Фотодиод в оптоэлектронике

Министерствообщего и профессиональногообразования

РоссийскойФедерации

САРАТОВСКИЙГОСУДАРСТВЕННЫЙУНИВЕРСИТЕТим. Н.Г.ЧЕРНЫШЕВСКОГО

Кафедрафизики

Полупроводников

ФОТОДИОД В

ОПТОЭЛЕКТРОНИКЕ

Курсоваяработа

Студента1 курса физическогофакультета

МашковаДмитрия Александровича

Научныйруководитель

профессор

________Роках А.Г.

/подпись/

Зав.кафедрой

профессор,доктор

_________ Б.Н.Климов

/подпись/

Саратов– 1999г.

Планработы

1.Введение ипостановказадачи

2.Физическиеосновы внутреннегофотоэффекта

3.Принцип действияфотодиода

4.Практическаячасть(исследованиехарактеристикфотодиода)

5.Применениефотодиода воптоэлектронике

6.Заключение

7.Литература

1.ВВЕДЕНИЕИ ПОСТАНОВКАЗАДАЧИ

Внаши дни прогрессв различныхобластях наукии техники немыслимбез приборовоптическойэлектроники.Оптическаяэлектроникауже давно играетведущую рольв жизни человека.А с каждым годомее внедрениево все сферычеловеческойдеятельностистановитсявсе интенсивнее.И этому естьсвои причины.Устройстваоптоэлектроникиимеют ряд отличийот других устройств.Можно выделитьследующие ихдостоинства.

а)Высокая информационнаяемкость оптическогоканала, связаннаяс тем, что частотасветовых колебаний(около 10¹⁵Гц) в 10³-10⁴раз выше,чем в освоенномрадиотехническомдиапазоне.Малое значениедлины волнысветовых колебанийобеспечиваетвысокую достижимуюплотностьзаписи информациив оптическихзапоминающихустройствах(до 10⁸бит/см²).

б)Острая направленностьсветовогоизлучения,обусловленнаятем, что угловаярасходимостьлуча пропорциональнадлине волныи может бытьменьше однойминуты. Этопозволяетконцентрированнои с малыми потерямипередаватьэлектромагнитнуюэнергию в заданнуюобласть пространства.В малогабаритныхэлектронныхустройствахлазерный лучможет бытьнаправлен нафоточувствительныеплощадки микронныхразмеров.

в)Возможностьдвойной – временнойи пространственноймодуляциисветового луча.Минимальнаяэлементарнаяплощадка вплоскости,перпендикулярнойнаправлениюраспространения,которая можетбыть выделенадля независимоймодуляции частилуча близкак ²(

10⁸см²).Это позволяетпроизводитьпараллельнуюобработкуинформацию,что очень важнопри созданиивысокопроизводительныхкомплексов.

г)Так как источники приемник воптоэлектроникене связаны другс другом электрически,а связь междуними осуществляетсятолько посредствомсветового луча(электрическинейтральныхфотонов), онине влияют другна друга. И поэтомув оптоэлектронномприборе потокинформациипередаетсялишь в одномнаправлении– от источникак приемнику.Каналы, по которымраспространяетсяоптическоеизлучение, невоздействуютдруг на другаи практическине чувствительнык электромагнитнымпомехам (отсюдаи высокаяпомехозащищенность).

д)возможностьнепосредственногооперированиясо зрительновоспринимаемымиобразами:фотосчитывание,визуализация(например, нажидких кристаллах).

Любоеоптоэлектронноеустройствосодержит фотоприемныйблок. И в большинствесовременныхоптоэлектронныхустройствфотодиод представляетоснову фотоприемника.

Фотодиодыобладают наилучшимсочетаниемфотоэлектрическихпараметров,основных сточки зренияиспользованияв оптоэлектронике:высокие значениячувствительностии быстродействия,малые значенияпаразитивныхпараметров(например, токутечки). Простотаих устройствапозволяетдостигнутьфизическогои конструкционногооптимума иобеспечитьнаиболее полноеиспользованиепадающегосвета.

Всопоставлениис другими, болеесложнымифотоприемниками,они обладаютнаибольшейстабильностьютемпературныххарактеристики лучшимиэксплуатационнымисвойствами.

