Широкий розвиток лазерної техніки викликав необхідність створення швидкодіючих фотодетекторів, що мають високу чутливість до світла з визначеною довжиною хвилі і мають властивості вутрішнього підсилення.
Лавинні фотодіоди (ЛФД) широко використовуються для реєстрації і вимірювання в різноманітних системах опрацювання оптичної інформації, виявлення слабких випромінювань, зоряної орієнтації і навігації та ін.
Найбільш широко розвинуте застосування ЛФД у волоконно-оптичних лініях зв'язку (ВОЛЗ). ЛФД на основі кремнію мають внутрішнє підсилення до 103, високу чутливість (до 100 А/Вт) на довжині хвилі [pic]=0,9 мкм, малу інерційність (~0,5 нс), низький поріг (до 10-15 Вт?Гц-1/2).

Ефекти лавинного множення у напівпровідниках.

У звичайному фотодіоді при поглинанні світла виникають електронно- діркові пари, причому при поглинанні одного фотона утвориться одна електронно-діркова пара. Неосновні носії цих пар або рекомбінують, або протікають через p-n-перехід, породжуючи фотострум. У ЛФД носії, що проходять через p-n-перехід, одержують в сильному полі переходу енергію, достатню для ударної іонізації атомів решітки, і створюють на своєму шляху повторні пари. В результаті струмовий сигнал за рахунок лавинного множення збільшується. Для розвитку лавини необхідне виконання двох умов: товщина збіднілої області p-n-переходу, у якій зосереджене внутрішнє електричне поле, повинна перевищувати довжину вільного пробігу неосновних носіїв заряду; енергія, що накопичується неосновними носіями в області переходу, повинна бути достатньою для збудження валентних електронів напівпровідника, тобто перевищувати поріг ударної іонізації: qUi = (2...3)Eg.

(2.1)

Мал.2.3. Структура ЛФД (а), розподіл електричного поля (б).

При виконанні цих умов створюються повторні пари носіїв, що розділяються полем переходу. Товщина області об'ємного заряду переходу і напруженість внутрішнього електричного поля в ній при даному зсуві залежать від структури діода і від питомого опору напівпровідника (мал. 2.3).Тому напруга лавинного пробою пов'язана з питомим опором матеріалу

Uл.п = b[pic][pic] (для Ge b = 85, [pic] = 0,62).

(2.2 )

Лавинне підсилення фотоструму, що проходить через освітлений p-n- перехід, використовується в ЛФД, що працюють у передпробійному режимі.
Залежність коефіцієнта лавинного підсилення від напруги на фотодіоді виражається наближеним співвідношенням Міллера

M = [1 - (U / Uл.п)n]-1,

(2.3) де n – коефіцієнт, що залежить від іонізаційних можливостей електронів і дірок, від довжини хвилі прийнятого випромінювання, а також від матеріалу і конструкції ЛФД. Для кремнієвих фотодіодів n = 3,4 … 4,0, якщо генерація носіїв відбувається в p-області і лавина утвориться в результаті ударної іонізації, виробленої електронами; n = l,2 … 2,0, якщо ударна іонізація провадиться дірками, що генеруються в n-області.

Дуже різка залежність коефіцієнта лавинного множення (мал. 2.3) від прикладеної напруги істотно ускладнює можливість практичного використання
ЛФД із високими коефіцієнтами підсилення через дуже жорстку вимогу до точності підтримки на діоді робочої напруги. Сильна залежність напруги лавинного пробою від температури призводить до проблеми термостабілізації.
Всі ці чинники обмежують застосування лавинних діодів в апаратурі.

Мал. 2.4. Залежність коефіцієнтів іонізації електронів і дірок від напруженості поля в кремнії при кімнатній температурі.

Сильна залежність коефіцієнта від напруженості поля в області множення виникає через дві основних причини: існує позитивний зворотний зв'язок між коефіцієнтом множення і напруженістю поля через наявність двох типів носіїв, що можуть іонізувати; швидкість іонізації експоненціально зростає із ростом напруженості поля.

