Transcript timofeev fedorov

МИКРООПТОЭЛЕКТРОНИКА
Работу выполнили:
«Фотоприемники»
Тимофеев Ю.Д.
Федоров Г.В.
Гр.21302
Преподаватель:
Гуртов В.А.
ПетрГУ, 2009г.
I. Основные понятия

Фотоприемники / фотодетекторы / приемники
оптического излучения – п/п приборы,
регистрирующие оптическое излучение и
преобразующие оптический сигнал на входе в
электрический на выходе.
II. Статические характеристики
1) Вольтовая чувствительность
U
Sv 
P
токовая чуствительность
I
Si 
P
; [ В/Вт ]
2) Пороговая чувствительность
U
2
m
;[В]
m
U
U m2

; [ А/Вт ]
Pm S v
U m2
Среднее квадратичное
шумовое напряжение
m U
Pm 
Sv
2
m
; [ Вт ]
II. Статические характеристики
При m=1 мощность Pm = Pmin называется минимальной пороговой
чувствительностью. Поскольку шумовая ЭДС пропорциональна полосе частот, то
пороговую чувствительность рассматривают для единичной полосы частот Δf=1, при
этом:
U m2  U m0 ;
Pmin
1
D
Pmin
3) Обнаружительная способность:
4) Удельная обнаружительная
способность:
U m2 0

Sv
D 
*
Sv
1


2
A  f  см  Гц 
,
2
 Вт 
U0


III. Виды фотоприемников


Фоторезисторы
Фотодиоды
•
•
•


на основе p-n перехода
p-i-n фотодиоды
лавинные фотодиоды
Фототранзисторы
МДП-фотоприемники
•
•
Дискретные
Матрицы фотоприемников с зарядовой
связью (ФПЗС)
Навигация
Фоторезисторы
Виды ФП
Определение, основные сведения
Фоторезисторы

Фотодиоды
ФД на основе p-n
перехода
p-i-n ФД
Фототранзисторы
МДП транзисторы
ФПЗС
Фоторезистор – полупроводниковый резистор,
изменяющий свое электрическое сопротивление под
действием оптического излучения.
Конструкция охлаждаемого фоторезистора
1 – входное окно
2 – фоточувств. элемент
3 – контактная колодка
4 – предусилитель
5 – теплоотвод
6 – электрические
выводы
7 – основание
8 – терморезистор
9 – термоэлектрический
охладитель
топология фоторезистора
для расчета токовой
чувствительности
Навигация
Виды ФП
Фоторезисторы
ВАХ фоторезистора
Фоторезисторы
Фотодиоды
ФД на основе p-n
перехода
p-i-n ФД
Фототранзисторы
МДП транзисторы
ФПЗС
I  U (   0 )  I T  I ф
Полный ток I через резистор при величине внешнего
напряжения U определяется суммой темнового IT тока и
фототока Iф.
Навигация
Виды ФП
Фоторезисторы
Фотодиоды
ФД на основе p-n
перехода
p-i-n ФД
Фототранзисторы
Фоторезисторы
Спектральная чувствительность
Используя уравнение непрерывности и выражения, описывающие
процессы, происходящие в фоторезисторе, можно получить формулу для
токовой чувствительности:
q
w
Si  ()[ p  p (1  b)] 2 U
hc
l
МДП транзисторы
ФПЗС
1 – CdS
2 – CdSe
3 – PbS
4,5 – PbS-PbSe
6 – PbSe
7 - PbSnTe
Навигация
Виды ФП
Фоторезисторы
Фотодиоды
ФД на основе p-n
перехода
p-i-n ФД
Фотодиоды на основе p-n перехода
Общие сведения
Зарегистрировать
изменение концентрации
неосновных носителей
заряда проще!
Фототранзисторы
МДП транзисторы
ФПЗС
n – эмиттер
p – база фотодиода
основные
неосновные
Навигация
Виды ФП
Фоторезисторы
Фотодиоды
ФД на основе p-n
перехода
Фотодиоды на основе p-n перехода
ВАХ фотодиода
jф 
qpL p
p

