При прохождении света через вещество его интенсивность понижается. В общем случае необходимо учитывать 7 механизмов поглощения оптического излучения (рис. 12, а): 1 – фотогенерация электронно-дырочных пар (собственное поглощение), 2,3 – примесное поглощение, 4 – внутрицентровое поглощение, 5 – экситонное поглощение, 6 - электронное поглощение, вызывающее увеличение энергии электронов без увеличения их концентрации, 7 – фононное поглощение, т.е. поглощение кристаллической решеткой. В зависимости от строения зон полупроводника электронные переходы подразделяются на прямые и непрямые (рис. 12, б.), поглощение фотонов сопровождается только лишь прямыми переходами электронов.
Рис. 12. Основные электронные переходы при поглощении света в полупроводнике (а), прямые и непрямые межзонные переходы (б).
Ширина запрещенной зоны Eg полупроводника определяет минимальные значения энергии поглощаемых фотонов. Для собственного поглощения должно выполняться условие hν≥Eg, т.е. энергия фотона должна быть не меньше ширины запрещенной зоны.
|
|
Болометры
Приборы для измерения энергии излучения, основанные на изменении сопротивления термочувствительного элемента при нагревании вследствие поглощения измеряемого потока излучения. Используется для измерения мощности интегрального (суммарного) излучения.
Термочувствительный элемент в болометрах представляет собой тонкий слой (0,1-1 мкм) металла (Ni, Au, Bi и др.), поверхность которого покрыта слоем черни, имеющий большой коэффициент поглощения в широкой области спектра, или полупроводник с большим температурным коэффициентом сопротивления ~ 0,04-0,06 К-1. Размер и форма термочувствительного элемента определяется природой источника. Обычно он представляет собой две одинаковые полоски, вторая используется для компенсации в основном температурных помех.
Разность температур ∆ Т12 преобразуется в разность сопротивлений ∆R, проявляемых в разности токов ∆I и разности напряжений ∆U на нагрузочном сопротивлении.
Металлические элементы изготовляются в виде фольги или пленки из никеля, золота или висмута.
Болометры относятся к приемникам ИК–излучения. Их основное достоинство и основной недостаток заключается в том, что они являются широкополосными приемниками излучения постоянной интенсивности.
Фоторезисторы
Фоторезистор – фотоэлектрический полупроводниковый приемник излучения, принцип действия которого основан на эффекте фотопроводимости. В основе его используется явление внутреннего фотоэффекта, который заключается в том, что при освещении однородного полупроводника его электропроводность увеличивается. Фоторезистор представляет собой обычно тонкую полоску полупроводника с омическими контактами на концах.
|
|
Основные параметры фоторезисторов: фоточувствительность Sф, коэффициент внутреннего усиления фототока (Z), обнаружительная способность (D*) и др., а также специфические параметры: сопротивление в темновом RT и засвеченном Rсв состояниях, их отношение RT/Rсв, постоянные времени релаксации фотопроводимости τ.
Достоинствами фоторезисторов являются линейность вольтамперной характеристики, отсутствие выпрямления и внутренней ЭДС, основным недостатком – невысокое быстродействие.
Фотодиоды
Фотодиод – фоточувствительный полупроводниковый диод с рn-переходом. При освещении рn-перехода в нем возникают электронно-дырочные пары, которые разделяются электрическим полем (фотовентильный режим). Если фотодиод включен на бесконечно большую нагрузку, то в нем реализуется фотовольтаический эффект. В рn-переходе возникает фото-ЭДС в результате накопления зарядов – UФ. Если внешняя цепь замкнута, то в ней при освещении фотодиода протекает фототок IФ. Направление тока совпадает с направлением обратного тока перехода. UФ – смещает pn-переход в прямом направлении, снижая величину потенциального барьера.
Диффузионная длина неосновных носителей заряда в кремнии Ln,p составляет 5*10-3 см, что ограничивает время диффузионного переноса – τ=10–6 -10–7с.
Область спектральной чувствительности определяется зависимостью коэффициента поглощения от длины волны оптического излучения α(λ). Длинноволновая граница λmax определяется шириной запрещенной зоны используемого полупроводника и составляет 1,1 мкм для кремния и 1,7 мкм для германия, для больших длин волн поглощение резко уменьшается. Коротковолновая граница λmin определяется резким увеличением коэффициента поглощения >105 см–1, тогда поглощение происходит очень близко к поверхности, где велика скорость рекомбинации (λmin= 0,3 мкм для Si и Ge).
Для снижения потерь на отражение света от поверхности используют просветляющее покрытие, обычно пленки ZnS (n = 2,3).
Достоинства фотодиодов: 1. Простая технология, высокие значения фотоЭДС, совместимость с технологией ИС.
P-i-n фотодиоды
P-i-n фотодиоды представляют собой наиболее типичные фотоприемники на основе р-n переходов с большим обедненным слоем. Структура этих диодов включает n+
-основу, достаточно широкую слаболегированную i-область и тонкую p -область. Оптимальное сочетание высокой чувствительности и быстродействия в них обуславливается малым влиянием процессов диффузии носителей.
Рис. 15. Энергетическая диаграмма p-i-n фотодиода при освещении под об-
ратным смещением (а) и относительные размеры p-i-n областей структуры (б).
Рис. 16. Структура p-i-n фотодиода.
К достоинствам p-i-n фотодиодов относятся: высокая фоточувствительность и быстродействие. К недостаткам p-i-n фотодиодов относятся: малая фотоЭДС повышенные токи утечки, р-i-n диоды не совместимы с ИС.