Разработка устройства для измерения освещенности и коэффициента пульсации светового потока

Спектральную характеристику фотодиода  определяют следующим выражением:

,

где R — коэффициент отражения от поверхности, а Q — коэффициент собирания носителей, который служит для оценки эффективности разделения носителей тока и определяется как

,

где N — число поглощенных в  полупроводнике носителей, а q — заряд  электрона.

Максимум спектральной характеристике кремниевых фотодиодов находится вблизи 0,86 мкм, но в зависимости от конструкции  и применяемой технологии может  сдвигаться от 0,6 мкм до 1,1 мкм. Длинноволновая граница достигает значений λ'' = 1,2 мкм. Для фоточувствительных структур из германия максимум спектральной характеристики смещен в область больших длин волн (1,5 мкм). Длинноволновая граница спектральной чувствительности достигает λ'' = 2 мкм [32].

Чувствительность к излучению  с длиной волны  λ < 0,45 мкм, которое поглощается в поверхностном слое, обладают структуры с барьером металл-полупроводник (фотодиод Шоттки) [32].

Структура фотодиода pin выглядит как  тонкие и низкоомные p и n области, а  между ними — высокоомный протяженный  слой i, который поглощает до 90% падающей мощности. Данный фотодиод функционирует при обратном смещении. Практически все приложенное напряжение падает на i-слое, создавая область сильного поля, ускоряющего образованные действием лучистого потока носители. Дрейфовый механизм переноса носителей в pin фотодиоде сводит к минимуму рекомбинационные потери. Коэффициент собирания pin фотодиода пропорционален толщине слоя i (d)

Q = 1 — l^dα,

где α — коэффициент поглощения.

Спектральная характеристика фотодиода  зависит от приложенного к нему напряжения. Для кремниевых диодов при подаче обратного смещения максимум спектральрной характеристики смещается в область больших длин волн [32].

Повысить чувствительность кремниевых pin фотодиодов в 2-5 раз позволяет  структура с полным внутренним отражением света, работающего в ближней инфракрасной области спектра. Для реализации многократного отражения излучения на тыльной поверхности фотодиода создается рельеф в виде Y-образных канавок. В фотодиодах с отражающим рельефом длина пути прохождения света в несколько раз превышает толщину пластины полупроводника. Ход луча определяется законами геометрической оптики, т. к. период рельефа больше длины волны излучения. В структуре достигается хорошее поглощение и высокий коэффициент собирания носителей. Вольт-амперные характеристики фотодиодов представлены на Рисунке 4

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Прямая ветвь характеристик  обычно не рассматривается, т. к. фотодиоды применяются либо при обратном (фотодиодный режим), либо при нулевом (фотогальванический режим) смещении [32].

В фотодиодном режиме темновой ток максимален и равен току насыщения. Темновой ток промышленных образцов нередко достигает единиц, десятков^ единиц микроампер. На 2-3 порядка ниже темновой ток фотодиодов.

Параллельно зависимости темнового  тока при отрицательном смещении располагаются характеристики, соответствующие уровням освещенности фотодиода. Ход характеристик объясняется тем, что значение фототока определяется числом поглощенных фотонов и слабо зависит от приложенного напряжения. Линии равноудалены друг от друга, что свидетельствует о линейности энергетической характеристики фотодиода [32].

В случае нулевого смещения значение фототока зависит от сопротивления  нагрузки RH фотоприемника, изменяясь  от тока короткого замыкания (R_Н = 0) до нуля (R_H= ∞). Таким образом, в фотогальваническом режиме диод является источником фото-э.д.с. Для типичных фотодиодов напряжение холостого хода U_xx не превышает 700—750 мВ [36].

В фотодиодном режиме линейность спектральной характеристики датчика практически  идеальна в пределах 5-6 декад освещенности. Нелинейность составляет 1%. При включении фотодиода в фотогальваническом режиме линейность так же является высокой при сопротивлениях нагрузки, много меньших дифференциального сопротивления фотодиода. При этом нагрузочная прямая занимает положение, близкое к вертикальному, а напряжение на нагрузке не превышает 100 мВ. При увеличении сопротивления нагрузки линейный участок спектральной характеристики сужается [36].