qnLn
n

p
 qL pФ
J  J ф  J s (e
p-i-n ФД
Фототранзисторы
МДП транзисторы
qpL p
Режим холостого хода (J = 0)
ФПЗС
Jф
kT
Vxx 
ln(
 1)
q
Js
Режим короткого замыкания
(Vg = 0)
J кз  J ф  KФ
Vg
 1)
Навигация
Виды ФП
Фоторезисторы
Фотодиоды
ФД на основе p-n
перехода
p-i-n ФД
Фототранзисторы
МДП транзисторы
ФПЗС
Фотодиоды на основе p-n перехода
Спектральная чувствительность
J ф ( ) ~  ( ) ( )
Ф = const
λ = const
Навигация
Виды ФП
p-i-n фотодиоды
Общие сведения. Особенности конструкции
100-500 мкм
Фоторезисторы
Фотодиоды
ФД на основе p-n
перехода
p-i-n ФД
p
Фототранзисторы
МДП транзисторы
ФПЗС
Использование i-слоя
позволяет регистрировать
неосновные носители
заряда и обеспечивать
высокое быстродействие
(106-109 Гц).
p-i-n фотодиод является
базовым элементов для
всех оптических линий
связи.
i – слой с
собственной
проводимостью
(чистый диэлектрик)
n
Фототранзисторы
Навигация
Виды ФП
Фоторезисторы
Фотодиоды
ФД на основе p-n
перехода
Общие сведения. Особенности конструкции.

Фототранзистор (ФТ) – это обычный БП p-n-p транзистор, база которого
является фоточувствительным элементом. Т.е. электрический контакт к базе
отсутствует, а управление током базы осуществляется путем изменения ее
освещенности. Поэтому ФТ имеет только два вывода – эмиттер и коллектор.
p-i-n ФД
Схема фототранзистора со
структурой p-n-p
Фототранзисторы
МДП транзисторы
ФПЗС
Зонная диаграмма
фототранзистора в
активном режиме работы
Навигация
Виды ФП
Фототранзисторы
ВАХ фототранзистора.
Фоторезисторы
Фотодиоды
ФД на основе p-n
перехода
p-i-n ФД
Jк  Jф
2 L2p
W
2
 Jk0
Jko – тепловой ток коллектора
Jф – фототок
Lp – диффузионная длина
области базы
W – ширина базы
Фототранзисторы
МДП транзисторы
ФПЗС
Jф  q
pW
p
 qWФ
Навигация
Виды ФП
Фоторезисторы
Фотодиоды
ФД на основе p-n
перехода
p-i-n ФД
Фототранзисторы
МДП транзисторы
ФПЗС
МДП фотоприемники
Общие сведения. Особенности конструкции.
МДП-структура в состоянии неравновесного обеднения является физической
основой приборов с зарядовой инжекцией и приборов с зарядовой связью. Процессы
релаксации неравновесного состояния определяют границы частотного диапазона
применения этих приборов. В зависимости от метода измерения можно
контролировать или изменение емкости С МДП-структуры либо изменение заряда на
электродах Qg в процессе релаксации емкости при постоянном напряжении Vg либо
изменение напряжения на затворе Vg в режиме постоянного заряда Qм на
металлическом электроде.
Равновесное состояние
Неравновесное состояние
Навигация
Виды ФП
Фоторезисторы
Фотодиоды
МДП фотоприемники
ФПЗС. Матрицы фотоприемников с зарядовой связью.
ФПЗС – новый тип полевых п/п приборов, работающих в динамическом
режиме. Приборы с зарядовой связью представляют собой линейку или
матрицу последовательно расположенных МДП-структур.
ФД на основе p-n
перехода
p-i-n ФД
Фототранзисторы
МДП транзисторы
ФПЗС
ПЗС служат для
преобразования
оптического излучения
в электрические
сигналы и передачи
информации от одного
элемента электронной
схемы к другому
Навигация
Виды ФП
МДП фотоприемники
Применение ФПЗС
Фоторезисторы
Фотодиоды
ФД на основе p-n
перехода
p-i-n ФД
Фототранзисторы
МДП транзисторы
ФПЗС
Основное применение ФПЗС в цифровых видеокамерах и фотоаппаратах.
IV. Материалы для фотоприемников
Граница поглощения
Так же как и для всех оптоэлектронных устройств, для фотоприемников важно
использовать прямозонные полупроводники и фундаментальное поглощение
вблизи края запрещенной зоны.
Последнее условие вызывает наличие красной границы в регистрации сигнала.
Граничная длина волны λгр, выше которой отсутствует регистрация излучения,
при межзонных переходах определяется из следующих соотношений:
1,22
hc
hvгр  E g ; λгр 
; λгр 
E g ( эВ)
Eg
IV. Материалы для фотоприемников
Граничные условия для некоторых материалов
Материал
SiC
GaP
GaAs
Si
Ge
InAs
InSb
CdHgTe
Eg, эВ
3,0
2,26
1,42
1,12
0,66
0,36
0,17
0,10
λгр, нм
0,4
0,54
0,86
1,09
1,85
3,4
7,2
12,2
SiC – карбид кремния
GaP – фосфид галия
GaAs – арсенид галия
Si – кремний
InAs – арсенид индия
InSb – антимонид индия
CdHgTe – КРТ (Купрум Ртуть Теллур)
Видимый свет: 0,38 – 0,76 нм
IV. Материалы для фотоприемников
источник
Пропускание среды
При выборе фотоприемников также имеет
значение спектр пропускания среды между
приемником и источником. Обычно этой средой
является или атмосфера или оптоволокно.
hv
среда
ФП
O2
H2O
CO2 H2O
CO2 O2
H2O
CO2 O3
H2O
CO2
CO2
Литература


