Кишинев 2004
Содержание
Введение .
1 Основные теоретические положения, физические эффекты, фотопроводимость.
2 Принцип работы прибора.
3 Анализ параметров , характеристика конструкций.
4 Технология изготовления.
5 Принципиальная схема
6 Область применения.
7 Выводы : перспективы развития.
Библиография.
Введение
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 l2( 
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.
Существующая в настоящее время потребность ускоренной переработки возрастающих объемов информации ставит значительные трудности в использовании современной вычислительной техники. Трудности связаны прежде всего с недостаточными быстродействиями и объемом памяти ЭВМ. Применяемые в современных ЭВМ типы запоминающих устройств с последовательной выборкой при Основное емкости 107-109 бит имеют быстродействие порядка десятков и сотен секунд.
Запоминающее устройство (ЗУ) на магнитных сердечниках , а также полупроводниковая память ,хотя удовлетворяют требованиям по быстродействию (10-6 , 10 -7 ) б, недостаточны по объему (106 -105 ) бит.
В ряде вышедших за последние годы работ показано , что ЗУ ,созданные на основе оптоэлектронных методов обработки информации , могут удовлетворить высоким требованиям как по быстродействию . так и по объему обрабатываемой информации.
Параметры таких устройств весьма сильно зависят от характеристик составных элементов. В том числе и от фотоприемных матриц , С помощью которых производится считывание информации.
1 Основные теоретические положения, физические эффекты, фотопроводимость.
1.1 Фотоприемники
Фотоприемники предназначены для преобразования входного оптического сигнала в электрический. Различают следующие виды фотоприемников:
1. фотоэлемент;
2. фотоэлектронный умножитель;
3. фотодиод p-n-типа;
4. фотодиод p-i-n-типа;
5. лавинный фотодиод;
6. фототранзистор;
7. фототиристор.
В технике оптической связи нашли применение, в основном, различные типы фотодиодов. В фотодиодах оптическое излучение преобразуется в электрические сигналы за счет явления внутреннего фотоэффекта, при котором в области p-n- перехода полупроводника поглощаемый фотон образует пару новых носителей заряда – электрон и дырку. При отсутствии внешнего поля, в области p-n-перехода существует внутреннее электрическое поле, препятствующее движению носителей. При облучении перехода фотонами света возникают электронно-дырочные пары. Поле p-n-перехода пространственно разделяет электроны и дырки, и создает тем самым фото-ЭДС между смежными областями кристалла. За счет этого образуется ток (фототок), вызванный движением электронов по внешней цепи.
Диод p-n-типа при наличии обратного смещения, созданного внешней электрической цепью создает обедненную область, в которой отсутствуют носители и действует сильное электрическое поле. Эта область образована неподвижными положительно заряженными атомами донора в n-области и неподвижными отрицательно заряженными атомами акцептора в p-области. Если теперь осветить фотодиод, то возникшие носители (электроны и дырки) ускоряются в этом поле и движутся в n-слой (электроны) и в p-слой (дырки). Так фотодиод отрабатывает световые сигналы. Ширина обедненной области зависит от концентрации примесей и величины напряжения смещения. Чем меньше примесей, тем шире обедненная область. Положение и ширина поглощающей области зависят от длины волны падающего света и от материала фотодиода. Чем сильнее поглощается свет, тем тоньше поглощающая область. Ширину обедненного слоя можно увеличить, повысив напряжение смещения, но в таком обедненном слое очень слабое по напряженности поле. Для устранения этого недостатка была создана p-i-n-структура фотодиода. В такой структуре между p- и n- слоями помещен слой полупроводника с высоким сопротивлением и толщиной в несколько десятков микрометров. В таком фотодиоде свет падает на i-слой и носители ускоряются сильным полем в этом слое. Это понижает инертность и повышает частоту преобразования до нескольких гигагерц. Для повышения чувствительности увеличивают светопоглощающую поверхность, а для понижения емкости перехода повышают напряжение обратного смещения.
