Электрические модели фотоприемников
Электрическая модель фотодиода в статическом режиме приведена на рис. 5.2.
Здесь Iн – ток насыщения при Uобр = 0,5...1 В и температуре среды Т = Tраб, Iт.г. – ток термогенерации, генерируемый в области р-n – перехода, Uобр - обратное напряжение, приложенное к фотодиоду, Iфт – ток фотодиода в затемненном состоянии (если Iн = 0, и Iт.г.=0). rтс – темновое сопротивление. В рассматриваемой модели предполагается, что диод VD имеет обратный ток неизмеримо меньше теплового тока фотодиода.
Рис. 5.2. Электрическая модель фотодиода
Важнейшим параметром фотоприемных устройств является чувствительность, т.е. минимальная величина лучистого потока, которая может быть зарегистрирована фотоприемником с заданным качеством приема. Чувствительность фотоприемных устройств ограничивается внутренними шумами фотодиода, а также тепловыми шумами его нагрузочного сопротивления и входной цепи последующего усилителя.
На рис. 5.3 фотоприемник представлен независимыми генераторами шумового и сигнального токов iш и ic, а также динамического rд и последовательного rп резисторов, которые не оказывают существенного влияния на анализ схемы, так как
rп << rн << rд. (5.7)
Рис. 5.3. Шумовая модель фотоприемника
Сопротивление нагрузки фотодетёктора изображено в виде резистора Rн и генератора теплового шума iт. Предварительный усилитель представлен генератором шумового напряжения Uш.ус и идеальным, свободным от шумов усилителем.
Общая мощность шума, выделяемая на нагрузке, может быть записана в виде
. (5.8)
Для обеспечения приема сигнала с требуемым уровнем помехозащищенности необходимо, чтобы его мощность превышала общую шумовую мощность в К раз
PC min ³ K Pш,, (5.9)
где К – отношение сигнала к шуму.
Так как фототок в цепи нагрузки Rн связан с мощностью потока излучения, падающего на чувствительную поверхность фотоприемника, соотношением
ic = (еh/hn)Pпр М, то чувствительность фотоприемника равна
Pпр. min = (hn/ еh)М , (5.10)
где h – постоянная Планка (6,63*10-27 эргс);
n – частота колебаний;
е – заряд электрона (1,6*10-19 К);
h – квантовая эффективность.
М – коэффициент умножения (> 1 для ЛФД)
K– постоянная Больцмана, K
Тепловые шумы фотоприемников обусловлены тепловыми флуктуациями электронов в резисторах и имеют нормальный закон распределения. Спектр таких шумов равномерный, т.е. представляет собой так называемый «белый шум». Тепловой шум существует во всех типах фотоприемных устройств. На величину чувствительности фотоприемников заметное влияние оказывают лишь тепловые шумы нагрузки и входного сопротивления предусилителя. Тепловой шум нагрузки обладает спектральной плотностью gТ (f) = 4КТ/Rн и имеет мощность, равную
PТ = 4КТDf, (5.11)
где К – постоянная Больцмана (1,38*10-16 эрг град-1);
T – температура фотоприемника, К.
Аналогично определяется спектральная плотность теплового шума, создаваемого предварительным усилителем
gус (f) = 4KT(F-1) / Rн, (5.12)
где F – коэффициент теплового дума предварительного усилителя.
При определении чувствительности фотоприемников удобно действие тепловых шумов представить одним генератором шумового тока со спектральной плотностью
gТ (f) =4КТ0(tш + F-1) / Rн, (5.13)
где Т0 – нормальная температура, К;
tш – нормализованная шумовая температура выхода предварительного усилителя.
Общая мощность тепловых шумов, создаваемая этим генератором, будет равна
PТ = 4КТ0(tш + F-1) Df. (5.14)
Собственные шумы фотоприемников определяются их типом. Основными видами шумов являются шумы теплового тока, дробовый шум, шумы мерцания и шум, создаваемый источниками питания.
