Фотодіоди та фототранзистори. Фотодіодні лінійки та матриці

Размещено на http://www.allbest.ru/

Міністерство освіти і науки України

Національний університет «Львівська політехніка»

кафедра фотоніки

Реферат

на тему : «Фотодіоди та фото транзистори. Фотодіодні лінійки та матриці»

Львів 2014

1. Фотодіод -- це приймач оптичного випромінювання, який перетворює падаюче на його фоточутливу область світло в електричний заряд, за рахунок процесів в p-n-переході. Його можна класифікувати як напівпровідниковий діод, в якому використовується залежність його вольт-амперної характеристики від освітленості

Рис. 1 Фотодіод

Рис. 2 Схематичне позначення фотодіода

Дія фотоелементів заснована на використанні внутрішнього фотоефекта: фотоопори (ФС), фотодіоди (ФД), фототранзистори (ФТ), фоторезистори, фотомікросхеми.

Внутрішній фотоефект - це перерозподіл електронів, по енергетичних рівнях у діелектриках і напівпровідниках під дією світла. Якщо енергія кванта hv падаючого світла перевищує ширину забороненої зони в діелектрику або напівпровіднику, то електрон, що поглинув квант, переходить із валентної зони в зону провідності. У результаті цього переходу утворюється пара носіїв: у зоні провідності електрон, а у валентній зоні - дірка. Таким чином, у зоні провідності з'являються носії заряду, і при включенні напівпровідника в ланцюг по ній буде протікати струм або при додатку зовнішнього електричного поля буде протікати струм, що змінюється залежно від освітленості.

Рис. 3 Схема внутрішнього фотоефекту

Принцип роботи:

Коли фотон, що має достатню енергію, потрапляє на фотодіод, в останньому відбувається внутрішній фотоефект: фотон збуджує електрон з матеріалу діода, таким чином створюючи пару носіїв заряду: вільний електрон і позитивно заряджену дірку. Якщо поглинання відбувається в області збіднення напівпровідника, ці нові носії виносяться з області її власним електричним полем. Завдяки цьому дірки рухаються до анода, а електрони до катода, і виникає фотострум. Струм фотодіода як діода визначається струмом неосновних носіїв (дрейфовий струм).

Рис. 4 Структурна схема фотодіода. 1 - кристал напівпровідника; 2 - контакти; 3 - висновки; Ц - потік електромагнітного випромінювання; Е - джерело постійного струму; R _H - навантаження

Фотодіод може працювати в двох режимах:

· фотогальванічні - без зовнішньої напруги

· фотодіодних - із зовнішнім зворотним напругою

Рис. 5 а) фотодіодний режим Рис.5,б) фотогальванічний режим

Параметри та характеристики фотодіодів:

· чутливість - відображає зміну електричного стану на виході фотодіода при подачі на вхід одиничного оптичного сигналу. Кількісно чутливість вимірюється відношенням зміни електричної характеристики, що знімається на виході фотоприймача, до світлового потоку або потоку випромінювання, його викликав.

;

- Струмова чутливість по світловому потоку

;

- Вольтаіческая чутливість з енергетичного потоку

· шуми - крім корисного сигналу на виході фотодіода з'являється хаотичний сигнал з випадковою амплітудою і спектром - шум фотодіода. Він не дозволяє реєструвати скільки завгодно малі корисні сигнали. Шум фотодіода складається з шумів напівпровідникового матеріалу і фотонного шуму.

· вольт-амперна характеристика (ВАХ) - залежність вихідної напруги від вхідного струму.

· спектральні характеристики - залежність фотоструму від довжини хвилі падаючого світла на фотодіод. Вона визначається з боку великих довжин хвиль шириною забороненої зони, при малих довжинах хвиль великим показником поглинання і збільшення впливу поверхневої рекомбінації носіїв заряду із зменшенням довжини хвилі квантів світла. Тобто короткохвильова межа чутливості залежить від товщини бази і від швидкості поверхневої рекомбінації. Положення максимуму в спектральній характеристиці фотодіода сильно залежить від ступеня зростання коефіцієнта поглинання.

· світлові характеристики - залежність фотоструму від освітленості, відповідає прямої пропорційності фотоструму від освітленості. Це обумовлено тим, що товщина бази фотодіода значно менше дифузійної довжини неосновних носіїв заряду. Тобто практично всі неосновні носії заряду, що виникли в базі, беруть участь в утворенні фотоструму.

· постійна часу - це час, протягом якого фотострум фотодіода змінюється після висвітлення або після затемнення фотодіода в е раз (63%) по відношенню до сталого значення.

· темнової опір - опір фотодіода у відсутність освітлення.

· Інерційність

Розрахунок ККД і потужності фотодіода

ККД обчислюється за формулою:

де Росв - потужність освітленості; I - сила струму;

U - напруга на фотодіоді.