Ресурсы сети Интернет
Учебное пособие «Твердотельная
электроника» В.А.Гуртов, 2005г.
Зонные переходы.
A – переходы между состояниями,
расположенными в зоне проводимости и
валентной зоне.
B – переходы между состояниями только в зоне
проводимости или валентной зоне.
C – переходы между примесными состояниями в
запрещенной зоне.
D – переходы между примесными состояниями,
энергетические уровни которых находятся в
запрещенной зоне, и состояниями,
расположенными в валентной зоне или зоне
проводимости.
Межзонные переходы типа А обуславливают наиболее сильное поглощение
или испускание света с энергией, близкой к ширине запрещенной зоны: hv > Eg.
Эти переходы также называют фундаментальными.
Прямозонные и непрямозонные полупроводники.
Все полупроводниковые соединения можно подразделить на два типа
зависимости энергии электронов E от волнового вектора k – прямозонные и
непрямозонные. В прямозонных п/п энергетический минимум зоны
проводимости находится при k = 0, как и соответствующий минимум валентной
зоны. В непрямозонных при k ≠ 0.
При переходах электронов между состояниями должны соблюдаться законы
сохранения энергии и квазиимпульса.
По расчетным данным значение квазиимпульса фотона на несколько порядков
меньше, чем квазиимпульс электрона. Отсюда следует, что при межзонных
переходах в непрямозонных п/п необходимо участие третьей частицы с малой
энергией, но большим квазиимпульсом. Такой частицей в твердых телах
является акустический фонон. Поскольку вероятность излучательных и
поглощательных переходов с участием трех частиц ниже, чем двух, то,
следовательно, в непрямозонных п/п вероятность рекомбинации и генерации
будет всегда меньше, чем в прямозонных.
Навигация
Лавинные фотодиоды
Виды ФП
Общие сведения. Особенности конструкции.
Фоторезисторы

Фотодиоды
ФД на основе p-n
перехода
Лавинный фотодиод – это фотоприемник, в котором повышение
квантовой эффективности реализуется за счет внутреннего
усиления благодаря лавинному умножению в обратно смещенном
p-n переходе.
p-i-n ФД
Фототранзисторы
Для реализации лавинного умножения необходимо выполнить два условия:
МДП транзисторы
ФПЗС
•
qEλ > 1.5 Eg
•
W >> l