Основнойнедостаток,на которыйобычно указывают,- отсутствиеусиления. Ноон достаточноусловен. Почтив каждом оптоэлектронномустройствефотоприемникработает нату или инуюсогласующуюэлектроннуюсхему. И введениеусилительногокаскада в неезначительнопроще и целесообразнее,чем приданиефотоприемникунесвойственныхему функцийусиления.

Нуа целью моейработы являетсяисследованиехарактеристикфотодиода:вольт-ампернойхарактеристики,коэффициентаполезногодействия.

2.ФИЗИЧЕСКИЕОСНОВЫ ВНУТРЕННЕГОФОТОЭФФЕКТА

Падающийна веществопоток светаможет испытыватьотражение,поглощениеили проходитьнасквозь.

Еслипоглощенныйсвет приводитк такому увеличениюэнергии электронов,что они покидаютобъем, занимаемыйвеществом,говорят о внешнемфотоэффекте.Если при освещенииизменяетсяэнергетическоесостояние носителейзаряда внутритвердого тела,то мы имеемдело с внутреннимфотоэффектом.При этом добавочнаяпроводимость,обусловленнаяносителямизаряда, созданнымиизлучением,называетсяфотопроводимостью.

Привнутреннемфотоэффектепервичным актомявляется поглощениефотона. Поэтомупроцесс образованиясвободныхносителейзаряда подвоздействиемизлучения будетпроходитьпо-разному взависимостиот особенностейпроцесса поглощениясвета. К томуже поглощенныйсвет не всегдавызывает фотоэффект.

Существуетнесколько видовпоглощениясвета.

а)собственноепоглощение.

Этотвид поглощенияимеет местов том случае,когда оптическоевозбуждениеэлектроновпроисходитиз валентнойзоны в зонупроводимости.Для полупроводникас прямыми долинамипри вертикальныхпереходахэнергия фотонаhдолжнабыть не меньшеширины запрещеннойзоны, то есть

h E_g.

Длясильно легированногополупроводникаn-типакогда уровеньФерми расположенвыше края зоныпроводимостина величину_n,нижняяграница фотопроводимостибудет соответствовать

h= E_g+ _n.

Всильно легированномполупроводникеp-типауровеньФерми лежитна величину_pниже краявалентной зоны,поэтому

h= E_g+ _p.

Прибольших энергияхфотонов поглощениев фундаментальнойобласти ведетк увеличениюфотопроводимостиза счет ростакоэффициентапоглощения.В случае собственногопоглощениядостигаетнаибольшейвеличины – (10⁶см^-1).Вместес тем такоепоглощениеувеличиваетконцентрациюносителейзаряда вблизиповерхностиполупроводникаили диэлектрика,которые имеютменьшее времяжизни, чем носителизаряда в объеме.

б)примесноепоглощение.

Такоепоглощениепри наличиив запрещеннойзоне полупроводникалокальныхуровней примесиможет вызватьпереходы электроновмежду уровнямипримеси и зонами.Фотопроводимость,обусловленнаятакими переходами,называетсяпримеснойфотопроводимостью.Для реализациитаких переходовнужна меньшаяэнергия кванта,чем для реализациипереходов извалентной зоныв зону проводимости.Поэтому примесноепоглощениеимеет местопри большихдлинах волнпадающегосвета.

в)экситонноепоглощение.

Приэкситонномпоглощениисвета имеетместо созданиесвязанной парыэлектрон-дырка,которая являетсяэлектрическинейтральнымобразованием.Поэтому поглощениесвета, связанноес образованиемэкситонов,первоначальноне ведет квозникновениюсвободныхносителейзаряда. Однаков реальныхкристаллическихструктурахэкситоны имеютзначительнобольшую вероятностьдиссоциироватьбезызлучательно(с образованиемэлектронови дырок), чемрекомбинироватьс испусканиемкванта света.Таким образом,образованиеэкситонов вконечном итогеведет к возникновениюсвободныхносителейзаряда, а следовательно,и фототока.Экситонноепоглощение,характеризующеесяузкими полосамипоглощения,определяети узкие полосыфототока. Приэтом спектрфототока вобласти экситонногопоглощениябудет зависетьот состоянияповерхности.Состояниеповерхностиполупроводникаможно легкоизменить путемвоздействияна нее (механическое,химическоеи т.д.). Такимобразом можноизменить характернаблюдаемогоспектра фототока,обусловленногоэкситоннымпоглощением.

