Кремній значно кращий напівпровідниковий матеріал для створення лавинних фотодіодів.
Особливості технології виготовлення ЛФД.
В режимі лавинного пробою через підвищення щільності току в окремих ділянках структури діода можуть утворюватися невеличкі центри розряду, названі мікроплазмами. Тому вирішальним чинником для роботи ЛФД є однорідність лавинного процесу, реалізувати котру можливо тільки в зроблених електронно-діркових переходах. У діоді існує три області, де можуть утворюватися локальні мікроплазми:
– краї p-n-переходів у планарних структурах, де специфічна форма дифузійної області на периферії переходу (циліндрична або сферична) призводить до підвищеної напруженості електричного поля в порівнянні з центральною плоскою частиною;
– поверхні в мезаструктурах, де до локального підсилення напруженості електричного поля призводять забруднення або які-небудь дефекти в місцях перетину p-n-переходу і поверхні, що викликають різке викривлення зон поблизу межі p-n-переходу;
– ділянки з недосконалою кристалічною структурою вихідного матеріалу і з дефектами p-n-переходу, де локальний пробій (внутрішня мікроплазма) обумовлений або локальною неоднорідністю у легуванні вихідного матеріалу, або металевими вмиканнями, або іншими структурними дефектами в області об'ємного заряду p-n-переходу.
Мікроплазми генерують нерегулярні "кидки токів", що призводять до раннього пробою або до підвищення рівня шуму приладу. Для запобігання шумів, пов'язаних із флуктуацією щільності легування p-області, необхідна однорідність легування точніше 0,1%. Для зниження надлишкового шуму лавина повинна бути викликана чисто електронною інжекцією у широкій області множення. Це випливає з високого відношення коефіцієнтів іонізації електронів і дірок у кремнії, що у правильно сконструйованих детекторах повинно лежати в межах 0,02 ...0,08. Щоб досягти найменших шумів, необхідне запровадження випромінювання в n-область через p-контакт. У цьому випадку товщина кристалу повинна складати 50 ...70 мкм, що ускладнює технологічне виконання приладу.
Найбільш доступні для виготовлення ЛФД на епітаксіальній структурі типу p-n+ із добре контрольованим профілем p-області. У цьому випадку випромінювання падає з боку n+-прошарку. На мал. 2.5 зображений розтин епітаксіального лавинного фотодіода для ВОЛЗ.
Мал. 2.5. Розтин епітаксального ЛФД із n+-p-?-p+-структурою:
1 – покриття, що зменшує відбиття, (Si3Ni4);
2 – епітаксіальна ?-область(? >> 300 Ом?см);
3 – p+-підкладка.
Мал. 2.6. Залежність коефіцієнта множення від напруги на діоді при різноманітних температурах.
Основні фізичні характеристики.
Постійна часу ЛФД n-p-i-p-типу визначається часом розвитку лавини в області множення M([pic] (де (1—час прольоту носієм області множення) і часом прольоту носіїв від області множення до контакту (др
(лдф = M(1 + (др, (2.5) причому
M(1 = MNл.м[pic],
Де vеф = vnvp / (vn + vp ); vn, vp – швидкості електронів і області
множення; dл.м –ширина "лавинної" області; N л.м– константа, обумовлена
співвідношенням коефіцієнтів іонізації електронів і дірок, що змінюється
від 1/3 при їхній рівності до 2 при коефіцієнті множення істотно меншому
для дірок, ніж для електронів. Як правило, перший доданок. (2.5 ) істотно
менше другого, тобто інерційність ЛФД визначається не процесами множення,
а проходженням носіїв через область щодо слабкого поля до контакту.
Оскільки ЛФД працюють в області великих обернених зсувів, то їхня ємність не виявляється і не обмежує швидкодії.
Шум-фактор F ЛФД зростає з ростом відношення коефіцієнтів іонізації дірок і електронів: kеф = ?p?n. У ЛФД при інжекції тільки електронів
Fn = kефMn + (2 - 1/Mn)(1 - kеф).
Шум-фактор менше, якщо початкове множення починається електронами, тобто носіями з великим коефіцієнтом іонізації. Тому краще виготовляти ЛФД із напівпровідника p-типу провідності.
Спектральная щільність шумового току Iш, може бути визначена зі співвідношення
[pic] = 2q(IтM2F + I).