Розглянемо вплив позитивного зворотного зв'язку. Якщо в область множення інжектується чисто електронний струм, то спочатку первинні електрони генерують повторні пари. Повторні електрони стають невідмінні від первинних. Повторні дірки рухаються в протилежному напрямку і під час прямування генерують нові пари. Коефіцієнт множення Мn для інжектованого електронного струму залежить від іонізуючих можливостей носіїв обох типів

Mn = [pic], (2.4) де (n – швидкість іонізації електронів (середнє іонізуючих співударів електронів на одиницю довжини шляху в напрямку поля); [pic]р – швидкість іонізації дірок; d – ширина області збідніння.

Аналогічний вираз має коефіцієнт множення і для інжектованого диркового струму. Зворотний зв'язок між коефіцієнтом множення і прикладеною напругою, зумовлена присутністю носіїв двох типів, призводить до нелінійного зростання коефіцієнта множення при збільшенні напруги. Для зменшення зворотного зв'язку треба, щоб фотострум складався з носіїв із великою швидкістю іонізації. Отже, бажано мати матеріал, для якого відношення швидкостей іонізації електронів і дірок велике на всьому інтервалі іонізуючих полів. У таких матеріалах буде меншим і час наростання лавини.

На даний час широке застосування в діапазоні довжин хвиль 1,0…1,6 мкм одержали германієві лавинні фотодіоди, що мають високий квантовий вихід, що слабко залежить від температури. Їхнім основним недоліком є великі темнові струми, що сильно зростають із ростом температури. Це не дозволяє реалізувати в схемах коефіцієнта підсилення більше 10. Крім того, коефіцієнти іонізації електронів і дирок близькі між собою: (/( = 2.
Згадані причини призводять у реальних схемах до нестабільності і великих додаткових шумів.

Темновий струм, утворений об'ємною тепловою генерацією носіїв, можна знижувати вибором матеріалу з великим об'ємним часом життя. Зниження струму поверхневих "відпливів" досягається пасивацією поверхні. Істотного зменшення темнових струмів, можна домогтися зниженням робочих температур, наприклад за допомогою термоелектричних охолоджувачів, але це ускладнює конструкцію виробу.

Кремній значно кращий напівпровідниковий матеріал для створення лавинних фотодіодів.

Особливості технології виготовлення ЛФД.

В режимі лавинного пробою через підвищення щільності току в окремих ділянках структури діода можуть утворюватися невеличкі центри розряду, названі мікроплазмами. Тому вирішальним чинником для роботи ЛФД є однорідність лавинного процесу, реалізувати котру можливо тільки в зроблених електронно-діркових переходах. У діоді існує три області, де можуть утворюватися локальні мікроплазми:

– краї p-n-переходів у планарних структурах, де специфічна форма дифузійної області на периферії переходу (циліндрична або сферична) призводить до підвищеної напруженості електричного поля в порівнянні з центральною плоскою частиною;

– поверхні в мезаструктурах, де до локального підсилення напруженості електричного поля призводять забруднення або які-небудь дефекти в місцях перетину p-n-переходу і поверхні, що викликають різке викривлення зон поблизу межі p-n-переходу;

– ділянки з недосконалою кристалічною структурою вихідного матеріалу і з дефектами p-n-переходу, де локальний пробій (внутрішня мікроплазма) обумовлений або локальною неоднорідністю у легуванні вихідного матеріалу, або металевими вмиканнями, або іншими структурними дефектами в області об'ємного заряду p-n-переходу.

Мікроплазми генерують нерегулярні "кидки токів", що призводять до раннього пробою або до підвищення рівня шуму приладу. Для запобігання шумів, пов'язаних із флуктуацією щільності легування p-області, необхідна однорідність легування точніше 0,1%. Для зниження надлишкового шуму лавина повинна бути викликана чисто електронною інжекцією у широкій області множення. Це випливає з високого відношення коефіцієнтів іонізації електронів і дірок у кремнії, що у правильно сконструйованих детекторах повинно лежати в межах 0,02 ...0,08. Щоб досягти найменших шумів, необхідне запровадження випромінювання в n-область через p-контакт. У цьому випадку товщина кристалу повинна складати 50 ...70 мкм, що ускладнює технологічне виконання приладу.