Розрахунок потужності фотодіода ілюструє Рис.6 і таблиця 1.

Рис. 6 Залежність потужності фотодіода від напруги і сили струму

Максимальна потужність фотодіода відповідає максимальній площі цього прямокутника.

Таблиця 1

Залежність потужності від ККД

Класифікація

· P-i-n фотодіод

Структура p-i-n фотодіода спроектована так, щоб уникнути недоліків фотодіода pn-типу. Але усі основні принципи реєстрації зберігаються.

Рис. 7 Конструкция pin-фотодиода

Введення шару власного напівпровідника, між p і n шарами, домішкового напівпровідника дозволяє істотно збільшити розмір області просторового заряду.

Рис. 8 Принцип дії pin-фотодіода

У i-шарі вільні носії практично відсутні і силові лінії електричного поля починаються з донорів в n- області, без екранування проходять через i- шар і закінчуються на акцепторах p- області.

Ширина i- шару складає зазвичай 500-700мкм. У відмінності ж від i- зони, леговані шари зроблені дуже тонкими. Все разом це зроблено для того, щоб усе оптичне випромінювання поглиналося в i- шарі і скорочувався час перенесення зарядів з i - зони в леговані області.

Фотони, що в результаті падають, збуджують струм в зовнішньому контурі ефективніше і з меншим запізнюванням. Носії, що утворюють усередині збідненої (обедненной)зони, миттєво зрушуються в сильному електричному полі до відповідно p - і n - областям діода.

Квантова ефективність таких діодів зазвичай рівна 80%.

Для діодів сконструйованих для застосування в оптоволоконних лініях місткість переходу дорівнює 0,2 pF,при робочій поверхні діода 200 mm.

Рис. 8 pin- фотодіод SHF 202

Отже, основна перевага pin- фотодіода полягає у високих швидкостях перемикання, оскільки поглинання випромінювання відбувається в i- шарі, де за рахунок дрейфового перенесення високі швидкості для носіїв заряду.

Іншою перевагою є висока квантова ефективність,оскільки товщина i- шару звичайний більше зворотного коефіцієнта поглинання і усі фотони поглинаються в i-шарі.

Використання гетероперехідів для pin- фотодіодів дозволяє уникнути поглинання світла у базі фотодіода.

Характеристики

· Фотодіод Шотткі

Для забезпечення чутливості кремнієвих фотодіодів також у фіолетовій і ультрафіолетовій областях використовують так звані фотодіоди Шотки ( Рис.10).Замість p - n -перехода в них формують т.з. "бар'єр Шотки", що виникає на межі розділу "метал -напівпровідник". Для цього на фоточутливу область кремнію ( напиленням у вакуумі) наносять дуже тонкий шар золота, досить прозорий для видимого і ультрафіолетового світла.

Структура фотодіода Шотки

Рис. 10 Структура фотодіода Шотки

· Лавинний фотодіод

Лавинні фотодіоди - високочутливі напівпровідникові прилади, що перетворюють світло в електричний сигнал за рахунок фотоефекту. Їх можна розглядати в якості фотоприймачів, що забезпечують внутрішнє посилення за допомогою ефекту лавинного множення. З функціональної точки зору вони є твердотілими аналогами фотопомножувачів.

Лавинні фотодіоди мають більшу чутливість в порівнянні з іншими напівпровідниковими фотоприймачами, щодозволяє використати їх для реєстрації малих світлових потужностей (? 1 нВт).

Рис. 11 Структура лавинного фотодіода на основі кремнію: 1 -омічні контакти, 2 - антивідбиваюче покриття

Принцип роботи

При поданні сильного зворотного зміщення (близького до напруги лавинного пробою, звичайні близько декількох сотень вольт для кремнієвих приладів),відбувається посилення фотоструму (приблизно у 100разів) за рахунок ударної іонізації (лавинного множення)носіїв заряду, що генеруються світлом.

Суть процесу в тому, що енергія електрона, що утворився під дією світла, збільшується під дією зовнішнього прикладеного поля і може перевищити поріг іонізації речовини, так що зіткнення такого "гарячого" електрона з електроном з валентної зони може привести до виникнення нової электроно-діркової пари, носії заряду якої також прискорюватимуться полем і може стануть причиною утворення все нових і нових носі\в заряду.

Рис. 12 Залежність струму (I) і коефіцієнта множення (M) від зворотної напруги (U) на ЛФД

Виходячи з того, що в загальному випадку із зростанням зворотної напруги росте і коефіцієнт посилення, існує ряд технологій, що дозволяють підвищити напругу пробою до більш ніж 1500 вольт, і отримати таким чином посилення більш ніж в 1000 разів. Слід мати на увазі, що просте підвищення напруженості поля без прийняття додаткових заходів може привести до збільшення шумів.

