Помощничек
Главная | Обратная связь


Археология
Архитектура
Астрономия
Аудит
Биология
Ботаника
Бухгалтерский учёт
Войное дело
Генетика
География
Геология
Дизайн
Искусство
История
Кино
Кулинария
Культура
Литература
Математика
Медицина
Металлургия
Мифология
Музыка
Психология
Религия
Спорт
Строительство
Техника
Транспорт
Туризм
Усадьба
Физика
Фотография
Химия
Экология
Электричество
Электроника
Энергетика

ДЕТЕКТОРЫ СВЕТОВЫХ ИЗЛУЧЕНИЙ



«Нет ничего более практичного, чем хорошая теория»

Густав Роберт Кирхгоф

Введение

Детекторы электромагнитных волн, лежащих в спектральном диапазоне от ульт­рафиолетового до дальнего ИК излучений, называются световыми детекторами. С точки зрения разработчика датчиков поглощение фотонов чувствительным ма­териалом приводит либо к повышению его температуры, либо к появлению но­вых квантовых частиц. Поэтому все детекторы световых излучений можно разде­лить на две группы: квантовые и тепловые преобразователи. Квантовые детекто­ры работают в интервале от УФ до среднего ИК диапазонов, в то время как тепло­вые датчики чаще используются в диапазонах среднего и дальнего ИК излуче­ний, где их эффективность при комнатных температурах намного превышает эф­фективность квантовых преобразователей. В этой главе будут рассмотрены оба вида детекторов. Описание фотоумножителя — детектора фотонов, обладающего очень высокой чувствительностью, читатель может найти в разделе 15.1 главы 15. В основе практически всех твердотельных квантовых детекторов (фотоволь-таических и фотопроводящих) лежит квантовая теория излучения, базирующая­ся на взаимодействии отдельных фотонов с кристаллической решеткой полупро­водниковых материалов. Их принцип действия основан на явлении фотоэффек­та, открытом А. Эйнштейном, за которое он получил Нобелевскую Премию. В 1905 году он предположил, что свет имеет квантовую природу, т.е. он состоит из потока элементарных частиц, каждая из которых обладает в заданных условиях определенной энергией. Эти частицы в дальнейшем были названы фотонами. Энергия одного фотона определяется следующим выражением:


 

(14.1)

 


где v — частота света, a h =6.626075*10 34 Дж*с - постоянная Планка, выведенная на основе волновой теории света. Столкновение фотона с поверхностью проводника может привести к образованию свободного электрона. Часть энергии фотона ф


используется на то, чтобы оторвать этот электрон с поверхности, а другая часть отдается электрону в виде кинетической энергии Кт, Фотоэлектрический эффект можно выразить в виде:


 

(14.2)

 


где fназывается рабочей функцией испускающей поверхности, а Кт — максималь­ной кинетической энергией электрона после его отрыва от поверхности. Анало­гичные процессы происходят, когда полупроводниковый р-n переход подверга­ется воздействию светового излучения: фотон передает свою энергию электрону, и если эта энергия достаточно большая, электрон становиться свободным, что означает появление электрического поля.

Периодическая решетка кристаллических материалов определяет значения разрешенных зон энергий для электронов, находящихся внутри твердого тел .Энер­гия любого электрона лежит в пределах одной из разрешенных зон, которые отде­лены друг от друга интервалами запрещенных значений энергии (запрещенными зонами).

Если излучение определенной длины волны (с достаточно высокой энергией фотонов, см. уравнение (14.1)) падает на поверхность полупроводникового крис­талла, концентрация заряженных частиц (электронов и дырок) в нем увеличива­ется, т.е. возрастает его удельная проводимость:


 

 


где е — заряд электрона, mе — подвижность электронов, mh — подвижность дырок, а п и р — концентрации электронов и дырок.


 

Рис. 14.1. Фотоэффект в полупроводниках с участием: А — фотонов с высокой энергией, Б — фотонов с низкой энергией

 


На рис. 14.1А показаны зоны энергий в полупроводниковом материале, здесь Еg — ширина запрещенной зоны, измеряемая в электронвольтах (эВ). Нижняя зона называется валентной зоной, которая соответствует электронам, связанным с кри­сталлической решеткой материала. В случае кремния или германия эти электро­ны участвуют в формировании ковалентных связей, обуславливающих внутри­атомные связи внутри кристалла. Самый верхний слой называется зоной проводи­мости. Эта зона соответствует электронам, свободно перемещающимся по крис-


таллу. Электроны с такими энергиями участвуют в обеспечении электропроводно­сти материала. Между этими зонами лежит зона запрещенных энергий, ширина кото­рой определяется типом материала: либо полупроводника, либо диэлектрика. Ко­личество электронов внутри кристалла соответствует полному заполнению всех воз­можных мест в валентной зоне. При отсутствии теплового возбуждения и у полу­проводников, и у диэлектриков валентная зона является полностью заполненной, а зона проводимости — полностью пустой. В таких воображаемых условиях ни один из этих материалов не будет обладать электропроводностью.