Чаще всего p-i-n-фотодиоды на длину волны 0,85 мкм изготавливают из кремния (Si), а на большие длины волн (1,2 – 1,6 мкм) – из германия (Ge), InGaA sили InGaAsP.
Лавинные фотодиоды (ЛФД или APD-фотодиоды). Рассмотренные типы фотодиодов только отдают во внешнюю цепь электрический ток, вызванный светом, но не усиливают его. Ток на их выходе обычно равен нескольким наноамперам или меньше. В отличие от них ЛФД усиливает фототок.
Основное отличие ЛФД от PIN фотодиодов заключается в наличии дополнительного p-слоя. Обратное смещение при этом сильно увеличивается и расширяет обедненный слой до размеров i-слоя, а напряженность электрического поля в нем возрастает. Электронно-дырочные пары, рожденные светом, разделяются и ускоряются этим полем в обедненном слое, получая энергию, превышающую энергию ионизации атомов кристалла. Сталкиваясь затем с нейтральными атомами, носители вызывают увеличивающееся в геометрической прогрессии рождение электронов и дырок. При явлении, называемом лавинным эффектом коэффициент усиления возрастает с увеличением обратного смещения и достигает значений порядка 1000 .
ЛФД имеют высокое быстродействие и их пороговая частота достигает нескольких гигагерц. К недостаткам этих приборов можно отнести сильную температурную зависимость коэффициента усиления, нелинейность преобразования и малую площадь рабочей поверхности (0,05 мм2).
Из большого числа фотоприемных устройств (фотодиодные и фототранзисторные приборы , электровакуумные и твердотельные видиконы фотоэлектронные умножители и др. ) наиболее полно удовлетворяют требованиям оптоэлектронных устройств обработки информации твердотельные матричные фотоприемники.
В настоящее время в основном применяются дискретные и гибридные матрицы фотоприемников .
Дискретные матрицы фотоприемников с малым геометрическими размерами и небольшим количеством элементов создаются из отдельных кремниевых фотодиодов.
Гибридная матрица фотоприемника имеет большой счет интеграции и разрабатываются на базе специально созданных кремниевых линеек ,каждая из которых содержит одно количество элементов.
.
1.2 .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 t ; 2) время пролета через p - n переход ti ; 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 = 
tg 
50 нс.
Время пролета через p-n переход:
ti = 
,
где d - 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 ti=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.
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%.
1.5 Принципиальная схема
1.6 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.
Фотодиод p - i - n типа
В кремниевом p-i-n –диоде , который является одним из наиболее распространенных фотодетекторов , толщина i-области составляет примерно 50 мкм , а слоя p+ -- всего 3 мкм . При освещении такого диода светом с длинной волны l= 0,9мкм ( от GaAs-излучателя ) x*=30 мкм и около 80% света поглощается в i- слое. Следовательно ,практически все фотоэлектроны и дырки возникают в i- слое ,и быстродействие диода определяется временем tI их пролета через i- слой . Дрейфовая скорость электронов в кремнии сначала растет с увеличением напряженности поля , а затем испытывает насыщение при U d ≈≈5∙106 см/с. В этихусловиях время пролета
tI =50∙10-4 см/5∙106 см/с=10-9 с,
а время tд ,определяемое диффузией электронов из p-области или дырок из n-области (tд > tI ) , не играет существенной роли.
В общем случае следует учитывать еще одну составляющую tRC постоянной времени , связанную с сопротивлением R и емкостью C цепи . При малом сопротивлении нейтральных областей диода ,а также внешней цепи , при широком переходе (зарядовая емкость p-n- перехода C~d-1 , а d~√U) имеет tRC < tI . Обнаружительная способность кремниевых фотодиодов достигает значения 1∙1013 см ∙Гц1/2 ∙Вт -1 (λ=1 мкм , Т=300 К)
|
|
М-металлические контакты, И- изолятор(SiO2), П-просветляющее покрытие.
2.5 Принципиальная схема
Дата: 2019-12-10, просмотров: 230.
