Реферат: Фотоприймачі з внутрішнім підсиленням

Мал. 1.2. Схеми вмикання діода у фотодіодному (а) і фотовентильному (б)

режимах

Фотодіодний режим використання p-n-переходів і інших аналогічних структур має визначені переваги по відношенню до фотовентильного: висока швидкодія, краща стабільність характеристик, великий динамічний діапазон лінійності характеристик, підвищена фоточутливість у довгохвильовій області. Недолік фотодіодного режиму пов'язаний із темновим струмом, що проходить через прилад при оберненому зсуві за відсутності випромінювання. В опорі навантаження створюється напруга зсуву, значення котрої експоненціально залежить від температури. Надлишковий шум і шум, обумовлений температурними коливаннями напруги зсуву, зникають, якщо діод знаходиться при нульовому зсуві. Тому фотовентильний режим може виявитися кращим від фотодіодного. Енергетичні характеристики фотоелементів близькі до лінійного при малих опорах навантаження і є логарифмічними (залежність фотовідповіді від інтенсивності засвітки) при великому навантаженні.

?????? ????????? ????????? ? ???? ?????-??????? ?????????????? (???) ???????? ?? ???. 1.3.

Мал.1.3 ВАХ фотодіода (a) і його структурна схема (б).

Оцінимо розмір фотоструму для простого випадку, коли випромінювання поглинається в n-області і інтенсивність світла постійна по товщині (<< 1). Тут – ширина бази. При оберненому зсуві процес переносу генерованих світлом носіїв заряду не відрізняється від переносу зрівноважених носіїв в n-базі. Для визначення фотоструму можна скористатися формулою для оберненого струму p-n-переходу, яка для випадку p_p >>n_n має вигляд:

І_нас = gSL_p p _n / _p.

Це cтрум незрівноважених носіїв заряду, що генеруються з темпом p_n /_p в шарі бази шириною, рівною довжині дифузії неосновних носіїв (дірок) L_p . За аналогією фотострум

І_ф = qS(р / _p ) ,

де p – концентрація генерованих світлом носіїв. Оскільки << L_p , то

підставляючи p = _p Ф, одержуємо:

І_ф = q S Ф = qcS Ф ( 1.1)

Тут S – площа світлоприйомної поверхні; c = – безрозмірний коефіцієнт, що характеризує частку випромінювання, що поглинається в базі. У фотодіодів на основі p-n-переходу є багато переваг, головним із яких є мала інерційність.

ФОТОТРАНЗИСТОРИ

Біполярний фототранзистор являє собою напівпровідникову структуру, у якій є два p-n-переходи (мал. 1.4). Прилад можна уявити таким що складається із фотодіода і транзистора .Фотодіодом є освітлювана частина переходу база - колектор, транзистором - частина структури, розташована безпосередньо під емітером. Можливі три схеми включення фотодіода як двохполюсника, коли один із виводів залишається вільним: із вільним колектором, із вільним емітером і з вільною базою. Перші дві з цих схем не відрізняються від схеми

???????? p-n-???????? ? ???????????? ??????.

Мал. 1.4. Включення транзистора з відключеною базою.

Розглянемо роботу транзистора в схемі з загальним емітером (ЗЕ) при відключеній базі за відсутності освітлення (див. мал. 1.4). Оскільки колекторний p-n-перехід включений в оберненому напрямку, уся прикладена напруга падає на ньому і після вмикання струм у ланцюзі дорівнює оберненому струмові окремо взятого колекторного переходу І_{КБ 0} . Цей струм складається з струму дірок із бази в колектор і струму електронів із колектора в базу. Відхід із бази дірок і прихід у неї електронів призводить до утворення негативного заряду в базі. Внаслідок цього потенційний бар'єр емітерного переходу знижується і для компенсації негативного заряду в базу з емітера входять дірки. Позначимо через h_21Б коефіцієнт передачі (підсилення) емітерного струму транзистора: h_21Б = (І_к / І_е )_U=const . Для аналізованого випадку (ЗЕ) h_21Б -а частина інжектованих дірок проходить через базу в колектор і в компенсації негативного заряду в базі бере участь тільки (1- h_21Б )-а частина діркового струму емітера І_е . З умови електронейтральності струм, що утворює заряд, повинен бути рівний струмові, що його компенсує, тобто І_е (1-h_21Б ) = І_КБ0. Струм у всіх ділянках послідовного ланцюгу однаковий, тому

І = І_е = І_к і I = І_КБ0 / (1- h_21Б ) .

При освітленні бази фотострум збільшує обернений струм колекторного переходу, включеного в оберненому напрямку, тому що фотострум підсумовується з колекторним струмом.

На даний час відомі складні інтегральні мікросхеми з фототранзисторами. Прикладом є складовий транзистор-тверда схема з трьома транзисторами, сполученими за схемою Дарлінгтона, яку можна розглядати як емітерний повторювач. Коефіцієнти підсилення таких приладів можуть досягати h³ ₂₁ , що при достатньо великих струмах складає 10⁵ … 10⁶ . У складових фототранзисторах досягаються малі значення границі чутливості. Вони відрізняються високим вхідним опором. Висока фоточутливість, широкий температурний діапазон роботи, простота технології виготовлення і висока надійність фототранзистора обумовлюють його застосування в різноманітних оптоелектронних пристроях. Наприклад, на основі фототранзистора розроблені

оптоелектроні перемикачі, що комутують струми до декількох десятків міліампер із швидкодією приблизно 10^-6 с, комутатори аналогових сигналів, що переключають напруги до 1 мВ, смугою пропускання до десятків мегагерц, фотоприйомні матриці з накопиченням і інші пристрої.

