Полупроводниковые фотоприемники

Размещено на http://www.allbest.ru/

2

Размещено на http://www.allbest.ru/

1

Курсовая работа

На тему: «Полупроводниковые фотоприемники»

Дисциплина Оптика

Специальность 060400 - Физика

Костанай, 2013



Содержание

Введение

1. Фотоэлектрические основы работы полупроводниковых фотоприемников

1.1 Фоторезистивный эффект

1.2 Возникновение ЭДС в однородном полупроводнике при его освещении

1.3 Объединенные, инверсные и обогащенные поверхностные слои

1.4 Проводимость канала поверхностной электропроводности

2. Основные параметры и характеристики фотоприемников

2.1 Чувствительность, спектральные характеристики

2.2 Вольт-амперные характеристики

2.3 Порог чувствительности и шумы

3. Применение фотоприемников в технике

3.1 PIN- фотодиод

3.2Лавинные фотодиоды

3.3 Солнечная батарея

3.4 Светочувствительная матрица

Заключение

Список использованных источников

однородный полупроводник фоторезистивный эффект фотоприемник



Введение

В последние годы в радиоэлектронике, автоматике и телемеханике, вычислительной технике и других областях все более широкое применение находят полупроводниковые фотоприемники излучения на основе p-n перехода. Одним из направлений в области фотоэлектричества является разработка, исследование и применение полупроводниковых фотоприемников с одним p-n переходом.

Интерес к фотоприемникам особенно усилился в связи с появлением различного типа источников когерентного и некогерентного излучения. Создание инжекционных полупроводниковых светодиодов или нескольких p-n переходов в миниатюрном и микроминиатюрном исполнениях способствовало бурному развитию такой области электронной техники, как оптоэлектроника, в которой сочетаются два способа передачи и обработки информации - оптический и электрический.

В данной работе изложены вопросы физики работы фотоприемников и приведены электронных устройств различного назначения с фотоприемниками.



1. Фотоэлектрические основы работы полупроводниковых фотоприемников

1.1 Фоторезистивный эффект

Фоторезистивный эффект - это изменение электрического сопротивления полупроводника, обусловленное исключительно действием оптического излучения и не связанное с его нагреванием. Для возникновения фоторезистивного эффекта необходимо, чтобы в полупроводнике происходило либо собственное поглощения оптического излучения или фотонов с образованием новых пар носителей одного знака при возбуждении однотипных дефектов.

В результате увеличения концентрации носителей заряда уменьшается сопротивление полупроводника.

При облучении полупроводника наряду с генерацией неравновесных носителей заряда происходит и обратный процесс - рекомбинация. Через некоторое время после начала облучения устанавливается динамическое равновесие между генерацией и рекомбинацией. При этом избыточная концентрация, например, электронов (1)

где R - коэффициент отражения фотонов от полупроводника; б - показатель поглощения; з - квантовая эффективность генерации, т.е. число возникающих пар носителей при собственном поглощении (оно может быть определено как мощность падающего на единичную поверхность излучения, отнесенное к энергии фотона hv); ф_n - время жизни неравновесных носителей заряда.



1.2 Возникновение ЭДС в однородном полупроводнике при его освещении

Если однородный полупроводник осветить сильно поглощаемым светом, то в его поверхностном слое, где происходит основное поглощение света, возникнет избыточная концентрация электронов и дырок, которые будут диффундировать в глубьполупроводника (рис.1). Коэффициент диффузии электронов обычно значительно больше коэффициента диффузии дырок. Поэтому при диффузии электроны опережают дырки, происходит некоторое разделение зарядов - поверхность полупроводника приобретает положительный заряд, а объем заряжается отрицательно. Таким образом, в полупроводнике при его освещении возникает ЭДС Дембера. Возникшее электрическое поле будет тормозить электроны и ускорять дырки при их движении от поверхности полупроводника, в результате чего через некоторое время после начала освещения установится динамическое равновесие.

1.3 Объединенные, инверсные и обогащенные поверхностные слои

Поверхность полупроводника представляет собой нарушение периодичности кристаллической решетки. Из-за этого возникают дополнительные энергетические уровни, расположенные в запрещенной зоне энергетической диаграммы полупроводника. Эти уровни, теоретически предсказанные И.Е. Таммом, называются уровнями Тамма. Уровни Тамма являются акцепторными, так как у атомов полупроводника (например, кремния), находящихся у поверхности кристалла, оказывается всего по три соседних атома вместо четырех и, следовательно, отсутствует одна электронная связь. На реальной поверхности полупроводника поверхностные состояния возникают также вследствие адсорбции различных примесей (кислорода, воды и других атомов, ионов и молекул). Очевидно, что такая сложная структура поверхности реального полупроводника характеризуется дополнительными энергетическими уровнями в запрещенной зоне донорного, акцепторного типа ловушек.

