Для работы в видимом диапазоне широко используются германиевые фотодиоды (ФДГ с номером или ФД – номер - Г) со спектральным диапазоном 0.4 – 2 мкм и максимумом чувствительности в области 1.1 мкм. кремниевые фотодиоды (ФД – номер – К или ФДК- номер, например, ФД-21К, ФД-10К, ФД-24К, ФДК-256 и т.д.) имеют спектральный диапазон 0.4 – 1.2 мкм и максимумом чувствительности в области 0.8 мкм, практически одинаковым для всех кремниевых фотодиодов – 400 ма/Вт (в режиме измерения тока). В более длинноволновой области применяются фотодиоды на основе материала КРТ (кадмий, ртуть, теллур). Эти фотодиоды работают в ИК области до 15 мкм, однако каждый конкретный образец не очень широкополосный (3 – 7 мкм или 8 – 15 мкм). Быстродействие фотодиодов целиком определяется площадью ФЧЭ и может достигать 10-5 – 10-10 сек. Пороговая чувствительность фотодиодов достигает 10-14 Вт/Гц1/2.
Широко применяются электронные преобразователи фототока диода в напряжение на операционных усилителях.
Динамические и статические характеристики этих фотодетекторов определяются собственными емкостями фотодиодов и полосой пропускания операционного усилителя (ОУ). Для ОУ с однополюсной амплитудно-частотной характеристикой (АЧХ) – kOA(ω)=k0/(1+i ωτOA) , АЧХ фотодетектора описывается выражением:
Такая
АЧХ может иметь резонансы – рост усиления на выделенной частоте при маленьких
значениях параметра b. Например при b=0 резонанс будет при ω=(a/c)1/2.
Условие отсутствия резонанса – b2>=2ac.
Минимальные значения b возникают при отсутствии шунтирующей емкости Cbf и
фотодетектор может иметь резонансные частоты. Для устранения неравномерности
АЧХ следует использовать шунтирующую емкость, которая определяется из условия
отсутствия резонанса по формуле:
АЧХ такого фотодетектора будет равномерной вплоть до частоты среза, определяемой соотношением:
.
Форма АЧХ будет определяться соотношением:
Ниже показаны примеры АЧХ фотодетектора c Cfd=50 pf, Rfd=1 Mom, Rbf=1 Gom, ωu=108(16 МГц), Cbf=0.025 pf. ωcutoff=44000 (7.1 КГц)
Существуют фотодиоды с
внутренним усилением фототока – лавинные фотодиоды ЛФД (ЛФД-5). Они работают в
фотодиодном режиме, близком к напряжению пробоя. При освещении ЛФД происходит
лавинное нарастание числа носителей заряда вследствие ударной ионизации.
Коэффициент усиления Kd может
достигать 102 – 106. В силу этого ЛФД выпускаются с очень
маленькой площадкой и большим быстродействием до 10-10 сек. Токовая
составляющая шума ЛФД i2,
пропорциональна Kd3.
Внутренним усилением фототока обладают и фототранзисторы. Однако они имеют меньше быстродействие (произведение ширины полосы на чувствительность как у фотодиодов), худшую термостабильность, меньший диапазон линейного отклика.
На основе фотодиодов разработаны матричные приемники излучения приемники – фотодиодные линейки (ФУК-1 и ФУК-2 – завод «Восток») и матрицы. Во всех матричных приемниках регистрация потока осуществляется методом интегрирования (накопления) заряда на собственной емкости фотодиода за некоторое время экспозиции с последующим считыванием с преобразованием в сигнал напряжения или тока. Существует два типа матричных приемников, различающихся методом считывания заряда. Первый метод основан на применении электронных коммутаторов на основе полевых транзисторов, формируемых на той же подложке. Считывание заряда осуществляется путем замыкания нуэного электронного ключа. При этом одновременно подготавливается фотодиод для новой регистрации. Матрицы этого типа характеризуются невысокой степенью интеграции, но зато полным отсутствием блюминга (расплывание изображения яркой точки) Во втором способе для считывания заряда применяется ПЗС регистр с двух (или более) фазным управлением. Двух фазное управление (два бегущих по структуре импульса) формирует перемещающуюся по кристаллу потенциальную яму в которую перекачивается заряд фотодиода. Подготовка фотодиодов к новой экспозиции происходит одновременно со считыванием или с помощью другого ПЗС регистра. Использование ПЗС регистров позволяет создавать фотодиодные линейки с размером фотодиода 10 мкм. Однако в ПЗС матрицах существует блюминг – эффект – расплывание заряда при регистрации интенсивного излучения. Главная область применения матриц и линеек– это получение изображении и различные много канальные оптические приборы – спектрометры, нефелометры и т.п.
При фотоэлектронной эмиссии – внешнем фотоэффекте фотон, поглощаясь в поверхностном слое ФЧЭ, передает свою энергию ħωсвободному электрону. Кинетическая энергия электрона возрастает на величину ħω. Если энергия электрона превышает работу выхода – eφ, то в пространстве появится свободный электрон с кинетической энергией:
(3)
Уважаемый посетитель!
Чтобы распечатать файл, скачайте его (в формате Word).
Ссылка на скачивание - внизу страницы.