г)поглощениесвободныминосителямизаряда.

Поглощениесвета свободныминосителямизаряда сопровождаетсяувеличениемих энергии. Приэтом, в отличиеот рассмотренныхвыше трех видовпоглощения,число свободныхносителей неизменяется.Но вместе с темизменяетсяподвижностьносителейзаряда.

д)поглощениекристаллическойрешеткой.

Врезультатетакого поглощенияувеличиваетсяамплитудаколебаний узловрешетки. В этомслучае не изменяетсяни концентрацияносителейзаряда, ни ихподвижность.Поэтому поглощениесвета кристаллическойрешеткой неявляетсяфотоактивным.

Поглощениесвета свободныминосителямизаряда и кристаллическойрешеткой немогут непосредственновызвать изменениеконцентрацииносителейзаряда. Однаковозрастаниеконцентрацииносителейзаряда в этихслучаях можетпроисходитьв результатевторичныхэффектов, когдапоглощениесвета значительноувеличиваеткинетическуюэнергию свободныхносителейзаряда илиувеличиваетконцентрациюфононов, которыезатем отдаютсвою энергиюна возбуждениеносителейзаряда.

3.ПРИНЦИПДЕЙСТВИЯ ФОТОДИОДА

Полупроводниковыйфотодиод – этополупроводниковыйдиод, обратныйток которогозависит отосвещенности.

Обычнов качествефотодиодаиспользуютполупроводниковыедиоды с p-nпереходом,который смещенв обратномнаправлениивнешним источникомпитания.

При поглощенииквантов светав p-n переходеили в прилегающихк нему областяхобразуютсяновые носителизаряда. Неосновныеносители заряда,возникшие вобластях, прилегающихк p-n переходу нарасстоянии,не превышающейдиффузионнойдлины, диффундируютв p-n переходи проходятчерез него поддействиемэлектрическогополя. То естьобратный токпри освещениивозрастает.Поглощениеквантов непосредственнов p-n переходеприводит каналогичнымрезультатам.Величина,на которуювозрастаетобратный ток,называетсяфототоком.

Свойствафотодиода можноохарактеризоватьследующимихарактеристиками.

а) вольт-ампернаяхарактеристикафотодиодапредставляетсобой зависимостьсветового токапри неизменномсветовом потокеи темновоготока I_темн от напряжения.

б) световаяхарактеристикафотодиода,то естьзависимостьфототока отосвещенности,соответствуетпрямой пропорциональностифототока отосвещенности.Это обусловленотем, что толщинабазы фотодиодазначительноменьше диффузионнойдлины неосновныхносителейзаряда. То естьпрактическивсе неосновныеносители заряда,возникшие вбазе, принимаютучастие в образованиифототока.

г) спектральнаяхарактеристикафотодиода– это зависимостьфототока отдлины волныпадающего светана фотодиод.Она определяетсясо стороныбольших длинволн ширинойзапрещеннойзоны, при малыхдлинах волнбольшим показателемпоглощенияи увеличениявлияния поверхностнойрекомбинацииносителейзаряда с уменьшениемдлины волныквантов света.То есть коротковолноваяграница чувствительностизависит оттолщины базыи от скоростиповерхностнойрекомбинации.Положениемаксимума вспектральнойхарактеристикефотодиодасильно зависитот степенироста коэффициентапоглощения.

д) постояннаявремени– это время, втечение которогофототок фотодиодаизменяетсяпосле освещенияили после затемненияфотодиода ве раз (63%)по отношениюк установившемусязначению.

е) темновоесопротивление– сопротивлениефотодиода вотсутствиеосвещения.

ж) интегральнаячувствительность

K = I_ф/

,

гдеI_ф –фототок,

– освещенность.

з) инерционность.

Существует3 физическихфактора, влияющихна инерционность:1) время диффузииили дрейфанеравновесныхносителей черезбазу ; 2) время пролетачерез p-nпереход_i; 3) времяперезарядкибарьернойемкости p-nперехода,характеризующеесяпостояннойвремени RС_бар.

Времядиффузии носителейзаряда черезбазу можноопределить(аналогичновремени пролетаносителейзаряда черезбазу транзистора)для бездрейфового:

t_прол=

,

идрейфового:

t_прол=

_g

50 нс.

