Фотоприемники Выполнили: Сорокин Дмитрий Скалецкий Александр. - презентация

1 Фотоприемники Выполнили: Сорокин Дмитрий Скалецкий Александр.

2 Фотоприемники – полупроводниковые приборы, регистрирующие оптическое излучение и преобразующие оптический сигнал на входе в электрический сигнал на выходе фотодетектора.

3 Статистические параметры фотоприемников : Если на выходе фотоприемника изменяется ток, то фотоприемник характеризуется токовой чувствительностью Si. Токовая чувствительность – величина, характеризующая изменение тока, снимаемого с фотоприемника при единичном изменении мощности падающего оптического излучения:

4 Если регистрируемый сигнал на выходе фотоприемника - напряжение, то вводят понятие вольтовая чувствительность – как величина, показывающая, на сколько изменится напряжение на выходе фотоприемника, при единичном изменении мощности падающего лучистого потока:

5 К фотоприемникам относятся: Фотодиоды Фоторезисторы Фототранзисторы P-I-N Фотодиоды и др. типы

6 Процессы лежащие в основе действия фотоприемников: Генерация носителей под действием внешнего излучения. Перенос носителей и умножение за счет того или иного механизма, характерного для данного прибора. Взаимодействие тока с внешней цепью, обеспечивающее получение выходного сигнала.

7 Фотодетекторы должны обладать высокой чувствительностью и быстродействием низким уровнем шумов иметь малые размеры низкие управляющие напряжения и токи.

8 Фотодиоды Принцип действия: под действием оптического излучения образуется электронно-дырочная пара и в области пространственного заряда p-n перехода резко возрастает обратный ток фотодиода. Схема фотодиода:

9 Рассмотрим фотодиод на основе p-n перехода

10 ВАХ фотодиода I темн =I o (e ßVg - 1) Io = q*Lp*Pn o /t p + q*Ln*Np o /t n

11 При освещении фотодиода происходит генерация электронно-дырочных пар. Во всем проводнике изменяется концентрация неосновных носителей, следовательно возрастает дрейфовая компонента тока, а диффузионная не меняется. N,P>>Pn o,Np o N,P

12 Полный ток в фотодиоде I = I Ф + I темн ( полная формула представлена на след слайде Фототок от напряжения не зависит. Область поглощения светового потока должна принадлежать промежутку (- Lp,n;Lp,n) ВАХ сдвигаются эквидистантно.

13 Расчет полного тока In - обусловлена равновесными и избыточными электронами в р-области Iг - обусловлена термо- и фотогенерацией электронно- дырочных пар в области пространственного заряда p-n перехода Iр - обусловлена дырками в n-области Iт - плотность темнового тока Iф - добавка за счет действия оптического излучения Вклад в In и Ip дают те носители, которые не рекомбинируют с основными носителями и достигают за счет диффузии p-n перехода.

14 Фоторезистор Фоторезистор - это пластина полупроводника, на противоположных концах которого расположены омические контакты. Схема фоторезистора:

15 Поток внутри полупроводника: Фо - падающий поток R - коэффициент отражения a - коэффициент поглощения Sф - площадь

16 Работа фоторезистора характеризуется: 1. Квантовой эффективностью (усиление) Поскольку концентрация изменяется по закону: где T -время релаксации, то коэффициент усиления по току выражается:

17 2. Время фотоответа: зависит от времени пролета. Обычно у фоторезистора время ответа больше, чем у фотодиода, поскольку между контактами большое расстояние и слабое электрическое поле. 3. Обнаружительная способность.

18 P-I-N Фотодиод P-I-N Фотодиод построен на обычном p-i-n диоде. Эти приборы являются наиболее распространенными, так как толщину обедненной области можно сделать такой, что обеспечивается оптимальная квантовая эффективность и быстродействие.

19 Фототранзистор Фототранзистор дейсвует также как и остальные фотодетекторы, однако транзисторный эффект обеспечивает усиление фототока. По сравнению с фотодиодом фототранзистор более сложен в изготовлении и уступает ему в быстродействии (из-за большей площади).

