Приемники излучения

Фотоприемник – приемник оптического излучения – прибор, в котором под действием оптического излучения происходят изменения, позволяющие обнаружить и измерить характеристики излучения.

Поглощение света в твердых телах

При прохождении света через вещество его интенсивность понижается. В общем случае необходимо учитывать 7 механизмов поглощения оптического излучения (рис. 12, а): 1 – фотогенерация электронно-дырочных пар (собственное поглощение), 2,3 – примесное поглощение, 4 – внутрицентровое поглощение, 5 – экситонное поглощение, 6 - электронное поглощение, вызывающее увеличение энергии электронов без увеличения их концентрации, 7 – фононное поглощение, т.е. поглощение кристаллической решеткой. В зависимости от строения зон полупроводника электронные переходы подразделяются на прямые и непрямые (рис. 12, б.), поглощение фотонов сопровождается только лишь прямыми переходами электронов.

Рис. 12. Основные электронные переходы при поглощении света в полупроводнике (а), прямые и непрямые межзонные переходы (б).

Ширина запрещенной зоны Eg полупроводника определяет минимальные значения энергии поглощаемых фотонов. Для собственного поглощения должно выполняться условие hν≥Eg, т.е. энергия фотона должна быть не меньше ширины запрещенной зоны.

Болометры

Приборы для измерения энергии излучения, основанные на изменении сопротивления термочувствительного элемента при нагревании вследствие поглощения измеряемого потока излучения. Используется для измерения мощности интегрального (суммарного) излучения.

Термочувствительный элемент в болометрах представляет собой тонкий слой (0,1-1 мкм) металла (Ni, Au, Bi и др.), поверхность которого покрыта слоем черни, имеющий большой коэффициент поглощения в широкой области спектра, или полупроводник с большим температурным коэффициентом сопротивления ~ 0,04-0,06 К^-1. Размер и форма термочувствительного элемента определяется природой источника. Обычно он представляет собой две одинаковые полоски, вторая используется для компенсации в основном температурных помех.

Разность температур ∆ Т₁₂ преобразуется в разность сопротивлений ∆R, проявляемых в разности токов ∆I и разности напряжений ∆U на нагрузочном сопротивлении.

Металлические элементы изготовляются в виде фольги или пленки из никеля, золота или висмута.

Болометры относятся к приемникам ИК–излучения. Их основное достоинство и основной недостаток заключается в том, что они являются широкополосными приемниками излучения постоянной интенсивности.

Фоторезисторы

Фоторезистор – фотоэлектрический полупроводниковый приемник излучения, принцип действия которого основан на эффекте фотопроводимости. В основе его используется явление внутреннего фотоэффекта, который заключается в том, что при освещении однородного полупроводника его электропроводность увеличивается. Фоторезистор представляет собой обычно тонкую полоску полупроводника с омическими контактами на концах.

Основные параметры фоторезисторов: фоточувствительность S_ф, коэффициент внутреннего усиления фототока (Z), обнаружительная способность (D*) и др., а также специфические параметры: сопротивление в темновом R_T и засвеченном R_св состояниях, их отношение R_T/R_св, постоянные времени релаксации фотопроводимости τ.

Достоинствами фоторезисторов являются линейность вольтамперной характеристики, отсутствие выпрямления и внутренней ЭДС, основным недостатком – невысокое быстродействие.

Фотодиоды

Фотодиод – фоточувствительный полупроводниковый диод с рn-переходом. При освещении рn-перехода в нем возникают электронно-дырочные пары, которые разделяются электрическим полем (фотовентильный режим). Если фотодиод включен на бесконечно большую нагрузку, то в нем реализуется фотовольтаический эффект. В рn-переходе возникает фото-ЭДС в результате накопления зарядов – U_Ф. Если внешняя цепь замкнута, то в ней при освещении фотодиода протекает фототок I_Ф. Направление тока совпадает с направлением обратного тока перехода. U_Ф – смещает pn-переход в прямом направлении, снижая величину потенциального барьера.

Диффузионная длина неосновных носителей заряда в кремнии L_n,p составляет 5*10^-3 см, что ограничивает время диффузионного переноса – τ=10^–6 -10^–7с.

Область спектральной чувствительности определяется зависимостью коэффициента поглощения от длины волны оптического излучения α(λ). Длинноволновая граница λ_max определяется шириной запрещенной зоны используемого полупроводника и составляет 1,1 мкм для кремния и 1,7 мкм для германия, для больших длин волн поглощение резко уменьшается. Коротковолновая граница λ_min определяется резким увеличением коэффициента поглощения >10⁵ см^–1, тогда поглощение происходит очень близко к поверхности, где велика скорость рекомбинации (λ_min= 0,3 мкм для Si и Ge).

Для снижения потерь на отражение света от поверхности используют просветляющее покрытие, обычно пленки ZnS (n = 2,3).

Достоинства фотодиодов: 1. Простая технология, высокие значения фотоЭДС, совместимость с технологией ИС.

P-i-n фотодиоды

P-i-n фотодиоды представляют собой наиболее типичные фотоприемники на основе р-n переходов с большим обедненным слоем. Структура этих диодов включает n+

-основу, достаточно широкую слаболегированную i-область и тонкую p -область. Оптимальное сочетание высокой чувствительности и быстродействия в них обуславливается малым влиянием процессов диффузии носителей.

Рис. 15. Энергетическая диаграмма p-i-n фотодиода при освещении под об-

ратным смещением (а) и относительные размеры p-i-n областей структуры (б).

Рис. 16. Структура p-i-n фотодиода.

К достоинствам p-i-n фотодиодов относятся: высокая фоточувствительность и быстродействие. К недостаткам p-i-n фотодиодов относятся: малая фотоЭДС повышенные токи утечки, р-i-n диоды не совместимы с ИС.