|
| |
|
Слаботочка Книги дела оптоэлектроники - ИК-техники - важны фотоприемники, имеющие высокую чувствительность в спектральных областях, соответствующих «окнам прозрачности» атмосферы, т. е. 3...5 и .8... 14 мкм. В дополнение к этому от оптоэлектронных фотоприемников требуется и высокий КПД энергетического преобразования: лишь при этом условии могут быть созданы подлинно микроэлектронные устройства, использующие миниатюрные генераторы и приемники оптического излучения; в противном случае возникает проблема теплоотвода, препятствующая миниатюризации . 2. Высокое быстродействие, обязательное практически для всех устройств генерации, обработки, передачи, хранения информации. Современный уровень допустимой инерционности фото-приемников характеризуется временами переключения т=10-... .. 10-° с, для решения перспективных задач оптоэлектроники требуется продвижение в область т= 10-"... 10- с. Режим высокоскоростного переключения автоматически ведет к использованию достаточно ньзкоомных нагрузочных резисторов (в противном случае перезарядка паразитных емкостей оказывается слишком инерционной), а это не позволяет работать с минимальным отношением сигнал-шум. Иными словами, быстродействующие фотоприемники должны использоваться вдали от порога чувствительности, поэтому такие характеристики, как обнаружительная способность, уровень шумов, оказываются не определяющими. В этом заключается существенное отличие от фотоприемников, предназначенных для регистрации слабых излучений, особенно в ИК-Диапазоне. Из требования малой емкости однозначно вытекает и необходимость малой площади фоточувствительной поверхности прибора. Это обстоятельство практически не является ограничивающим, так как дискретные оптические сигналы обычно поступают из малых апертур: излучающая зона полупроводникового лазера, торец волоконного световода и т. п. Существенно по-иному формулируются требования к фотоприемникам световых образов: 1. Многоэлементность: лишь прибор с большим числом элементарных фоточувствительных ячеек способен воспринимать весь образ сразу; при этом пространственная разрешающая способность восприятия тем выше, чем больше число ячеек. 2. Совместимость фоточувствительного растра с электронной схемой считывания (сканирования) воспринятой информации; оптимальным является вариант, когда обе части устройства могут быть конструктивно и технологически объединены (в виде интегральной схемы) - в этом случае говорят о встроенном сканировании или самосканировании. 3. Широкий спектр, например, видимый диапазон. Для большинства традиционных фотоприемников это требование непосредственно не выдвигается, так как источник излучения находится вне разрабатываемой системы. 4. Режим фотонного накопления, в котором могут использоваться рассматриваемые фотоприемники, так как смена воспринимаемых образов достаточно инерционна (время «кадра» 1/25с,, что характерно, например, для телевидения и кино). Отметим,, что хотя фотоприемник воспринимает медленно изменяющуюся информацию, это отнюдь не означает отсутствие требований к быстродействию каждой его элементарной ячейки и схемы сканирования. 5. Широкий рабочий динамический диапазон, так как практически в любой картине соседствуют яркие и бледные области. 6. Минимальный уровень шумов (при сохранении высокой фоточувствительности), так как статичность наблюдаемых картин позволяет использовать фотоприемник вблизи порога чувствительности. Итак, кратко две основные группы оптоэлектронных фотоприемников формулируются следующим образом: дискретные (одноэлементные) фотоприемники с малой апертурой (малой площадью активной поверхности), высокой монохроматической чувствительностью в заданной части спектра (в основном 0,4-1,55 мкм) с высоким быстродействием, предназначенные для приема коротких оптических импульсов; многоэлементные фотоприемники с самосканированием, высокой разрешающей способностью, высокой фоточувствительностью и низким уровнем шумов в широкой спектральной области (главным образом в видимом диапазоне), предназначенные для восприятия световых образов. Лучшими среди фотоприемников первой группы являются фотодиоды (особенно кремниевые с р-г-«-структурой и лавинные), среди второй - фоточувствительные приборы с зарядовой связью. Анализ этих приборов позволяет выявить основные черты класса фотоприемников в целом: физические основы, особенности устройства, фотоэлектрические параметры и характеристики, специфику применения. Остальные оптоэлектронные фотоприемникк описываются кратко и главным образом качественно. 6.2. КРЕМНИЕВЫЕ p-i-л-ФОТОДИОДЫ Принцип действия. Фотодиод - это фотоприемник, представляющий собой полупроводниковый диод, сконструированный и оптимизированный так, что его активная структура оказывается способной эффективно воспринимать оптическое излучение. Практически для этого корпус фотодиода имеет специальное прозрачное окно, за которым располагается фоточувствительная площадка полупроводникового кристалла (рис. 6.1,а). Принимаются также меры по устранению с этой площадки затеняющих элементов (непрозрачных металлических электродов), сводятся до минимума толщины вспомогательных слоев полупроводника, ослабляющих фотоэффект, на фоточувствительную поверхность наносятся специальные антиотражающие покрытия и т. п. 166  Рис. 6.1. Кремниевый р-г-п-фото-диод: а - общий вид (/ - полупроводниковый кристалл; 2 - входное окно; 3 - иммерсионная среда; -металлический корпус); б - активная структура (штриховая линия - граница области объемного заряда); е - семейство вольт-амперных характеристик Активная структура фотодиода представляет собой монокристалл полупроводника, содержащий переход, контакт и барьер, в области которого имеется скачок потенциала. На рис. 6.1,6 представлена фоточувствительная р+-/(г)-«+-структура, где /-область (или, точнее, v-, т. е. очень слабо легированная «-область) есть база фотодиода, р+-1-переход создает упомянутый скачок потенциала, а г-«+-переход представляет собой тыловой омический контакт; полярность прикладываемого к электродам внешнего напряжения соответствует нормальному включению фотодиода (обратное напряжение обычного диода). Падающее на прозрачное окно фотодиода излучение с незначительными потеря.ми достигает i-базы, в которой и поглощается с одновременной генерацией носителей заряда. При этом возможно доминирование одного из двух явлений: ионизации атомов самого полупроводника (межзонные переходы) или специально введенных в него примесей (см. гл. 2). В этой связи говорят о фото-Диодах (или шире фотоприемниках), основанных на собственном или примесном фотоэффекте. Следует отметить, что интенсивность проявления примесного фотоэффекта неизмеримо меньше, чем собственного. Это обусловлено тем, что доля примесных атомов по отношению к атомам собственно полупроводника никогда не превышает 10-... 10" и практически лежит в интервале 10"... -. 10-S. Поэтому примесный фотоэффект «спользуется в оптоэлектронике лишь в исключительных случаях, когда не удается использовать подходящий материал с собственной фотопроводимостью и когда допустимо снижение фоточувствительности. Практически 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 33 34 35 36 37 38 39 40 41 42 43 44 45 46 47 48 49 50 51 52 53 [54] 55 56 57 58 59 60 61 62 63 64 65 66 67 68 69 70 71 72 73 74 75 76 77 78 79 80 81 82 83 84 85 86 87 88 89 90 91 92 93 94 95 96 97 98 99 100 101 102 103 104 105 106 107 108 109 110 111 112 113 114 115 116 117 118 119 |