Найбільш доступні для виготовлення ЛФД на епітаксіальній структурі типу p-n+ із добре контрольованим профілем p-області. У цьому випадку випромінювання падає з боку n+-прошарку. На мал. 2.5 зображений розтин епітаксіального лавинного фотодіода для ВОЛЗ.

Мал. 2.5. Розтин епітаксального ЛФД із n+-p-?-p+-структурою:

1 – покриття, що зменшує відбиття, (Si3Ni4);

2 – епітаксіальна ?-область(? >> 300 Ом?см);

3 – p+-підкладка.

Мал. 2.6. Залежність коефіцієнта множення від напруги на діоді при різноманітних температурах.

Основні фізичні характеристики.

Постійна часу ЛФД n-p-i-p-типу визначається часом розвитку лавини в області множення M([pic] (де (1—час прольоту носієм області множення) і часом прольоту носіїв від області множення до контакту (др

(лдф = M(1 + (др, (2.5) причому

M(1 = MNл.м[pic],
Де vеф = vnvp / (vn + vp ); vn, vp – швидкості електронів і області множення; dл.м –ширина "лавинної" області; N л.м– константа, обумовлена співвідношенням коефіцієнтів іонізації електронів і дірок, що змінюється від 1/3 при їхній рівності до 2 при коефіцієнті множення істотно меншому для дірок, ніж для електронів. Як правило, перший доданок. (2.5 ) істотно менше другого, тобто інерційність ЛФД визначається не процесами множення, а проходженням носіїв через область щодо слабкого поля до контакту.

Оскільки ЛФД працюють в області великих обернених зсувів, то їхня ємність не виявляється і не обмежує швидкодії.

Шум-фактор F ЛФД зростає з ростом відношення коефіцієнтів іонізації дірок і електронів: kеф = ?p?n. У ЛФД при інжекції тільки електронів

Fn = kефMn + (2 - 1/Mn)(1 - kеф).

Шум-фактор менше, якщо початкове множення починається електронами, тобто носіями з великим коефіцієнтом іонізації. Тому краще виготовляти ЛФД із напівпровідника p-типу провідності.

Спектральная щільність шумового току Iш, може бути визначена зі співвідношення

[pic] = 2q(IтM2F + I).

Робоча напруга, як уже відзначалося, повинна підтримуватися постійною із високою точністю. Для зниження вимог до напруги живлення для ЛФД використовують структуру n-p-i-p-типу. Введення області з власною провідністю призводить до перерозподілу прикладеної напруги між нею й областю лавинного множення. Оскільки падіння напруги на області з власною провідністю пов'язано лінійним законом із минущим струмом, то її наявність сприяє стабілізації струму ЛФД і знижує вимоги до стабільності напруги зсуву. Проте робити цю область занадто протяжною не можна, тому що це сильно збільшує роботу напруги і підвищує інерційність. Наприклад, для структури з розмірами області лавинного множення декілька мікрон у звичайному ЛФД необхідно підтримувати напругу зсуву з точністю 0,2% для забезпечення коефіцієнта множення, рівного 50. Введення i-області товщиною порядку 50 мкм забезпечує той же коефіцієнт множення при стабілізації живлення 10%.

Для оптимального порогу ЛФД у широкому діапазоні температур бажано використовувати систему регулювання зсуву, що забезпечує сталість значення
М.

РОДІЛ 3. ЗАСТОСУВАННЯ І ПЕРСПЕКТИВИ ФОТОПРИЙМАЧІВ

Фотоприймачі для ультрафіолетового випромінювання.

Фотоприймачі з чутливістю в ультрафіолетовому (УФ) діапазоні знайшли широке застосування в багатьох областях науки і техніки: детектування лазерного випромінювання, спектрозональні дослідження Землі, астрофізичні дослідження в космосі, спектрофотометрія, медико-біологічні дослідження й ін. У більшості випадків такі фотоприймачі крім високої фоточутливості в УФ області спектру, мають малі темнові струми, високу швидкодію, стабільністі.

