«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.
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, is — ток, 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 Rbприводит, 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 = Сj+СоуПоэтому 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 RLпреобразует ток диода в выходное напряжение. Конденсатор CLвведен 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 CLповышает 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.