяющийся в интервале 2—6; Ux — напряжение, приложенное к области объемного заряда.
С учетом сопротивления прибора и нагрузки выражение для М имеет вид:
М =------( U-IR
где / — ток через прибор; R — суммарное сопротивление прибора и нагрузки.
Коэффициенты умножения темнового и светового тока изменяются по-разному в зависимости от приложенного напряжения. Коэффициент умножения полного тока М увеличивается монотонно с ростом приложенного смещения, в то время как коэффициент умножения светового тока Mv имеет максимум при напряжении пробоя, а при дальнейшем увеличении напряжения коэффициент Мр уменьшается. Максимальный коэффициент умножения светового тока равен:
где R — 'последовательное сопротивление фотодиода; S — площадь р-п перехода; /0 — плотность входного тока.
Величины А1рмакс могут достигать 104—105 для кремниевых фотодиодов и 102—103 — для германиевых. Максимальный коэффициент умножения зависит от последовательного сопротивления, фоновой засветки и величины темнового тока. С увеличением последовательного сопротивления Мрмакс уменьшается пропорционально (/?»S)~1/2. Фоновая засветка также снижает коэффициент умножения; при этом чем больше величина темнового тока, тем это влияние сказывается сильнее. Когда плотность темнового тока /т сравнима с величиной фототока /ф (/ф^/т), максимальный коэффициент умножения снижается в два раза Для /ф>/т коэффициент МрМакс пропорционален /ф.
Зависимость величины темнового тока от температуры и от времени ухудшает температурную и временную стабильность ФД. Указанные выше зависимости справедливы до определенной величины плотности тока, при которой заряд носителей экранирует заряд ионизированных примесей в области объемного заряда и уменьшает поле в этой области. Это приводит к уменьшению коэффициента умножения. Эффект начинает сказываться при больших плотностях тока (10—100 А/мм2).
Основным источником шума лавинных ФД является дробовой шум, зависящий от коэффициента умножения и входного тока:
~/2ш = 2qlAfM*,(26)
где х = 2-^3.
Таким образом, токовые шумы лавинных ФД увеличиваются более чем в М раз по сравнению с обычными ФД без усиления, в результате чего собственный порог чувствительности ухудшается.
Коэффициент умножения,,с одной стороны, увеличивает токовую чувствительность лавинных фотодиодов (ФД) в М раз, с другой — уменьшает критическую частоту. С целью уменьшения влияния М на критическую частоту для кремниевых ФД необходимо работать при М^50.
40
Лавинные ФД, обладая такими преимуществами, как высокая чувствительность, малые габариты и малое напряжение питания, имеют и недостатки, ограничивающие их широкое применение. К недостаткам относятся температурная и временная нестабильность, зависимость чувствительности от уровня фоновой засветки, высокие требования к стабильности питающего напряжения, а также технологические ограничения. К последним относится 'наличие микроплазм (локальных участков в области р-п перехода), в которых лавинное размножение происходит раньше, чем в остальной части р-п перехода При этом высокий коэффициент умножения ФД практически не реализуется. Для уменьшения количества микроплазм используют различные технологические и конструктивные методы: выбирают материал с однородным распределением примеси и малон плотностью дислокаций; уменьшают площадь р-п перехода; используют специальную конструкцию ФД, в которой с целью уменьшения поверхностного пробоя вокруг светочувствительной площадки создается охранное кольцо с глубокой диффузией. Недостатком такой конструкции является дополнительная емкость, вносимая охранным кольцом. В последнее время появились лавинные ФД без охранного кольца, а также приборы со структурой p+pNN+, в которых вероятность поверхностного пробоя уменьшена.
СХЕМЫ И УСТРОЙСТВА С ФОТОПРИЕМНИКАМИ
УСТРОЙСТВА СЧИТЫВАНИЯ ИНФОРМАЦИИ
Фотосчитывание с перфолент и перфокарт. В последние годы в фотосчитывателях с перфолент и перфокарт стали широко применяться кремниевые ФЭП и ФПВ. Они обладают достаточной электрической мощностью, отдаваемой во внешнюю цепь, устойчивостью параметров в широком диапазоне температур и хорошо согласуются с транзисторными усилительными каскадами, выполненными по схеме с общим эмиттером.
Уважаемый посетитель!
Чтобы распечатать файл, скачайте его (в формате Word).
Ссылка на скачивание - внизу страницы.