Фотозчитування з перфострічок і перфокарт.

Раніше для введення необхідної інформації використовували перфострічкиі перфокарти. Для зчитування з перфострічок і перфокарт широко застосовували кремнієві ФЕП і ФПВ.Вони володіють достатньою електричною потужністю,стійкістю параметрів в широкому діапазоні температур і добре узгоджуються з транзисторними підсилювальними каскадами за схемою з загальним емітером. Важливим параметром при використанні ФЕП в пристроях, що зчитують , є відношення амплітуди корисного сигналу Ас до амплітуди сигналу перешкоди Ап (фонового сигналу). При малих опорах навантаження
(струмовий режим) значення Ас/Ап кремнієвих ФЕП досягає 5 і різко спадає зі збільшенням опору навантаження. Розмір відношення Ac/An для сигналів напруги також зменшується з ростом опору навантаження, проте межі цієї зміни значно менші.

Найбільш ефективно ФЕП розміром 2x3 і 2х5 мм (звичайно використовувані для фотоpчитувания з перфострічок) працюють із навантажувальними опорами до
500 Ом. У цьому діапазоні навантажень відносні зміни напруги і струму навантаження не перевищують 20% (в інтервалі температур +20 - +60°C).

Оптичні системи фотозчитувачів звичайно не забезпечують високої рівномірності опромінення фотоголовки, що складається з набору ФЕП, по всій її поверхні. Розходження в інтенсивності опромінення призводить до розкиду сигналів, що знятих з окремих ФЕП касети. Нерівномірність опромінення особливо позначається при малих опорах навантаження. Зі збільшенням опору навантаження вплив світлової нерівномірності на розмір фотосигналу знижується.

Коли ФЕП у фотозчитуватчах працюють з оберненим зсувом розмір Iу вибирається з врахуванням опромінення елементів, ступеня прозорості перфострічки і діапазону зміни робочої температури. З підвищенням температури розмір (1500 Вт/м2. Напруга xoлостого ходу починаючи з деякого струму відпливу зростає, проте при досягненні визначеної температури його ріст припиняється.

Фотозчитувач може бути використаний для введення інформації в інтерполюючі пристрої систем цифрового програмного керування, електронні обчислювальні машини й інші пристрої автоматики. В якості світлочутливих елементів у зчитувачі використовувалися дев'ять кремнієвих ФЕП. розміщених а касеті фотозчитуючої голівки. Джерелом світла служить лампа розжарення типу СЦ-48 з номінальною напругою 8 В і потужністю 30 Вт. Для підвищення терміну служби, на лампу подається напруга 6 В. Зображення нитки розжарення лампи проектуеться на отвори діафрагми фотозчитуючої головки напівциліндричною лінзою. Засвітка здійснюється через отвір у діафрагмі, що має площу, приблизно рівну площі отворів у перфострічці.

Зчитування інформації, закодованої у вигляді комбінації отворів на перфострічці, здійснюється шляхом послідовного переміщення стрічки між освітлювачем і ФЕП. Кожний елемент зчитує інформацію, записану тільки на одній доріжці. При наявності отворів на перфострічці ФЕП освітлюються і виробляють електричні сигнали, що посилюються і перетворюються підсилювачами кодових доріжок і підсилювачем головної (синхронізуючої) доріжки.

Дев'ять ФЕП забезпечують одержання восьми вихідних сигналів із кодових доріжок і одного сигналу з доріжки синхронізації і дозволяють використовувати стандартні пяти- і восьмиканальні перфострічки. Виходи восьми каналів кодових доріжок стабілізуються сигналом із доріжки синхронізації таким чином, що вихідні сигнали з'являються одночасно.

Мал.3.1. Перший каскад підсилювача ведучої і кодової доріжок.