Частотная характеристика фотодиодов позволяет  оценить их быстродействие. Граничная частота может варьироваться в пределах от единиц до сотен МГц в зависимости от типа и режима работы фотодиода [36].

Быстродействие фотодиода определяется временем пролета носителей фототока от места их образования до разделения потенциальным барьером [32].

Полоса частот фотодиода определяется выражением

ΔF = (1 + r_s/r_n)2πr_sC_n,

Где r_s — сопротивление, включающее сопротивление растеканию тока в базе и в коллекторе и сопротивление контактов, r_n — сопротивление p-n-перехода, C_n — емкость p-n-перехода [32].

В этом выражении не учитывается  влияние R_H, которым можно пренебречь, если его величина превосходит r_s более, чем в 10 раз.

Минимальное быстродействие наблюдается  при гальваническом режиме работы фотодиода, так как в этом случае емкость p-n-перехода максимальна, а ширина объемного заряда минимальна [32].

В фотодиодном режиме pin-фотодиодов носители вследствие дрейфа под действием  сильного поля области i достигают p-n-перехода с незначительными рекомбинационными  потерями (Q≈1). Граничная частота pin-фотодиода при равномерном образовании электронно-дырочных пар по всему i-слою определяется как

f = 1,7μU_обр/δ²π,

где δ — толщина базы типа p для диффузионного фотодиода, μ — подвижность носителей.

В таблице приведены численные  значения граничной частоты фотодиодов в зависимости от толщины i-слоя при величине обратного смещения 50В.

 

δ	fгр, МГц
0,2 мм	30
0,05 мм	400
10 мкм	10

 

В фотогальваническом режиме инерционность pin-фотодиода увеличивается примерно на порядок вследствие того, что  электрическое поле распространяется не на весь i-слой. Наряду с дрейфом носители переносятся и диффузией. Однако уже при U_обр порядка 1-2 В ширина области объемного заряда становится больше глубины поглощения излучения (1/α) и диффузионное разделение носителей прекращается [32].

Емкость p-n-перехода определяется шириной i-слоя W

U_п = A(EE_o/W),

где E, E_o — соответственно диэлектрическая проницаемость полупроводника и вакуума, A — площадь p-n-перехода [32].

Фотодиоды обладают наибольшим среди  полупроводниковых фотоприемников быстродействием. Постоянная времени p-n структур составляет 10^-5 — 10^-7 с, p-i-n — 10^-8 — 10^-10 с. Даже с учетом включения фотодиода в фотогальваническом режиме, этих значения вполне достаточно для измерения светового потока освещенности от промышленных ламп с учетом частоты модуляции этого потока.

Пороговый поток Ф_п представляет собой минимальный фиксируемый поток излучения, амплитуда которого модулирована по синусоидальному закону. Значение порогового потока ограничена шумами фотоприемника. Для кремниевых фотодиодов в зависимости от размера чувствительного элемента, конструкции и режима работы Ф_п = 10^-12 — 10^-15 Вт [32].

Важным параметром, позволяющим  сравнить между собой физически  и конструктивно фотоприемники  различных типов, является обнаружительная  способность — величина, обратная пороговому значению потоку в заданной полосе частот.

,

где А — площадь фоточувствительного элемента, ΔF — полоса частот.

На Рисунке 5 показаны кривые зависимости  обнаружительной способности кремниевых фотодиодов с площадью чувствительного элемента 0,02 см²,  0,2 см² и 1 см² от длины волны излучения.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Кремниевый фотодиод — наиболее подходящий фотоприемник в приборах и информационно-измерительных системах контроля параметров излучателей и индикаторов визуального отображения информации. Так как устройства производят измерение фотометрических параметров, то фотоэлектрический преобразователь должен обладать спектральной характеристикой, приближающейся к чувствительности среднего человеческого глаза. Для корригирования спектральной чувствительности фотодиодов в состав преобразователя включают светофильтры.