Локальные энергетические уровни, обусловленные нарушением периодичности кристалла у поверхности полупроводника или примесями на поверхности, называют поверхностными уровнями.

При комнатной температуре большинство примесей обычно ионизировано, т.е. на поверхностных уровнях находятся заряды. Для компенсации этих зарядов в соответствии с условием электрической нейтральности должен существовать объемный заряд в полупроводнике, что соответствует существованию электрического поля и изгибу энергетических зон вблизи поверхности полупроводника.

На рис. 1, а-в показано образование трех возможных вариантов поверхностных слоев в полупроводниках n- и p-типа при наличии положительных или отрицательных поверхностных состояний.

При малой плотности отрицательных поверхностных состояний на полупроводнике n-типа образуется обедненный слой (рис. 2,а), так как основные носители заряда - электроны - отталкиваются отрицательным поверхностным зарядом в глубь полупроводника. Электрическое поле поверхностных зарядов проникает в полупроводник на определенную глубину, которая зависит от удельного сопротивления этого полупроводника.

При большей плотности отрицательных поверхностных состояний у поверхности полупроводника n-типа образуется слой с противоположным типом электропроводности - инверсный слой. Граница инверсного слоя в глубине полупроводника расположена там, где уровень Ферми пересекает середину запрещенной зоны. Под инверсным слоем в полупроводнике находится обедненный слой.

Если на поверхности полупроводника n-типа преобладают положительные поверхностные состояния, то поверхность полупроводника обогащается электронами - основными носителями заряда, т.е. образуется обогащенный слой. Граница обогащенного слоя в глубине полупроводника находится там, где начинается изгиб энергетических уровней, т.е. определяется глубиной проникновения электростатического поля поверхностных зарядов. Таким образом, толщина области объемного заряда зависит от плотности поверхностных состояний, от удельного сопротивления полупроводника или от концентрации примеси и составляет обычно 10^-2 - 10 мкм.На поверхности полупроводника p-типа могут образовываться аналогичные поверхностные слои, но при других знаках поверхностных зарядов (рис.2).

Рисунок 2. Искажение энергетических зон у поверхности полупроводника и образование различных поверхностных слоев



На реальном полупроводнике всегда имеется слой оксида. Поэтому поверхностные состояния могут находиться не только непосредственно па полупроводнике, но также в слое оксида и на его поверхности. При изменении внешнего электрического поля и при соответствующем изменении энергетической диаграммы вблизи поверхности полупроводника должно происходить заполнение или опустошение электронами по крайней мере некоторых поверхностных состояний. Поверхностные состояния, расположенные вблизи границы раздела полупроводник-оксид, заполняются или опустошаются относительно быстро, так как в полупроводнике есть достаточное количество свободных электронов в зоне проводимости и дырок (пустых энергетических уровней) в валентной зоне. Из-за малого времени релаксации таких поверхностных состояний (10^-8- 10^-4с) их называют быстрыми поверхностными состояниями(рис. 3).

Рисунок 3. Быстрые 1 и медленные 2 поверхностные состояния на реальной поверхности полупроводника

В слое оксида концентрация носителей заряда ничтожно мала. Поэтому с изменением внешнего электрического поля поверхностные состояния, расположенные в слое оксида или на его поверхности, перезаряжаются медленно (время их релаксации велико). Такие поверхностные состояния называют медленными поверхностными состояниями. Время релаксации медленных поверхностных состояний составляет обычно от миллисекунд до нескольких часов.



1.4 Проводимость канала поверхностной электропроводности

При наличии на поверхности полупроводника инверсного слоя по нему вдоль поверхности могут проходить токи, т.е. могут существовать каналы поверхностной электропроводимости . При оценке проводимости канала поверхностной электропроводимости необходимо учитывать, что концентрация носителей заряда является величиной переменной по глубине канала и подвижность носителей заряда в канале может быть значительно отличаться от подвижности тех же носителей в объеме полупроводника из-за дополнительного рассеяния носителей на поверхности кристалла.

Проводимость тонкого слоя (толщиной dz) канала, например, с электропроводностью p-типа (2)

где b - ширина канала, l-длина канала.

