МИКРООПТОЭЛЕКТРОНИКА Работу выполнили: Тимофеев Ю.Д. Федоров Г.В. Гр.21302 Преподаватель: Гуртов В.А. ПетрГУ, 2009г. «Фотоприемники» - презентация

1 МИКРООПТОЭЛЕКТРОНИКА Работу выполнили: Тимофеев Ю.Д. Федоров Г.В. Гр Преподаватель: Гуртов В.А. ПетрГУ, 2009г. «Фотоприемники»

2 I. Основные понятия Фотоприемники / фотодетекторы / приемники оптического излучения – п/п приборы, регистрирующие оптическое излучение и преобразующие оптический сигнал на входе в электрический на выходе.

3 II. Статические характеристики 1) Вольтовая чувствительностьтоковая чуствительность 2) Пороговая чувствительность Среднее квадратичное шумовое напряжение ; [ Вт ] ; [ А/Вт ]; [ В/Вт ] ; [ В ]

4 II. Статические характеристики При m=1 мощность P m = P min называется минимальной пороговой чувствительностью. Поскольку шумовая ЭДС пропорциональна полосе частот, то пороговую чувствительность рассматривают для единичной полосы частот Δf=1, при этом: 3) Обнаружительная способность: 4) Удельная обнаружительная способность:

5 III. Виды фотоприемников Фоторезисторы Фотодиоды на основе p-n перехода p-i-n фотодиоды лавинные фотодиоды Фототранзисторы МДП-фотоприемники Дискретные Матрицы фотоприемников с зарядовой связью (ФПЗС)

6 Фоторезисторы Фоторезистор – полупроводниковый резистор, изменяющий свое электрическое сопротивление под действием оптического излучения. Виды ФП Навигация Определение, основные сведения топология фоторезистора для расчета токовой чувствительности Конструкция охлаждаемого фоторезистора 1 – входное окно 2 – фоточувств. элемент 3 – контактная колодка 4 – предусилитель 5 – теплоотвод 6 – электрические выводы 7 – основание 8 – терморезистор 9 – термоэлектрический охладитель Фоторезисторы Фотодиоды Фототранзисторы МДП транзисторы p-i-n ФД ФД на основе p-n перехода ФПЗС

7 Фоторезисторы Виды ФП Навигация ВАХ фоторезистора Полный ток I через резистор при величине внешнего напряжения U определяется суммой темнового I T тока и фототока I ф. Фоторезисторы Фотодиоды Фототранзисторы МДП транзисторы p-i-n ФД ФД на основе p-n перехода ФПЗС

8 Фоторезисторы Виды ФП Навигация Спектральная чувствительность Используя уравнение непрерывности и выражения, описывающие процессы, происходящие в фоторезисторе, можно получить формулу для токовой чувствительности: 1 – CdS 2 – CdSe 3 – PbS 4,5 – PbS-PbSe 6 – PbSe 7 - PbSnTe Фоторезисторы Фотодиоды Фототранзисторы МДП транзисторы p-i-n ФД ФД на основе p-n перехода ФПЗС

9 Фотодиоды на основе p-n перехода Виды ФП Навигация Общие сведения Зарегистрировать изменение концентрации неосновных носителей заряда проще! n – эмиттер p – база фотодиода основные неосновные Фоторезисторы Фотодиоды Фототранзисторы МДП транзисторы p-i-n ФД ФД на основе p-n перехода ФПЗС

10 Фотодиоды на основе p-n перехода Виды ФП Навигация ВАХ фотодиода Режим холостого хода (J = 0) Режим короткого замыкания (V g = 0) Фоторезисторы Фотодиоды Фототранзисторы МДП транзисторы p-i-n ФД ФД на основе p-n перехода ФПЗС

11 Виды ФП Навигация Спектральная чувствительность Фотодиоды на основе p-n перехода Ф = const λ = const Фоторезисторы Фотодиоды Фототранзисторы МДП транзисторы p-i-n ФД ФД на основе p-n перехода ФПЗС

12 p-i-n фотодиоды Виды ФП Навигация Общие сведения. Особенности конструкции np i – слой с собственной проводимостью (чистый диэлектрик) мкм p-i-n фотодиод является базовым элементов для всех оптических линий связи. Использование i-слоя позволяет регистрировать неосновные носители заряда и обеспечивать высокое быстродействие ( Гц). Фоторезисторы Фотодиоды Фототранзисторы МДП транзисторы p-i-n ФД ФД на основе p-n перехода ФПЗС

13 Фототранзисторы Виды ФП Навигация Общие сведения. Особенности конструкции. Фототранзистор (ФТ) – это обычный БП p-n-p транзистор, база которого является фоточувствительным элементом. Т.е. электрический контакт к базе отсутствует, а управление током базы осуществляется путем изменения ее освещенности. Поэтому ФТ имеет только два вывода – эмиттер и коллектор. Зонная диаграмма фототранзистора в активном режиме работы Схема фототранзистора со структурой p-n-p Фоторезисторы Фотодиоды Фототранзисторы МДП транзисторы p-i-n ФД ФД на основе p-n перехода ФПЗС

14 Виды ФП Навигация Фототранзисторы ВАХ фототранзистора. J ko – тепловой ток коллектора J ф – фототок L p – диффузионная длина области базы W – ширина базы Фоторезисторы Фотодиоды Фототранзисторы МДП транзисторы p-i-n ФД ФД на основе p-n перехода ФПЗС