Время пролетачерез p-nпереход:

_i=

,

где - толщина p-nперехода,v_max– максимальнаяскорость дрейфаносителейзаряда (v_maxдля кремнияи германияравна 5*10⁶см/c).

Толщинаp-nперехода, зависящаяот обратногонапряженияи концентрациипримесей вбазе, обычноменьше 5 мкм, азначит _i=0.1нс. RC_баропределяетсябарьернойемкостью p-nперехода,зависящей отнапряженияи сопротивлениябазы фотодиодапри маломсопротивлениинагрузки вовнешней цепи.Величина RС_барпорядка несколькихнаносекунд.

4.ПРАКТИЧЕСКАЯЧАСТЬ

Расчет КПДфотодиода.

КПД вычисляетсяпо формуле:

,

где P_осв– мощностьосвещенности,I – силатока , U– напряжениена фотодиоде.

Максимальнаямощность фотодиодасоответствуетмаксимальнойплощади данногопрямоугольника.

Мощность Освещенности, МВт	Силатока, 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

Среднеезначение: 1.5%.

Вывод:коэффициентполезногодействия фотодиодасогласно полученнымданным составилв среднем 1.5%.

5.ПРИМЕНЕНИЕФОТОДИОДА ВОПТОЭЛЕКТРОНИКЕ

Фотодиодявляется составнымэлементом вомногих сложныхоптоэлектронныхустройствах.И поэтому оннаходит широкоеприменение.

а) оптоэлектронныеинтегральныемикросхемы.

Фотодиодможет обладатьбольшим быстродействием,но его коэффициентусиления фототокане превышаетединицы. Благодаряналичию оптическойсвязи оптоэлектронныеинтегральныемикросхемыобладают рядомсущественныхдостоинств.Почти идеальнаягальваническаяразвязка управляющихцепей при сохранениимежду нимисильной функциональнойсвязи.

б) многоэлементныефотоприемники.

Этиприборы (сканистор,мишень кремникона,фотодиоднаяматрица с управлениемна МОП-транзисторе,фоточувствительныеприборы с зарядовойсвязью и другие)относятся кчислу наиболеебыстро развивающихсяи прогрессирующихизделий электроннойтехники. Сочетаяв себе успехифизики дискретныхфотоприемникови новейшиетехнологическиедостижениябольших интегральныхсхем, многоэлементныефотоприемникивооружаютоптоэлектроникутвердотельным«глазом», способнымреагироватьне только наяркостно-временные,но и на пространственныехарактеристикиобъекта, тоесть восприниматьего полныйзрительныйобраз.

Для успешноговыполненияэтих функцийнеобходимо,чтобы числоэлементарныхфоточувствительныхячеек в приборебыло достаточнобольшим, поэтомукроме всехпроблем дискретногофотоприемника(чувствительность,быстродействие,спектральнаяобласть) приходитсярешать и проблемусчитыванияинформации.Все многоэлементныефотоприемникипредставляютсобой сканирующиесистемы, тоесть устройства,позволяющиепроизводитьанализ исследуемогопространствапутем последовательногоего просмотра(поэлементногоразложения).

Принципвосприятияобразов этимисистемамисводится кследующему.Распределениеяркости объектанаблюденияпревращаетсяв оптическоеизображениеи фокусируетсяна фоточувствительнуюповерхность.Здесь световаяэнергия переходитв электрическую,причем откликкаждого элемента(ток, заряд,напряжение)пропорционаленего освещенности.Яркостнаякартина преобразуетсяв электрическийрельеф. Схемасканированияпроизводитпериодическийпоследовательныйопрос каждогоэлемента исчитываниесодержащейсяв нем информации.В конечномсчете, на выходеустройствамы получаемпоследовательностьвидеоимпульсов,в которой закодированвоспринимаемыйобраз.

При созданиимногоэлементныхфотоприемниковстремятсяобеспечитьнаилучшеевыполнениеими функцийпреобразованияи сканирования.

в) оптроны.

Оптрономназываетсятакой оптоэлектронныйприбор, в которомимеются источники приемникизлучения стем или инымвидом оптическойи электрическойсвязи междуними, конструктивнообъединенныеи помещенныев один корпус.