В металлах энергетические уровни в зоне проводимости являются не полностью заполненными. Поэтому электроны могут свободно перемещаться внутри материа­ла, поскольку для перехода с уровня на уровень им не требуется обладать очень высо­кой энергией. Этим объясняется высокая электропроводность металлов. В диэлект­риках и полупроводниках для того чтобы попасть в зону проводимости, электронам приходится сначала преодолевать зону запрещенных энергий, которая для диэлект­риков составляет порядка 5 эВ и более, а для полупроводников несколько ниже (см. таблицу 14.1). Этим и объясняется тот факт, что электропроводность полупроводни­ков (не говоря уже о диэлектриках) на несколько порядков ниже, чем у металлов.

 

Таблица 14.1. Ширина зоны запрещенных энергий волн для различных полупроводников (эВ)и максимальные длины  
ширина зоны материал запрещенных энергий, эВ   максимальная длина волны, мкм  
ZnS 36     0 345  
CdS 2 41     0 52  
CdSe 1 8     0 69  
CdTe 1 5     0 83  
Si 112     1 10  
Ge 0 67     1 85  
PbS 0 37     3 35  
InAs 0 35     3 54  
Те 0 33     3 75  
PbTe 0 3     4 13  
PbSe 0 27     4 58  
InSb 0 18     6 90  
Источник [1]        

Если фотон, обладающий высокой энергией (большой частотой), ударяется о кристалл (рис. 14.1А), он выбивает из его валентной зоны электрон и передает ему достаточное количество кинетической энергии, чтобы он мог перескочить зону запрещенных энергий и попасть в зону проводимости, т.е. на более высокий энергетический уровень. В зоне проводимости электрон является свободным носителем заряда. Недостаток электрона в валентной зоне означает появление


там дырки, которая тоже может рассматриваться как свободный носитель проти­воположного электрону заряда. Увеличение количества дырок выражается в умень­шении удельного сопротивления материала. На рис. 14.1Б показано, что проис­ходит, когда фотон обладает низкой энергией, недостаточной для преодоления электроном зоны запрещенных энергий. Как видно из рисунка, в этом случае сво­бодные носители зарядов не образуются.

 
Рис. 14.2.Спектральная характеристика ИК фотодиода

Ширина зоны запрещенных энергий служит тем порогом, ниже которого ма­териал не является фоточувствительным. Однако не следует представлять порог в виде резкой границы. Во время фотоэффекта всегда выполняется закон сохране­ния моментов движения. Момент движения и плотность дырок и электронов в зо­нах валентности и проводимости являются максимальными в центре и падают до нуля у верхнего и нижнего краев зон. Поэтому вероятность возбужденному в ва­лентной зоне электрону най­ти место в зоне проводимос­ти гораздо выше в центре зон, чем по краям. Поэтому спек­тральная фоточувствитель­ность материала начинает ра­сти с энергии фотона Е , по­степенно доходит до макси­мума и потом снова падает до нуля при энергии, соответ­ствующей разности между нижней энергией валентной зоны и верхней энергией зоны проводимости. Типовая спектральная характеристика полупроводникового матери­ала показана на рис. 14.2. При введении в материал определенных примесей можно менять фоточувствительность материала. Этот способ можно использовать для из­менения формы или получения сдвига спектральной характеристики кристалла. Все приборы, напрямую преобразующие фотоны электромагнитных излучений в носители зарядов, называются квантовыми детекторами. К таким устройствам от­носятся фотодиоды, фототранзисторы и фоторезисторы.

При сравнении характеристик разных фотодетекторов рассматриваются сле­дующие параметры:

Эквивалентная мощность шума (ЭМШ) — это количество света, эквива­лентное уровню собственного шума детектора. Другими словами, ЭМШ — это уровень света, необходимый для получения отношения сигнал/шум, равного единице. Поскольку уровень шума пропорционален квадратному корню из ши­рины полосы пропускания, единицей измерения ЭМШ является Вт/(Гц)1/2:


 

(14.4)


Обнаруживающая способность детектора D* определяется площадью его чув­ствительного элемента и эквивалентной мощностью шума:


 

(14.5)

 


Обнаруживающая способность — это еще один способ определения отношения сигнал/шум датчика. D* не является постоянной величиной во всем спектраль­ном диапазоне рабочих частот, поэтому она определяется для конкретных частот. Единицей измерения обнаруживающей способности является см•(Гц)1/2/Вт. Счита­ется, что чем выше D* , тем лучше детектор

Длина волны среза (lс) — это максимальная рабочая длина волны спектраль­ной характеристики, которая часто определяется как длина волны, при которой обнаруживающая способность падает на 10% от ее пикового значения.

Максимальный ток определяется для фотопроводящих детекторов, которые работают на постоянном токе. Рабочий ток никогда не должен превышать этого значения.

Максимальное обратное напряжение определяется для Ge и Si фотодиодов фотопроводящих ячеек. Превышение этого напряжения может привести к про­бою фотодетектора и к значительному ухудшению его рабочих характеристик.

