Міністерство загальної та професійної освіти
Російської Федерації
Саратовський державний університет ім. Н. Г. ЧЕРНИШЕВСЬКОГО
Кафедра фізики
Напівпровідників
фотодіод В
ОПТОЕЛЕКТРОНІКИ
Курсова робота
Студента 1 курсу фізичного факультету
Машкова Дмитра Олександровича
Науковий керівник
професор
________ роках А.Г.
/підпис/
Зав. кафедрою
професор, доктор
_________ Б. Н. Климов
/підпис/
Саратов - 1999р. < p> План роботи
1. Введення і постановка задачі
2. Фізичні основи внутрішнього фотоефекту
3. Принцип дії фотодіода
4. Практична частина (дослідження характеристик фотодіода)
5. Застосування фотодіода в оптоелектроніці
6. Висновок
7. Література
1.Вступ І ПОСТАНОВКА ЗАВДАННЯ
У наш час прогрес у різних галузях науки і техніки немислимий безприладів оптичної електроніки. Оптична електроніка вже давно граєпровідну роль в житті людини. А з кожним роком її впровадження в усі сферилюдської діяльності стає все інтенсивніше. І цьому є своїпричини. Пристрої оптоелектроніки мають ряд відмінностей від інших пристроїв.
Можна виділити наступні їх гідності. а) Висока інформаційна ємність оптичного каналу, пов'язана з тим,що частота світлових коливань (близько 1015 Гц) в 103-104 разів вище, ніж уосвоєному радіотехнічному діапазоні. Мале значення довжини хвилі світловихколивань забезпечує високу досяжну щільність запису інформації воптичних запам'ятовуючих пристроях (до 108 біт/см2). б) Гостра спрямованість світлового випромінювання, обумовлена тим, щокутова розбіжність променя пропорційна довжині хвилі і може бути меншеоднієї хвилини. Це дозволяє концентровано і з малими втратами передаватиелектромагнітну енергію в задану область простору. У малогабаритнихелектронних пристроях лазерний промінь може бути спрямований нафоточутливий майданчики мікронних розмірів. в) Можливість подвійної - тимчасової і просторової модуляціїсвітлового променя. Мінімальна елементарна площадка в площині,перпендикулярної напрямку розповсюдження, яка може бути виділенадля незалежної модуляції частини променя близька до (2 (108 см2). Цедозволяє проводити паралельну обробку інформацію, що дуже важливопри створенні високопродуктивних комплексів. г) Так як джерело і приймач в оптоелектроніці не пов'язані один зіншому електрично, а зв'язок між ними здійснюється тільки за допомогоюсвітлового променя (електрично нейтральних фотонів), вони не впливають один наодного. І тому в Оптоелектронні прилади потік інформації передається лишев одному напрямку - від джерела до приймача. Канали, за якимипоширюється оптичне випромінювання, що не впливають один на одного іпрактично не чутливі до електромагнітних перешкод (звідси і високаперешкодозахищеність). д) можливість безпосереднього оперування з візуальносприйманими образами: фотосчітиваніе, візуалізація (наприклад, на рідкихкристалах).
Будь-яке оптоелектронної пристрій містить фотоприймальні блок. І вбільшості сучасних оптоелектронних пристроїв фотодіод представляєоснову фотоприймача.
фотодіоди володіють найкращим поєднанням фотоелектричних параметрів,основних з точки зору використання в оптоелектроніці: високі значеннячутливості і швидкодії, малі значення паразітівних параметрів
(наприклад, струм витоку). Простота їх пристрою дозволяє досягтифізичного і конструкційного оптимуму і забезпечити найбільш повневикористання падаючого світла.
У зіставленні з іншими, більш складними фотоприймача, вониволодіють найбільшою стабільністю температурних характеристик і кращимиексплуатаційними властивостями.
Основний недолік, на який зазвичай вказують, - відсутністьпосилення. Але він досить умовний. Майже в кожному оптоелектронноїпристрої фотоприймач працює на ту чи іншу узгоджуючих електроннусхему. І введення підсилювального каскаду в неї значно простіше ідоцільніше, ніж надання фотоприймача невластивих йому функційпосилення.
Ну а метою моєї роботи є дослідження характеристик фотодіода:вольт-амперною характеристики, коефіцієнта корисної дії.
2.ФІЗІЧЕСКІЕ ОСНОВИ ВНУТРІШНЬОЇ Фотоефект
Падаючий на речовину потік світла може відчувати відображення,поглинання або проходити наскрізь.
