Реферати українською » Радиоэлектроника » Фотодиод в оптоелектроніці


Реферат Фотодиод в оптоелектроніці

Страница 1 из 2 | Следующая страница

Міністерство загального користування та професійної освіти

Російської Федерації


САРАТОВСКИЙ ДЕРЖАВНИЙ УНІВЕРСИТЕТ їм. Н.Г.ЧЕРНЫШЕВСКОГО


Кафедра фізики

Полупроводников


ФОТОДИОД У

ОПТОЭЛЕКТРОНИКЕ


Курсова робота

Студента 1 курсу фізичного факультету

Машкова Дмитра Олександровича


Науковий керівник

професор

________ Роках О.Г.

/підпис/


Зав. кафедрою

професор, доктор

_________ Б.Н.Климов

/підпис/


Саратов – 1999 р.


План роботи


1. Запровадження і завдання

2. Фізичні основи внутрішнього фотоефекту

3. Принцип дії фотодиода

4. Практична частина (дослідження характеристик фотодиода)

5. Застосування фотодиода в оптоелектроніці

6. Укладання

7. Література


1.ВВЕДЕНИЕ І ПОСТАНОВКА ЗАВДАННЯ


Нині прогрес у різноманітних галузях науку й техніки немислимий без приладів оптичної електроніки. Оптическая електроніка віддавна грає провідної ролі у житті. А кожним роком її запровадження в всі сфери людської діяльності стає дедалі інтенсивніше. І цьому є свої причини. Устройства оптоелектроніки мають низку відмінностей з інших пристроїв. Можна виокремити такі їхні переваги.

а) Висока інформаційна ємність оптичного каналу, пов'язана з тим, що частота світлових коливань (близько 2015 гц) удесятеро3-104 разів більше, ніж у освоєному радиотехническом діапазоні. Мале значення довжини хвилі світлових коливань забезпечує високу досяжну щільність записи інформацією оптичних запам'ятовувальних пристроях (до 108 бит/см2).

б) Гостра спрямованість світлового випромінювання, обумовлена тим, що кутова расходимость променя пропорційна довжині хвилі і може бути меншою однієї хвилини. Це дозволяє концентровано і із малими втратами передавати електромагнітну енергію в задану область простору. У малогабаритних електронних пристроях лазерний промінь то, можливо спрямовано фоточувствительные майданчики мікронних розмірів.

в) Можливість подвійний – тимчасової і просторової модуляції світлового променя. Мінімальна елементарна майданчик у площині, перпендикулярної напрямку поширення, яка то, можливо виділено для незалежної модуляції частини променя близька до 2(108 див2). Це дає можливості виробляти паралельну обробку інформацію, що дуже важливо під час створення високопродуктивних комплексів.

р) Оскільки джерело і приймач в оптоелектроніці пов'язані друг з одним електрично, а зв'язок з-поміж них відбувається лише у вигляді світлового променя (електрично нейтральних фотонів), де вони впливають друг на друга. І у оптоэлектронном приладі потік інформації передається є лише одна напрямі – джерела до приймача. Канали, якими поширюється оптичне випромінювання, не впливають друг на одного й мало чутливі до електромагнітним перешкод (тому й висока перешкодозахищеність).

буд) можливість безпосереднього оперування зі зорово сприймаються образами: фотосчитывание, візуалізація (наприклад, на рідких кристалах).

Будь-яке оптоэлектронное пристрій містить фотоприемный блок. І здебільшого сучасних оптоэлектронных пристроїв фотодиод представляє основу фотоприемника.

Фотодиоды мають найкращим поєднанням фотоелектричних параметрів, основних з погляду використання їх у оптоелектроніці: високі значення чутливість проблеми та швидкодії, малі значення паразитивных параметрів (наприклад, струм витоку). Простота їх устрою дозволяє досягти фізичного і конструкційного оптимуму й забезпечити найповніше використання падаючого світла.

У порівнянні з іншими, складнішими фотоприемниками, вони мають найбільшої стабільністю температурних характеристик і найкращими експлуатаційними властивостями.

Основна хиба, який зазвичай вказують, - відсутність посилення. Але вона досить умовний. Майже у кожному оптоэлектронном устрої фотоприймач дбає про той чи інший согласующую електронну схему. І запровадження усилительного каскаду у ній значно простіше й доцільніше, ніж надання фотоприемнику невластивих йому функцій посилення.

А метою моєї роботи є підставою дослідження характеристик фотодиода: вольт-амперной характеристики, коефіцієнта корисної дії.


2.ФИЗИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ВНУТРІШНЬОГО ФОТОЭФФЕКТА


Падав на речовина потік світла може відчувати відбиток, поглинання чи проходити наскрізь.

Якщо цілком зайнятий світло призводить до такому збільшення енергії електронів, що вони залишають обсяг, яку він обіймав речовиною, говорять про зовнішньому фотоэффекте. Якщо за висвітленні змінюється енергетичне стан носіїв заряду всередині твердого тіла, ми маємо працювати з внутрішнім фотоэффектом. У цьому додаткова провідність, обумовлена носіями заряду, створеними випромінюванням, називається фотопроводимостью.

При внутрішньому фотоэффекте первинним актом є поглинання фотона. Тож освіти вільних носіїв заряду під впливом випромінювання проходитиме по-різному залежно від особливостей процесу поглинання світла. До того ж цілком зайнятий світло який завжди викликає фотоефект.

Є кілька видів поглинання світла.

а) власне поглинання.