Чувствительность — это отношение выходного фототока (или выходного на­пряжения) к мощности падающего излучения при заданной длине волны. Еди­ницей измерения чувствительности является либо А/Вт, либо В/Вт

Поле обзора — угловая мера пространства, в котором датчик реагирует на из­лучение

Емкость перехода С — аналогична емкости конденсатора с параллельными пластинами. Ее необходимо учитывать при исследованиях быстродействующих процессов.

Фотодиоды

Фотодиоды — это полупроводниковые оптические датчики. Это понятие вклю­чает в себя даже солнечные батареи. Однако в этом разделе вопросы преобразо­вания мощности рассматриваться не будут. В упрощенном виде принцип дей­ствия фотодиодов можно описать следующим образом. При воздействии излу­чения соответствующей частоты на прямо смещенный р-n переход (в котором положительный вывод батареи подключен к зоне р), ток через фотодиод возра­стет незначительно по сравнению с темновым током. Другими словами, ток сме­щения в этом случае будет намного превышать ток, генерируемый светом. При обратном смещении р-n перехода (рис. 14.3) ток возрастает очень сильно. Стол­кновение фотонов с поверхностью фотодиода приводит к образованию пар элек­трон-дырка на обоих концах перехода. При попадании электронов в зону про­водимости, они начинают лететь в сторону положительного полюса батарей. Со­ответственно, созданный поток дырок направляется к отрицательному полюсу. Это означает появление в цепи фотодиода тока i . В темноте ток утечки i0 не


 

зависит от приложенного на­пряжения, а причиной его возникновения является теп­ловая генерация носителей за­рядов. На рис. 14.4А показана эквивалентная электрическая схема обратно смещенного фотодиода, состоящая из двух источников тока и RС-цепи.

Рис. 14.3. Структура фотодиода

Процесс оптического де­тектирования заключается в прямом преобразовании опти­ческой энергии (в виде потока фотонов) в электрический сигнал (поток электронов). Если вероятность того, что фо­тон, обладающий энергией hv, выбьет с поверхности детектора электрон, равна h, средняя скорость формирования электронов <r> определяется следующим вы­ражением [2].


 

 


где Р — оптическая мощность падающих лучей. При постоянной средней скорости формирования электронов вследствие воздействия на поверхность детектора потока фотонов, этот процесс носит случайный характер и подчиняется статистическому за­кону Пуассона. Поэтому вероятность образования т электронов в течение интервала измерения г находится при помощи формулы:


 

(14 7)

 


 


 

Рис. 14.4. А — эквивалентная схема фотодиода, Б — его воль-тамперная характеристика

 


Статистические соотношения используются для определения минимального уров­ня детектирования сигнала, а, значит, и для нахождения чувствительности датчи­ка. Однако, следует отметить, что электрический ток пропорционален оптической мощности падающего на детектор излучения:


 

(14.8)


где е — заряд электрона. Изменение входной мощности на DР (например, из-за мо­дуляции интенсивности в датчике) приводит к изменению выходного тока на Di. По­скольку мощность пропорциональна квадрату тока, выходная электрическая мощ­ность детектора связана с входной оптической мощностью квадратичной зависимо­стью, поэтому фотодиоды иногда называют квадратичными преобразователями.

На рис. 14.4Б показана вольтамперная характеристика типового фотодиода. Если к диоду при разомкнутой цепи подключить вольтметр, обладающий высо­ким входным импедансом, можно увидеть, что при увеличении оптической мощ­ности, напряжение меняется по нелинейной (логарифмической) зависимости. При коротком замыкании цепи (V= 0) (например, когда диод подключается к преобразователю ток-напряжение — см. рис.5.10Б главы 5), ток связан с оптичес­кой мощностью линейной зависимостью. Вольтамперную характеристику фото­диода можно описать выражением:

 

(14.9)

где i0 — обратный темновой ток, возникающий из-за тепловой генерации пар элек­трон-дырка, isток, соответствующий детектируемому оптическому сигналу, кь постоянная Больцмана, а Т — абсолютная температура. Объединяя уравнения (14.8) и (14.9), получим выражение:


 

(14.10)


полностью описывающее работу фотодиода. Эффективность прямого преобразо­вания оптической мощности в электрический сигнал всегда низкая. Обычно она лежит в пределах 5...10%, однако, в 1992 появилось сообщение о разработке фото­элементов, обладающих эффективностью порядка 25%. Правда, при проектиро­вании датчиков фотоэлементы, как правило, не используются. Вместо этого для повышения эффективности фотодиодов между р и п зонами диода вводят допол­нительный слой, обладающий высоким удельным сопротивлением (I-слой). Та­кие диоды называются PIN-фотодиодами (рис. 14.5). Глубина, на которую фотон может проникать внутрь фотодиода, определяется его длиной волны. От значе­ния этой величины зависит спектральная характеристика детектора (рис. 14.2).