Наиболее существенными составляющими собственных шумов полупроводниковых фотоприемников являются дробовой шум теплового тока, токовый шум, генерационно-рекомбинационный шум и избыточный шум. Генерационно-рекомбинационный шум появляется при протекании тока через переход и обусловлен флуктуациями потока носителей заряда (электронов и дырок). Его мощность равна
. (5.15)
Если полупроводниковый приемник обладает внутренним усилением, например лавинный фотодиод, тогда мощность шума будет равна
, (5.16)
где F = Мх – коэффициент, учитывающий влияние умножения на увеличение шумов.
Мощность шума, вызванного тепловым током, определяется выражением
. (5.17)
На низких частотах преобладающим является избыточный шум. Его называют токовым шумом. Он наблюдается на частотах до 103 Гц и обусловлен задержкой носителей заряда около поверхности материала. Энергетический спектр избыточного шума обратно пропорционален частоте
, (5.18)
где А – коэффициент пропорциональности.
Мощность избыточного шума на выходе фотоприемника равна:
, (5.19)
где f2 и f1 – максимальное и минимальное значения рабочих частот.
Общую мощность шумов фотоприемного устройства можно определить из выражения:
(5.20)
Тогда чувствительность такого фотоприемника будет равна
. (5.21)
Для достижения максимальной чувствительности лавинных фотодиодов необходимо выбрать оптимальное значение коэффициента умножения
, (5.22)
где Un - напряжение источника питания;
Uпроб - напряжение лавинного пробоя;
n = 2...3 – постоянный коэффициент, величина которого зависит от полупроводникового материала;
I – ток протекающий через прибор;
R – эквивалентное сопротивление прибора и нагрузки.
Простейшая высокочастотная модель фотоприемника изображена на рис. 5.4.
Рис.5.4. Высокочастотная модель фотоприемника
Инерционность фотоприемников определяется временем пролета носителей от места их генерации до разделения их переходом и постоянной времени цепочки rп Сд.
Время пролета носителей определяется внутренней структурой фотоприемника. Известны три механизма переноса: диффузия, диффузия при наличии электрического поля, дрейф в электрическом поле.
В сильно инерционных фотоприемниках на основе p-n – перехода, когда преобладающим механизмом переноса носителей является диффузия, при учете поглощения только в p-области, среднее время пролета носителей в базе приблизительно равно
, (5.23)
где hб – толщина базовой p-области;
Dп – коэффициент диффузии электронов.
Механизм переноса путем дрейфа в электрическом поле используется в p-i-n фотоприемниках. Если в i -слое, где поле постоянно, пренебречь рекомбинацией, то частоту, при которой амплитуда сигнала уменьшается на 30%, ориентировочно находят из выражения
, (5.24)
где m – подвижность носителей;
Uобр – обратное напряжение, приложенное к р-i-n структуре;
hi – ширина i-области.
В случае узкой i-области (hi ≈ 0,05 мм) с удельным сопротивлением порядка 1000 Ом см при обратном напряжении Uобр = 50 В значение f0.7 доходит до 400 МГц.
При разработке малоинерционных фотоприемников стараются уменьшить величины rп и Сд. Фотоприемник на основе p-n - перехода подобен конденсатору, для которого р и n области представляют разноименно заряженные пластины, а область объемного заряда – разделяющий их диэлектрик. Ширина области объемного заряда меняется в зависимости от величины приложенного напряжения. С ростом величины обратного смещения ширина области объемного заряда увеличивается и емкость С уменьшается. Емкость фотоприемника Сд можно определить по формуле для плоского конденсатора
, (5.25)
где e0 – диэлектрическая проницаемость вакуума;
e – диэлектрическая проницаемость полупроводника;
S – площадь p-n - перехода.
d – толщина диэлектрика.
Емкость фотоприемника с p-i-n структурой при достаточно больших величинах обратного смещения определяется только шириной i -слоя.
Последовательное сопротивление фотоприемника rп в общем случае включает сопротивление растекания носителей в тонком базовом слое (сопротивление базы), сопротивление толщины полупроводника за p-n - переходом (сопротивление коллектора) и сопротивление контактов. Сопротивление коллектора определяется по формуле
, (5.26)
где rк – удельное сопротивление коллектора;
hk – толщина коллектора;
S – площадь р-n - перехода.
Требования высокой чувствительности и малой инерционности фотоприемников противоречивы. Поэтому в зависимости от конкретных условий применяют различные типы фотоприемников.
Дата добавления: 2017-05-02; просмотров: 1754;