Теория и расчет оптико-электронных приборов - Якушенков Ю.Г.
ISBN 5-88439-035-1
Скачать (прямая ссылка):
tf S
VO К
5 »
g сб
и а
в S
X S
« о
VO g
§ S
О А
а ?
S а)
h а
я V
а с
Я ®
S у
м і
в
*г"
§ SS
а я
* S
§ 9
154 Глава 6. Приемник излучения как звено оптико-электронного прибора
ствительного слоя, питающих напряжениях и др., приведены в работах [9, 22, 30].
Фотодиоды и фототранзисторы. Фотодиодом принято называть полупроводниковый ПИ, основанный на использовании односторонней проводимости р-п-перехода, при освещении которого или образуется ЭДС (фотогальванический, или вентильный режим — рис. 6.4, а), или при наличии источника питания в цепи фотодиода изменяется его обратный ток (фотодиодный режим — рис. 6.4, б).
Рис. 6.4. Схемы включения фотодиодов в фотогальваническом (а) и фотодиодном (б) режимах
Фотодиоды изготовляют на основе:
одного р-п-перехода, сформированного на границе двух областей из одного материала с соответствующими примесями противоположного типа;
гетероперехода, образующегося на границе двух областей различных материалов с примесями противоположного типа;
контактного барьера, возникающего на границе металл — п- полупроводник и металл — /»-полупроводник;
различных МДП-структур (барьера Шоттки) и ряда других схем [9,12, 22, 30].
В настоящее время основными материалами для изготовления фотодиодов служат германий, кремний, а также сурьмянистый индий и арсенид галлия.
Очень важной характеристикой фотодиода является стабильность его параметров при изменении температуры, влажности, давления окружающей среды. В этом отношении кремниевые фотодиоды имеют существенные преимущества перед германиевыми. Темновой ток кремниевых приемников почти постоянен, а темновой ток германиевых фотодиодов при изменении температуры от 20 до 50°С может изменяться в 3...5 раз.
Другим достоинством кремниевых фотодиодов является возможность работы с большими обратными напряжениями (до 100 В), что недопустимо для германиевых фотодиодов.
155 Ю.Г. Якушенков. Теория и расчет оптико-электронных приборов
Постоянная времени фотодиода в значительной степени зависит от способа его изготовления, от размеров площадки. Для сплавных фотодиодов значение т обычно близко к IO 5 с; для диффузионных фотодиодов при маленьких площадках т может достигать IO 6 с. В специальных фотодиодах с малой толщиной базы можно достигнуть т =IO10c.
Стремление увеличить чувствительность фотодиодов и уменьшить их постоянную времени привело к разработке р-і-л-фотодиодов [9]. Ти-пичныйр-і-л-фотодиод состоит из трех последовательных областей: из тонкой сильно легированной л-области, более толстого слоя с очень малой концентрацией примеси (і-область) и сильно легированной ja-об ласти. В результате освобождения і-области от носителей под воздействием обратного смещения в ней устанавливается сильное и почти постоянное поле. Падающее излучение поглощается в і- и л-облас-тях и образует электронно-дырочные пары. Электроны и дырки разделяются полем и покидают і-область, а пары, возникающие в «-области, диффундируют к переходу, где дырки захватываются сильным ускоряющим электрическим полем и проходят через переход, а электроны остаются в л-области.
При площади чувствительного слоя около 100 мм2 кремниевые p-i-л-фотодиоды обладают чувствительностью 0,015 A Bt1 при X = 0,4 мкм и временным разрешением 5 не. При приеме излучения с X = 0,9 мкм и напряжении смещения Ucm = 1000 В их чувствительность составляет 0,53 A Bt"1, а темновой ток /т< 20 мкА при Ucm = 700 В и /т< 5 мкА при Ucm = 300 В. Световые характеристики этих диодов при Ucm = 100...1000 В линейны до значений фототоков в 6 А.
В фотодиодах усиление тока можно получить умножением числа носителей. На этом принципе основаны лавинные фотодиоды [9], в которых при обратном напряжении, равном или близком к пробивному, в области р-л-перехода подвижные носители приобретают столь высокие скорости, что вызывают ионизацию атомов решетки, т. е. образуют новые электронно-дырочные пары. Это же ускорение действует и на носители, появившиеся в областир-л-перехода при его освещении. Для обеспечения стабильности коэффициента усиления фототока необходимо очень тщательно стабилизировать питающее напряжение и температуру, что усложняет использование лавинных фотодиодов. Эти ПИ используют для приема слабых сигналов, в основном при лазерной локации. Их постоянная времени составляет IO"8...IO 9 с при коэффициенте внутреннего усиления до IO4 и рабочем напряжении 30...100 В.
156 Глава 6. Приемник излучения как звено оптико-электронного прибора
Среди других полупроводниковых ПИ, созданных за последнее время, можно отметить фотодиоды с барьером Шоттки, характеризующиеся сравнительно простой технологией изготовления, параметры которых близки к параметрам р-і-л-фотодиодов, а также гете-рофотодиоды [9].
Сравнительно большие темновые токи при включении обычных фотодиодов в фотодиодном режиме делают невозможным их использование для измерения малых потоков. В этом случае необходимо работать в фотогальваническом режиме, при котором обнаружитель-ная способность системы определяется практически не весьма малыми шумами приемника, а шумами схемы его включения или последующих электронных звеньев.
