Детектор оптического излучения

Материал из Национальной библиотеки им. Н. Э. Баумана
Последнее изменение этой страницы: 23:08, 17 ноября 2016.


Детектор оптического излучения — устройство, способное регистрировать оптическое излучение. PIN-диод может использоваться в сетевых картах и коммутаторах для волоконно-оптических кабелей. В этих приложениях PIN-диод используется как фотодиод.

Фотодетекторы. PIN-диоды

В качестве фотодетектора PIN-диод работает при обратном смещении. При этом он закрыт и не пропускает ток (за исключением незначительного тока утечки Is). Фотон входит в i-область, порождая образование электронно-дырочных пар. Носители заряда, попадая в электрическое поле, 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. Некоторые детекторы могут использовать эффект лавинного умножения носителей заряда. Они применяются в линиях связи с квантовокриптографическим шифрованием.

Принцип действия

Фоторезисторы используют явление изменения сопротивления вещества под действием солнечного света (внутренний фотоэффект). Основной элемент фоторезистора – полупроводниковая пластина, сопротивление которой под действием света изменяется. Механизм возникновения фотопроводимости можно объяснить следующим образом: в затемненном полупроводнике в результате воздействия тепловой энергии имеется небольшое количество подвижных носителей заряда (электронов и дырок). Т. е. полупроводник обладает начальной проводимостью (темновая проводимость). Под действием света концентрация подвижных
Рис. 1. Вольт-амперная характеристика фоторезистора
Рис. 2. Энергетическая характеристика фоторезистора
Рис. 3. Зависимость монохроматической чувствительности фоторезистора от длины волны
носителей увеличивается. Это может происходить за счет того, что кванты света возбуждают электроны и переводят их из валентной зоны в зону проводимости. Кроме того, они могут вызывать переход электронов из валентной зоны на примесные уровни и увеличивать только дырочную составляющую проводимости, или переход электронов с примесных уровней в зону проводимости, вызывая увеличение только электронной проводимости. Таким образом, в полупроводнике при освещении концентрация носителей заряда увеличивается, и проводимость резко возрастает.

Изменение проводимости под действием света называют фотопроводимостью. Изменяя освещенность полупроводника можно регулировать фотопроводимость. Основные характеристики фоторезисторов:


  1. Вольт-амперная характеристика при
  2. Энергетическая характеристика при - зависимость фототока от светового потока. В области малых Ф она линейная, а при увеличении Ф рост фототока замедляется из-за возрастания вероятности рекомбинаций носителе заряда через ловушки и уменьшения их времени жизни.
  3. Чувствительность (отношение выходной величины к входной). Бывает токовая чувствительность к световому потоку токовая чувствительность к освещенности и т.д.
  4. Температурный коэффициент фототока – указывает изменение параметров фоторезистора при изменении температуры.
  5. Абсолютная и относительная спектральные характеристики – это значения чувствительности в полосе частот. Абсолютная спектральная характеристика представляет собой зависимость монохроматической чувствительности, выраженной в абсолютных единицах, от длины волны регистрируемого потока излучения. Относительная спектральная характеристика – зависимость монохроматической чувствительности от длины волны, отнесенная к значению максимальной чувствительности.
  6. Пороговый поток – минимальное значение светового потока, которое может обнаружить фоторезистор на фоне собственных шумов.

Принципы работы фотоприемников с внутренним фотоэффектом

В основе работы большинства современных фотоприемников лежит явление внутреннего фотоэффекта, при котором в результате поглощения фотонов с энергией, превышающей энергию запрещенной зоны, происходит переход электронов из валентной зоны в зону проводимости (генерация электронно-дырочных пар). При наличии электрического потенциала с появлением электронно-дырочных пар от воздействия оптического сигнала появляется электрический ток, обусловленный движением электронов в зоне проводимости и дырок в валентной зоне. Эффективная регистрация генерируемых в полупроводнике электронно-дырочных пар обеспечивается путем разделения носителей заряда. Для этого используется конструкция с переходом, которая называется фото-диодом. Из фотоприемников, применяемых в коммуникационных КПС (линиях связи), получили распространение фото-диоды, лавинные фотодиоды, фототранзисторы.