Якщо потрібно дуже високі коефіцієнти посилення можлива експлуатація деяких типів ЛФД при напрузі вище за пробійну. В цьому випадку вимагається подавати на фотодіод обмежені по струму швидкоспадаючі імпульси. Для цього можуть використовуватися активні і пасивні стабілізатори струму. Цей режим застосовується для створення одинфотонних детекторів (за умови, що шуми досить малі)

· Фотодіод з гетероструктури

Гетеро-фотодіодом називають прилад, що має перехідний щар, утворений напівпровідниковими матеріалами з різною шириною забороненої зони.

Пристрій і принцип дії цих приладів розглянемо наприкладі гетероструктури GаАs-GаАlАs (Рис.13).

На підкладці арсеніду галію " + типу " 10-18 см' 3) методом рідкофазної эпитаксии послідовно нарощують спочатку шар чистого нелегованого арсеніду галію (- типа) а потім шар р+ типу твердого розчину GаАlАs.

Шар GаАlАs грає роль широкозонного вікна, що пропускає випромінювання, погллинаюче в середній "-області. Структура зонної діаграми (Рис.13)забезпечує бесперешкодне перенесення генерованих в "- області дірок в /"- область.

Товщина середньої області І вибирається так, щоб забезпечити поглинання усій падающій потужності.

Висока міра частоти цієї області забезпечує малі рекомбінаційні втрати генерованих світлом носіїв. Фоточутливість гетеро-фотодіодів визначається ефективним часом життя носіїв в середньому шарі, а час перемикання -завтовшки цього шару і напруженостью електричного поля.

Застосування досконалих гетероструктур (з низькоющільністю поверхневих станів) відкриває можливості створення фотодіодів з ккд, близьким до 100%. Поєднання малого часу розсмоктування нерівноважних носіїв заряду і малого значення бар'єрної місткості забезпечує високу швидкодію гетеро-фотодіодів. Такі прилади можуть ефективно працювати при малій зворотній напрузі.Підбираючи пари напівпровідникових матеріалів можна отримувати фотодіоди, працюючі у будь-якій частині оптичого діапазону довжин хвиль.

Ця перевага обумовлена тим, що в гетеро-фотодіоді робоча довжина хвилі визначається різницею ширини заборонених, зон і не пов'язана із спектральною характеристикою глибини поглинання. Внаслідок хороших можливостей вибору матеріалу бази значення,що досягається,фото ЕРС у гетеро-фотодиодів складає(0,8... 1,1) В, що в два-три рази вище, ніж у кремнієвих фотодіодів. Основний недолік гетерофотодіодів властива гетероструктурам - складність виготовлення.

Рис. 13 Фотодіод з гетероструктурою: а - структура; б -енергетична діаграма

Приклад

Фотодиод ФД-141-К (ФД 141 К, ФД 141К)

ОСНОВНЫЕ ТЕХНИЧЕСКИЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ

Фототранзистор-- напівпровідниковий прилад, що реагує на опромінення світлом і підсилює електричний струм (фотострум), який при цьому виникає; засіб оптоелектроніки. Основна частина фототранзистора (рис.6) -- напівпровідникова пластина (германію, кремнію або арсеніду галію) з трьома областями: базою (як правило, без спец. виводу), колектором і емітером (обидва -- з виводами). При опроміненні світлом в базі утворюються парні носії зарядів -- електрони і дірки. У Ф. на основі напівпровідників з n-провідністю дірки є для бази неосновними носіями зарядів, тому вони втягуються електричним полем колекторного переходу (див. Електронно-дірковий перехід) в колектор, збільшуючи струм у його колі. Електрони (основні носії зарядів), на відміну від дірок, нагромаджуються (через відсутність виводу) в базі, створюють просторовий заряд, який знижує висоту потенціального бар'єра емітерного переходу; при цьому полегшується переміщення дірок у базу, а потім у колектор, що зумовлює ще більше зростання колекторного струму (фотоструму). Якщо у бази Ф. зробити вивод, виникають додаткові можливості використання приладу: на його вхід, крім світлового сигналу, можна подавати сигнал електричний. Широко застосовують також Ф. з переходом метал -- напівпровідник (т. з. бар'єром Шотткі), гетеропереходом. Інтегральна чутливість Ф. досягає 10 А/лм, інерційність не перевищує кількох сотень мікросекунд. Ф. використовують в оптопарах, як лічильники і детектори випромінювань, для звуковідтворювання в кіноустановках тощо.