Проводимость канала толщиной W(3)

его сопротивление (4)

Вместо сопротивления при оценке токов в канале пользуются другим параметром - удельным сопротивлением слоя (?₅), аналогичным удельному поверхностному сопротивлению диэлектриков, т.е. удельным сопротивлением слоя называют сопротивление квадрата этого слоя току, проходящему между двумя противоположными сторонами квадрата.

Тогда, используя удельное сопротивление слоя, запишем (5)

где - удельное сопротивление слоя или канала поверхностной электропроводности, Ом.



2. Основные параметры и характеристики фотоприемников

2.1 Чувствительность, спектральные характеристики

Обычно для фотоприемников пользуются двумя понятиями чувствительности: интегральной и монохроматической. Интегральная чувствительность - отношение величины фототока фотоприемника к световому потоку от источника с цветовой температурой Т_цв=2850 К (источник типа А). Эта чувствительность характеризует качество работы ФП только по отношению к источникам излучения, близким по своему спектральному составу к источнику А (как правило, вольфрамовые лампы накаливания). Монохроматическая чувствительность - отношение величины фототока к величине световой энергии излучения, соответствующей определенной длине волны.

Монохроматическая чувствительность характеризует эффективность работы фотоприемника с монохроматическим источником излучения.

Зависимость монохроматической чувствительности от длины волны излучения представляет собой спектральную характеристику фотоприемника.

Знание спектральной характеристики важно для оценки работы фотоприемников с когерентными источниками, а также с некогерентными источниками, спектральный состав излучения которых известен. Выражение для спектральной характеристики реального фотоприемника можно записать в виде (6)

где I_ф - фототок; Е - энергия при длине волны л; R - коэффициент отражения от поверхности фотоприемника; Q - коэффициент собирания; в - квантовый выход; N - число фотонов, приходящихся на единицу световой энергии.

Рисунок 4. Спектральная характеристика идеального (1) и реального (2) германиевого ФП

Спектральная характеристика идеального фотоприемника представляет собой треугольник (рис. 4, кривая 1), внутрь которого вписываются все экспериментальные кривые. Все спектральные характеристики реального фотоприемника определяются в основном зависимостью коэффициента собирания фотоприемника от длины волны. Коэффициент собирания определяется структурой фотоприемника, а также такими параметрами полупроводникового материала, как диффузионные длины неосновных носителей, коэффициент поглощения света, ширина запрещенной зоны полупроводника. Используя для изготовления фотоприемника полупроводниковые материалы с различной шириной запрещенной зоны, можно изменять область длин волн, в которой работает фотоприемник.,

Для широкозонных полупроводников (с большой шириной запрещенной зоны), например GaAs, спектральная характеристика смещается в сторону более коротких длин волн, так как для создания электронно-дырочных пар, а следовательно, фототока необходимы фотоны света с большей энергией (коротковолновое излучение). Для полупроводников с малой шириной запрещенной зоны, например Ge, спектральная характеристика сдвинута в длинноволновую область и л_max= 1,55 мкм (рис. 4, кривая 2). В указанных полупроводниках электронно-дырочные пары могут возникать под действием фотонов с меньшей энергией (длинноволновое излучение).

Другим фактором, определяющим чувствительность приборов является коэффициент отражения излучения от поверхности фотоприемника . Так, например, коэффициент отражения излучения от поверхности Si отражается до 40% падающей на нее световой энергии. Применение специальных покрытий дает возможность уменьшить коэффициент отражения до 5-10%, а следовательно, увеличить чувствительность лучших фотоприемников в области длин волн 0,5 - 0,9 мкм близка к теоретической возможности.

2.2 Вольт-амперные характеристики

Вольт-амперная характеристика фотоприемника представляет собой зависимость тока через прибор от величины приложенного электрического напряжения. Различают аольт-амперную характеристику темновую и освещенного фотоприемника. Значение темновой вольт-амперной характеристики важно для оценки работы фотоприемника как в фотовольтаическом (ФПВ), так и в диодном режимах (ФД). Разные режимы работы фотоприемника определяют соответствующие требования к вольт-амперной характеристике приборов. Фотоприемник, предназначенный для преобразования солнечной или лучистой энергии любого другого излучателя в электрическую, используемый как генератор электрической мощности, называется фотоэлектрический преобразователь (ФЭП).

Выражение для темнового тока можно записать в виде (7)



где I- ток, пропускаемый через p-n переход; I₀ - ток насыщения; А- параметр, характеризующий p-n переход.