Рассмотрим принципы работы фотоприемника на примере фотодиода, для которого характерно наличие i-слоя (слаболегированного полупроводника n-типа) между слоями - и -типа (+ означает сильное легирование). Также i-слой называют обедненным слоем, поскольку в нем нет свободных носителей. На структуру подается напряжение с обратным смещением U0 (по сравнению со светоизлучающим диодом). Сильное легирование крайних слоев делает их проводящими, и максимальное значение электрического поля (градиент потенциала) создается в i-слое. Но поскольку нет свободных носителей в i-слое, нет и электрического тока, так что i-слой испытывает только поляризацию. При наличии падающего излучения на i-слой, в нем образуются свободные электронно-дырочные пары. Они под действием электрического поля быстро разделяются и двигаются в противоположных направлениях к своим электродам, образуя электрический ток. Эффективным является взаимодействие излучения только с i-слоем, так как при попадании фотонов в - и -слои возникает диффузионный ток, который имеет большую инерционность и ухудшает быстродействие. Поэтому при изготовлении фотодиодов стремятся делать- и -слои как можно тоньше, а обедненную область достаточно большой протяженности, чтобы она полностью поглощала весь падающий свет.

Фотодиоды могут изготавливаться из разных материалов. Рабочие диапазоны длин волн, в которых достигается максимальная эффективность фотодиодов для разных полу-проводниковых материалов, могут существенно отличаться. Эффективность (квантовая) обедненной области в рабочем диапазоне длин волн достаточно высока ~80-100%. Однако часть падающего излучения испытывает френелевское отражение от фоточувствительной поверхности из-за скачка показателей преломления на границе между этой поверхность и средой. Для уменьшения отражения приемную поверхность обедненного слоя покрывают антиотражающим слоем – специально подобранным прозрачным для длины волны излучения , материалом толщиной кратной и показателем преломления, равным где и – показатели преломления i-слоя и воздуха.

Технические характеристики фотоприемников

  • токовая чувствительность;
  • квантовая эффективность;
  • темновой ток;
  • время нарастания и спада (инерционность);
  • эквивалентная мощность шума;
  • соотношение сигнал/шум;

Токовая чувствительность (монохроматическая) [А/Вт] определяется как

где фототок,
полная оптическая мощность излучения на длине волны , падающего на фоточувствительную площадку.

Токовая чувствительность характеризует фотоприемник при низких частотах модуляции.

Квантовая эффективность (безразмерная величина) определяется как

где количество фотонов, падающих за единицу времени на приемник,
количество рожденных в результате этого свободных электронов (или электронно-дырочных пар).

Квантовая эффективность для фотодиодов не может быть больше 1 (100%). Между токовой чувствительностью и квантовой эффективностью существует про-стая связь где – заряд электрона (1,60×10-19 К), - длина волны, - постоянная Планка (6,63×10-34 Дж×сек), – скорость света (3,00×108 м/с). С подстановкой значений констант получаем На основании зависимостей оценивается значения токовой чувствительности для разных материалов и разных длин волн.

Рис. 4. Зависимость квантовой эффективности от длины волны для различных материалов

Темновой ток протекает при обратном смещении через нагрузку в отсутствии падающего на фотодиод излучения. Его величина зависит от материала полупроводника, температуры окружающей среды, конструкции фотоприемника. Максимальные значения этот ток утечки имеет в фотодиодах, изготовленных из германия, и составляет от долей до единиц миллиампера. Этот ток добавляется к току полезного сигнала, когда на фотодиод поступает свет.

Для изучения шумовых характеристик приемника используются также еще два шумовых тока: дробовой ток – для фотодиода ,

где заряд электрона,
темновой ток,
полоса пропускания (частота модуляции).

Тепловой Джонсоновский ток ,

гдепостоянная Больцмана Дж/К,
абсолютная температура (К),
полоса пропускания,
сопротивление [Ом].

Полный шумовой ток определяется, как среднее квадратичное дробового и теплового токов.