20 Устройство и эквивалентная схема: Переход база - коллектор играет роль чувствительного элемента. На рисунке он показан в виде диода с параллельно включенной емкостью, имеет большую площадь

21 Фототранзистор особенно эффективен, так как обеспечивает высокий коэффициент преобразования по току(50% и более). В режиме работы с плавающей базой фотоносители дают вклад в ток коллектора в виде фототока Iph. Кроме того, дырки фотогенерируемые в базе, приходящие в базу из коллектора, уменьшают разность потенциалов между собой и эмиттером, что приводит к инжекции электронов через базу в коллектор. Общий ток:

22 Другие виды фотоприемников:

23 На барьере Шоттки В области пространственного заряда диода с барьером Шоттки на основе полупроводника n-типа при обратном смещении генерируемые электронно - дырочные пары разделяются электрическим полем, и дырки выбрасываются в металлический контакт, а электроны - в базу. Так как ОПЗ имеет малую ширину и примыкает к светоприемной поверхности, то такие фотодиоды обладают высокой квантовой эффективностью и высоким коэффициентом поглощения в области малых длин волн. Оптическое излучение полностью поглощается в ОПЗ фотодиода.

24 На гетеропереходах Полупроводник с более широкой запрещенной зоной используется как окно, которое пропускает оптическое излучение с энергией, меньшей чем ширина запрещенной зоны без заметного поглощения. И тогда эффективность фотодиода будет зависеть только от того, на каком расстоянии расположен p-n переход от светоприемной поверхности. Важно использовать гетеропереход с малой величиной обратного темнового тока, которую можно обеспечить, сводя к минимуму плотность граничных состояний, ответственных за появление, например, части тока, обусловленной фотогенерацией электронно-дырочных пар в ОПЗ p-n перехода. Это обеспечивается за счет согласования постоянных решеток обоих полупроводников

25 Лавинные фотодиоды На них подается обратное напряжение, достаточное для развития ударной ионизации в ОПЗ, то есть, сила фототока, квантовый выход и чувствительность возрастают в М раз (М - коффициент лавинного умножения). Преимущество заключается в том, что они имеют меньшее значение мощности, эквивалентной шуму.

26 Подготовили: Сорокин Дмитрий Скалецкий Александр

27 Для регистрации импульсного лазерного излучения и волоконно-оптических линий связи Неохлаждаемые Фотоприёмники и фотоприёмные устройства Число элементов (каналов) от 1 до 128 Высоко скоростные, лавинные фотодиоды, pin-фотодиоды Фотодиоды и Фотоприёмные устройства на основе Si, Ge, InGaAs для спектрального диапазона 0,4…1,55 мкм Фотодиоды и Фотоприёмные устройства на основе Si, Ge, InGaAs для спектрального диапазона 0,4…1,55 мкм

28 Фотоприёмники и фотоприёмные устройства Количество элементов (каналов) от 1 до 256 Не охлаждаемые и с термоэлектрическим охлаждением С различными вариантами корпусов и бескорпусные Фотоприёмники и фотоприёмные устройства на основе фоточувствительных плёнок PbS, PbSe для спектрального диапазона мкм

29 Ф отоприёмники и фотоприёмные устройства С предусилителями и интегральными считывающими устройствами Число элементовов от 1 до сотен тысяч Линейные и матричные фотоприёмные устройства С охлаждением Стирлинга С различными вариантами корпусов и бескорпусные Фотодиоды и фотоприёмные устройства на основе InSb для спектрального диапазона 3…5 мкм

30 Фотоприёмники и фотоприёмные устройства С охладителями Стирлинга и термоэлектрическим охлаждением С предусилителями и интегральными считывающими микросхемами Число элементов от 1 до сотен тысяч Линейные и матричные фотоприёмные устройства Фотоприёмники и Фотоприёмные устройства и фотодиоды на основе фоточувствительных плёнок из CdHgTe для спектрального диапазона 3…5 и 8…12 мкм

31 Лавинные германиевые фотодиоды для волоконно-оптических линий связи Основные характеристики Рабочие длины волны, мкм 1,3 и 1,55 Рабочее напряжение, В 35 – 45 Чувствительность (при А×Гц -1/2 ), А×Вт -1 6 Ёмкость, пФ 2 Время нарастания, нс 2