 
Рис. 14.5. Структура PIN фотодиода, подсоединен­ного к преобразователю ток-напряжение

 


В зависимости от назначения и конструкции все фотодиоды можно разде­лить на следующие группы:

1. PN фотодиоды, На внешнюю поверхность этих диодов наносится слой из
Si02 (рис. 14.6A). Такие фотодиоды обладают низким уровнем темнового тока.
Для увеличения быстродействия диодов увеличивают обедненную зону, что по­
зволяет снизить емкость перехода (рис. 14.6Б). Для улучшения чувствительности
диодов к УФ излучению снижают толщину р-слоя. На рис. 14.6В показан планар-
ный диффузионный фотодиод типа рпп+, имеющий низкую чувствительность к
ИК излучению. Однако при уменьшении длины волны его чувствительность зна­
чительно возрастает; это объясняется тем, что толстый низкорезистивный слой
п+ кремния передвигает границу пп+ слоя ближе к обедненной зоне.

2. PIN фотодиоды (рис. 14.6Г). Они являются улучшенной версией планар-
ных диффузионных диодов с низкой емкостью. В них для увеличения быстродей­
ствия между р и п слоями формируется дополнительный Iслой, обладающий вы­
соким удельным сопротивлением. При обратном смещении перехода такие уст­
ройства работают даже лучше. PIN имеют низкий ток утечки и высокое напряже­
ние пробоя.

3. Фотодиоды Шотки (рис. 14.6Д). В них на n-слой напыляется тонкий слой
золота, позволяющий реализовать барьер Шотки. Из-за маленького расстояния
между внешней поверхностью и барьером чувствительность к УФ излучению та­
ких диодов очень высокая.

4. Лавинные фотодиоды (рис. 14.6Е). Свое название эта группа диодов полу­
чила из-за следующего явления: Если к р-n переходу приложено обратное напря­
жение, в обедненной зоне возникает сильное поле Это поле заставляет фотоны
двигаться с большим ускорением, в результате чего их столкновение с атомами
приводит к образованию вторичных носителей зарядов, которые также ускоря­
ются и выбивают из атомов новые электроны и т.д. Благодаря такому лавинному
процессу, ток через фотодиод значительно возрастает. Такие устройства работают
как усилители, что делает их незаменимыми при детектировании очень низких
уровней светового излучения.


 

Рис. 14.6.Упрощенные структуры шести типов фотодиодов

 


 
Рис. 14.7.Фотоэлектрический режим работы фо­тодиода: А — способ подключения диода к неин-вертирующему усилителю, Б — эквивалентная схема, В — нагрузочная характеристика.

 


Существуют два основных режима работы фотодиодов: фотоэлектрический и фотопроводящий. В первом случае к фотодиоду не прикладывается никакого на­пряжения смещения. Это приводит к отсутствию темнового тока, поэтому здесь присутствует только тепловой шум. Такой режим дает возможность получить наи-учшую чувствительность при низких уровнях излучения. Однако из-за увеличе­ния емкости перехода ухудшаются быстродействие диода и чувствительность к излучениям длинных длин волн.

На рис. 14.7А показано включение фотодиода для работы в фотоэлектри­ческом режиме. Здесь диод выполняет роль токового генератора, вырабатываю­щего ток ip (рис. 14.7Б). Нагрузочный резистор Rb, стоящий на входе ОУ, опреде­ляет напряжение на выводах фотодиода и наклон нагрузочной характеристики (рис. 14.7В).

В быстродействующих устройствах использование фотодиода в фотоэлектри­ческом режиме невозможно (из-за его большой емкости перехода Сj). При работе фотодиода с резистивной нагрузкой, как показано на рис. 14.7А, его полоса про­пускания ограничивается, в основном, внутренней емкостью Сj. Фотодиод, факти­чески, является источником тока, а резистор R, обладающий большим сопротивле­нием, и емкость перехода шунтируют его. Значение емкости С в зависимости от площади фотодиода лежит в интервале 2...20000 пФ. Параллельно ей подключена входная емкость ОУ (на рисунке не показана), поэтому общая емкость Сравна сум­ме двух емкостей. Сопротивлением диода, как правило, можно пренебречь, посколь­ку оно почти всегда гораздо ниже нагрузочного сопротивления Rb, поэтому RL=Rb. Частотная характеристика схемы определяется ее входными цепями. Частота изло­ма АЧХ и выходное напряжение определяются выражениями [4]:

 


 

(14.11)


Из этих выражений видно, что при расчете такой схемы всегда приходится ис­кать компромисс между коэффициентом усиления и полосой пропускания. Это связано, с тем увеличение Rb приводит, с одной стороны, к росту коэффициента усиления, а, с другой стороны, к уменьшению частоты f1 . Это противоречие возни­кает из-за того, что напряжение сигнала подается не только на резистивную на­грузку, но и на входную емкость С = Сjоу Поэтому желательно разработать такую схему включения фотодиода, в которой напряжение поступало бы только на резис­тор и не заряжало бы емкости. Вариант такой схемы показан на рис. 14.8А. По сво­ей сути эта схема является линейным преобразователем тока в напряжение. ОУ при помощи резистора ОС RL преобразует ток диода в выходное напряжение. Конден­сатор CL введен в схему для компенсации сдвига фаз. В идеальном усилителе напря­жения на обоих входах ОУ должны иметь одинаковые значения, поэтому при таком включении инвертирующий вход иногда называется виртуальной землей. Таким образом, в этой схеме фотодиод работает при нулевом напряжении на его выводах, что позволяет предотвратить заряд конденсатора и улучшить линейность преобра­зователя. Поскодьку наклон линии обратно пропорционален коэффициенту уси­ления А ОУ с разомкнутой ОС, нагрузочная линия должна виртуально совпадать с осью тока. Это проиллюстрировано на рис. 14.7Б.


 

Рис. 14.8.Применение преобразователя тока в напряжение (А) и АЧХ двух схем включения фотодиодов (Б)

 


Однако на практике из-за большого, но конечного значения коэффициента усиления ОУ на выводах диода появляется небольшое напряжение. Поэтому час­тота излома АЧХ, на самом деле, определяется как:


 

(14.12)


где А — коэффициент усиления ОУ с разомкнутой ОС. Очевидно, что в этой схеме частота излома АЧХ увеличичивается по сравнению с f1 в А раз. Следует отметить, что с ростом частоты коэффициент усиления А падает, а виртуальная нагрузка фотодиода становится индуктивной. Это происходит из-за фазового сдвига ко­эффициента усиления А. В большей части эффективного частотного диапазона усилителя коэффициенте имеет отставание по фазе, равное 90°. Когда усилитель инвертирует фазу на 180°, фазовое отставание коэффициента А превращается в опережение на 90°, что характерно для индуктивного импеданса. Такая индук­тивная нагрузка и емкость входной цепи образуют колебательный контур с резо­нансной частотой fp (рис. 14.8Б), наличие которого может на определенных час­тотах привести к возникновению колебаний выходного сигнала (рис. 14.9) неста­бильности работы схемы. Для повышения стабильности схемы в цепь ОС парал­лельно резистору ставят компенсационный конденсатор CL. Величина этого кон­денсатора определяется при помощи выражения:


 

(14.13)


 

где Сс=l/(2RLfc), а fc — частота, соответ­ствующая единичному коэффициенту уси­ления ОУ. На высоких частотах конденса­тор CL повышает сигнал на инвертирующем входе ОУ из-за шунтирования RL.

Рис. 14.9.Выходной сигнал фотоди­ода без использования компенсаци­онной цепи. (Напечатано с разреше­ния Hama-matsu Photonics К.К.)

При использовании фотодиодов для де­тектирования низких уровней света необходи­мо внимательно рассчитывать шумовой порог. В фотодиодах основными являются два типа шумов: дробовой шум и шум Джонсона (см. раздел 5.9 главы 5). Также надо учитывать шумы ОУ и его навесных элементов (см. урав­нение (5.75) главы 5).

При работе фотодиода в фотопроводящем режиме на него подается обратное напряже­ние смещения. Это ведет к расширению обед­ненной зоны, снижению емкости перехода, уменьшению последовательного со­противления, сокращению времени нарастания сигнала и формированию линей­ной зависимости фототока от интенсивности излучений в широком диапазоне измеряемых значений. Однако при увеличении обратного смещения возрастает темновой ток, что ведет к усилению дробового шума. На рис. 14.10А показана схема включения фотодиода для работы в фотопроводящем режиме, а на рис. 14.1 ОБ приведена нагрузочная характеристика диода. Обратное смещение фото­диода сдвигает нагрузочную линию в третий квадрант, где линейность вольтам-перной характеристики выше, чем при работе в фотоэлектрическом режиме. Ли­ния нагрузки пересекает ось напряжений в точке, соответствующей напряжению смещения Е, а ее наклон обратно пропорционален коэффициенту усиления ОУ


без ОС. Верхний предел полосы пропускания фотодиода в фотопроводящем ре­жиме достигает сотен мегагерц, что сопровождается увеличением отношения сиг­нал/шум.


 

(Б)

(А)

Рис. 14.10. Фотопроводящий режим работы фотодиодов: А — схема, Б — нагру­зочная характеристика

 


Фототранзистор

Фотодиод напрямую преобразует фотоны в носители зарядов — один фотон образует одну пару электрон-дырка. Фототранзисторы помимо фотоэлектри­ческого преобразования выполняют функцию усиления тока, что значительно повышает чувствительность детектора. Переход коллектор-база является об­ратно смещенным диодом, работающим как описано в предыдущем разделе. При включении транзистора в схему с источником питания (батареей), внут­ри контура, в состав которого входит переход база-эмиттер, начинает течь фо-тоиндуцированный ток. Усиление тока в фототранзисторе происходит также как в традиционном биполярном транзисторе. В результате этого коллектор­ный ток значительно возрастает.