Робоча напруга, як уже відзначалося, повинна підтримуватися постійною із високою точністю. Для зниження вимог до напруги живлення для ЛФД використовують структуру n-p-i-p-типу. Введення області з власною провідністю призводить до перерозподілу прикладеної напруги між нею й областю лавинного множення. Оскільки падіння напруги на області з власною провідністю пов'язано лінійним законом із минущим струмом, то її наявність сприяє стабілізації струму ЛФД і знижує вимоги до стабільності напруги зсуву. Проте робити цю область занадто протяжною не можна, тому що це сильно збільшує роботу напруги і підвищує інерційність. Наприклад, для структури з розмірами області лавинного множення декілька мікрон у звичайному ЛФД необхідно підтримувати напругу зсуву з точністю 0,2% для забезпечення коефіцієнта множення, рівного 50. Введення i-області товщиною порядку 50 мкм забезпечує той же коефіцієнт множення при стабілізації живлення 10%.
Для оптимального порогу ЛФД у широкому діапазоні температур бажано
використовувати систему регулювання зсуву, що забезпечує сталість значення
М.
РОДІЛ 3. ЗАСТОСУВАННЯ І ПЕРСПЕКТИВИ ФОТОПРИЙМАЧІВ
Фотоприймачі для ультрафіолетового випромінювання.
Фотоприймачі з чутливістю в ультрафіолетовому (УФ) діапазоні знайшли широке застосування в багатьох областях науки і техніки: детектування лазерного випромінювання, спектрозональні дослідження Землі, астрофізичні дослідження в космосі, спектрофотометрія, медико-біологічні дослідження й ін. У більшості випадків такі фотоприймачі крім високої фоточутливості в УФ області спектру, мають малі темнові струми, високу швидкодію, стабільністі.
Фотозчитування з перфострічок і перфокарт.
Раніше для введення необхідної інформації використовували перфострічкиі
перфокарти. Для зчитування з перфострічок і перфокарт широко застосовували
кремнієві ФЕП і ФПВ.Вони володіють достатньою електричною
потужністю,стійкістю параметрів в широкому діапазоні температур і добре
узгоджуються з транзисторними підсилювальними каскадами за схемою з
загальним емітером. Важливим параметром при використанні ФЕП в пристроях,
що зчитують , є відношення амплітуди корисного сигналу Ас до амплітуди
сигналу перешкоди Ап (фонового сигналу). При малих опорах навантаження
(струмовий режим) значення Ас/Ап кремнієвих ФЕП досягає 5 і різко спадає зі
збільшенням опору навантаження. Розмір відношення Ac/An для сигналів
напруги також зменшується з ростом опору навантаження, проте межі цієї
зміни значно менші.
Найбільш ефективно ФЕП розміром 2x3 і 2х5 мм (звичайно використовувані
для фотоpчитувания з перфострічок) працюють із навантажувальними опорами до
500 Ом. У цьому діапазоні навантажень відносні зміни напруги і струму
навантаження не перевищують 20% (в інтервалі температур +20 - +60°C).
Оптичні системи фотозчитувачів звичайно не забезпечують високої рівномірності опромінення фотоголовки, що складається з набору ФЕП, по всій її поверхні. Розходження в інтенсивності опромінення призводить до розкиду сигналів, що знятих з окремих ФЕП касети. Нерівномірність опромінення особливо позначається при малих опорах навантаження. Зі збільшенням опору навантаження вплив світлової нерівномірності на розмір фотосигналу знижується.
Коли ФЕП у фотозчитуватчах працюють з оберненим зсувом розмір Iу вибирається з врахуванням опромінення елементів, ступеня прозорості перфострічки і діапазону зміни робочої температури. З підвищенням температури розмір (1500 Вт/м2. Напруга xoлостого ходу починаючи з деякого струму відпливу зростає, проте при досягненні визначеної температури його ріст припиняється.
Фотозчитувач може бути використаний для введення інформації в інтерполюючі пристрої систем цифрового програмного керування, електронні обчислювальні машини й інші пристрої автоматики. В якості світлочутливих елементів у зчитувачі використовувалися дев'ять кремнієвих ФЕП. розміщених а касеті фотозчитуючої голівки. Джерелом світла служить лампа розжарення типу СЦ-48 з номінальною напругою 8 В і потужністю 30 Вт. Для підвищення терміну служби, на лампу подається напруга 6 В. Зображення нитки розжарення лампи проектуеться на отвори діафрагми фотозчитуючої головки напівциліндричною лінзою. Засвітка здійснюється через отвір у діафрагмі, що має площу, приблизно рівну площі отворів у перфострічці.