32 InGaAs фотодиоды для волоконно-оптических линий связи Основные характеристики Рабочие длины волн, мкм 1,3 и 1,55 Рабочее напряжение, В 10 Диаметр фоточувствительной площадки, мкм 200 Темновой ток, нА 10 Токовая чувствительность, А×Вт -1 на λ=1,3 мкм, А/Вт 0,6 на λ=1,55 мкм,А/Вт 0,8 Ёмкость, пФ 2 Время нарастания, нс 2 Рабочее напряжение, В 10 Диапазон рабочих температур, о С от -40 до +85

33 Лавинные кремниевые фотодиоды Основные характеристики Рабочая длина волны, мкм 0,8 – 0,9 Чувствительность (при 1· А×Гц -1/2 ), А×Вт Рабочее напряжение, В Ёмкость, пФ 3 Время нарастания, нс 3 Диапазон рабочих температур, о С от -40 до +85 Диаметр сечения оптического волокна, мкм 300

34 Фотоприёмное устройство на основе кремниевого pin-фотодиода Основные характеристики Спектральный диапазон, мкм 0,8 – 0,95 Диаметр фоточувствительной площадки, мм 5 Пороговая импульсная чувствительность (при ד вх =100 нс), Вт (1,95 – 3,25)·10 -6 Напряжение питания, В 6,5 – 10,5 Ток потребления при (Р ф =4 мВт) 7 Амплитуда импульсов на выходе, В 5 Диапазон рабочих температур, о С от -20 до +50

35 8 канальное фотоприёмное устройство на основе кремниевого pin-фотодиода Основные характеристики Рабочая длина волны, мкм 1,06 Порог чувствительности (Uс/Uш=1),Вт наружные площадки 1, внутренние площадки 0, Вольтовая монохроматическая импульсная чувствительность, В/Вт Разброс чувствительности между площадками, % 15 Динамический диапазон выходных сигналов от уровня шума, дБ наружные площадки 57 внутренние площадки 70 внутренние площадки в режиме «Ослаблено» 100 Напряжение питания ФПУ, В фотодиодов 200±10 усилителей ±12

36 Пороговый германиевый фотодиод Основные характеристики Количество чувствительных элементов 1 Диаметр эффективной площадки, мм 1,1 Плоский угол зрения 40° Спектральный диапазон, мкм 0,8 – 1,6 Токовая чувствительность на λ=1,06 нм, А/Вт 0,5 на λ=1,55 нм, А/Вт 0,55 Обнаружительная способность при λ max, Вт -1 смГц 1/ Время нарастания/спада переходной характеристики, нс 40 Динамический диапазон Темновой ток, мкА 10 Ёмкость, пФ 100 Масса, г 2 Рабочее напряжение, В 10

37 Фотоприёмное устройство на основе Si фотодиода Основные характеристики Количество чувствительных элементов 1 Спектральный диапазон, мкм 0,4 – 1,1 Диаметр фоточувствительной площадки, мм 0,45 – 0,55 Параметры выходного сигнала амплитуда, В 2,5 – 4,5 длительность, нс полярность положительная время нарастания, нс 15 Напряжение питания фотодиода, В 100±10 Ток потребления по цепи усилителя, мА 45 Диапазон рабочих температур, о С от -40 до +60 Габаритные размеры, мм Ø30×6,5

38 Фоторезисторы на основе PbS и PbSe МатериалPbSPbSe Число фоточувствительных элементов 256 Спектральный диапазон, мкм0,5–3,03,0–5,0 Обнаружительная способность при λ макс, Вт -1 смГц 1/ Вольтовая чувствительность, В/Вт Диапазон входящего сигнала, Дб 60 Число работоспособных элементов, % 95 Постоянная времени, мкс30,03 Основные характеристики

39 Матричное фотоприёмное устройство на основе CdHgTe Основные характеристики Формат приёмника4×2886×480* Обнаружительная способность, Вт -1 смГц 1/ , Спектральный диапазон, мкм 7,5-11 Вольтовая чувствительность, В/Вт Динамический диапазон выходных сигналов, Дб 60 Максимальная частота выходного сигнала, Мгц 44 Рабочая температура, K 77 *-элемент 6х480 на стадии разработки