Параметр А определяется природой тока через p-n переход и может быть равным 1-3. Для кремниевых ФЭП этот параметр лежит в интервале от 2 до 3. Ток насыщения, в основном, изменяется в пределах 10^-5 - 10^-7 А/см², что превышает величину, определяемую теоретически. С увеличением температуры от -70 до 0°Сток насыщения кремниевых приборов изменяется незначительно, в области же положительных температур резко возрастает. ПараметрАс уменьшением температуры увеличивается. Для ФЭП на основе GaAs при том же параметреА?2 величина тока I₀лежит в пределах 10^-9 - 5•10^-10 А/см², т.е. в достаточной мере соответствует теории.

Рисунок 5. Вольт-амперные характеристики ФЭП из GaAs иSi.

Разница в величинах тока насыщения на несколько порядков для GaAs и Si ФЭП оказывает влияние на характеристики этих приборов при работе в фотовольтаическом режиме.

На рис. 5 приведены вольт-амперные характеристики ФЭП из GaAs и Si при Т = 300 К и освещенности приборов лучистым потоком мощностью 800 Вт/м².Из сравнения характеристик видна следующая особенность элементов: напряжение холостого хода U_xx для приборов из GaAs при комнатной температуре в 1,6-1,7 раза превышает значение U_xxдля кремниевых элементов, хотя ширина запрещенной зоны ?Е_?(GaAs)примерно лишь в 1,25 раза больше ?Е_?(Si) при той же температуре. Величина U_xx может быть выражена через фототок I_ф, ток насыщения I₀ и параметр А (8)

Меньший на несколько порядков ток насыщения I₀ обусловливает дополнительное увеличение напряжения холостого хода U_{x х} для ФЭП на основе GaAs.

Эксплуатационными параметрами ФЭП являются: напряжение холостого хода U_{x х}, ток короткого замыкания I_к.з и к. п. д. для максимальной мощности. Значение фототока короткого замыкания ФЭП определяется соотношением (9)

где S -- интегральная чувствительность ФЭП; W--мощность потока лучистой энергии.

Сопротивление р-n перехода зависит от энергетической освещенности. При малых лучистых потоках R_p-n>>Rn и I_к.з.=SW т. е. ток короткого замыкания линейно зависит от W С увеличением лучистого потока, падающего на ФЭП, R_p-n уменьшается и соотношение станет нелинейным. Низкое R_n позволяет сохранить неравенство до более высоких значений W.

Величины обратных токов ФД на основе высокоомного кремния при напряжении 10 В составляют 10^-9--10^-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.

2.3 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 флуктуационные 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 f, 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. , рассматривают обычно включенным последовательно с ФП как шумовую э. д. с. холостого хода. Эквивалентный генератор тока 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 шум ФП можно определить по формуле для эквивалентного шумового тока (10)

где g_o-- активная часть проводимости, не зависящая от частоты; ?f -- 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 флуктуациями потока носителей заряда через р-n 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 происходит по закону 1/f, гдеn?1. Этот шум называется избыточным. Известно, чтошум 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 (11)

где I_т -- темновой ток; I_ф -- фототок, создаваемый в результате фонового излучения;S=I_ф/E-- чувствительность (интегральная или монохроматическая).

Для лучших ФП, выпускаемых в настоящее время, преобладающим является дробовой шум. Для снижения порога чувствительности необходимо уменьшать темповые токи и увеличивать чувствительность ФП. Снижением темновых токов пороговая чувствительность для кремниевых ФП уменьшена до (10^-13ч10^-14) Вт/Гц^1/2 при длине волны света л =0,8ч0,9 мкм и для германиевых до 10^-12 Вт/Гц^1/2 при л=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.

3. Применение фотоприемников в технике

3.1 PIN- фотодиод

PIN диод -- разновидность диода, в котором между областями электронной (n) и дырочной (p) проводимости находится собственный полупроводник (i-область). p и n области как правило легируются сильно, так как они часто используются для омического контакта к металлу.

Рисунок 6. Функциональная структура pin-диода

Широкая нелегированная i-область делает pin-диод плохим выпрямителем (обычное применение для диода), но, с другой стороны, это позволяет использовать его в аттенюаторах(ослабителях сигнала), быстрых переключателях, фотодетекторах, а также в высоковольтной электронике.

Как правило предназначен для работы в сантиметровом диапазоне волн.

Характерные качества pin-диода проявляются при работе в режиме сильной инжекции, когда i-область заполняется носителями заряда из сильнолегированных n+ и p+ областей, к которым прикладывается прямое смещение напряжения. pin-диод функционально можно сравнить с ведром воды с отверстием сбоку: как только ведро наполняется до уровня отверстия, оно начинает протекать. Точно так же и диод начинает пропускать ток, как только заполнится носителями заряда i-область.