Якщо поглинений світло призводить до такого збільшення енергії електронів,що вони залишають об'єм, який займає речовиною, говорять про зовнішнійфотоефекті. Якщо при висвітленні змінюється енергетичний станносіїв заряду всередині твердого тіла, то ми маємо справу з внутрішнімфотоефектів. При цьому додаткова провідність, обумовлена носіямизаряду, створеними випромінюванням, називається фотопровідність.
При внутрішньому фотоефекті первинним актом є поглинання фотона.
Тому процес утворення вільних носіїв заряду під впливомвипромінювання буде проходити по-різному в залежності від особливостей процесупоглинання світла. До того ж поглинений світло не завжди викликає фотоефект.
Існує кілька видів поглинання світла. а) власне поглинання.
Цей вид поглинання має місце в тому випадку, коли оптичнезбудження електронів відбувається з валентної зони в зону провідності.
Для напівпровідника з прямими долинами при вертикальних переходах енергіяфотона h (повинна бути не менше ширини забороненої зони, тобто
h (Eg.
Для сильно легованого напівпровідника n-типу коли рівень Фермірозташований вище краю зони провідності на величину (n, нижня межафотопровідності буде відповідати
h (= Eg + (n.
У сильно легованої напівпровіднику p-типу рівень Фермі лежить навеличину (p нижче краю валентної зони, тому
h (= Eg + (p.
При великих енергіях фотонів поглинання в області фундаментальноїведе до збільшення фотопровідності за рахунок зростання коефіцієнта поглинання
(. У разі власного поглинання (досягає найбільшої величини - (106см-1). Разом з тим таке поглинання збільшує концентрацію носіївзаряду поблизу поверхні напівпровідника або діелектрика, які маютьменший час життя, ніж носії заряду в об'ємі. б) домішкові поглинання.
Таке поглинання при наявності в забороненій зоні напівпровідникалокальних рівнів домішки може викликати переходи електронів між рівнямидомішки і зонами. Фотопровідність, обумовлена такими переходами,називається домішковий фотопровідність. Для реалізації таких переходівпотрібна менша енергія кванта, ніж для реалізації переходів з валентноїзони в зону провідності. Тому домішкові поглинання має місце привеликих довжинах хвиль падаючого світла. в) екситонні поглинання.
При екситонів поглинання світла має місце створення пов'язаної париелектрон-дірка, яка є електрично нейтральним освітою.
Тому поглинання світла, пов'язане з утворенням екситонів, спочаткуне веде до виникнення вільних носіїв заряду. Однак у реальнихкристалічних структурах екситон мають значно більшу ймовірністьдисоціювати безизлучательно (з утворенням електронів і дірок), ніжрекомбінувати з випусканням кванта світла. Таким чином, освітаекситонів в кінцевому підсумку веде до виникнення вільних носіївзаряду, а отже, і фотоструму. Екситонні поглинання,характеризується вузькими смугами поглинання, визначає і вузькі смугифотоструму. При цьому спектр фотоструму в області екситонів поглинання будезалежати від стану поверхні. Стан поверхні напівпровідникаможна легко змінити шляхом впливу на неї (механічне, хімічне іт.д.). Таким чином можна змінити характер спостережуваного спектру фотоструму,обумовленого екситонні поглинанням. г) поглинання вільними носіями заряду.
Поглинання світла вільними носіями заряду супроводжуєтьсязбільшенням їх енергії. При цьому, на відміну від розглянутих вище трьохвидів поглинання, число вільних носіїв не змінюється. Але разом з тимзмінюється рухливість носіїв заряду. д) поглинання кристалічної гратами.
У результаті такого поглинання збільшується амплітуда коливань вузліврешітки. У цьому випадку не змінюється ні концентрація носіїв заряду, ніїх рухливість. Тому поглинання світла кристалічної гратами неє фотоактівним.
Поглинання світла вільними носіями заряду і кристалічноїгратами не можуть безпосередньо викликати зміну концентрації носіївзаряду. Однак зростання концентрації носіїв заряду в цих випадкахможе відбуватися в результаті вторинних ефектів, коли поглинання світлазначно збільшує кінетичну енергію вільних носіїв заряду абозбільшує концентрацію фононів, які потім віддають свою енергію назбудження носіїв заряду.
3.ПРІНЦІП ДІЇ фотодіоди
Напівпровідниковий фотодіод - це напівпровідниковий діод, зворотний струмякого залежить від освітленості.
Звичайно як фотодіода використовують напівпровідникові діоди з pnпереходом, який зміщений у зворотному напрямку зовнішнім джереломхарчування.