40 Одноэлементные неохлаждаемые фоторезисторы на основе PbSe Модель в корпусе219P219-01P219-02P219-03P Модель бескорпусная221U221-01U221-02U221-03U Размер фоточувствительной площадки, мм×мм 3×32×21×10,5×0,5 Спектральный диапазон, мкм 2-5 Обнаружительная способность при λ макс, Вт -1 смГц -1/ Вольтовая чувствительность, В/Вт Темновое сопротивление, МОм 0,2-1,0 Постоянная времени, мкс 30 Основные характеристики

41 Фотоприёмное устройство на основе CdHgTe детекторах Число элементов Формат матрицы128× ×288 Размер чувствительного элемента, мкм×мкм 35 ×35 Шаг матрицы, мкм35 Спектральный диапазон, мкм 8-10,5 Обнаружительная способность при λ макс,Вт -1 смГц 1/ λ макс, мкм9-10 Число работающих элементов, %95 Максимальная тактовая частота, Мгц 66 Рабочая температура, К77 Основные характеристики

42 Фотоприёмное устройство на основе PbSe с термоэлектрическим охлаждением Число элементов64 Формат матрицы2×32 Размер фоточувствительного элемента, мкм×мкм 100×100 Спектральный диапазон, мкм1,5-5,0 Обнаружительная способность при λ пик, Вт -1 смГц 1/ Вольтовая чувствительность, В/Вт Постоянная времени, мкс25 Напряжение питания ФПУ, В6 Коэффициент усиления предусилителей200 Полоса пропускания предусилителей, Гц Напряжение питания термоэлектрического охладителя, В 3 Ток потребления охладителя, А0,9 Масса, г180 Основные характеристики

43 Электронно-лучевая установка Применение электронно-лучевая установка предназначена для промышленной сварки и термической обработки. Использлуется на источниках высокого напряжения, микропроцессорах и безмаслянных вакуумных установках. Основные характеристики Ускоряющее напряжение, кВ50 Ток пучка, мА20 Длительность импульса, с Частота повторения импульса, Гц3-100 Угол отклонения пучка±5°±5° Объём вакуумной камеры, м 3 0,12 Рабочее давление, Па1, Время откачки вакуумной камеры, мин15 Рабочая частота, Гц50, 60 Занимаемая площадь, м 2 5 Масса, кг1200

44 Ионно-лучевая установка Применение Ионное травление полупроводников Нанесение тонкоплёночных покрытий через маску Полирование поверхностей оптических изделий Очистка поверхностей в микроэлектронном производстве Основные характеристики Объём камеры, мм×ммØ600×500 Давление в камере перед травлением, Па6, Диаметр подложки, мм250 Диаметр пучка, мм102, 200, 300 Ускоряющее напряжение, кВ1-4 Максимальный ток пучка, мА500 Рабочий газAr, O 2 и др. Количество каналов для рабочих газов2 Потребляемая мощность, кВт10 Занимаемая площадь, м 2 6

45 Электронно-лучевая пушка Применение Точная сварка (потребляемая мощность до 30 кВт) Точная микросварка (потребляемая мощность до 1 кВт) Основные характеристики Потребляемая мощность, кВт 17,51530 Ток пучка, мА Ускоряющее напряжение, кВ60 90 Накаливание катода Пря- мое Непря- мое Число источников энергии1124

46 Ионные источники Применение Очистка поверхности в процессе напыления Ионная полировка оптических изделий «Сухое» травление полупроводников на глубину до 10 мкм Нанесение тонкоплёночных покрытий на изделия диаметром до 250 мм Основные характеристики Ускоряющее напряжение, кВ0,5-4,0 Плотность тока пучка, мА/см 2 0,2-1,2 Диаметр пучка, мм102, 200, 300 Рабочее давление, Па0,05-1 Рабочий газAr, O 2, N 2 и др.

47 Солнечные батареи Подготовили: Сорокин Дмитрий Скалецкий Александр

48 Солнечные батареи в современном мире – одно из немногих, и одно из самых перспективных средств для получения энергии из возобновляемых источников. Актуальность использования СБ в качестве источника энергии со временем будет только возрастать. В настоящее время ведутся многочисленные научные исследования, в целях которых - повышение эффективности работы СБ, и повышение их доступности.