Рис. 6 Будова фототранзистора

Біполярний фототранзистор

фотодіод фототранзистор електричний заряд

Біполярний фототранзистор - напівпровідниковий прилад з двома pn переходами - призначений для перетворення світлового потоку в електричний струм. При висвітленні фототранзистора в його базі генерується електронно-діркові пари. Неосновні носії зарядів переходять в область колектора і частково в область емітера. При цьому потенціали емітера і колектора відносно бази змінюються. Емітерний перехід зміщується в прямому напрямі, і навіть невелика зміна його потенціалу викликає велику зміна струму колектора, тобто фототранзистор є підсилювачем. Струм колектора освітленої фототранзистора виявляється досить великим - відношення світлового потоку до темнової велике (кілька сотень). Фототранзистори володіють значною більшою, ніж фотодіоди, чутливість - близько сотні міліампер на люмен. Біполярний фототранзистор подібний звичайному біполярному транзистору, між висновками колектора і бази якого включений фотодіод. Таким чином, струм фотодіода виявляється струмом фототранзистора і створює посилений в n разів струм в ланцюзі колектора. Якщо на фототранзистор подається тільки електричний сигнал, його параметри майже не відрізняються від параметрів звичайного транзистора.

Застосування

Фототранзистор можна включати за схемами з вільним колектором, з вільною базою і з вільним емітером. На фототранзистор можна подавати оптичні та електричні сигнали. Без вхідного електричного сигналу, який зазвичай необхідний для зсуву, компенсуючого наводки, фототранзистор працює як фотодіод з високою інтегральною чутливістю, невеликий граничною частотою і великою темнова струмом. Фототранзистори доцільно використовувати для реєстрації великих світлових сигналів; при реєстрації малих світлових сигналів слід подати позитивний зсув на базу. Застосовують два варіанти включення фототранзисторів: діодні - з використанням тільки двох виводів (емітера і колектора) і транзисторне - з використанням трьох висновків, коли на вхід подають не тільки світловий, але і електричний сигнали. Фототранзистори використовуються в якості фотоприймачів і транзисторних оптопари.

Недоліки

Недоліком фототранзисторів є велика інерційність, що обмежує їх застосування в якості швидкодіючих вимикачів.

Приклади та їх характеристики

3. Фотодіодні лінійки і матриці

Багатоелементні фотодіодні приймачі призначені для перетворення двомірної оптичної інформації від зображення, в одновимірну тимчасову послідовність електричних сигналів. Вони випускаються у вигляді лінійок і матриць. У лінійках фотодіоди розташовані в ряд з рівномірним невеликим кроком, а матричні є набором таких лінійок.

Розгортка зображення здійснюється послідовним прочитуванням сигналів кожного з фотодіодів лінійки, а в матричному варіанті- шляхом почергового опитування кожної лінійки (і кожного фотодіода в лінійці). У лінійці одні електроди, наприклад аноди фотодіодів, об'єднані в одну шину (Рис.7.), а інші, в даному випадку - катоди,виведені на комутатор (наприклад, на транзисторних ключах). Комутатор підключає кожен фотодіод довимірювального ланцюга, який в простому випадку може включати джерело живлення і опір навантаження.

У електроніці режим послідовного опитування станів великого числа елементів і передачі їх на один вхід називається мультиплексним (а пристрій, організуючийтаке опитування, - мультиплексором).

Рис. 7 Схеми багатоелементних діодних приймачів

У матричному варіанті фотодіоди підключаються одним електродом до горизонтальної шини (ті ж аноди), а іншим- до вертикальної (катоди). Шини, у свою чергу, також підключені до комутаторів (мультиплексорам), які, як і увипадку з лінійкою, включають послідовно кожного з фотодіодів у вимірювальний ланцюг. В результаті організованого мультиплексування послідовне підключення вертикальних шин утворює розгортку порядку (лінії, ряду), а перехід з одного горизонтального ряду на наступний - розгортку по кадру.

Так, на виході схеми утворюється послідовність імпульсів(відеосигнал), амплітуда яких відповідає освітленості того або іншого елементу матриці.

Фотодіодні лінійки і матриці використовуються в сучасних спектрофотометрах, сканерах і інших облаштуваннях введення оптичної інформації.

Приклад:

4. Список літератури

1. Роках А. Р. Фотоелектричні явища в напівпровідниках і діелектриках. Саратов: Видавництво Саратовського університету, 1984.

2. Названов У. Ф. Основи оптоелектроніки. Саратов: Видавництво Саратовського університету, 1980.

3. Носов Ю. Р. Оптоэлектроника. М.: Радянське радіо, 1977.

4. Василевський А. М. та інших. Оптическая електроніка/ А. М. Василевський, М. А. Кропоткіна, У. У. Тихонов. Л.: Энергоатомиздат. Ленингр. Отд-ние, 1990.

5. Шалімова До. У. Фізика напівпровідників. М.: Енергія, 1976.

6. Пасинків В.В. та інших. Напівпровідникові прилади/ В.В. Пасинків, Л.К. Чиркин, А.Д. Шинків. М.: Вищу школу, 1973.

Размещено на Allbest.ru