Перший каскад на транзисторі Т працює в ключовому режимі. При відсутності сигналу з ФЕП ключ знаходиться в режимі відсічки. При освітленні ФЕП ключ переходить у режим насичення і напруга на колекторі Т зменшується до 0,1 В.

Тому що використовувана у фотозчитувачі перфострічка може мати достатньо великий коефіцієнт прозорості (до 70%), то і при відсутності пробивання на ній напруга ФЕП може перевищувати напругу відсічки ключа й останній буде знаходитися в режимі насичення. Для узгодження ФЕП із підсилювачем при використанні перфострічки різноманітної прозорості на базу транзистора Т через резистори R2 і R3 подається зсув із загального для підсилювача головних і кодових доріжок потенціометра R4.

Фотозчитувачі з лампами розжарення достатньо громіздкі і споживають багато електроенергії, потребують збірної оптики (лінзи, світловоди). Крім того, вольфрамові спіралі ламп мають малий термін служби (5000 г) і дуже чутливі до вібрацій.

Надалі все більшого застосування знаходили пристрої введення, що використовували у якості джерела випромінювання світлодіоди (СД) із GaAs і в якості детекторів випромінювання – кремнієві ФП. Споживана джерелами головки зчитування потужність зменшується при цьому на два-три порядки, відпадає необхідність в оптичних системах лінз і призм. Подібні головки компактні, надійні в роботі і нечутливі до вібрацій.

У головці можуть встановлюватися випромінювачі потужністю 3-6 мВт при струмі 100 мА і з діаметром півсфери біля 1,5 мм. Кремнієві ФП мають розміри фоточутливої площадки (2х3) і кріпляться до підкладки гібридної схеми підсилювача. Чутливість ФП досягає 500 мк/мВт при ( = 0,91 мкм, що відповідає максимуму випромінювання вузького спектру використовуваних випромінювачів. Завдяки такій характеристиці випромінювачів рівень шумів на виході чутливих елементів зменшується.

При роботі ФП у режимі ФПВ пристрій працює в діапазоні від сигналів на постійному струмі, до частоти 1,5 – 2,0 МГц при температурі 80°С.
Фотодіодний режим роботи дозволяє розширити частотний діапазон до декількох десятків мегагерц.

Фотоприймачі були використані й у клавішних пультах введення і виведення інформації. У подібних пристроях для зчитування з перфокарт з однієї сторони важелів клавіш встановлений ряд мініатюрних лампочок, з іншого боку - ряд ФПВ. У клавішних важелях знизу є кодуючі прорізи, що визначають число світлових променів, що потрапляють на ФПВ при натисканні визначеної клавіші. Вихідний сигнал подається безпосередньо на операційний підсилювач логічної схеми.

Зчитування в дисководі CD-ROM.

При попаданні променя лазерного променя на виступ(на поверхні CD), він відбивається на детектор і проходить через призму, що відхиляє його насвітлочутливий діод. Якщо промінь потрапляє в ямку він розсіюється і лише мала частина випромінювання відбивається обернено і доходить до світлочутливого діода. На діоді світлові імпульси перетворяться в електричні, яскраве випромінювання перетвориться в нулі слабке в одиниці.
У такий спосіб ямки сприймаються дисководом як логічні одиниці, а гладка поверхня як логічні нулі.

Цифрові фотоапарати.

„Серцем” будь-якого цифрового фотоапарата є світлочутлива матриця CCD
(Charge Coupled Device, тобто ПЗС - прилад із зарядовим зв'язком). Звичайно в камерах використовується 1/3-дюймова CCD, що складається з елементів, що перетворюють світлові хвилі в електричні імпульси (Аналогово-цифровий перетворювач замінює електричні заряди цифровою інформацією). Кількість таких елементів коливається від 350000 у камерах із розрішенням 640х480 до
810000 і більш у камерах 1024х768. Самі матриці не є новим винаходом – вони зародились як устаткування для фізичних експериментів (зокрема у фізиці високих енергій), вони вже давно використовуються у відеокамерах.

Оптичне опрацювання інформації.