49 Солнечная батарея - полупроводниковый фотоэлектрический генератор, непосредственно преобразующий энергию солнечной радиации в электрическую энергию С конструктивной точки зрения солнечная батарея – плоская панель, состоящая из размещенных вплотную фотоэлементов и электрических соединений, защищенная с лицевой стороны прозрачным твердым покрытием. Число фотоэлементов в батарее может быть различным, от нескольких десятков до нескольких тысяч.

50 Электрический ток в солнечной батарее возникает в результате процессов, происходящих в фотоэлементах при попадании на них солнечного излучения. Действие СБ основано на использовании вентильного (барьерного) фотоэффекта - возникновении электродвижущей силы в p-n переходе под действием света.

51 Энергетические характеристики солнечных батарей определяются полупроводниковым материалом, конструктивными особенностями, количеством элементов в батарее. Распостанненные материалы: Si - КПД до 20% GaAs – наиболее перспективный материал, КПД до 40%. CdTe (теллурид кадмия) – так же перспективный материал, пленки CdTe достаточно дешевы в изготовлении.

52 Распространенные конструктивные решения: СЭ на барьерах Шоттки СЭ на гетеропереходах Каскадные СЭ – СЭ с несколькими p-n переходами

53 Принцип работы солнечных батарей Солнечный элемент на p-n структурах. Элемент солнечной батареи представляет собой пластинку кремния n-типа, окруженную слоем кремния р-типа толщиной около одного микрона, с контактами для присоединения к внешней цепи. Когда СЭ освещается, поглощенные фотоны генерируют неравновесные электрон - дырочные пары. Электроны, генерируемые в p-слое вблизи p-n-перехода, подходят к p-n- переходу и существующим в нем электрическим полем выносятся в n-область.

54 Аналогичным образом и избыточные дырки, созданные в n-слое, частично переносятся в p-слой (рис. а). В результате n-слой приобретает дополнительный отрицательный заряд, а p-слой – положительный. Снижается первоначальная контактная разность потенциалов между p- и n-слоями полупроводника, и во внешней цепи появляется напряжение (рис. б). Отрицательному полюсу источника тока соответствует n- слой, а p-слой – положительному.

55 ВАХ солнечного элемента: Величина установившейся фотоЭДС при освещении перехода излучением постоянной интенсивности описывается уравнением вольт - амперной характеристики (ВАХ): U = (kT/q)ln((I ф -I)Is/+1) где Is– ток насыщения, I ф – фототок. Уравнение ВАХ справедливо и при освещении фотоэлемента светом произвольного спектрального состава, изменяется лишь значение фототока Iф. Максимальная мощность отбирается в том случае, когда фотоэлемент находится в режиме, отмеченном точкой а.

56 Солнечные элементы на барьерах Шоттки. - Представляют собой соединение из металла и полупроводника. При этом слой металла должен быть достаточно тонким, чтобы основная доля света достигла полупроводника. Можно выделить три компоненты фототока. Одна из них обусловлена поглощением фотонов в металле, что вызывает возбуждение дырок через барьер в полупроводник (эта компонента обозначена цифрой 1). Попадающий в полупроводник коротковолновый свет поглощается главным образом в обеднённом слое (соответствующий фототок обозначен цифрой 2). Длинноволновый свет поглощается в нейтральном объёме полупроводника, создаёт электронно- дырочные пары; затем электроны, так же как и в случае обычного р-n перехода, диффундируют к краю обеднённого слоя, где происходит их коллектирование (этот фототок обозначен цифрой 3). В условиях, типичных для работы солнечных элементов, возбуждение светом носителей из металла в полупроводник составляет менее 1% полного фототока, и поэтому этим процессом можно пренебречь.

57 Сильное поле в обеднённом слое выносит из него генерируемые светом носители еще до того, как они успевают прорекомбинировать, вследствие чего фототок оказывается равным (*) где Т(l ) - коэффициент пропускания металлом монохроматического света с длиной волны l. Фототок, создаваемый генерацией носителей в базовой области, описывается выражением (**) Полный фототок равен сумме выражений (*) и (**). Видно, что для увеличения фототока следует повышать коэффициент пропускания Т и диффузионную длину Ln.

