|
| |
|
Слаботочка Книги ханизма усиления, видом и формой выходного сигнала. Прочие характеристики: эксплуатационные, надежностные, габаритные, технологические - ничего специфически «фотоприемного» не содержат. В зависимости от характера выходного сигнала (напряжение, ток) говорят о вольтовой или токовой фоточувствительности приемника 5, измеряемых соответственно в В/Вт или А/Вт. Линейность (или нелинейность) фотоприемника определяется значением показателя степени п в уравнении, связывающем выходной сигнал с входным: LBbix (или /вых)--Рф". При п~1 фотоприемник линеен; область значений Рф (отРфтш доРфтах), в которой это выполняется, определяет динамический диапазон линейности фотоприемника А, выражаемый обычно в децибелах: А=10 lg(Pфmax/фmm). Важнейшим параметром фотоприемника, определяющим порог его чувствительности, является удельная об-наружительная способность D*, измеряемая в Вт--мХ ХГц/2. Структура размерности этого параметра объясняется тем, что фотоприемник является источником «белого шума» с равномерной плотностью распределения по спектру и, кроме того, тем, что мощность шумов пропорциональна линейному размеру фотоприемного окна. При известном значении D* порог чувствительности (минимальная фиксируемая мощность излучения) определяется как Pr.n-VMD*, . (1.10) где А - плошадь фоточувствительной площадки; Af - диапазон рабочих частот усилителя фотосигналов. Таким образом, используя параметр D*, можно сравнивать физически и конструктивно разнородные фотоприемники, различающиеся порогом чувствительности, полосой рабочих частот, площадью фотоприемного окна. Иными словами, параметр D* играет роль коэффициента качества фотоприемника. В применении к оптронам не все перечисленные характеристики оказываются одинаково важными. Как правило, фотоприемники в оптронах работают при об-лученностях, очень далеких от пороговых, поэтому использование параметров Рфтт и D* оказывается практически бесполезным. Конструктивно фотоприемник в оптроне обычно «утоплен» в иммерсионную среду, соединяющую его с излучателем, поэтому знание опиче- ских характеристик входного окна теряет смысл (как правило, специально такого окна нет). Не очень важно знать и распределение чувствительности по фоточувствительной площадке, так как интерес представляют интегральные эффекты. По сути своего схемного применения фотоприемниш оптронов представляют собой приборы мгновенного действия, поэтому те преимущества, которые дает во многих случаях работа в режиме накопления, здесь не используются.
свет
Рис. 1.11. Устройство фотодиодов с р-л-переходом (а) и р-t-л-структурой (б) и распределение поля в полупроводниковой структуре при приложении обратного напряжения Механизм работы фотоприемников, базирующихся на фотовольтаическом эффекте, рассмотрим на примере планарно-эпитаксиальных фотодиодов с р-и-переходом и с р-г-и-структурой (рис. 1.П), в которых можно выделить и+-подложку, базу п- или t-типа (слабая проводимость и-типа) и тонкий р+-слой. При работе в фото-Диодном режиме (рис. 1.12,а) приложенное извне напряжение заставляет подвижные дырки и электроны уходить от р-и(р-г)-перехода; при этом картина рас-пределения поля в кристалле (рис. 1.П) оказывается резко различной для двух рассматриваемых структур. Световое излучение, поглощаясь в базовой области Диода, генерирует электронно-дырочные пары, которые 3- 35 диффундируют к р-л-переходу, разделяются им и вызывают появление дошолнительного тока во внешней цепи. В р-i-п-диодах это разделение происходит в поле /-области и вместо процесса диффузии имеет место дрейф носителей заряда под влиянием электрического поля. Каждая генерированная электронно-дырочная пара, прошедшая через р-п-переход, вызывает прохождение во внешней цепи заряда, равного заряду электрона. Чем больше облученность диода, тем больше фото- const  Рис. I.I2. Схемы измерения и семейства вольт-амперных характеристик в фотоднодном (о) и фотовентильном (б) режимах работы диода ток. Фототок протекает и при смещении диода в прямом направлении (рис. 1.12,а), однако уже при небольших напряжениях он оказывается намного меньше прямого,! тока, поэтому его выделение оказывается затрудннтель- ным. Рабочей областью вольт-амперных характеристик] фотодиода является III квадрант на рис. 1.12,а; соответ-- ственно этому в качестве важнейшего параметра вы-j ступает токовая чувствительность Второе равенство в (1.11) получено в предположении линейной зависимости /ф=[(Рф), а третье -при условии пренебрежения темновым током (/т<С/ф), что для кремниевых фотодиодов обычно выполняется. Зб Не все генерируемые электроны и дырки дают ток во внешней цепи. Почти все носители, образовавшиеся в р+- и п+-областях, рекомбиннруют из-за очень малого вре.мени жизни в сильно легированных полупроводниках, часть носителей, возникших в базе, также «бесполезно» реко.