Зчитування інформації, закодованої у вигляді комбінації отворів на перфострічці, здійснюється шляхом послідовного переміщення стрічки між освітлювачем і ФЕП. Кожний елемент зчитує інформацію, записану тільки на одній доріжці. При наявності отворів на перфострічці ФЕП освітлюються і виробляють електричні сигнали, що посилюються і перетворюються підсилювачами кодових доріжок і підсилювачем головної (синхронізуючої) доріжки.
Дев'ять ФЕП забезпечують одержання восьми вихідних сигналів із кодових доріжок і одного сигналу з доріжки синхронізації і дозволяють використовувати стандартні пяти- і восьмиканальні перфострічки. Виходи восьми каналів кодових доріжок стабілізуються сигналом із доріжки синхронізації таким чином, що вихідні сигнали з'являються одночасно.
Мал.3.1. Перший каскад підсилювача ведучої і кодової доріжок.
Перший каскад на транзисторі Т працює в ключовому режимі. При відсутності сигналу з ФЕП ключ знаходиться в режимі відсічки. При освітленні ФЕП ключ переходить у режим насичення і напруга на колекторі Т зменшується до 0,1 В.
Тому що використовувана у фотозчитувачі перфострічка може мати достатньо великий коефіцієнт прозорості (до 70%), то і при відсутності пробивання на ній напруга ФЕП може перевищувати напругу відсічки ключа й останній буде знаходитися в режимі насичення. Для узгодження ФЕП із підсилювачем при використанні перфострічки різноманітної прозорості на базу транзистора Т через резистори R2 і R3 подається зсув із загального для підсилювача головних і кодових доріжок потенціометра R4.
Фотозчитувачі з лампами розжарення достатньо громіздкі і споживають багато електроенергії, потребують збірної оптики (лінзи, світловоди). Крім того, вольфрамові спіралі ламп мають малий термін служби (5000 г) і дуже чутливі до вібрацій.
Надалі все більшого застосування знаходили пристрої введення, що використовували у якості джерела випромінювання світлодіоди (СД) із GaAs і в якості детекторів випромінювання – кремнієві ФП. Споживана джерелами головки зчитування потужність зменшується при цьому на два-три порядки, відпадає необхідність в оптичних системах лінз і призм. Подібні головки компактні, надійні в роботі і нечутливі до вібрацій.
У головці можуть встановлюватися випромінювачі потужністю 3-6 мВт при струмі 100 мА і з діаметром півсфери біля 1,5 мм. Кремнієві ФП мають розміри фоточутливої площадки (2х3) і кріпляться до підкладки гібридної схеми підсилювача. Чутливість ФП досягає 500 мк/мВт при ( = 0,91 мкм, що відповідає максимуму випромінювання вузького спектру використовуваних випромінювачів. Завдяки такій характеристиці випромінювачів рівень шумів на виході чутливих елементів зменшується.
При роботі ФП у режимі ФПВ пристрій працює в діапазоні від сигналів на
постійному струмі, до частоти 1,5 – 2,0 МГц при температурі 80°С.
Фотодіодний режим роботи дозволяє розширити частотний діапазон до декількох
десятків мегагерц.
Фотоприймачі були використані й у клавішних пультах введення і виведення інформації. У подібних пристроях для зчитування з перфокарт з однієї сторони важелів клавіш встановлений ряд мініатюрних лампочок, з іншого боку - ряд ФПВ. У клавішних важелях знизу є кодуючі прорізи, що визначають число світлових променів, що потрапляють на ФПВ при натисканні визначеної клавіші. Вихідний сигнал подається безпосередньо на операційний підсилювач логічної схеми.
Зчитування в дисководі CD-ROM.
При попаданні променя лазерного променя на виступ(на поверхні CD), він
відбивається на детектор і проходить через призму, що відхиляє його
насвітлочутливий діод. Якщо промінь потрапляє в ямку він розсіюється і лише
мала частина випромінювання відбивається обернено і доходить до
світлочутливого діода. На діоді світлові імпульси перетворяться в
електричні, яскраве випромінювання перетвориться в нулі слабке в одиниці.
У такий спосіб ямки сприймаються дисководом як логічні одиниці, а гладка
поверхня як логічні нулі.
Цифрові фотоапарати.
„Серцем” будь-якого цифрового фотоапарата є світлочутлива матриця CCD
(Charge Coupled Device, тобто ПЗС - прилад із зарядовим зв'язком). Звичайно
в камерах використовується 1/3-дюймова CCD, що складається з елементів, що
перетворюють світлові хвилі в електричні імпульси (Аналогово-цифровий
перетворювач замінює електричні заряди цифровою інформацією). Кількість
таких елементів коливається від 350000 у камерах із розрішенням 640х480 до
810000 і більш у камерах 1024х768. Самі матриці не є новим винаходом –
вони зародились як устаткування для фізичних експериментів (зокрема у
фізиці високих енергій), вони вже давно використовуються у відеокамерах.