• 4.2.1. Лавинный фотодиод

Лавинный фотодиод относится к  фотоприемникам с внутренним усилением. Лавинный фотодиод работает при обратном напряжении, близком к пробивному и, вследствие этого, образованные под действием светового потока носители тока ускоряются сильным электрическим полем, приобретая достаточную энергию для ударной ионизации решетки полупроводника. Возникающие в процессе столкновения электроны и дырки в свою очередь продолжают процесс ионизации. В результате в области пространственного заряда фотодиода происходит лавинное умножение носителей тока с коэффициентом усиления M, определяемым по эмпирической формуле Миллера

M = I_общ/I_o = 1/(1 — (U_см/U_проб)ⁿ),

где U_см — напряжение смещения,  I_o — ток, инициирующий лавинный процесс,  U_проб — пробивное напряжение при M → ∞, n — коэффициент, имеющий значения в пределах от 1,5 до 6 в зависимости от материала фотодиода и типа p-n-перехода [32].

Коэффициент усиления общего тока возрастает пропорционально приложенному напряжению, а зависимость усиления фототока имеет максимум при U_см = U_проб [32].

Предельные реализуемые значения коэффициенты усиления фототока для  фотодиодов на основе Si и GaAs равны 10³ — 10⁴, Ge — 10² [32].

Следует иметь в виду, что простое  повышение напряженности поля без  предприятия дополнительных мер  может привести к увеличению шумов [32].

Лавинный  фотодиод обладает наибольшим по сравнению  с полупроводниковыми фотоприемниками произведением полосы частот на коэффициент усиления. Это позволяет эффективно использовать его для приема слабых оптических сигналов. При этом на 2-3 порядка снижаются требования к шумам предусилителя.

• 4.2.2. Фотодиоды на основе барьеров Шоттки и гетеропереходов

Барьер Шоттки (контакт металл-полупроводник) образуется путем нанесения на полупроводник n или p-типа тонкой прозрачной металлической  пленки. Материалами могут быть различные  полупроводники, используемые в оптоэлектронике, и многие металлы, но пока в промышленности нашли применение кремниевые, германиевые, арсенид-галлиевые фотодиоды с золотой пленкой, толщиной около 0,01 мкм. Вследствие различия работ выхода материалов контакта в базе диода образуется область объемного заряда, обедненная носителями. Аналогично pin-фотодиоду на области объемного заряда падает почти все приложенное к фотодиоду обратное напряжение [32].

В зависимости от длины волны  падающего излучения фотоны поглощаются  в области объемного заряда базы (коротковолновая часть спектрального диапазона), либо придают электронам металла энергию, достаточную для преодоления барьера перехода (коротковолновая часть) [32].

Главным отличием фотодиодов Шоттки от обычных p-n-фотодиодов является высокая  чувствительность в зоне ультрафиолетового излучения, излучение в этом диапазоне поглощается в приповерхностном слое базы.

Фотодиоды Шоттки обладают высоким быстродействием (собственная постоянная времени  составляет 10^-10 — 10^-9 с)

В фотодиодах на основе гетероперехода p-n-переход образуют два полупроводника с разной шириной запрещенной зоны. Для создания гетероперехода необходимо точное совпадение кристаллических решеток применяемых материалов. Характерным примером служит структура GaAs и его твердый раствор GaAlAs. На подложке GaAs n⁺ типа выращиваются слои n^- GaAs и p⁺ GaAlAs. Слой p⁺ с широкой запрещенной зоной пропускает падающий свет. Поглощение происходит в узкозонном n-слое, толщина которого должна быть достаточно большой. Если к гетерофотодиоду приложить обратное напряжение, он будет работать как обычный pin-фотодиод [32].

Гетерофотодиоды обладают высокой чувствительностью  и быстродействием, которые зависят  от параметра среднего слоя прибора. В отличие от pin-фотодиода, у гетерофотодиода  больше емкость.

В фотогальваническом режиме гетерофотодиод формирует ЭДС Uхх = 0,8...1,1 В, что в 2-3 раза превосходит напряжение холостого хода у кремниевых фотодиодов.

• 4.3. Фототранзисторы

Фототранзисторы — наиболее массовый тип фотоприемника с внутренним усилением. Его структура не отличается от структуры обычного транзистора. Единственным отличием является то, что область коллекторного перехода открыта для облучения световым излучением, площадь которого на порядок превышает площадь эмиттерного перехода. В промышленности получили распространение транзисторы n-p-n-типа. Дырки электронно-дырочных пар, рождённых излучением, находятся в базе, а электроны переходят в эмиттер или коллектор. При увеличении положительного потенциала базы происходит усиление фототока за счёт инжекции электронов из эмиттера в базу [37].