Створення кремнієвих фотоприймачів припускає можливість використання технологічних прийомів виготовлення інтегральних схем. Це забезпечує високу ефективність їх застосування в системах мікрофотоелектроніки. Структури деяких кремнієвих фотоприймачів із внутрішнім підсиленням приведені на мал. 1.5.

???. 1.5. ???????? ????????? ????????????? ? ?????????? ???????????:

а - фототранзистор;

б - складовий фототранзистор;

в - фототиристор.

Еквівалентна електрична схема таких приладів може бути зведена до комбінації фотодіода й одного або декількох транзисторів. Якщо коефіцієнт підсилення транзисторної частини еквівалентної схеми складає h_21ЕКВ , то струмова чутливість фотоприймача з підсиленням у h_21ЕКВ раз вище, ніж чутливість еквівалентного діода.

РОЗДІЛ 2. ФОТОДІОДИ З ВНУТРІШНІМ ПІДСИЛЕННЯМ

ІНЖЕКЦІЙНІ ФОТОДІОДИ

Інжекційні фотодіоди (ІФД) – новий клас фотоприймачів. В них реалізується внутрішнє інжекційне підсилення. Основні принципи роботи ІФД були сформульовані наприкінці 50-х років , проте повною мірою можливості практичного використання їх вивчені лише останнім часом.

ІФД являє собою p-i -n-структуру (мал.2.1), на яку подається напруга в пропускному напрямку. Довжина високоомної базової i -області, що являє собою компенсований глибокими домішками напівпровідник, в декілька раз (3-10 і більше) перевищує довжину дифузійного зсуву неосновних носіїв заряду L_n,р. Такі структури називають також довгими діодами. При підключенні джерела живлення вони працюють у режимі біполярної інжекції.

Мал.2.1 Структура діода з довгою базою.

Фотоелектричне інжекційне підсилення полягає в тому, що засвітка з області власного або примісного поглинання, модулюючи опір базової області, викликає додаткову зміну інжекції носіїв через p-n-перехід. Освітлення призводить до зміни опору бази як за рахунок безпосереднього збільшення концентрації носіїв (як у фоторезисторі), так і за рахунок зміни параметрів, що визначають розподіл незрівноважених носіїв у базовій області (час життя, біполярна рухливість і ін.). На відміну від звичайних фотоприймачів (оберненозміщені фотодіоди, фототранзистори), у яких використовується фотодіодний ефект-розподіл незрівноважених носіїв потенційним бар'єром, у ІФД сполучаються фоторезистивний ефект з інжекцією через прямозміщений перехід. Оскільки інжектуючий p-n-перехід включений послідовно з опором базової області, то зміна останнього призводить до зміни інжекційного струму і подальшої модуляції опору бази. У такий спосіб забезпечується підсилення початкового (первинного) фотоструму, тобто самопомноження струму. Внесок інжектованих носіїв у збільшення інтегральної провідності напівпровідника набагато перевищує внесок носіїв, збуджених світлом. У якості критерію ефективності ІФД проводять порівняння його чутливості з фоточутливістю аналогічного (еквівалентного) фоторезистора, виготовленого з того ж матеріалу, що і база діода, і що має ті ж геометричні розміри.

Коефіцієнт інжекційного підсилення (відношення фоточутливостей ІФД і фоторезистора) можна уявити у вигляді добутку K_іп = K_j K_g . Тут K_j відбиває внесок у повне інжекційне підсилення компоненти, обумовленої внутрішнім позитивним зворотним зв'язком; K_j характеризує розходження в крутизні ВАХ інжекційного діода й аналогічного фоторезистоpa. Якщо ділянка ВАХ S-діода поблизу точки зриву, де крутизна велика, достатньо стійкий, то і підсилення K_j може бути великим. Воно реалізується як при власній, так і при примісній засвітці.

Величина K_g характеризує підсилення, обумовлене безпосередньо впливом засвітки на параметри розподілу незрівноважених носіїв у базі. Тому його називають “параметричним” підсиленням .Особливо сильно воно виявляється при примісній засвітці.

За рахунок підсилення за допомогою позитивного зворотного зв'язку (K_j ) не можна домогтися збільшення добротності фотодіода (твір коефіцієнта підсилення на смугу пропускання), тому що разом із фотовідповіддю в K_j раз зростає інерційність. Збільшення добротності можна домогтися в принципі лише при параметричному підсиленні.

Інжекційне підсилення при t -механізмі фотопровідності може виявлятися при дії власної і примісної засвіток і пов'язане з перезарядженням примісних рівнів в базі діода. Існує критична інтенсивність оптичної генерації g_кр , така, що при g < g_кр напруга зриву U_зp зменшується з ростом інтенсивності світла. Струм зриву І_зр при цьому залишається практично незмінним. Якщо g > g_кр , провідність бази істотно зростає і суттєвим стає падіння напруги на p-n-переході. Напруга при цьому слабко залежить від інтенсивності засвітки, а струм зриву помітно збільшується з ростом g .

Зневажаючи падінням напруги на p-n-переході, коефіцієнт підсилення можна записати у вигляді: K_іп = І_зр0 / (І_зр0 - І) де І_зр0 – щільність cтруму зриву за відсутності освітлення. Поблизу точки зриву K_g = 2, K_j = 0,5 І_зр0 / (І_зр0 - І). При І → І_зр0 підсилення може бути дуже великим.