Мбиннрует либо в объеме, либо на поверх-, ности. Для описания эффективности вытягивания носителей заряда из базовой области вводится понятие коэффициента собирания, определяемого отношением числа поглощенных фотонов к числу протекших за это время в цепи диода избыточных носителей заряда: ~ AN - (1.12) r.ie А - фоточувствительная площадь; /ф - плотность фототока (здесь принято р=1). Если освещать фотодиод без приложения к нему Ёнешнего смещения, то процесс разделения генерируемых электронов и дырок будет протекать благодаря действию собственного встроенного поля р-п-перехода. При этом дырки будут перетекать в р-область и частично компенсировать встроенное поле р-п-перехода. Создается некоторое новое равновесное (для данного значения Рф) состояние, при котором на внешних выводах диода возникает фото-ЭДС U. Если замкнуть освещенный фотодиод на некоторую нагрузку, то он будет от-. давать в нее полезную электрическую мощность Рд. Характеристическими точками вольт-амперных характеристик диода, работающего в таком - фотовентильном- режиме, являются ЭДС холостого хода (/и и ток короткого замыкания /кз (рис. 1.12,6). В этих крайних положениях мощность, выделяемая в нагрузке,-равна нулю (при U=Uxx, Ф=0, а при /ф=/кз иф-Q); .очевидно, что имеется некоторое оптимальное значение сопротивления нагрузки /?нопт, при котором выделяемая на ней электрическая мощность максимальна: Где а называют коэффициентом формы, имея в виду форму вольт-амперной характеристики. Естественно, что 0<а<1, и чем а больше, тем ближе форма вольт-амперной характеристики к идеальному прямоугольнику (штриховая линия на рис. 1.12,6). Схемотехнически фотодиод в вентильном режиме работает как своеобраз- ный вторичный источник питания, поэтому его определяющим параметром является КПД преобразования световой энергии в электрическую: КПД = Рэ„,ахМРф=а.х/кз/ЛРф. (1.14) Заметим в заключение, что в фотовентильном режиме действует важный класс фотоэлектрических приборов - солнечные батареи [11]. 1.3. ТЕОРИЯ ДИОДНОГО ОПТРОНА Расчет определяющих параметров оптопары проведем для геометрической модели рис. 1.3,0. Передаточные свойства диодной оптопары характеризуются значением коэффициента передачи тока Ki = =/вых в1, где /в1 и /,ых-токи свето- и фотодиодов соответственно. Исходя из определения внешнего квантового выхода и используя (1.1) и (1.2), для мощности, излучаемой светодиодом*, получаем Рф==(/„/9)(йсА)т1ех1. (1.15) Часть этой мощности не попадает на чувствительную поверхность фотоприемника, поэтому введем коэффициент, учитывающий геометрические факторы: /(г=/(/)изл )фп, rf)<l. (1.16) Иммерсионное действие оптической среды (прн «>1), напротив, ведет к увеличению падающей на фотоприемник лющности в сравнении с (1.15). Введем коэффициент, учитывающий этот фактор: HH = f(«BM, Пизл, /гфп)>1. (1.17) Используя определение чувствительности фотодиода (Ы1), получаем = \аКгКш = <?g изл»1ех1гим- (1 • > 8) Последнее равенство получено при условии, что энергия генерируемого кванта hv = Sg (здесь g, эВ; S, А/Вт; остальные величины безразмерные). При расчете параметров светодиода рассмотренные выше механизмы рекомбинации удобнее оценивать не вероятностями тех или иных электронных переходов, а обратными и.ч величинами - средними временами жизни избыточных носителей заряда, соответствующими этим переходам. Полагая, что вероятности переходов независимы друг от друга, можно записать: изл безызл ггол лов тОже где Tj-общее время жизнн избыточных носителей заряда; Тизл и *) Речь идет о мощности, излучаемой в воздух, что и измеряется у светодиода перед его монтажом в оптрон. Тйг-зызл - времена излучательной и безызлучательной рекомбинаций; Тлов-время рекомбинации через глубокие центры; тоже - время оже-рекомбинации. Из определения внутреннего квантового выхода следует ~ { нзл ) / (~) ~безызл/(%зл + Зезызл) 1 - Тиал/тбезызл- (1.20) Приближенное равенство в (1.20) получено для случая Тизл<С Выражение для rt может быть получено и из зарядовых соотношений. При протекании прямого тока в базе диода накапливается избыточный заряд, равный /pXj. [12]. Темп излучательной рекомбнна цин этого заряда равен (Ip/q) (г/изл). откуда сразу и следует формула (1.20). Время жизни излучательной рекомбинации прн низком уровне инжекции [Др<(ио+Ро)] равно [13] (1.21) где R - константа, определяемая структурой энергетических зон и согласно принципу детального равновесия равная интенсивности межзонного поглощения, которая может быть измерена экспериментально; «о н ро - равновесные концентрации электронов и дырок. Величина R пропорциональна концентрации центров излучательной рекомбинации Лизл и существенно зависит от температуры (в простейшем случае RTI). Из структуры (1.21) следует, что наибольшее значение время жизни излучательной рекомбинации имеет место в собственном полупроводнике: Тиэл4=п(/2/?. При высоком уровне инжекции, когда АрЭ> (по--Ро), время жизни перестает быть константой и само зависит от концентрации инжектированных носителей заряда: = = (l/R) (ni/Ap). Рекомбинация через глубокие центры в соответствии с моделью Шокли - Рида [14] для произвольного уровня инжекции Д=Др/по дает (на примере полупроводника п-типа) (1+А). (1.22) Дб тлов и -времена жизни при очень низком и очень высокоад уровнях инжекции. При глубоких центрах т:~т:ро--т wsnt ГД тро и т„о - константы, определяемые природой центров рекомбнна-fnm и связанные с их концентрацией обратно пропорциональной зависимостью Т;оо(Тпо)~!/Лпов. Время жизни оже-рекомбинации простому аналитическому расчету не поддается. Аппроксимация результатов численных расчетои показывает, что при превышении некоторой пороговой концентрации 0 1 2 3 4 [5] 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 33 34 35 36 37 38 39 40 41 42 43 44 45 |
|||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||