При поглинанні квантів світла в pn переході або в прилеглих до ньогообластях утворюються нові носії заряду. Неосновних носіїв заряду,виникли в областях, прилеглих до pn переходу на відстані, неперевищує дифузійного довжини, дифундують в pn перехід і проходять черезнього під дією електричного поля. Тобто зворотний струм при висвітленнізростає. Поглинання квантів безпосередньо в pn переході призводить доаналогічних результатів. Величина, на яку зростає зворотний струм,називається фотоструму.
Властивості фотодіода можна охарактеризувати наступними характеристиками. а) вольт-амперна характеристика фотодіода являє собоюзалежність світлового струму при незмінному світловому потоці і темнового струму
Iтемн від напруги. б) світлова характеристика фотодіода, тобто залежність від фотострумуосвітленості, відповідає прямої пропорційності фотоструму відосвітленості. Це обумовлено тим, що товщина бази фотодіода значноменше дифузійного довжини неосновних носіїв заряду. Тобто практичновсі неосновні носії заряду, що виникли в базі, беруть участь уосвіту фотоструму. г) спектральна характеристика фотодіода - це залежність від фотострумудовжини хвилі падаючого світла на фотодіод. Вона визначається з бокувеликих довжин хвиль шириною забороненої зони, при малих довжинах хвиль великимпоказником поглинання та збільшення впливу поверхневої рекомбінаціїносіїв заряду зі зменшенням довжини хвилі квантів світла. Тобтокороткохвильова межа чутливості залежить від товщини бази і відшвидкості поверхневої рекомбінації. Положення максимуму в спектральноїхарактеристиці фотодіода сильно залежить від ступеня зростання коефіцієнтапоглинання. д) стала часу - це час, протягом якого фотострумуфотодіода змінюється після висвітлення або після затемнення фотодіода в е раз
(63%) по відношенню до сталому значенню. е) темнової опір - опір фотодіода під час відсутностіосвітлення. ж) інтегральна чутливість
K = Iф /, де Iф - фотоструму, - освітленість. з) інерційність.
Існує 3 фізичних фактори, що впливають на інерційність: 1) часдифузії або дрейфу нерівноважних носіїв через базу (; 2) час прольотучерез pn перехід (i; 3) час перезарядки бар'єрної ємності pn переходу,характеризується постійної часу RСбар.
Час дифузії носіїв заряду через базу можна визначити
(аналогічно часу прольоту носіїв заряду через базу транзистора) длябездрейфового: tпрол =,
і дрейфовий:
tпрол =
(g 50 нс.
Час прольоту через pn перехід:
(i =,
де (- товщина pn переходу, vmax - максимальна швидкість дрейфуносіїв заряду (vmax для кремнію і германію дорівнює 5 * 106 см/c).
Товщина pn переходу, що залежить від зворотного напруги і концентраціїдомішок в базі, звичайно менше 5 мкм, а значить (i = 0.1 нс. RCбарвизначається бар'єрної ємності pn переходу, що залежить від напруги таопору бази фотодіода при малому опорі навантаження у зовнішнійланцюга. Величина RСбар порядку декількох наносекунд.
4.ПРАКТІЧЕСКАЯ ЧАСТИНА
Розрахунок ККД фотодіода.
ККД обчислюється за формулою:
,
де Pосв - потужність освітленості, I -- сила струму, U - напруга нафотодіоди.
Максимальна потужність фотодіода відповідає максимальній площіданого прямокутника.
| Потужність | Сила | напружений | ККД, |
| Освітлення, | струму, | ие, |% |
| МВт | мА | В | |
| 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 |
Середнє значення: 1.5%.
Висновок: коефіцієнт корисної дії фотодіода згідно з отриманимиданими склав у середньому 1.5%.
5.ПРІМЕНЕНІЕ фотодіоди в оптоелектроніці
фотодіод є складовим елементом у багатьох складнихоптоелектронних пристроях. І тому він знаходить широке застосування. а) оптоелектронні інтегральні мікросхеми.
фотодіод може мати більшу швидкодію, але його коефіцієнтпосилення фотоструму не перевищує одиниці. Завдяки наявності оптичного зв'язкуоптоелектронні інтегральні мікросхеми мають низку істотнихдостоїнств. Майже ідеальна гальванічна розв'язка керуючих ланцюгів призбереження між ними сильної функціонального зв'язку. б) багатоелементні фотоприймачі.