Из-за того, что в i-области очень низкая концентрация носителей заряда, там практически отсутствуют процессы рекомбинации во время инжекции. Но в режиме прямого смещения концентрация носителей заряда на несколько порядков превышает собственную концентрацию pin-диод может использоваться в сетевых картах и коммутаторах для волоконно-оптических кабелей. В этих приложениях pin-диод используется как фотодиод.

В качестве фотодетектора pin-диод работает при обратном смещении. При этом он закрыт и не пропускает ток (за исключением незначительного тока утечки). Фотон входит в i-область, порождая образование электронно-дырочных пар. Носители заряда, попадая в электрическое поле ОПЗ, начинают двигаться к высоколегированным областям, создавая электрический ток, который может быть детектирован внешней цепью. Проводимость диода зависит от длины волны, интенсивности и частоты модуляции падающего излучения.

Величина обратного напряжения может достигать больших значений, при этом большее напряжение создает большее поле, которое вытягивает носители из ОПЗ i-области более быстро.

3.2 Лавинные фотодиоды

Лавинные фотодиоды (ЛФД) -- высокочувствительные полупроводниковые приборы, преобразующие свет в электрический сигнал за счёт фотоэффекта. Их можно рассматривать в качестве фотоприёмников, обеспечивающих внутреннее усиление посредством эффекта лавинного умножения. С функциональной точки зрения они являются твердотельными аналогами фотоумножителей. Лавинные фотодиоды обладают большей чувствительностью по сравнению с другими полупроводниковыми фотоприёмниками, что позволяет использовать их для регистрации малых световых мощностей (? 1 нВт).

При подаче сильного обратного смещения (близкого к напряжению лавинного пробоя, обычно порядка нескольких сотен вольт для кремниевых приборов), происходит усиление фототока (примерно в 100 раз) за счёт ударной ионизации (лавинного умножения) генерированных светом носителей заряда. Суть процесса в том, что энергия образовавшегося под действием света электрона увеличивается под действием внешнего приложенного поля и может превысить порог ионизации вещества, так что столкновение такого «горячего» электрона с электроном из валентной зоны может привести к возникновению новой электронно-дырочной пары, носители заряда которой также будут ускоряться полем и могут стать причиной образования всё новых и новых носителей заряда.

Рисунок 7. Структура лавинного фотодиода на основе кремния: 1 -- омические контакты, 2 -- антиотражающее покрытие

Существует ряд формул для коэффициента лавинного умножения (M), довольно информативной является (12):

где L -- длина области пространственного заряда, а -- коэффициент ударной ионизации для электронов (и дырок). Этот коэффициент сильно зависит от приложенного напряжения, температуры и профиля легирования. Отсюда возникает требование хорошей стабилизации питающего напряжения и температуры, либо учёт температуры задающей напряжение схемой.



Рисунок 8. Зависимость тока (I) и коэффициента умножения (M) от обратного напряжения (U) на ЛФД

Ещё одна эмпирическая формула показывает сильную зависимость коэффициента лавинного умножения (M) от приложенного обратного напряжения (13):

гдеU_b -- напряжение пробоя. Показатель степени n принимает значения от 2 до 6, в зависимости от характеристик материала и структуры p-n-перехода.

Исходя из того, что в общем случае с возрастанием обратного напряжения растёт и коэффициент усиления, существует ряд технологий, позволяющих повысить напряжение пробоя до более чем 1500 вольт, и получить таким образом усиление более чем в 1000 раз. Следует иметь в виду, что простое повышение напряженности поля без предприятия дополнительных мер может привести к увеличению шумов.

Если требуются очень высокие коэффициенты усиления (10⁵ -- 10⁶), возможна эксплуатация некоторых типов ЛФД при напряжениях выше пробойных. В этом случае требуется подавать на фотодиод ограниченные по току быстро спадающие импульсы. Для этого могут использоваться активные и пассивные стабилизаторы тока. Приборы, действующие таким образом работают в режиме Гейгера (Geigermode). Этот режим применяется для создания однофотонных детекторов (при условии, что шумы достаточно малы)

Типичное применение ЛФД -- лазерные дальномеры и волоконные линии связи. Среди новых применений можно назвать позитронно-эмиссионную томографию и физику элементарных частиц В настоящее время уже появляются коммерческие образцы массивов лавинных фотодиодов. Сфера применения и эффективность ЛФД зависят от многих факторов. Наиболее важными являются:

· квантовая эффективность, которая показывает, какая доля падающих фотонов приводит к образованию носителей заряда и возникновению тока;

· суммарный ток утечек, который складывается из темнового тока и шумов.