15 Виды ФП Навигация МДП фотоприемники Общие сведения. Особенности конструкции. МДП-структура в состоянии неравновесного обеднения является физической основой приборов с зарядовой инжекцией и приборов с зарядовой связью. Процессы релаксации неравновесного состояния определяют границы частотного диапазона применения этих приборов. В зависимости от метода измерения можно контролировать или изменение емкости С МДП-структуры либо изменение заряда на электродах Q g в процессе релаксации емкости при постоянном напряжении V g либо изменение напряжения на затворе V g в режиме постоянного заряда Q м на металлическом электроде. Фоторезисторы Фотодиоды Фототранзисторы МДП транзисторы p-i-n ФД ФД на основе p-n перехода ФПЗС Равновесное состояниеНеравновесное состояние

16 Виды ФП Навигация МДП фотоприемники ФПЗС. Матрицы фотоприемников с зарядовой связью. ФПЗС – новый тип полевых п/п приборов, работающих в динамическом режиме. Приборы с зарядовой связью представляют собой линейку или матрицу последовательно расположенных МДП-структур. ПЗС служат для преобразования оптического излучения в электрические сигналы и передачи информации от одного элемента электронной схемы к другому Виды ФП Навигация МДП фотоприемники ФПЗС. Матрицы фотоприемников с зарядовой связью. ФПЗС – новый тип полевых п/п приборов, работающих в динамическом режиме. Приборы с зарядовой связью представляют собой линейку или матрицу последовательно расположенных МДП-структур. ПЗС служат для преобразования оптического излучения в электрические сигналы и передачи информации от одного элемента электронной схемы к другому Фоторезисторы Фотодиоды Фототранзисторы МДП транзисторы p-i-n ФД ФД на основе p-n перехода ФПЗС

17 Виды ФП Навигация МДП фотоприемники Применение ФПЗС Основное применение ФПЗС в цифровых видеокамерах и фотоаппаратах. Фоторезисторы Фотодиоды Фототранзисторы МДП транзисторы p-i-n ФД ФД на основе p-n перехода ФПЗС

18 IV. Материалы для фотоприемников Так же как и для всех оптоэлектронных устройств, для фотоприемников важно использовать прямозонные полупроводники и фундаментальное поглощение вблизи края запрещенной зоныТак же как и для всех оптоэлектронных устройств, для фотоприемников важно использовать прямозонные полупроводники и фундаментальное поглощение вблизи края запрещенной зоны. Последнее условие вызывает наличие красной границы в регистрации сигнала. Граничная длина волны λ гр, выше которой отсутствует регистрация излучения, при межзонных переходах определяется из следующих соотношений: λ гр Граница поглощения

19 Материал SiCGaPGaAsSiGeInAsInSb CdHgTe E g, эВ3,02,261,421,120,660,360,170,10 λ гр, нм 0,40,540,861,091,853,47,212,2 IV. Материалы для фотоприемников SiC – карбид кремния GaP – фосфид галия GaAs – арсенид галия Si – кремний InAs – арсенид индия InSb – антимонид индия CdHgTe – КРТ (Купрум Ртуть Теллур) Видимый свет: 0,38 – 0,76 нм Граничные условия для некоторых материалов

20 IV. Материалы для фотоприемников При выборе фотоприемников также имеет значение спектр пропускания среды между приемником и источником. Обычно этой средой является или атмосфера или оптоволокно. O2O2 H2OH2OCO 2 H 2 OCO 2 O 2 H2OH2OCO 2 O 3 H2OH2OCO 2 Пропускание среды среда источник ФП hv

21 Литература Ресурсы сети Интернет Учебное пособие «Твердотельная электроника» В.А.Гуртов, 2005г.

22 Межзонные переходы типа А обуславливают наиболее сильное поглощение или испускание света с энергией, близкой к ширине запрещенной зоны: hv > E g. Эти переходы также называют фундаментальными. Зонные переходы. A – переходы между состояниями, расположенными в зоне проводимости и валентной зоне. B – переходы между состояниями только в зоне проводимости или валентной зоне. C – переходы между примесными состояниями в запрещенной зоне. D – переходы между примесными состояниями, энергетические уровни которых находятся в запрещенной зоне, и состояниями, расположенными в валентной зоне или зоне проводимости.

23 Все полупроводниковые соединения можно подразделить на два типа зависимости энергии электронов E от волнового вектора k – прямозонные и непрямозонные. В прямозонных п/п энергетический минимум зоны проводимости находится при k = 0, как и соответствующий минимум валентной зоны. В непрямозонных при k 0. При переходах электронов между состояниями должны соблюдаться законы сохранения энергии и квазиимпульса. По расчетным данным значение квазиимпульса фотона на несколько порядков меньше, чем квазиимпульс электрона. Отсюда следует, что при межзонных переходах в непрямозонных п/п необходимо участие третьей частицы с малой энергией, но большим квазиимпульсом. Такой частицей в твердых телах является акустический фонон. Поскольку вероятность излучательных и поглощательных переходов с участием трех частиц ниже, чем двух, то, следовательно, в непрямозонных п/п вероятность рекомбинации и генерации будет всегда меньше, чем в прямозонных. Прямозонные и непрямозонные полупроводники.

24 Лавинный фотодиод – это фотоприемник, в котором повышение квантовой эффективности реализуется за счет внутреннего усиления благодаря лавинному умножению в обратно смещенном p-n переходе. Лавинные фотодиоды Виды ФП Навигация Общие сведения. Особенности конструкции. Для реализации лавинного умножения необходимо выполнить два условия: qEλ > 1.5 E g W >> l Фоторезисторы Фотодиоды Фототранзисторы МДП транзисторы p-i-n ФД ФД на основе p-n перехода ФПЗС