Ці прилади (сканістор, мішень кремнікона, фотодіодная матриця зуправлінням на МОП-транзисторі, фоточутливий прилади з зарядовимзв'язком та інші) відносяться до числа найбільш швидко розвиваються іпрогресуючих виробів електронної техніки. Поєднуючи в собі успіхи фізикидискретних фотоприймачів і новітні технологічні досягнення великихінтегральних схем, багатоелементні фотоприймачі озброюють оптоелектронікутвердотілим «оком», здатним реагувати не тільки на яскравісної -тимчасові, але й на просторові характеристики об'єкта, тобтосприймати його повний зоровий образ.
Для успішного виконання цих функцій необхідно, щоб числоелементарних фоточутливих осередків в приладі було достатньо великим,тому крім всіх проблем дискретного фотоприймача (чутливість,швидкодію, спектральна область) доводиться вирішувати і проблемузчитування інформації. Всі багатоелементні фотоприймачі представляють собоюскануючі системи, тобто пристрої, що дозволяють проводити аналіздосліджуваного простору шляхом послідовного його перегляду
(поелементного розкладання).
Принцип сприйняття образів цими системами зводиться до наступного.
Розподіл яскравості об'єкта спостереження перетворюється в оптичнезображення і фокусується на фоточутливий поверхню. Тутсвітлова енергія переходить в електричну, причому відгук кожного елемента
(струм, заряд, напруга) пропорційний його освітленості. Яскравості картинаперетворюється в електричний рельєф. Схема сканування виробляєперіодичний послідовний опитування кожного елемента і зчитуваннящо міститься в ньому інформації. Зрештою, на виході пристрою миотримуємо послідовність відеоімпульсів, в якій закодованийсприймається образ.
При створенні багатоелементних фотоприймачів прагнуть забезпечитинайкраще виконання ними функцій перетворення і сканування. в) Оптрони.
Оптрон називається такий Оптоелектронні прилади, в якому єджерело і приймач випромінювання з тим чи іншим видом оптичної таелектричного зв'язку між ними, конструктивно об'єднані і поміщені водин корпус.
В електронній схемі Оптрон виконує функцію елемента зв'язку, в одномуз ланок якого інформація передається оптично. Це основнепризначення Оптрон. Якщо між компонентами Оптрон створити електричнозворотний зв'язок, то Оптрон може стати активним приладом, придатним дляпосилення і генерації електричних і оптичних сигналів.
Принципова відмінність оптронів як елементів зв'язку полягає ввикористанні для переносу інформації електрично нейтральних фотонів, щообумовлює ряд переваг оптронів, які властиві і всім іншимоптоелектронних приладів в цілому. Хоча у оптронів є, зрозуміло, і своїнедоліки.
Оптрони техніка базується на досягненнях в області фізики ітехнології випромінювачів і фотоприймачів.
6.ЗАКЛЮЧЕНІЕ
Важлива особливість фотодіодів - високий?? е швидкодію. Вони можутьпрацювати на частотах до декількох мільйонів герц. Фотодіоди зазвичайвиготовляють з германію або кремнію.
фотодіод є потенційно широкосмуговим приймачем. Цим іобумовлюється його повсюдне застосування.
У майбутньому вкрай важливо підвищення робочої температури фотодіодів.
Оцінюючи сьогоднішню оптоелектроніку в цілому, можна сказати, що вона швидше
«Кріогенна», ніж «кімнатна».
Майбутнє оптоелектроніки знаходиться в прямій залежності від прогресуфотодіодних структур. Оптична електроніка бурхливо розвивається,розробляються нові типи фотоприймачів, і, напевно, вже скоро з'являтьсяфотодіоди на основі нових матеріалів з більшою чутливістю,підвищеним швидкодією і з поліпшеними характеристиками в цілому.
7.ЛІТЕРАТУРА
1) роках А. Г. Фотоелектричні явища в напівпровідниках і діелектриках.
- Саратов: Видавництво Саратовського університету, 1984.
2) Названов В. Ф. Основи оптоелектроніки. - Саратов: Издательство
Саратовського університету, 1980.
3) Носов Ю. Р. Оптоелектроніка. - М.: Радянське радіо, 1977.
4) Василевський А. М. та ін Оптична електроніка/А. М. Василевський, М. А.
Кропоткін, В. В. Тихонов. - Л.: Энергоатомиздат. Ленингр. Отд-ние, 1990.
5) Шалімова К. В. Фізика напівпровідників. - М.: Енергія, 1976.
6) Пасынков В.В. та ін Напівпровідникові прилади/В.В. Пасинків, Л.К.
Чиркін, А.Д. Шинків. - М.: Вища школа, 1973.
