Фотонные приемники оптического излучения

ЛЕКЦИЯ_3

ФОТОННЫЕ ПРИЕМНИКИ ОПТИЧЕСКОГО ИЗЛУЧЕНИЯ.

В фотонных приемниках кванты излучения, поглощаясь ФЧЭ, генерируют свободные носители заряда. Последние изменяют электрические параметры ФЧЭ. Этот процесс идет без сколько-нибудь существенного изменения температуры ФЧЭ.

Фотонные приемники, в которых генерация свободных носителей заряда приводит к изменению (росту) проводимости называются фоторезисторы. Преобразование изменения  проводимости в электрический сигнал осуществляется теми же схемами, которые применяются для  болометров.

                                                                                                                             (1)

R_fr – сопротивление фоторезистора, N – число свободных носителей. Малосигнальные характеристики фоторезисторов описываются уравнением:

                                                                                                                              (2)

h - квантовая эффективность. t - время жизни свободных носителей заряда. При синусоидальной модуляции светового потока I, проходящего через повехность окна А, отклик фоторезистора описывается стандартным соотношением для интегрирующей RC –цепи:

Спектральные характеристики фоторезисторов определяются шириной запрещенной зоны (ШЗП), задающей длинноволновую красную границу диапазона. В видимой области спектра весьма распространены  фоторезисторы их CdS (ШЗП - 2.4 эв, l_кр=0.5 мкм). Для CdSe ШЗП - 1.7 эв, l_мах=0.7 –0.8 мкм. Фоторезисторы из PbS имеют ШЗП=0.37 эв и l_кр=3 мкм. При легировании полупроводников носители могут генерироваться из примесных уровней, расположенных вблизи зоны проводимости. Для Ge, легированного медью или золотом ШЗП=0.04 эв и l_кр=30 мкм. Такие приемники чувствительны к тепловому излучению окружающей среды, и поэтому требуют охлаждения до температуры жидкого азота или гелия. Для примесных фоторезисторов требуется большая толщина материала поскольку поглощение на 6-7 порядков меньше из-за малой концентрации атомов примеси (10¹⁶, число атомов в твердом теле 10²³). При понижении температуры чувствительность фоторезисторов повышается в силу роста отношения DN/N. Для фоторезисторов на основе InSb при охлаждении до 77 К чувствительность повышается в 1000 раз. Постоянная времени tдля чистых полупроводниковых составляет 10^-2 – 10^‑6 сек., для примесных tменьше 10^-6 – 10^-9 сек. Особенностью фоторезисторов является их нелинейный отклик на световой поток. Линейность характеристики существует лишь при потоках 10^-6 – 10^-7 Вт.

В основе принципа работы фотодиодов лежит фотовольтаический эффект в полупроводниковой структуре с p-n переходом, образующимся при контакте двух полупрводников n-типа (донорных) и p-типа (акцепторных). При соприкосновении p и n типа областей происходит взаимная диффузия электронов (черные кружки) и дырок. В результате p-область заряжается отрицательно, а n – положительно. В зоне перехода возникает разность потенциалов – потенциальный барьер Uб, выравнивающий положение уровней Ферми в полупроводниках p и n типа. В результате суммарная разность потенциалов на внешних контактах оказывается равной нулю. При поглощении в зоне p-n перехода фотона с hω > ширины запрещенной зоны происходит образование пары электрон-дырка. Контактная разность потенциалов Uб выталкивает электрон в полупроводник n- типа, а дырку в полупроводник p – типа. На внешних контактах образуется разность потенциалов – ΔU. В некоторых p-n структурах возможен  и обратный процесс генерации фотонов под действием внешнего электрического поля.

Преобразовывать световой поток в электрический сигнал с помощью фотодиодов можно тремя способами:

1.  В фотодиодном режиме, когда к p-n переходу приложено запирающее напряжение (+к n области). В отсутствии светового потока через фотодиод протекает темновой ток из тепловой стохастической генерации носителей заряда. При освещении p-n перехода снижается величина потенциального барьера (Uб - V) и ток возрастает. Величина тока в широких пределах , пропорциональна интенсивности излучения и практически не зависит от напряжения смещения. В данном режиме  наблюдается максимальное быстродействие  (из уменьшения собственной емкости p-n перехода), повышенная чувствительность в длинноволновой области и минимальная термостабильность из-за зависимости темнового тока  от температуры.

2.  В режиме измерения фотоЭДС к фотодиоду подключается усилитель напряжения. В этом режиме фотодиоды практически  не используются из-за малого динамического диапазона и нелинейного отклика.

3.  В режиме измерения фототока (режим короткого замыкания) ток фотодиода с очень хорошей точностью пропорционален интенсивности света. Чуствительность фотодиода слабо зависит от температуры, слегка уменьшаясь с ростом температуры. Для работы в этом режиме широко применяются электронные схемы – преобразователи ток-напряжение на операционных усилителях. В режиме преобразования ток-напряжение легко реализуются широкополосный дифференциальные или суммирующие фотодетекторы.