3.3 Солнечная батарея

Солнечная батарея -- несколько объединённых фотоэлектрических преобразователей (фотоэлементов) - полупроводниковых устройств, прямо преобразующих солнечную энергию в постоянный электрический ток.

Рисунок 9. Принцип работы солнечной батареи

Принцип работы солнечных батарей заключается в выработке постоянного тока вследствие попадания солнечного излучения на кремниевую пластину. Работа пластин построена на основе свойств полупроводника: солнечные лучи попадают на поверхность пластин и сдвигают электроны кремния с орбит атомов. Эти освобожденные электроны и образуют электрический ток. Но одна пластина не может выработать достаточную мощность тока, поэтому в солнечной батарее объединяют в одну сеть десятки таких пластин. Соответственно, мощность солнечной батареи напрямую зависит от площади ее поверхности.

Солнечные батареи бывают различного размера: от встраиваемых в микрокалькуляторы до занимающих крыши автомобилей и зданий.

3.4 Светочувствительная матрица

Матрица или светочувствительная матрица -- специализированная аналоговая или цифро-аналоговаяинтегральная микросхема, состоящая из светочувствительных элементов -- фотодиодов.

· Предназначена для преобразования проецированного на неё оптического изображения в аналоговый электрический сигнал или в поток цифровых данных (при наличии АЦП непосредственно в составе матрицы).

· Является основным элементом цифровых фотоаппаратов, современных видео- и телевизионных камер, фотокамер, встроенных в мобильный телефон, камер систем видеонаблюдения и многих других устройств.

· Применяется в оптических детекторах перемещения компьютерных мышей, сканерах штрих-кодов, планшетных и проекционных сканерах, системах астро- и солнечной навигации.

Рисунок 10. Матрица на печатной плате цифрового фотоаппарата



Заключение

Фотодиоды применяют в различных областях науки и техники. Это обусловлено чувствительностью фотодиодов в видимой, ультрафиолетовой и инфракрасной областях спектра, возможностью работы при небольшом напряжении и малом токе, слабыми шумами, большим сроком службы, а также простотой схемы применения. Так, в вычислительной технике фотодиоды используют в устройствах ввода и вывода информации. Скорость считывания информации достигает 2000 знаков в секунду. Широко используют фотодиоды в регистрирующих и измерительных приборах фотометрии, в киноаппаратуре и фототелеграфии.

В последние годы фотодиоды стали применять для автоматизации производственных процессов. Широкое применение фотодиоды должны найти в быстро развивающейся оптоэлектронике. В основном фотодиоды используют в фотодиодном режиме, т. е. при обратном смещении p-n перехода. Однако в некоторых случаях целесообразно применять вентильный режим, в котором шумы значительно меньше, например, при регистрации малых световых потоков, когда сигнал сравним с уровнем шумов и изменения темнового тока сравнимы с фототоком [8].

Фотодиоды, работающие в режиме фотогенератора, часто применяют в качестве источников питания, преобразующих энергию солнечного излучения в электрическую. Они называются солнечными элементами и входят в состав солнечных батарей, используемых на космических кораблях. В настоящее время ведутся разработки наземных солнечных батарей.

Внутренний фотоэффект используется также в более сложных фотоэлектронных приборах для увеличения их фоточувствительности - фототранзисторах и фототиристорах. Полупроводниковые фотоприемники всячески применяются в современной технике и играют важную роль в технических процессах.

Список использованных источников

1 Бузанова Л.К., Глиберман А.Я. Полупроводниковые фотоприемники. - Москва, издательство "Энегргия", 1976

2 Пасынков В. В. Чиркин Л.К. Полупроводниковые приборы: учебник для вузов. - Санкт-Петербург, издательство "Лань", 2001

3 http://ru.wikipedia.org/wiki/Фотодиод

4 http://ru.wikipedia.org/wiki/Лавинный_фотодиод

5 http://ru.wikipedia.org/wiki/Pin_диод

6 http://ru.wikipedia.org/wiki/Матрица_(фото)

7 http://ru.wikipedia.org/wiki/Солнечная_батарея

8 http://solnce-generator.ru/princip-raboty-solnechnyx-batarej/

Размещено на Allbest.ru

...