Время нарастания τrise (спада τfall) – это самая важная динамическая характеристика фотоприемника. Она определяется как время, необходимое выходному сигналу, чтобы возрасти от уровня 0,1 до 0,9 (упасть от 0,9 до 0,1) от установившегося максимального значения при условии, что на вход подаются строго прямоугольные импульсы света большой длительности. Эти времена зависят от геометрии фотодиода, материала, напряженности электрического поля в слаболегированной области, температуры. Максимальная из двух величин (обычно tnse) берется в качестве характеристики времени отклика фотоприемника. С увеличением частоты модуляции входных оптических импульсов максимальное значение фототока уменьшается. Предельная частота определяется как частота модуляции, при которой токовая чувствительность составляет 0,707 от значения токовой чувствительности при низких частотах модуляции.

Если внутренние задержки прямо не влияют на полосу пропускания или скорость передачи, то времена нарастания и спада главным образом определяют полосу пропускания. Различные фотоприемники могут очень сильно отличаться по быстродействию. Наиболее быстрыми являются фотодиоды. У лавинных фотодиодов увеличение коэффициента умножения сопровождается уменьшением быстродействия по сравнению с фотодиодами. Наиболее медленными являются фототранзисторы.

Эквивалентная мощность шума [Вт] – это одна из наиболее важных характеристик, учитывающих шумовые свойства фотоприемников. Она определяет минимальную мощность оптического сигнала на входе фотоприемника, при которой отношение сигнал/шум равно единице, и вычисляются по формуле: ,

где полный шумовой ток.

По определению, эквивалентная мощность шума пропорциональна квадратному корню из полосы пропускания. можно пронормировать, поделив на . Такая нормированная эквивалентная мощность шума имеет размерность Вт/√Гц и не зависит от полосы пропускания. Например, если фотодиод имеет темновой ток 2 нА, дробовое сопротивление Ом, токовую чувствительность А/Вт, и полную полосу пропускания Гц, то дробовой ток А, тепловой ток А, полный шумовой ток А, и эквивалентная мощность шума Вт.

В фотоприемниках, применяющихся в КПС с ОЭС, имеет место доминирование дробового тока над тепловым, это связано с тем, что на фотоприемник подается обратно смещенное напряжение, приводящее к темновому току, который, в свою очередь, влияет на дробовой ток. Только при нулевом напряжении смещения темновой и, следовательно, дробовой токи отсутствуют.

Принятой единицей измерения чувствительности фотоприемников, также как мощности излучения у светоизлучающих диодов, является дБм.

Динамический диапазон

Диапазон значений мощности от чувствительности до насыщения называется динамическим диапазоном. Максимально допустимое обратное напряжение – это напряжение, превышение которого может привести к пробою фотоприемника и его разрушению. Наряду с этим значением или вместо него изготовители фотоприемников могут указывать просто обратное рабочее напряжение. Если выбрать меньшее значение рабочего напряжения, то будет ограничена область линейной характеристики фотоприемника.

Рабочий диапазон температур (°С). Есть две характеристики, на которые сильно влияет изменение рабочей температуры фотоприемника.

Во-первых, это квантовая эффективность, которая может вести себя в общем случае довольно сложным образом с изменением температуры. Например, на рисунке (Рисунок 4.10 а) показана зависимость квантовой эффективности фотодиода на основе кремния. По горизонтальной оси отложена длина волны падающих фотонов, по вертикальной относительное процентное изменение квантовой эффективности при увеличении температуры на 1 градус. Из рисунка видно, что если длина волны меньше 600 нм, то с ростом температуры квантовая эффективность падает, а при нм квантовая эффективность увеличивается с ростом температуры.

Во-вторых, рост температуры приводит к экспоненциальному росту термических возбужденных электронно-дырочных пар, в результате чего также экспоненциально возрастает темновой ток.

