Фотодиод в оптоэлектронике
1. Введение и постановка задачи
2. Физические основы внутреннего фотоэффекта
3. Принцип действия фотодиода
4. Практическая часть (исследование характеристик фотодиода)
5. Применение фотодиода в оптоэлектронике
6. Заключение
7. Литература
1.ВВЕДЕНИЕ И ПОСТАНОВКА ЗАДАЧИ
В наши дни прогресс в различных областях науки и техники немыслим без приборов оптической электроники. Оптическая электроника уже давно играет ведущую роль в жизни человека. А с каждым годом ее внедрение во все сферы человеческой деятельности становится все интенсивнее. И этому есть свои причины. Устройства оптоэлектроники имеют ряд отличий от других устройств. Можно выделить следующие их достоинства.
а) Высокая информационная емкость оптического канала, связанная с тем, что частота световых колебаний (около 1015 Гц) в 103-104 раз выше, чем в освоенном радиотехническом диапазоне. Малое значение длины волны световых колебаний обеспечивает высокую достижимую плотность записи информации в оптических запоминающих устройствах (до 108 бит/см2).
б) Острая направленность светового излучения, обусловленная тем, что угловая расходимость луча пропорциональна длине волны и может быть меньше одной минуты. Это позволяет концентрированно и с малыми потерями передавать электромагнитную энергию в заданную область пространства. В малогабаритных электронных устройствах лазерный луч может быть направлен на фоточувствительные площадки микронных размеров.
в) Возможность двойной – временной и пространственной модуляции светового луча. Минимальная элементарная площадка в плоскости, перпендикулярной направлению распространения, которая может быть выделена для независимой модуляции части луча близка к ?2(108 см2). Это позволяет производить параллельную обработку информацию, что очень важно при создании высокопроизводительных комплексов.
г) Так как источник и приемник в оптоэлектронике не связаны друг с другом электрически, а связь между ними осуществляется только посредством светового луча (электрически нейтральных фотонов), они не влияют друг на друга. И поэтому в оптоэлектронном приборе поток информации передается лишь в одном направлении – от источника к приемнику. Каналы, по которым распространяется оптическое излучение, не воздействуют друг на друга и практически не чувствительны к электромагнитным помехам (отсюда и высокая помехозащищенность).
д) возможность непосредственного оперирования со зрительно воспринимаемыми образами: фотосчитывание, визуализация (например, на жидких кристаллах).
Любое оптоэлектронное устройство содержит фотоприемный блок. И в большинстве современных оптоэлектронных устройств фотодиод представляет основу фотоприемника.
Фотодиоды обладают наилучшим сочетанием фотоэлектрических параметров, основных с точки зрения использования в оптоэлектронике: высокие значения чувствительности и быстродействия, малые значения паразитивных параметров (например, ток утечки). Простота их устройства позволяет достигнуть физического и конструкционного оптимума и обеспечить наиболее полное использование падающего света.
В сопоставлении с другими, более сложными фотоприемниками, они обладают наибольшей стабильностью температурных характеристик и лучшими эксплуатационными свойствами.
Основной недостаток, на который обычно указывают, - отсутствие усиления. Но он достаточно условен. Почти в каждом оптоэлектронном устройстве фотоприемник работает на ту или иную согласующую электронную схему. И введение усилительного каскада в нее значительно проще и целесообразнее, чем придание фотоприемнику несвойственных ему функций усиления.
Ну а целью моей работы является исследование характеристик фотодиода: вольт-амперной характеристики, коэффициента полезного действия.
2.ФИЗИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ВНУТРЕННЕГО ФОТОЭФФЕКТА
Падающий на вещество поток света может испытывать отражение, поглощение или проходить насквозь.
Если поглощенный свет приводит к такому увеличению энергии электронов, что они покидают объем, занимаемый веществом, говорят о внешнем фотоэффекте. Если при освещении изменяется энергетическое состояние носителей заряда внутри твердого тела, то мы имеем дело с внутренним фотоэффектом. При этом добавочная проводимость, обусловленная носителями заряда, созданными излучением, называется фотопроводимостью.
При внутреннем фотоэффекте первичным актом является поглощение фотона. Поэтому процесс образования свободных носителей заряда под воздействием излучения будет проходить по-разному в зависимости от особенностей процесса поглощения света. К тому же поглощенный свет не всегда вызывает фотоэффект.
Существует несколько видов поглощения света.
а) собственное поглощение.
Этот вид поглощения имеет место в том случае, когда оптическое возбуждение электронов происходит из валентной зоны в зону проводимости. Для полупроводника с прямыми долинами при вертикальных переходах энергия фотона h? должна быть не меньше ширины запрещенной зоны, то есть
h? Eg.
Для сильно легированного полупроводника n-типа когда уровень Ферми расположен выше края зоны проводимости на величину ?n, нижняя граница фотопроводимости будет соответствовать
h? = Eg + ?n.
В сильно легированном полупроводнике p-типа уровень Ферми лежит на величину ?p ниже края валентной зоны, поэтому
h? = Eg + ?p.
При больших энергиях фотонов поглощение в фундаментальной области ведет к увеличению фотопроводимости за счет роста коэффициента поглощения ?. В случае собственного поглощения ? достигает наибольшей величины – (106 см-1). Вместе с тем такое поглощение увеличивает концентрацию носителей заряда вблизи поверхности полупроводника или диэлектрика, которые имеют меньшее время жизни, чем носители заряда в объеме.
б) примесное поглощение.
Такое поглощение при наличии в запрещенной зоне полупроводника локальных уровней примеси может вызвать переходы электронов между уровнями примеси и зонами. Фотопроводимость, обусловленная такими переходами, называется примесной фотопроводимостью. Для реализации таких переходов нужна меньшая энергия кванта, чем для реализации переходов из валентной зоны в зону проводимости. Поэтому примесное поглощение имеет место при больших длинах волн падающего света.
в) экситонное поглощение.
При экситонном поглощении света имеет место создание связанной пары электрон-дырка, которая является электрически нейтральным образованием. Поэтому поглощение света, связанное с образованием экситонов, первоначально не ведет к возникновению свободных носителей заряда. Однако в реальных кристаллических структурах экситоны имеют значительно большую вероятность диссоциировать безызлучательно (с образованием электронов и дырок), чем рекомбинировать с испусканием кванта света. Таким образом, образование экситонов в конечном итоге ведет к возникновению свободных носителей заряда, а следовательно, и фототока. Экситонное поглощение, характеризующееся узкими полосами поглощения, определяет и узкие полосы фототока. При этом спектр фототока в области экситонного поглощения будет зависеть от состояния поверхности. Состояние поверхности полупроводника можно легко изменить путем воздействия на нее (механическое, химическое и т.д.). Таким образом можно изменить характер наблюдаемого спектра фототока, обусловленного экситонным поглощением.
г) поглощение свободными носителями заряда.
Поглощение света свободными носителями заряда сопровождается увеличением их энергии. При этом, в отличие от рассмотренных выше трех видов поглощения, число свободных носителей не изменяется. Но вместе с тем изменяется подвижность носителей заряда.
д) поглощение кристаллической решеткой.
В результате такого поглощения увеличивается амплитуда колебаний узлов решетки. В этом случае не изменяется ни концентрация носителей заряда, ни их подвижность. Поэтому поглощение света кристаллической решеткой не является фотоактивным.
Поглощение света свободными носителями заряда и кристаллической решеткой не могут непосредственно вызвать изменение концентрации носителей заряда. Однако возрастание концентрации носителей заряда в этих случаях может происходить в результате вторичных эффектов, когда поглощение света значительно увеличивает кинетическую энергию свободных носителей заряда или увеличивает концентрацию фононов, которые затем отдают свою энергию на возбуждение носителей заряда.
3.ПРИНЦИП ДЕЙСТВИЯ ФОТОДИОДА
Полупроводниковый фотодиод – это полупроводниковый диод, обратный ток которого зависит от освещенности.
Обычно в качестве фотодиода используют полупроводниковые диоды с p-n переходом, который смещен в обратном направлении внешним источником питания.
При поглощении квантов света в p-n переходе или в прилегающих к нему областях образуются новые носители заряда. Неосновные носители заряда, возникшие в областях, прилегающих к p-n переходу на расстоянии, не превышающей диффузионной длины, диффундируют в p-n переход и проходят через него под действием электрического поля. То есть обратный ток при освещении возрастает. Поглощение квантов непосредственно в p-n переходе приводит к аналогичным результатам. Величина, на которую возрастает обратный ток, называется фототоком.
Свойства фотодиода можно охарактеризовать следующими характеристиками.
а) вольт-амперная характеристика фотодиода представляет собой зависимость светового тока при неизменном световом потоке и темнового тока Iтемн от напряжения.
б) световая характеристика фотодиода, то есть зависимость фототока от освещенности, соответствует прямой пропорциональности фототока от освещенности. Это обусловлено тем, что толщина базы фотодиода значительно меньше диффузионной длины неосновных носителей заряда. То есть практически все неосновные носители заряда, возникшие в базе, принимают участие в образовании фототока.
г) спектральная характеристика фотодиода – это зависимость фототока от длины волны падающего света на фотодиод. Она определяется со стороны больших длин волн шириной запрещенной зоны, при малых длинах волн большим показателем поглощения и увеличения влияния поверхностной рекомбинации носителей заряда с уменьшением длины волны квантов света. То есть коротковолновая граница чувствительности зависит от толщины базы и от скорости поверхностной рекомбинации. Положение максимума в спектральной характеристике фотодиода сильно зависит от степени роста коэффициента поглощения.
д) постоянная времени – это время, в течение которого фототок фотодиода изменяется после освещения или после затемнения фотодиода в е раз (63%) по отношению к установившемуся значению.
е) темновое сопротивление – сопротивление фотодиода в отсутствие освещения.
ж) интегральная чувствительность
K = Iф/,
где Iф – фототок, – освещенность.
з) инерционность.
Существует 3 физических фактора, влияющих на инерционность: 1) время диффузии или дрейфа неравновесных носителей через базу ? ; 2) время пролета через p-n переход ?i ; 3) время перезарядки барьерной емкости p-n перехода, характеризующееся постоянной времени RСбар.
Время диффузии носителей заряда через базу можно определить (аналогично времени пролета носителей заряда через базу транзистора) для бездрейфового:
tпрол =,
и дрейфового:
tпрол =
?g 50 нс.
Время пролета через p-n переход:
?i = ,
где ? - толщина p-n перехода, vmax – максимальная скорость дрейфа носителей заряда (vmax для кремния и германия равна 5*106 см/c).
Толщина p-n перехода, зависящая от обратного напряжения и концентрации примесей в базе, обычно меньше 5 мкм, а значит ?i=0.1 нс. RCбар определяется барьерной емкостью p-n перехода, зависящей от напряжения и сопротивления базы фотодиода при малом сопротивлении нагрузки во внешней цепи. Величина RСбар порядка нескольких наносекунд.
4.ПРАКТИЧЕСКАЯ ЧАСТЬ
Расчет КПД фотодиода.
КПД вычисляется по формуле:
,
где Pосв – мощность освещенности, I – сила тока, U – напряжение на фотодиоде.
Максимальная мощность фотодиода соответствует максимальной площади данного прямоугольника.
Мощность Освещенности, МВт Сила тока, мА Напряжение, В КПД, %
1 0.0464 0.24 1.1
3 0.1449 0.41 2
5 0.248 0.26 1.3
7 0.242 0.45 1.6
Среднее значение: 1.5%.
Вывод: коэффициент полезного действия фотодиода согласно полученным данным составил в среднем 1.5%.
5.ПРИМЕНЕНИЕ ФОТОДИОДА В ОПТОЭЛЕКТРОНИКЕ
Фотодиод является составным элементом во многих сложных оптоэлектронных устройствах. И поэтому он находит широкое применение.
а) оптоэлектронные интегральные микросхемы.
Фотодиод может обладать большим быстродействием, но его коэффициент усиления фототока не превышает единицы. Благодаря наличию оптической связи оптоэлектронные интегральные микросхемы обладают рядом существенных достоинств. Почти идеальная гальваническая развязка управляющих цепей при сохранении между ними сильной функциональной связи.
б) многоэлементные фотоприемники.
Эти приборы (сканистор, мишень кремникона, фотодиодная матрица с управлением на МОП-транзисторе, фоточувствительные приборы с зарядовой связью и другие) относятся к числу наиболее быстро развивающихся и прогрессирующих изделий электронной техники. Сочетая в себе успехи физики дискретных фотоприемников и новейшие технологические достижения больших интегральных схем, многоэлементные фотоприемники вооружают оптоэлектронику твердотельным «глазом», способным реагировать не только на яркостно-временные, но и на пространственные характеристики объекта, то есть воспринимать его полный зрительный образ.
Для успешного выполнения этих функций необходимо, чтобы число элементарных фоточувствительных ячеек в приборе было достаточно большим, поэтому кроме всех проблем дискретного фотоприемника (чувствительность, быстродействие, спектральная область) приходится решать и проблему считывания информации. Все многоэлементные фотоприемники представляют собой сканирующие системы, то есть устройства, позволяющие производить анализ исследуемого пространства путем последовательного его просмотра (поэлементного разложения).
Принцип восприятия образов этими системами сводится к следующему. Распределение яркости объекта наблюдения превращается в оптическое изображение и фокусируется на фоточувствительную поверхность. Здесь световая энергия переходит в электрическую, причем отклик каждого элемента (ток, заряд, напряжение) пропорционален его освещенности. Яркостная картина преобразуется в электрический рельеф. Схема сканирования производит периодический последовательный опрос каждого элемента и считывание содержащейся в нем информации. В конечном счете, на выходе устройства мы получаем последовательность видеоимпульсов, в которой закодирован воспринимаемый образ.
При создании многоэлементных фотоприемников стремятся обеспечить наилучшее выполнение ими функций преобразования и сканирования.
в) оптроны.
Оптроном называется такой оптоэлектронный прибор, в котором имеются источник и приемник излучения с тем или иным видом оптической и электрической связи между ними, конструктивно объединенные и помещенные в один корпус.
В электронной схеме оптрон выполняет функцию элемента связи, в одном из звеньев которого информация передается оптически. Это основное назначение оптрона. Если между компонентами оптрона создать электрически обратную связь, то оптрон может стать активным прибором, пригодным для усиления и генерации электрических и оптических сигналов.
Принципиальное отличие оптронов как элементов связи заключается в использовании для переноса информации электрически нейтральных фотонов, что обуславливает ряд достоинств оптронов, которые присущи и всем остальным оптоэлектронным приборам в целом. Хотя у оптронов есть, разумеется, и свои недостатки.
Оптронная техника базируется на достижениях в области физики и технологии излучателей и фотоприемников.
6.ЗАКЛЮЧЕНИЕ
Важная особенность фотодиодов – высокое быстродействие. Они могут работать на частотах до нескольких миллионов герц. Фотодиоды обычно изготовляют из германия или кремния.
Фотодиод является потенциально широкополосным приемником. Этим и обуславливается его повсеместное применение.
В будущем крайне важно повышение рабочей температуры фотодиодов. Оценивая сегодняшнюю оптоэлектронику в целом, можно сказать, что она скорее «криогенная», чем «комнатная».
Будущее оптоэлектроники находится в прямой зависимости от прогресса фотодиодных структур. Оптическая электроника бурно развивается, разрабатываются новые типы фотоприемников, и наверняка уже скоро появятся фотодиоды на основе новых материалов с большей чувствительностью, повышенным быстродействием и с улучшенными характеристиками в целом.
7.ЛИТЕРАТУРА
1) Роках А. Г. Фотоэлектрические явления в полупроводниках и диэлектриках. - Саратов: Издательство Саратовского университета, 1984.
2) Названов В. Ф. Основы оптоэлектроники. – Саратов: Издательство Саратовского университета, 1980.
3) Носов Ю. Р. Оптоэлектроника. – М.: Советское радио, 1977.
4) Василевский А. М. и др. Оптическая электроника/ А. М. Василевский, М. А. Кропоткин, В. В. Тихонов. – Л.: Энергоатомиздат. Ленингр. Отд-ние, 1990.
5) Шалимова К. В. Физика полупроводников. – М.: Энергия, 1976.
6) Пасынков В.В. и др. Полупроводниковые приборы/ В.В. Пасынков, Л.К. Чиркин, А.Д. Шинков. – М.: Высшая школа, 1973.
7)