В электроннойсхеме оптронвыполняетфункцию элементасвязи, в одномиз звеньевкоторого информацияпередаетсяоптически. Этоосновное назначениеоптрона. Еслимежду компонентамиоптрона создатьэлектрическиобратную связь,то оптрон можетстать активнымприбором, пригоднымдля усиленияи генерацииэлектрическихи оптическихсигналов.

Принципиальноеотличие оптроновкак элементовсвязи заключаетсяв использованиидля переносаинформацииэлектрическинейтральныхфотонов, чтообуславливаетряд достоинствоптронов, которыеприсущи и всемостальнымоптоэлектроннымприборам вцелом. Хотя уоптронов есть,разумеется,и свои недостатки.

Оптроннаятехника базируетсяна достиженияхв области физикии технологииизлучателейи фотоприемников.

6.ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Важнаяособенностьфотодиодов– высокоебыстродействие.Они могут работатьна частотахдо несколькихмиллионов герц.Фотодиодыобычно изготовляютиз германияили кремния.

Фотодиодявляется потенциальноширокополоснымприемником.Этим и обуславливаетсяего повсеместноеприменение.

В будущемкрайне важноповышениерабочей температурыфотодиодов.Оценивая сегодняшнююоптоэлектроникув целом, можносказать, чтоона скорее«криогенная»,чем «комнатная».

Будущееоптоэлектроникинаходится впрямой зависимостиот прогрессафотодиодныхструктур. Оптическаяэлектроникабурно развивается,разрабатываютсяновые типыфотоприемников,и навернякауже скоро появятсяфотодиоды наоснове новыхматериаловс большейчувствительностью,повышеннымбыстродействиеми с улучшеннымихарактеристикамив целом.

7.ЛИТЕРАТУРА

1. РокахА. Г. Фотоэлектрическиеявления вполупроводникахи диэлектриках.- Саратов: ИздательствоСаратовскогоуниверситета,1984.

2. НазвановВ. Ф. Основыоптоэлектроники.– Саратов:ИздательствоСаратовскогоуниверситета,1980.

3. НосовЮ. Р. Оптоэлектроника.– М.: Советскоерадио, 1977.

4. ВасилевскийА. М. и др. Оптическаяэлектроника/А. М. Василевский,М. А. Кропоткин,В. В. Тихонов.– Л.: Энергоатомиздат.Ленингр. Отд-ние,1990.

5. ШалимоваК. В. Физикаполупроводников.– М.: Энергия,1976.

6. ПасынковВ.В. и др. Полупроводниковыеприборы/В.В. Пасынков,Л.К. Чиркин, А.Д.Шинков. – М.: Высшаяшкола, 1973.

В папке 'tables' находятся таблицы и графики, которые
отображают вольт-амперную характеристику фотодиода (не
знаю какой марки) при мощности освещения светодиодом
(тоже не знаю какой марки) 1, 3, 5 и 7 милливатт, а так-
же вольт-амперная характеристика (ВАХ) фотодиода без
освещения (т.е. когда ток - темновой). Причем, ВАХ дана
для работы фотодиода как в прямом (график - справа), так
и в обратном (график - слева) напрвлении.
Но они в не очень хорощо оформленном виде,т.к. они бы-
ли мне нужны для защиты этой работы и не было времени их
'довести до ума'.
Пусть Вас не смущает ВАХ при мощности освещения
5 млВт для обратного напрвления. График построен всего
по двум значениям и лишь только поэтому представляет
собой прямую. Дело в том, что после того, ка я получил
2 значения для I и 2 - для U, дальнейшее изменение
силы тока не приводило к изменению напряжения и ток
быстро стал насыщенным.(да, кстати, не знаю почему на
этом графике две прямых).
Эти таблицы мне не удалось поместить в файл
'fotodiod' (вернее таблицы-то удалось, неудалось -
графики) и поэтому они даны отдельно (я не достаточно
хорошо знаю Excel и надеюсь, что у Вас получится).В
связи с этим работа построена так, что ее можно
распечатать и без них, а потом распечатать таблицы и
вставить эти листы в 4 пункт работы сразу после того
места, где заканчивается расчет КПД. А следующий пункт
работы начнется с нового листа и не останется пустых
мест (я так сделал).

Да, а защитился я конечно же на 'отл', чего и Вам
желаю. Надеюсь, что моя работа будет Вам хоть чем-то
полезна.

Удачи на экзаменах.

Автор.