 

Рис. 14.11. Энергетические зоны фототранзистора

 


На рис. 14.11 показаны энергетические зоны фототранзистора. Фотоин-дуцированный ток базы возвращается на коллектор через эмиттер и внешнюю часть схемы. При этом электроны, попадающие в базовую область со стороны эмиттера, выталкиваются электрическим полем в зону коллектора. Чувстви­тельность фототранзистора определяется эффективностью работы перехода база-коллектор и коэффициентом усиления по постоянному току транзисто­ра. Поэтому можно утверждать, что чувствительность является функцией кол­лекторного тока.

 

Коллекторный ток связан с окружающей температурой линейной зависимо­стью с положительным наклоном, равным 0.00б67/°С. Поскольку температурный коэффициент фототока коллектор-база составляет только =0.001/°С, такая тем­пературная зависимость коллекторного тока, в основном, объясняется ростом коэффициента усиления по току при увеличении температуры. Вольтамперные характеристики фототранзисторов (зависимости коллекторного тока от напря­жения на коллекторе) имеют тот же вид, что и у обычных транзисторов. Поэтому для расчета схем с фототранзисторами можно применять традиционные методы разработки транзисторных цепей, за исключением того, что здесь база является входом для фотоиндуцированного тока, текущего со стороны коллектора. Фото­электрический процесс протекает, в основном, в зоне коллектор-база, поэтому чем шире эта область, тем больше носителей зарядов будет образовано. Очевид­но, что всегда надо стремиться увеличивать, насколько это возможно, площадь окошка для попадания света. Фототранзисторы бывают двух типов: с двумя и тре­мя выводами. В последнем случае фототранзистор может использоваться не только как фоточувствительный элемент, но и как обычный биполярный транзистор, что обеспечивает разработчику допол­нительную гибкость при проектирова­нии электронных цепей. Однако в ка­честве фотодатчиков чаще применяют­ся фототранзисторы с двумя выводами.

Рис. 14.12. Эквивалентная схема фототран­зистора

На рис. 14.12 показана эквивален­тная схема фототранзистора с плаваю­щей базой. Два конденсатора Сe и Сc со­ответствуют емкостям переходов база-эмиттер и база-коллектор и являются факторами, ограничивающими быстро­действие устройства. Максимальную частоту рабочего диапазона можно оце­нить при помощи выражения:


 

(14.14)


где f1 определяется произведением тока, коэффициента усиления и полосы про­пускания, a gm — крутизна характеристики прямой передачи транзистора.


Для повышения чувствительности фотодетектора, особенно когда нет по­требности в высоком быстродействии устройства, рекомендуется применять ин­тегрированный детектор Дарлингтона. Такой детектор состоит из фототранзис­тора, эмиттер которого соединен с базой биполярного транзистора. Коэффици­ент усиления схемы Дарлингтона равен произведению коэффициентов усиле­ния двух транзисторов, что позволяет значительно увеличить чувствительность фотодетектора.

Для многих применений очень важной характеристикой является простран­ственное разрешение как источника света, так и детектора. Оптические компо­ненты позволяют существенно повысить эффективность работы фотодетекторов. Давайте, например, рассмотрим точечный источник света, который необходимо обнаружить при помощи фотодетектора (рис. 14.13 А). Из уравнения (14.10) вид­но, что выходной сигнал датчика пропорционален световой мощности принято­го излучения, которая, в свою очередь, пропорциональна площади поверхности приемника. На рис. 14.13Б показан способ значительного увеличения площади при помощи фокусирующей линзы. Эффективность одиночной линзы определя­ется ее коэффициентом преломления п. Суммарное повышение чувствительнос­ти можно оценить по уравнениям (4.5) и (4.8) из главы 4:


 

(14.15)


где А и а — эффективные площади линзы и чувствительной зоны фотодетектора. Для стекла и большинства пластмасс при работе в видимом и ближнем ИК спек­тральных диапазонах это выражение может быть значительно упрощено:


 

(14.16)


 

(А)

(В)

Рис. 14.13. Эффективность детектора зависит от площади поверхности чувствительной зоны а (А) и площади фокусирующей системы А (Б)

 


Следует отметить, что для эффективной работы всей системы необходимо вни­мательно рассчитать местоположение линзы, в противном случае, она может при­нести больше вреда, чем пользы. Например, многие фотодетекторы имеют встро­енные линзы для работы с параллельными лучами. Дополнительная линза, по­ставленная перед таким детектором, приведет к появлению непараллельности лу­чей на входе фотодатчика, в результате чего произойдет рассогласование опти­ческой системы и ухудшение ее рабочих характеристик. Поэтому при примене­нии дополнительных оптических устройств всегда необходимо учитывать соб­ственные оптические характеристики детектора.