Сенсоризація виробничої діяльності, тобто заміна органів чуття людини на датчики, повинна розглядатися в якості третьої промислової революції слідом за першими двома – машинно-енергетичної й інформаційно-комп'ютерної.
Потреба в датчиках стрімко росте в зв'язку з бурхливим розвитком автоматизованих систем контролю і керування, впровадженням нових технологічних процесів, переходом до гнучких автоматизованих виробництв.
Крім високих метрологічних характеристик датчики повинні мати високу надійність, довговічність, стабільність, малі габарити, масу і енергомісткість, сумісність з мікроелектронними пристроями опрацювання інформації при низкій трудомісткості виготовлення і невеликій вартості.
Цим вимогам у максимальному обсязі задовольняють волоконно-оптичні датчики.

Волоконно-оптичні датчики. Перші спроби створення датчиків на основі оптичних волокон можна віднести до середини 1970-х років. Публікації про більш-менш прийнятні розробки й експериментальні зразки подібних датчиків з'явилися в другій половині 1970-х років. Проте рахується, що цей тип датчиків сформувався як один з напрямків техніки тільки на початку 1980-х років. Тоді ж з'явився і термін "волоконно-оптичні датчики" (optical fiber sensors). Таким чином, волоконно-оптичні датчики - дуже молода область техніки.

Фотоелектричні перетворювачі енергії (ФЕП).

Для живлення магістральних систем електропостачання і різноманітного устаткування широко використовуються ФЕП; вони призначені також для підзарядки бортових хімічних АБ (акум. батарей).Крім того, ФЕП знаходять застосування на наземних стаціонарних і пересувних об'єктах, наприклад, в
ФЕП электромобілів. За допомогою ФЕП, розміщених на верхній поверхні крил, здійснене живлення приводного електродвигуна гвинта одномісного експериментального літака (США), що перелетів через протоку Ла-Манш.

На даний час найкраща область застосування ФЕП - штучні супутники
Землі, орбітальні космічні станції, міжпланетні зонди. Переваги ФЕП: великий термін служби; достатня апаратна надійність; відсутність витрат активної речовини або палива. Недоліки ФЕП: необхідність пристроїв для орієнтації на Сонце; складність механізмів, що розвертають панелі ФЕП після виходу супутника на орбіту; непрацездатність за відсутності освітлення; великі площі опромінюваних поверхонь. Для сучасних ФЕП характерна питома маса 20 - 60 кг/кВт (без врахування механізмів розгортання й автоматів спостереження). До перспективних належать ФЕП, що сполучать сонячні концентратори (параболічні дзеркала) і ФЕП на основі гетероструктури двох різноманітних напівпровідників - арсенідів галію й алюмінію.

ФЕП монтуються на панелях, конструкція яких містить механізми розгортання й орієнтації. Для підвищення ефективності приблизно до 0,3 застосовуються каскадні двo- і трьохшарові виконання ФЕП із прозорими верхнім шаром. ФЕП істотно залежить від оптичних властивостей матеріалів і їх теплорегулюючих захисних покриттів. Коефіцієнти відбивання зменшують технологічним засобом просвітління поверхні що освітлюється (для робочої частини спектру).

Про застосування фотоприймачів можна говорити ще довго і багато.
Зрозуміло, що фотоприймачі дуже перспективні прилади. Про це свідчить і той факт, що на даний час важко знайти область науки, техніки чи побуту, де б не застосовувалися фотоприймачі...

Література :

Анісімова І. Д., Вікулін І. М., Заїтов Ф. А., Курмашев Ш. Д.
"Напівпровідникові фотоприймачі: ультрафіолетовый, видимий і ближній інфрачервоний діапазон спектру". Москва 1984

Бузанова Л. К., Гліберман А. Я. " Напівпровідникові фотоприймачі". Москва
1976

Ізвозчиков В. А. "Фізичні основи напівпровідникової оптоелектроніки".
Ленінград 1981

Іванов В. І., Аксенов А. І., Юшин А. М. " Напівпровідникові оптоелектронні прилади". Москва 1986

-----------------------

[pic]

Страницы: 1, 2