Основные характеристики

Современные твердотельные фотодетекторы основаны на уникальном физическом эффекте - внутреннем фотоэффекте. Под этим понимают изменение электропроводности полупроводников, происходящее при поглощении света с образованием свободных носителей заряда. Свободные носители заряда представляют собой заряженные квазичастицы, описывающие нелокализованные (т.е. распространяющиеся по всему объему полупроводника) энергетические состояния электронов в решетке полупроводника, - электроны проводимости или дырки. Избыточная концентрация носителей заряда приводит к изменению электропроводности материала, что, в конечном счете, и регистрируется как выходной электрический сигнал детектора.

Спектральный отклик фотодетектора определяется как отношение плотности фототока, генерируемого световым детектором к интенсивности светового потока падающего на его поверхность:

, [A/Вт] (2)

где Jph (λ) – плотность фототока, φ (λ) – интенсивность светового потока [Вт/см2].

Если величину Jph (λ)/ Ф (λ) разделить на заряд электрона, а световой поток на энергию кванта света, то мы имеем следующую безразмерную величину:

, (3)

которая называется внешним квантовым выходом (или внешней квантовой эффективностью) фотоэлектрического преобразователя.

Выражение (3), в свою очередь, можно переписать в виде:

. (4)

Внешний квантовый выход – величина безразмерная и может применяться к любому типу фотодетектора. Из последнего выражения и выражения для SR (λ) (3) легко получить:

[A/Вт], (5)

если λ выражается в микронах.

Рис.2. Спектральный отклик идеального и реального Si фотодиодов. Спектральный отклик равен нулю при λ = λс, когда энергия квантов света становится меньшей, чем ширина запрещенной зоны полупроводника.

Допустим, что η (λ)=1 (идеальный фотоприемник), тогда SR (λ)=(q / hc) λ. Величина q / hc – универсальная постоянная (q / hc =0.806·104 [1/cм]=1/1.24 [1/мкм]) и внешний спектральный отклик идеального фотодетектора имеет вид:

, [А/Вт]. (6)

В любой практической ситуации только часть светового потока, падающего на поверхность фотодетектора, проникает в его объем. Определенная часть света неизбежно отражается от его поверхности и не вызывает изменение электрической проводимости образца. Поэтому, если выражение для спектрального отклика (2) или (5) или (6) разделить на (1- Rs (λ)), где Rs (λ) – коэффициент отражения света от поверхности фотодетектора при заданной длине световой волны, то мы получим внутренний спектральный отклик фотодетектора:

. (7)

Выражение (7) всегда больше внешнего спектрального отклика и показывает влияние коэффициента отражения на характеристики фотоприемника. Аналогично,

. (8)

В более практической ситуации обычно имеется световые источники, излучающие свет в определенном интервале длин световых волн с различными спектральными интенсивностями. Это может быть очень узкий спектральный диапазон, как это имеет место в современных полупроводниковых лазерах, но может быть представлен и очень широким диапазоном световых частот, например, когда световое излучение Солнца используется для получения электрической энергии (диапазон световых длин волн находится в интервале λ =0.3-3 мкм с плотностью распределения световой интенсивности, приближенно представленной излучением черного тела с температурой ≈6000 ⁰С).

В этом случае выражение для световой интенсивности заменяется плотностью распределения интенсивности света, приходящейся на единицу длин световых волн [ Pλ (Вт/см2 мкм)], а выражение для плотности генерируемого тока принимает вид:

, (9)

где λmin – минимальная длина волны, воспринимаемая фотоприемником, λmax – максимальная длина волны, воспринимаемая фотоприемником.

Понятно, что для обеспечения максимальной плотности фототока необходимо увеличивать ηint до 1 и уменьшать Rs до 0.

При практических применениях фотоприемника важную роль играют шумовые характеристики, ограничивающие предельные характеристики фотоэлектрической системы. Если выходной сигнал фотоприемника мал, то система ограничивается шумовыми характеристиками других компонентов (усилителей сигнала, величиной нагрузочного сопротивления). Когда сигнал велик, ограничивающим фактором может быть его собственное отношение сигнала к шуму (обнаружительная способность).

Чувствительность фотодетектора R определяется отношением среднеквадратичного напряжения выходного сигнала Vs к среднеквадратичному значению мощности излучения P, ответственной за появление этого сигнала:

. (10)

Эквивалентная мощность шумов характеризует предельную величину отношения сигнал-шум. Эквивалентная мощность шумов Pэкв есть среднеквадратичное значение мощности излучения P, падающего на фотоприемник, которое дает среднеквадратичное значение сигнала Vs равное среднеквадратичному значению шумов приемника Vn:

. (11)

где P – среднеквадратичное значение мощности падающего излучения, а полоса частот измерительной системы Δf включается потому, что имеет значение только часть шумов приемника, приходящаяся на фотодетектор.

Обнаружительная способность – величина обратная Pэкв, полученная умножением 1/ Pэкв на A 1/2, где А – площадь приемника:

. (12)

Джонсоновский шум, называемый также тепловым шумом, обусловлен хаотическим движением носителей заряда, и для приемника с внутренним сопротивлением RD при температуре T К среднеквадратичное напряжение шума будет

. (13)

Этот шум не зависит от частоты вплоть до частот порядка обратного времени электрической релаксации (1012 – 1014 Гц) и имеет место даже в отсутствие тока через приемник.

Фликер-шум отличается специфическим спектральным распределением пропорциональным 1/ f α, где α ≈1, а f – шумовая частота. Этот шум играет важную роль на низких частотах. Для большинства полупроводниковых приборов возникновение 1/ f шума связано с поверхностными эффектами, особенно в МДП структурах.

Дробовой шум является преобладающим для большинства полупроводниковых устройств. При низких и средних частотах он не зависит от частоты, т.е. имеет «белый» спектр. Средний квадрат тока дробового шума определяется выражением:

, (14)

где I – абсолютная величина тока, протекающая через фотодетектор.


Понравилась статья? Добавь ее в закладку (CTRL+D) и не забудь поделиться с друзьями:  



double arrow
Сейчас читают про: