Фототранзистор и лавинно-пролетные фотодиоды

Лекция  №21

Фототранзистор  и лавинно-пролетные  фотодиоды 

4.5 Приемники с внутренним  фотоэффектом 

В приемниках с  внутренним фотоэффектом используют три  основных явления, вызываемых излучением: фотопроводимость, фотогальванический и фотомагнитоэлектрический эффекты .

  Наиболее  широко в приборах ИК-техники  используется явление фотопроводимости.

На этом явлении  основана работа приемников, получивших название фоторезисторов, а также  фотодиодов и фототранзисторов. 

4.5.1 Фототранзисторы 

Фототранзисторы – это полупроводниковые приемники энергии излучения, изменяющие свою проводимость ( сопротивление) при воздействии потока излучения.

  Для возникновения  фотопроводимости энергия фотонов  Ɛ (энергия возбуждения0 принимаемого  излучения должна быть больше  ширины запрещенной зоны  ΔƐ материала полупроводника. Математически это условие можно записать так: 

Ɛ  ≥  ΔƐ = hc/λ                                                         (4.32) 

Если это выражение  сопоставить с формулой (4.29), то увидим, что предельная обнаруживаемая фоторезистором длина волны излучения

λ = hc/ ΔƐ выражается в мкм или, если  ΔƐ выразить в электрон-вольтах.

λ = 1,24/  ΔƐ                                                         (4.33) 

По формуле (4.33) всегда можно определить границу  чувствительности фоторезистора, взяв из справочника по полупроводниковым  материалам значение    ΔƐ. Например, если используется чисто германиевый приемник, то этим приемником можно фиксировать излучение с длиной волны до  

   λ = 1,5 мкм, так как германий имеет   ΔƐ = 0,825 эВ. Для кремниевого приемника   λ = 1,1мкм (ΔƐ = 1,12 эВ), а для сурьмяно-индиевого (InSb)   λ   = 6,6 мкм (ΔƐ = 0,18 эВ при t = 292 K). При охлаждении  InSb-приемников ширина запрещенной зоны увеличивается до 0,23 эВ при 77 К, при этом  λ = 5,5 мкм.  
 
 
 
 
 
 
 

9. Фоторезисторы. 

Фоторезисторы изменяют свою электропроводность под  действием облучения. Имеется собственная и примесная проводимости. Появля.тся дополнительные электронно-дырочные пары (генерация) – п-типа, р-типа.

   Увеличение  температуры уменьшает R, уменьшает τ                      (повышает скорость генерации и рекомбинации), увеличивает λ . 
 
 

Конструктивное  оформление фоторезисторов самое разнообразное  и зависит от места установки и типа аппаратуры, для которой они предназначены. На рис. 4.18, a показано устройство неохлаждаемого сернисто-свинцового фоторезистора. Фоточувствительный слой 1, нанесенный на кварцевую подложку 2, приклеивается к коваровому колпачку (корпусу) 3. Электроды 6, к которым подводится питающее напряжение, припаиваются к золотым контактам 7 фотослоя. Один из электродов 6 (“плюсовой”) изолируется от корпуса с помощью “бусинки” 4. Второй электрод  (“минусовой”) припаивается к корпусу. На колпачок надевается наружная оправа (корпус) 5 с входным окном 9, который служит одновременно и фильтром, отрезающим ненужную часть спектра ИК-излучения. В точках a-a колпачок и оправа свариваются по окружности, после чего внутренняя часть колпачка заливается эпоксидной смолой 8.

  На рис  4.18, б показано устройство более  совершенного неохлаждаемого селеносвинцового  фоторезистора типа СФ4. Конструкция этого фоторезистора разработана с использованием корпуса стандартного транзистора П-14. Фотослой 1, нанесенный на подложку 2, приклеивается к вкладышу (ножке) 10. Электроды 6 выводятся наружу через изоляторы 4. Вкладыш сверху закрывается корпусом 5 с входным окном 9. Корпус и ножка по окружности в местах б-б свариваются в вакуумной установке.

  Из монокристаллических  приемников широкое применение  в ИК-технике получили сурьмяноиндиевые  фоторезисторы InSb (антимонид индия).

Особенностью данного режима работы фотодиода является отсутствие темнового тока неосвещенного фотодиода ( кривая проходит через начало координат). Это является вторым, помимо  отсутствия источника напряжения, достоинством фотогальванического режима работы фотодиодов, поэтому в этом режиме фотодиоды имеют более низкий (лучший) порог чувствительности. Однако для фотодиодного режима работы характерны меньшая инерционность и большая чувствительность по напряжению. Рабочий режим выбирается исходя из максимальной мощности Р, выделяющейся в цепи нагрузки R . Зная Р и задавшись величиной тока i или напряжение U , которое нужно получить на выходе ФД, можно найти R , так как P = U / R , или P = i R .

Основными материалами  для изготовления фотодиодов служат германий и кремний. Интегральная чувствительность кремниевых ФД достигает 6…7 мА/лм ( для источника с T = 2850 K), а у германиевых – 25…30 мА/лм. Темновой ток кремниевых ФД в фотодиодном режиме работы не превышает 3мкА при U = 20 B, в то время как у германиевых ФД при  U = 10 В  i = 15…20 мкА

 Лавинно-пролетные (ЛФД) и  p – I - n  фотодиоды. Для повышения фоточувствительности фотодиодов в них используют эффект лавинного усиления. Такие  фотодиоды назвали лавинными. В ЛФД используется принцип внутреннего усиления фототока за счет лавинообразного нарастания числа носителей заряда. Лавинное усиление получается за счет увеличения разности потенциалов  в  p – n переходе при повышении напряжения на ФД. При определенном напряжении наступает так называесый лавинный пробой, при котором одному фотоэлектрону в n-области сообщается такая энергия, при которой он способен не только преодолеть потенциальный барьер

P – n- переходе, но и ионизировать атомы в p-области (с большим положительным потенциалом), вызывая возбуждение уже многих электронов т.е. усиливая ток. При этом коэффициент усиления германиевых ЛФД достигает значений 200…300, а у кремниевых до 10 …10 . Однако для достижения таких усилений напряжение смещения на ФД необходимо увеличить до сотен вольт, вместо единиц и десятков вольт у обычных ФД. Обычные ФД имеют τ = 10 …10 с, вследствие  чего ограничивается возможность их применения в широкополосных системах обработки информации (лазерных дальномерах и локаторах, волоконно-оптических линиях связи и др.

  Для уменьшения  τ используют так называемые  p – I – n ФД. Такой фотодиод состоит из трех последовательных областей : из тонкой сильно легированной n-области, более толстого слоя с очень малой концентрацией примеси – I, и так же, как и n-область, сильно легированной p-области. При приложении е i- области обратного напряжения смещения, создающего высокую напряженность электрического поля, область пространственного заряда занимает всю ширину i-области и в ней происходит увеличение скорости дрейфа носителей зарядов, образовавшихся под дкействием излучения. Вследствие этого времени пролета носителей заряда через p – n-переход, определяющее постоянную времени, резко сокращается. Это время в p – I – n  ФД составляет 10 …10 с. Однако и в этом случае напряжение смещения составляет 100 … 1000 В. 
 
 

4.5.4 Многодиапазонные  приемники 

В целях увеличения помехозащищенности ИК-систем и лучшего выделения объектов (предметов) на фоне местности или других объектов применяются многодиапазонные приемники ИК-излучения. Такие приемники способны принимать излучение от одного и того же участка местности или объекта одновременно в нескольких спектральных диапазонах. Благодаря этому можно распознавать объекты по соотношению сигналов в различных диапазонах волн.