58 Преимущества солнечных элементов с барьерами Шоттки: Изготовление таких элементов можно осуществлять при низких температурах, поскольку отпадает необходимость в проведении высоковольтной операции - диффузии; Применение данной технологии при создании поликристаллических и тонкоплёночных солнечных элементов; Высокая радиационная стойкость элементов, поскольку вблизи их поверхности существует сильное электрическое поле; Большой выходной ток и хороший спектральный отклик, что также обусловлено непосредственным примыканием обеднённого слоя к поверхности полупроводника, вследствие чего ослабляется негативное влияние малых времен жизни и высокой скорости поверхностной рекомбинации.

59 Солнечные элементы на гетеропереходах. Гетероструктурные СЭ на основе GaAs имеют более высокий КПД, чем кремниевые СЭ (монокристаллические и особенно - аморфного кремния). КПД арсенид-галлиевых солнечных батарей доходит до %. Их максимальная рабочая температура - до +150 о С, в отличии от + 70 о С - у кремниевых батарей. Их теоретический КПД выше, так как ширина запрещённой зоны у них практически совпадает с оптимальной шириной запрещённой зоны для полупроводниковых преобразователей солнечной энергии =1,4 эВ. У кремниевых этот показатель =1,1 эВ.

60 Энергетическая диаграмма n-p-гетероперехода Гетеропереходы - это переходы, образующиеся при контакте двух различных полупроводников. Фотоны с энергией, меньшей Eg1, но большей Eg2, будут проходить через слой первого полупроводника, который играет роль оптического окна, и поглощается во втором полупроводнике. Носители, генерируемые излучением внутри обедненного слоя и в электронейтральном объеме полупроводника в пределах диффузионной длины от перехода, будут коллектироваться переходом подобно тому, как это имеет место в солнечных элементах с n - p-гомопереходами. Фотоны с энергией, большей Eg1, поглощаются в первом полупроводнике, и переход будет коллектировать носители, генерируемые этим излучением на расстоянии от перехода, не превышающем диффузионную длину, либо непосредственно в области пространственного заряда

61 Преимущества солнечных элементов с гетеропереходами перед обычными солнечными элементами с p - n- переходами: – Увеличение спектрального отклика в коротковолновом диапазоне при условии, что энергия Eg1 достаточно велика и фотоны с высокой энергией поглощаются в обедненном слое второго полупроводника; – Понижение последовательного сопротивления при условии, что первый полупроводник можно сильно легировать, не ухудшая при этом условия прохождения света через него; – Более высокая радиационная стойкость, если первый слой полупроводника достаточно толстый и полупроводник имеет широкую запрещенную зону.

62 Каскадные солнечные элементы: Большинство современных СЭ обладают одним p-n-переходом. В таком элементе свободные носители заряда создаются только теми фотонами, энергия которых больше или равна ширине запрещенной зоны. Другими словами, фотоэлектрический отклик однопереходного элемента ограничен частью солнечного спектра, энергия которого выше ширины запрещенной зоны, а фотоны меньшей энергии не используются. Преодолеть это ограничение позволяют многослойные структуры из двух и более СЭ с различной шириной запрещенной зоны. Такие элементы называются многопереходными, каскадными или тандемными. Каскадные СЭ работают со значительно большей частью солнечного спектра, и эффективность фотоэлектрического преобразования у них выше.

63 В многопереходном солнечном элементе одиночные фотоэлементы расположены друг за другом таким образом, что солнечный свет сначала попадает на элемент с наибольшей шириной запрещенной зоны, при этом поглощаются фотоны с наибольшей энергией. Пропущенные верхним слоем фотоны проникают в следующий элемент с меньшей шириной запрещенной зоны и т.д.

64 Применение солнечных батарей: В настоящее время СБ главным образом используются в космонавтике, для снабжения электроэнергией аппаратуры спутников и систем жизнеобеспечения космических кораблей и станций, а также заряжают электрохимические аккумуляторы, используемые на теневых участках орбиты. На земле СБ в основном используются для питания устройств автоматики, переносных радиостанций и радиоприёмников, для катодной антикоррозионной защиты нефте- и газопроводов. Всё более часто СБ применяются в различных бытовых устройствах, которые доступны широкому кругу потребителей.