Матричные фотоприемники

б) многоэлементные фотоприемники.

Эти приборы (сканистор, мишень кремникона, фотодиодная матрица с управлением на МОП-транзисторе, фоточувствительные приборы с зарядовой связью и другие) относятся к числу наиболее быстро развивающихся и прогрессирующих изделий электронной техники. Сочетая в себе успехи физики дискретных фотоприемников и новейшие технологические достижения больших интегральных схем, многоэлементные фотоприемники вооружают оптоэлектронику твердотельным «глазом», способным реагировать не только на яркостно-временные, но и на пространственные характеристики объекта, то есть воспринимать его полный зрительный образ.

Для успешного выполнения этих функций необходимо, чтобы число элементарных фоточувствительных ячеек в приборе было достаточно большим, поэтому кроме всех проблем дискретного фотоприемника (чувствительность, быстродействие, спектральная область) приходится решать и проблему считывания информации. Все многоэлементные фотоприемники представляют собой сканирующие системы, то есть устройства, позволяющие производить анализ исследуемого пространства путем последовательного его просмотра (поэлементного разложения).

Принцип восприятия образов этими системами сводится к следующему. Распределение яркости объекта наблюдения превращается в оптическое изображение и фокусируется на фоточувствительную поверхность. Здесь световая энергия переходит в электрическую, причем отклик каждого элемента (ток, заряд, напряжение) пропорционален его освещенности. Яркостная картина преобразуется в электрический рельеф. Схема сканирования производит периодический последовательный опрос каждого элемента и считывание содержащейся в нем информации. В конечном счете, на выходе устройства мы получаем последовательность видеоимпульсов, в которой закодирован воспринимаемый образ.

При создании многоэлементных фотоприемников стремятся обеспечить наилучшее выполнение ими функций преобразования и сканирования.

в) оптроны.

Оптроном называется такой оптоэлектронный прибор, в котором имеются источник и приемник излучения с тем или иным видом оптической и электрической связи между ними, конструктивно объединенные и помещенные в один корпус.

В электронной схеме оптрон выполняет функцию элемента связи, в одном из звеньев которого информация передается оптически. Это основное назначение оптрона. Если между компонентами оптрона создать электрически обратную связь, то оптрон может стать активным прибором, пригодным для усиления и генерации электрических и оптических сигналов.

Принципиальное отличие оптронов как элементов связи заключается в использовании для переноса информации электрически нейтральных фотонов, что обуславливает ряд достоинств оптронов, которые присущи и всем остальным оптоэлектронным приборам в целом. Хотя у оптронов есть, разумеется, и свои недостатки.

Оптронная техника базируется на достижениях в области физики и технологии излучателей и фотоприемников.

2.1 Фотодиод p-i-n типа

В кремниевом p-i-n –диоде , который является одним из наиболее распространенных фотодетекторов , толщина i-области составляет примерно 50 мкм , а слоя p+ -- всего 3 мкм . При освещении такого диода светом с длинной волны l= 0,9мкм ( от GaAs-излучателя ) x*=30 мкм и около 80% света поглощается в i- слое. Следовательно ,практически все фотоэлектроны и дырки возникают в i- слое ,и быстродействие диода определяется временем tI их пролета через i- слой . Дрейфовая скорость электронов в кремнии сначала растет с увеличением напряженности поля , а затем испытывает насыщение при U d ≈≈5∙106 см/с. В этихусловиях время пролета

tI =50∙10­­­-4 см/5∙106 см/с=10­­­-9 с,

а время tд ,определяемое диффузией электронов из p-области или дырок из n-области (tд > tI ) , не играет существенной роли.

В общем случае следует учитывать еще одну составляющую tRC постоянной времени , связанную с сопротивлением R и емкостью C цепи . При малом сопротивлении нейтральных областей диода ,а также внешней цепи , при широком переходе (зарядовая емкость p-n- перехода C~d-1 , а d~√U) имеет tRC < tI . Обнаружительная способность кремниевых фотодиодов достигает значения 1∙1013 см ∙Гц1/2 ∙Вт -1 (λ=1 мкм , Т=300 К)

2.5 Принципиальная схема

2.6 Вывод: перспективы развития.

Важная особенность фотодиодов – высокое быстродействие. Они могут работать на частотах до нескольких миллио

нов герц. Фотодиоды обычно изготовляют из германия или кремния.

Фотодиод является потенциально широкополосным приемником. Этим и обуславливается его повсеместное применение.

В будущем крайне важно повышение рабочей температуры фотодиодов. Оценивая сегодняшнюю оптоэлектронику в целом, можно сказать, что она скорее «криогенная», чем «комнатная».

Будущее оптоэлектроники находится в прямой зависимости от прогресса фотодиодных структур. Оптическая электроника бурно развивается, разрабатываются новые типы фотоприемников, и наверняка уже скоро появятся фотодиоды на основе новых материалов с большей чувствительностью, повышенным быстродействием и с улучшенными характеристиками в целом.

3.1.ЛАВИННЫЕФОТОДИОДЫ НА ОСНОВЕ СВЕРХРЕШЕТКИ

InSb-InSbBi

Волгодонский институт ЮРГТУ (НПИ), г. Волгодонск, ул. Ленина 73/94, тел.: 25668

Анализ физических свойств гетеропереходов, проведенный нами для

гетероструктур InSbBi/InSb, показал, что причиной возможной деградации

частотных характеристик и добротности фотодетекторов с использованием этих

твердых растворов могут быть скачки в зонной структуре гетероперехода.

Эффективность гетероперехода со скачком потенциала в валентной зоне на

гетерогранице ∆Е пропорциональна exp ( ∆Е/kT), где

∆Е = Еg1 - Еg2 - ∆Е0

Захват носителей приводит к замедлению релаксации фототока с постоянной

времени τ ~ exp( ∆Е / kT) ≥ 10 нс, что существенно снижает быстродействие

фотоприемников. Значение ∆Е для гетероперехода InSb0.98Bi0.02/InSb составляет

около 0,05 эВ.

Сглаживание гетеропереходов достигается применением буферных слоев

1	2	3	4	5	6	7