Курсовая работа: Внутренний фотоэффект
Существуют важные разновидности фотодиодов: p-i-n диоды - а, лавинные - б, гетерофотодиоды - в (рисунок 2.5) и др.
Рисунок 2.5 – Структура p-i-n, лавинного и гетерофотодиода
В p-i-n имеются три области - сильнолегированная n+ - область, область с малой концентрацией примеси (i-область) и сильнолегированная р+ - область. В лавинных фотодиодах реализуется усиление тока, обусловленное умножением числа носителей за счет ионизации атомов кристаллической решетки.
Гетерофотодиоды используют слоистую структуру из разных полупроводниковых материалов.
Преимущество этих трех реализаций состоит в том, что достигается высокая чувствительность при высоком быстродействии.
На рисунке 2.6 показана спектральная характеристика гетероэпоксиального p-i-n диода с гетеропереходом тонкого р-слоя Ga1-х Alx Asи р и nслоев GaAs. Видно, что фотодиоды такого вида с успехом могут использоваться в видимой и ультрафиолетовой области спектра. Такие фотодиоды имеют расширенный температурный диапазон использования.
Рисунок 2.6 - Спектральная характеристика p-i-n-диода с гетеропереходом Ga1-х Alx As - GaAs
Лавинные фотодиоды на основе кремния обладают внутренним усилением до 103, высокой чувствительностью до 1 А/Вт на длине волны λ= 0,9 мкм, малой инерционностью - до 0,5 нс, низким порогом – до 10-15 Вт/Гц1/2. Биполярный фототранзистор имеет два р-n перехода. Фотовоспринимающей частью является освещаемая часть перехода база - коллектор (рисунок 2.7). Следует только иметь в виду, что во столько же раз, на столько фоторезистор усиливает фототок и во сколько увеличивается интегральная чувствительность по сравнению с аналогичным фотодиодом, уменьшается предельная частота, т.е. произведение коэффициента усиления на ширину полосы остается неизменным и соответствует этой величине для фотодиода. Спектральные характеристики фототранзисторов из германия и кремния аналогичны характеристикам фотодиодов.
Рисунок 2.7 - Структура биполярного фототранзистора
Рисунок 2.8 - Структура полевого фототранзистора
Структура полевого фототранзистора представлена на рисунке 2.8. Такие транзисторы характеризуются высоким входным сопротивлением (до 106 Ом) и имеют хорошие пороговые характеристики, высокое быстродействие (вследствие отсутствия инжекции и диффузионной емкости на входе). Эти фототранзисторы имеют лучшую температурную стабильность и повышенную радиационную стойкость по сравнению с биполярными фото-транзисторами.
В тепловых фотоприемниках энергия оптического излучения преобразуется в тепловую при ее поглощении приемной площадкой. Приемная площадка покрывается высокопоглощающим покрытием с коэффициентом черноты более 0,9. Такие покрытия не селективны и поглощают интегральный тепловой поток во всем диапазоне длин волн падающего излучения. Приемная площадка изолируется от конструкции фотоприемника, благодаря чему по изменению температуры нагрева площадки можно судить о величине падающего потока излучения.
По способу изменения температуры приемника тепловые фотоприемники подразделяются на термоэлектрические, болометрические, пироэлектрические.
Термоэлектрические приемники используют фольговые термобатареи. Для повышения чувствительности и быстродействия таких приемников уменьшают размеры приемных площадок. Так, в радиационных термометрах для измерения температуры в диапазоне -60...+100 °С используют приемные площадки диаметром 3 мм с поглощением излучения в области от 0,4 до 25 мкм, чувствительностью 0,1 В/Вт и постоянной времени 0,4 с.
В болометрах используется терморезистивный способ измерения температуры. Приемной площадкой является сам чувствительный элемент с теплопоглощающим покрытием.
В качестве терморезистивного материала используются металлы или полупроводники в виде автономной фольги либо пленки, нанесенной на изоляционную подложку. Порог чувствительности таких болометров находиться на уровне 10-6 К.[1]
2.2 Датчики положения
С помощью датчиков положения можно бесконтактным способом дистанционно регистрировать процессы перемещения и управлять ими. Пример применения такого датчика показан на рисунке 2.9.
Например, нужно зарегистрировать вибрацию какого-либо механизма в процессе работы при различных нагрузках. Для этого на нем в характерном месте устанавливают светодиод (излучатель).
Излучение этого светодиода с помощью отображающей оптики (например, линзы) фокусируется на датчике положения.
Рисунок 2.9 - Схема устройства для регистрации вибрации механизма
В принципе такой датчик состоит из удлиненного pin-диода с двумя выходными электродами с одной стороны и одним электродом с противоположной стороны (рисунок 2.10).
Рисунок 2.10 - Структура датчика положения: подложка из высокочистого кремния является i-областью с собственной проводимостью