Лавинный фотодиод

Принцип работы практически аналогичен такому же СВЧ лавинному диоду. Главным отличием лавинного фотодиода (ЛФД) от обычного фотодиода является внутреннее усиление сигнала, базируемое на лавинном электронном умножении сигнала. Если структура слоев у обычного фотодиода имеет вид, то у ЛФД добавляется р-слой () . Причем профиль распределения легирующих примесей выбирается так, чтобы наибольшее сопротивление, а следовательно, и наибольшую напряженность электрического поля имел р-слой. При воздействии света на i-слой образуются электронно-дырочные пары. Благодаря небольшому полю, происходит направленное движение носителей к соответствующим полюсам. При попадании свободных электронов из i-слоя в р-слой их ускорение становится более ощутимым из-за высокого электрического поля в р-слое. Ускоряясь в зоне проводимости р-слоя, такие электроны накапливает энергию достаточную чтобы выбить (возбудить) другие электроны из валентной зоны в зону проводимости. Этот процесс носит название лавинного усиления или умножения первичного фототока. Коэффициент умножения составляет несколько десятков, поэтому токовая чувствительность ЛФД значительно выше токовой чувствительности фотодиодов.

ЛФД имеют высокое быстродействие, однако случайная природа лавинного тока приводит к шуму. В отличие от полезного сигнала, который усиливается пропорционально М, шум усиливается быстрее (приблизительно как М2,1). В результате этого выбирается оптимальное значение коэффициента умножения М, обычно в пределах от 30 до 100.

Особенностью работы ЛФД являются более высокое рабочее напряжение по сравнению с фотодиодами и повышенная температурная чувствительность коэффициента умножения. Это требует использования специальной электрической цепи, вырабатывающей необходимое рабочее напряжение, а также системы термостабилизации.

Принцип действия фототранзистора

Рис. 5. Вольт-амперная характеристика фототранзистора

Простейший фототранзистор имеет два p-n перехода. Фототранзистор можно рассматривать как комбинацию фотодиодов и транзистора. Его характеристики аналогичны фотодиоду, но оказываются усиленными соответствующие токи. Напряжение питания на фототранзистор подается так же, как и на обычный транзистор, т. е. эмиттерный переход смещают в прямом направлении, а коллекторный – в обратном.

Часто используют включение, когда напряжение подается только между коллектором и эмиттером, а база остается оторванной. Это включение с плавающей базой характерно только для фототранзисторов. Здесь фототранзистор всегда находится в активном режиме, но при нулевом световом потоке ток через него невелик (темновой ток).

Конструктивно фототранзистор выполнен так, что световой поток облучает область базы. В результате собственного поглощения энергии, в ней генерируются электронно-дырочные пары. Неосновные носители в базе (дырки) диффундируют к коллекторному переходу и перебрасываются электрическим полем перехода в коллектор, увеличивая коллекторный ток. Если база разомкнута, то основные носители (электроны), образовавшиеся в результате облучения, не могут покинуть базу и накапливаются в ней. Объемный заряд этих электронов понижает потенциальный барьер эмиттерного перехода. Следовательно, увеличивается диффузионное движение дырок через эмиттерный переход. Инжектированные дырки, попав в базу, движутся, как и в обычном транзисторе, к коллекторному переходу. Т. е. повышается коллекторный ток. Таким образом, носители, генерируемые в результате облучения, непосредственно участвуют в создании фототока.

Те же процессы происходят и при подаче тока от внешнего источника в цепь базы. Здесь темновой ток определяется током базы, т. е. появляется дополнительная возможность управлять током фототранзистора. Выбором соответствующего темнового тока удается обеспечить оптимальный режим усиления слабых световых сигналов, а также суммирование их с электрическими сигналами.

Параметры и характеристики фототранзисторов:

  1. ВАХ. Похожи на выходные характеристики биполярного транзистора в схеме с общим эмиттером при и
  2. Энергетическая и спектральная характеристики подобны характеристиками фотодиода.
  3. Токовая чувствительность: отношение изменения электрического тока на выходе фототранзистора к изменению «входного» светового потока при Х.Х. на входе и КЗ на выходе фототранзистора.
  4. Коэффициент усиления по фототоку – отношение фототока коллектора со свободной базой к фототоку коллектора, измеренного в фотодиодном режиме (при отключенном эмиттере) при том же значении светового потока

ПЗС

ПЗС — прибор с зарядовой связью (англ. CCD — Charge-Coupled Device). Общее обозначение класса полупроводниковых приборов, в которых применяется технология управляемого переноса заряда в объеме полупроводника.Наиболее ярким представителем приборов данного класса является ПЗС-матрица.