Оптичне опрацювання інформації.
Сенсоризація виробничої діяльності, тобто заміна органів чуття людини
на датчики, повинна розглядатися в якості третьої промислової революції
слідом за першими двома – машинно-енергетичної й інформаційно-комп'ютерної.
Потреба в датчиках стрімко росте в зв'язку з бурхливим розвитком
автоматизованих систем контролю і керування, впровадженням нових
технологічних процесів, переходом до гнучких автоматизованих виробництв.
Крім високих метрологічних характеристик датчики повинні мати високу
надійність, довговічність, стабільність, малі габарити, масу і
енергомісткість, сумісність з мікроелектронними пристроями опрацювання
інформації при низкій трудомісткості виготовлення і невеликій вартості.
Цим вимогам у максимальному обсязі задовольняють волоконно-оптичні датчики.
Волоконно-оптичні датчики. Перші спроби створення датчиків на основі оптичних волокон можна віднести до середини 1970-х років. Публікації про більш-менш прийнятні розробки й експериментальні зразки подібних датчиків з'явилися в другій половині 1970-х років. Проте рахується, що цей тип датчиків сформувався як один з напрямків техніки тільки на початку 1980-х років. Тоді ж з'явився і термін "волоконно-оптичні датчики" (optical fiber sensors). Таким чином, волоконно-оптичні датчики - дуже молода область техніки.
Фотоелектричні перетворювачі енергії (ФЕП).
Для живлення магістральних систем електропостачання і різноманітного
устаткування широко використовуються ФЕП; вони призначені також для
підзарядки бортових хімічних АБ (акум. батарей).Крім того, ФЕП знаходять
застосування на наземних стаціонарних і пересувних об'єктах, наприклад, в
ФЕП электромобілів. За допомогою ФЕП, розміщених на верхній поверхні крил,
здійснене живлення приводного електродвигуна гвинта одномісного
експериментального літака (США), що перелетів через протоку Ла-Манш.
На даний час найкраща область застосування ФЕП - штучні супутники
Землі, орбітальні космічні станції, міжпланетні зонди. Переваги ФЕП:
великий термін служби; достатня апаратна надійність; відсутність витрат
активної речовини або палива. Недоліки ФЕП: необхідність пристроїв для
орієнтації на Сонце; складність механізмів, що розвертають панелі ФЕП після
виходу супутника на орбіту; непрацездатність за відсутності освітлення;
великі площі опромінюваних поверхонь. Для сучасних ФЕП характерна питома
маса 20 - 60 кг/кВт (без врахування механізмів розгортання й автоматів
спостереження). До перспективних належать ФЕП, що сполучать сонячні
концентратори (параболічні дзеркала) і ФЕП на основі гетероструктури двох
різноманітних напівпровідників - арсенідів галію й алюмінію.
ФЕП монтуються на панелях, конструкція яких містить механізми розгортання й орієнтації. Для підвищення ефективності приблизно до 0,3 застосовуються каскадні двo- і трьохшарові виконання ФЕП із прозорими верхнім шаром. ФЕП істотно залежить від оптичних властивостей матеріалів і їх теплорегулюючих захисних покриттів. Коефіцієнти відбивання зменшують технологічним засобом просвітління поверхні що освітлюється (для робочої частини спектру).
Про застосування фотоприймачів можна говорити ще довго і багато.
Зрозуміло, що фотоприймачі дуже перспективні прилади. Про це свідчить і той
факт, що на даний час важко знайти область науки, техніки чи побуту, де б
не застосовувалися фотоприймачі...
Література :
Анісімова І. Д., Вікулін І. М., Заїтов Ф. А., Курмашев Ш. Д.
"Напівпровідникові фотоприймачі: ультрафіолетовый, видимий і ближній
інфрачервоний діапазон спектру". Москва 1984
Бузанова Л. К., Гліберман А. Я. " Напівпровідникові фотоприймачі". Москва
1976
Ізвозчиков В. А. "Фізичні основи напівпровідникової оптоелектроніки".
Ленінград 1981
Іванов В. І., Аксенов А. І., Юшин А. М. " Напівпровідникові оптоелектронні прилади". Москва 1986
-----------------------
[pic]