Фоторезисторы

Также как и фотодиод, фоторезистор является фотопроводящим устройством. Для изготовления фоторезисторов, как правило, применяется сульфид кадмия (CdS) и селенид кадмия (CdSe) (информация о CdS фоторезисторах приводится с раз­решения Hamamatsu Photonics K.K). Эти материалы являются полупроводника­ми, сопротивление которых меняется при попадании на их поверхность света, т.е. фотоэффект здесь заключается в изменении удельного сопротивления материа­ла. Очевидно, что фоторезисторы необходимо подключать к источникам пита­ния. На рис. 14.4А показана схема фоторезистивного элемента. Из рисунка вид­но, что в нем на поверхности двух противоположных концов фотопроводника нанесены электроды. В темноте такой элемент имеет очень высокое сопротивле­ние, и, следовательно, при подключении к нему источника напряжения К, темно-вой ток в цепи, наличие которого объясняется тепловыми явлениями, будет очень низким. При попадании света на поверхность фоторезиста, в цепи потечет ток ip.


 

(А)

(Б)

Рис. 14.14.Структура фоторезистора (А); фоторезистор серпантинной формы (Б)

 


Причина увеличения тока заключается в следующем. Непосредственно под зоной проводимости кристалла находится донорный уровень, а над валентной зоной располагается акцепторный уровень. В условиях темноты эти уровни явля­ются практически заполненными электронами и дырками, что объясняет высо­кое сопротивление полупроводникового кристалла.


При освещении фотопроводящего кристалла его материал поглощает летящие фотоны, в результате чего энергия электронов валентной зоны возрастает, что позво­ляет им переместиться в зону проводимости. При этом в валентной зоне остаются свободные дырки. Этот процесс и объясняет повышение удельной проводимости материала. Акцепторный уровень, расположенный рядом с валентной зоной, не мо­жет удержать электроны, поэтому в валентном слое происходит не так много реком­бинаций пар электрон-дырка, а количество свободных электронов в зоне проводи­мости значительно возрастает. Поскольку ширина зоны запрещенных энергий для CdS составляет 2.41 эВ, длина волны границы поглощения равна l=c/v≈515 нм, т.е. находится в видимом спектральном диапазоне. Следовательно, при помощи CdS-резисторов можно детектировать излучение с длиной волны, меньшей 515 нм. Дру­гие фоторезистивные материалы имеют иные значения предельных длин волн. На­пример, Si и Ge наиболее эффективны в ближнем ИК диапазоне излучений.

Проводимость полупроводника определяется выражением:

 

(14.17)

где mn и mp- коэффициенты подвижности свободных электронов и дырок (см/ Вхс), а tn и tp — продолжительности жизни электронов и дырок (с), е — заряд элек­трона, а f – количество образующихся носителей заряда в единице объема в тече­ние одной секунды. Для CdS элементов mntn»mptp, поэтому проводимостью за счет дырок можно пренебречь, а датчики считать полупроводниками n-типа. Тогда становится справедливым уравнение:

 

(14.18)

Чувствительность b фоторезистора может быть выражена через количество электро­нов, образованных при поглощении одного фотона (за время жизни электрона):


 

(14.19)

 

где tt=l2/Vmn — время пролета электроном расстояния между электродами l,a V— приложенное напряжение. Отсюда можно вывести еще одно выражение:


 

(14.20)


Например, при mп = 300 см2/В*с, tn= 10-3с, l = 0.2 мм, а V=1.2 В, чувствительность будет равна 900. Это означает, что при поглощении одного фотона происходит высвобождение 900 электронов, обеспечивающих проводимость материала. От­сюда видно, что фоторезистор является очень чувствительным детектором, рабо­тающим как фотоумножитель.

Можно показать, что для улучшения чувствительности и снижения сопро­тивления резистивного элемента расстояние между электродами необходимо уменьшать, а ширину детектора d — увеличивать. Для выполнения этих условий детектор должен быть очень коротким и очень широким. Для этого фотодетекто­ру часто придают форму серпантина (рис. 14.14Б).


В зависимости от методов изготовления фоторезистивные элементы можно раз­делить на три группы: монокристаллические, спеченные и напыленные. Спеченные фоторезистивные элементы обладают наибольшей чувствительностью и простотой формирования больших чувствительных зон, а также сравнительно низкой стоимос­тью. Технология изготовления CdS элементов состоит из следующих этапов:

1. Порошок CdS высокой чистоты смешивается с соответствующими компо­
нентами и флюсом

2. Полученная смесь растворяется в воде

3. Раствор в виде пасты наносится на поверхность керамической подложки и
выдерживается некоторое время до высыхания

4. После этого подложка с нанесенной пастой помещается в печь с высокой тем­
пературой, где происходит процесс спекания для получения структуры, со­
стоящей из нескольких кристаллов. На этом этапе происходит формирова­
ние фотопроводящего слоя.

5. На полученную структуру наносятся электроды и крепятся выводы

6. Датчик размещается в пластиковом или металлическом корпусе с или без
окошка.

Для изменения спектральной характеристики фоторезистора в смесь порошка, фор­мируемую на первом этапе, вводят некоторые добавки. Например, введение селе-нида или даже замена CdS на CdSe приводит к сдвигу спектральной характеристи­ки в область более длинных волн (в оранжевый и красный диапазон).

Две схемы, показанные на рис. 14.15, приведены для иллюстрации способов при­менения фоторезисторов. Схема А является схемой автоматического включения света при снижении освещенности (часть схемы, выключающей свет на рисунке не пока­зана). Схема Б соответствует схеме маяка, реализованного на основе мультивибрато­ра, включающегося в темноте при повышении сопротивления фоторезистора.


 

(А)

(Б)

Рис. 14.15.Примеры применения фоторезисторов: А — схема управления включением света, Б — схема маяка. (Напечатано с разрешения Hamamatsu Photonics К. К)

 


Охлаждаемые детекторы

Для работы с объектами, испускающими фотоны с энергией в диапазоне 2 эВ и выше, подходят квантовые детекторы, используемые при комнатной температу­ре. Для меньших энергий (для более длинных волн) требуются полупроводнико­вые устройства, обладающие более узкой зоной запрещенных энергий. Однако


 
Рис. 14.16.Ра­бочие диапазо­ны некоторых И К детекторов

 


даже в квантовых детекторах с достаточно небольшой зоной запрещенных энер­гий при комнатной температуре собственные внутренние шумы намного пре­вышают полезный сигнал. Другими словами, детектор в этом случае будет из­мерять собственное тепловое излучение. Уровень шума зависит от температу­ры, поэтому при детектировании фотонов с низкой энергией отношение сиг­нал/шум может стать таким маленьким, что о точности измерений говорить не приходится. По этой причине при работе в среднем и дальнем ИК спект­ральном диапазоне детектор не только должен обладать узкой зоной запре­щенных энергий, но его необходимо охлаждать до температуры, при которой внутренние шумы уменьшаются до приемлемого уровня. На рис. 14.16 показа­ны типичные спектральные характеристики некоторых детекторов с рекомен­дуемыми рабочими температурами. Принцип действия криогенно охлаждае­мых детекторов почти такой же как, и у фоторезисторов, за исключением того, что они определяют излучение больших длин волн и работают при значитель­но более низких температурах. Поэтому конструкции охлаждаемых детекто­ров и фоторезисторов сильно отличаются друг от друга. В зависимости от тре­буемой чувствительности и рабочей длины волны выбирается один из следую­щих типов охлаждаемых детекторов, изготавливаемых на основе: сульфида свинца (PbS), арсенида индия (InAs), германия (Ge), селенида свинца (PbSe) или сплава МСТ из ртути-кадмия-теллурида (HgCdTe).

Охлаждение смещает частотные характеристики в сторону больших длин волн и улучшает чувствительность детектора. Однако быстродействие PbS и PbSe де­текторов при охлаждении несколько снижается. В детекторах для понижения тем­пературы могут применяться разные методы: охлаждение сухим льдом, жидким азотом или сжиженным гелием (рис. 14.17), а также термоэлектрическое охлаж­дение, основанное на эффекте Пельтье (см. раздел 3.9 главы 3). В таблице 14.2 приведены типичные характеристики МСТ детекторов.


 
Рис. 14.17. Криогенно ох­лаждаемые МСТ кванто­вые И К детекторы А -чертеж детектора с охла­дителем Дьюара (размеры приведены в мм), Б — вне­шний вид детектора Дью­ара и герметич ного датчи­ка излучений (Напечатано с разрешения Hamamatsu Photonics К К)

(А)

(Б)

 


 

Таблица 14.2. Типовые спектральном диапазоне характеристики МСТ детекторов, работающих в дальнем ИК
Чувстви­тельная Темпера-зона, мм тура, °С 1п, мкм /,, мкм Темновое Поле сопротив-обзора, ° ление, кОм Время нарас­тания, МКС Макс, ток, мА D* при /п
1x1 -30 3,6 3,7 60 1 10'
1x1 -196 15 60 20 ЗхЮ9

Детекторы с криогенным охлаждением применяются для измерения опти­ческой мощности в широком спектральном диапазоне, определения температу­ры тепловых процессов и получения тепловых образов, детектирования количе­ственного содержиния воды и проведения газового анализа.

 
Рис. 14.18.Спектр поглощения молекул газа

На рис. 14.18 показаны спектры поглощения разных молекул газов. Из рисунка видно, что молекулы воды сильнее всего поглощают фо­тоны с длинами волн 1.1, 1.4, 1.9 и 2.7 мкм. Поэтому для оп­ределения содержания воды, например, в каком-то топли­ве, на исследуемый и эталон­ный образцы направляется монохромныйй свет. Отра­женный свет детектируется и находится отношение отра­женных излучений в разных зонах поглощения. Анализа­тор газов, исследуя поглоще-


ние в ИК области спектра, определяет плотность газов (в данном случае, водяных паров). Таким же образом можно определять состав выхлопных газов автомобиля (СО, НС, СO2), проводить контроль загрязнения атмосферы (СО, SO, NO2), уте­чек топлива (СН4, С3Н2) и т.д.

 




Поиск по сайту:

©2015-2020 studopedya.ru Все права принадлежат авторам размещенных материалов.