Рис. 6. Структурная схема ПЗС

Принцип действия

Название ПЗС — прибор с зарядовой связью — отражает способ считывания электрического потенциала методом сдвига заряда от элемента к элементу.

ПЗС устройство состоит из поликремния, отделённого от кремниевой подложки, у которой при подаче напряжения через поликремневые затворы изменяются электрические потенциалы вблизи электродов. Один элемент ПЗС-матрицы формируется тремя или четырьмя электродами. Положительное напряжение на одном из электродов создаёт потенциальную яму, куда устремляются электроны из соседней зоны. Последовательное переключение напряжения на электродах перемещает потенциальную яму, а следовательно, и находящиеся в ней электроны, в определённом направлении. Так происходит перемещение по одной строке матрицы.

Если речь идёт о ПЗС-линейке, то заряд в её единственной строке «перетекает» к выходным каскадам усиления и там преобразуется в уровень напряжения на выходе микросхемы.

У матрицы же, состоящей из многих видеострок, заряд из выходных элементов каждой строки оказывается в ячейке ещё одного сдвигового устройства, устроенного обычно точно таким же образом, но работающего на более высокой частоте сдвига. Для использования ПЗС в качестве светочувствительного устройства часть электродов изготавливается прозрачной.

Прибор с зарядовой связью был изобретён в 1969 году Уиллардом Бойлом и Джорджем Смитом в Лабораториях Белла (AT&T Bell Labs). Лаборатории работали над видеотелефонией (picture phone и развитием «полупроводниковой пузырьковой памяти» (semiconductor bubble memory). Объединив эти два направления, Бойл и Смит занялись тем, что они назвали их «устройствами с зарядовыми пузырьками». Смысл проекта состоял в перемещении заряда по поверхности полупроводника. Так как приборы с зарядовой связью начали свою жизнь как устройства памяти, можно было только поместить заряд во входной регистр устройства. Но стало ясно, что прибор способен получить заряд благодаря фотоэлектрическому эффекту, то есть могут создаваться изображения при помощи электронов.

В 1970 году исследователи Bell Labs научились фиксировать изображения с помощью ПЗС-линеек (в них воспринимающие свет элементы расположены в одну или несколько линий). Таким образом впервые был создан фотоэлектрический прибор с зарядовой связью.

Впоследствии под руководством Кадзуо Ивама (Kazuo Iwama) компания Sony стала активно заниматься ПЗС, вложив в это крупные средства, и сумела наладить массовое производство ПЗС для своих видеокамер. Ивама умер в августе 1982. Микросхема ПЗС была установлена на его надгробной плите для увековечения его вклада.

С 1975 года начинается активное внедрение телевизионных ПЗС-матриц. А в 1989 году они применялись уже почти в 97 % всех телекамер.

В январе 2006 года за работы над ПЗС У.Бойл и Дж. Смит были удостоены награды Национальной Инженерной Академии США (англ.). В октябре 2009 года каждому «досталось» по четверти Нобелевской премии по физике.

Блуминг

Блуминг (или блюминг) (от англ. bloom — цветок) в ПЗС — это эффект «растекания» избыточного заряда от пересвеченных областей матрицы ПЗС в соседние ячейки. Основная причина возникновения — ограниченная ёмкость потенциальной ямы для фотоэлектронов в ячейке. Блуминг имеет характерную симметричную форму, определяемую геометрией расположения элементов на матрице. В настоящее время (приблизительно с 2006 года) в любительских устройствах блуминг обычно не проявляется, так как в них используются специальные антиблуминговые цепи, которые отводят избыточные электроны из ячеек. Однако, отвод электронов по мере заполнения потенциальной ямы приводит к нелинейности характеристики ПЗС и затрудняет измерения. Поэтому в научных целях по-прежнему применяются ПЗС без антиблуминговых цепей, и блуминг часто может быть замечен, например, на спутниковых фотографиях и снимках межпланетных зондов.


См. также