Цей вид поглинання має місце у тому випадку, коли оптичне порушення електронів відбувається з валентної зони до зони провідності. Для напівпровідника з прямими долинами при вертикальних переходах енергія фотона h мусить бути незгірш від ширини забороненої зони, тобто


h Eg.


Для сильно легованого напівпровідника n-типу якщо рівень Фермі розташований вище краю зони провідності на величину n, нижню межу фотопроводимости відповідатиме


h = Eg + n .


У сильно легованому полупроводнике p-типу рівень Фермі лежить величину p нижче краю валентної зони, тому


h = Eg + p.


При великих енергії фотонів поглинання в фундаментальної області веде до підвищення фотопроводимости з допомогою зростання коефіцієнта поглинання. Що стосується власного поглинання сягає найбільшої величини – (106 див-1). Разом про те таке поглинання збільшує концентрацію носіїв заряду поблизу поверхні напівпровідника чи диэлектрика, які мають менше тривалість життя, ніж носії заряду обсягом.

б) примесное поглинання.

Таке поглинання за наявності забороненої зоні напівпровідника локальних рівнів домішки може викликати переходи електронів між рівнем домішки і зонами. Фотопроводимость, обумовлена такими переходами, називається примесной фотопроводимостью. Задля реалізації таких переходів потрібна менша енергія кванта, ніж для реалізації переходів з валентної зони до зони провідності. Тому примесное поглинання має місце на великих довжинах хвиль падаючого світла.

в) экситонное поглинання.

При экситонном поглинанні світла має місце створення пов'язаної пари электрон-дырка, що є електрично нейтральним освітою. Тому поглинання світла, що з освітою экситонов, спочатку не веде до виникнення вільних носіїв заряду. Однак у реальних кристалічних структурах экситоны мають значно більшу ймовірність диссоциировать безызлучательно (із заснуванням електронів і дірок), ніж рекомбинировать з испусканием кванта світла. Отже, освіту экситонов зрештою веде до виникнення вільних носіїв заряду, отже, і фототока. Экситонное поглинання, що характеризується вузькими смугами поглинання, визначає і найвужчі смуги фототока. У цьому спектр фототока у сфері экситонного поглинання залежатиме стану поверхні. Стан поверхні напівпровідника можна легко змінити шляхом на неї (механічне, хімічне тощо.). Відтак можна змінити характер спостережуваного спектра фототока, обумовленого экситонным поглинанням.

р) поглинання вільними носіями заряду.

Поглиненна світла вільними носіями заряду супроводжується збільшенням їх енергії. У цьому, на відміну розглянутих вище трьох видів поглинання, число вільних носіїв не змінюється. Але з тим змінюється рухливість носіїв заряду.

буд) поглинання кристалічною гратами.

Таке поглинання збільшується амплітуда коливань вузлів грати. І тут не змінюється ні концентрація носіїв заряду, ні до їх рухливість. Тому поглинання світла кристалічною гратами перестав бути фотоактивным.

Поглиненна світла вільними носіями заряду і кристалічною гратами що неспроможні безпосередньо викликати зміна концентрації носіїв заряду. Проте зростання концентрації носіїв заряду у випадках може статися внаслідок вторинних ефектів, коли поглинання світла значно збільшує кінетичну енергію вільних носіїв заряду чи збільшує концентрацію фононов, які потім віддають свою енергію на порушення носіїв заряду.


3.ПРИНЦИП ДІЇ ФОТОДИОДА


Полупроводниковый фотодиод – це напівпровідниковий діод, зворотний струм якої від освітленості.

Зазвичай, у ролі фотодиода використовують напівпровідникові діоди з p-n переходом, який зміщений у напрямі зовнішнім джерелом харчування.

При поглинанні квантів світла p-n переході чи прилеглих до нього областях утворюються нові носії заряду. Неосновные носії заряду, які виникли у областях, що прилягають до p-n переходу з відривом, яка перевищує дифузійної довжини, дифундують в p-n перехід і проходять нього під впливом електричного поля. Тобто зворотний струм при висвітленні зростає. Поглиненна квантів у p-n переході призводить до аналогічним результатам. Величина, яку зростає зворотний струм, називається фототоком.

Властивості фотодиода можна охарактеризувати такими характеристиками.

а) вольт-амперная характеристика фотодиода є залежність світлового струму за незмінної світловому потоці і темнового струму Iтемн від напруги.

б) світлова характеристика фотодиода, тобто залежність фототока від освітленості, відповідає прямий пропорційності фототока від освітленості. Це пов'язано з тим, що товщина бази фотодиода значно менше дифузійної довжини неосновних носіїв заряду. Тобто майже всі неосновні носії заряду, які виникли у базі, беруть участь у освіті фототока.

р) спектральна характеристика фотодиода – це залежність фототока від довжини хвилі падаючого світла на фотодиод. Вона визначається із боку великих довжин хвиль шириною забороненої зони, при малих довжинах хвиль великим показником поглинання і збільшення впливу поверхневою рекомбінації носіїв заряду із зменшенням довжини хвилі квантів світла. Тобто короткохвильова кордон чутливості залежить від товщини бази й від швидкості поверхневою рекомбінації. Становище максимуму в спектральною характеристиці фотодиода залежить від зростання коефіцієнта поглинання.

буд) стала часу – цей час, протягом якого фототок фотодиода змінюється після висвітлення тих чи після затемнення фотодиода в е раз (63%) стосовно усталеному значенням.

е) темновое опір – опір фотодиода за відсутності висвітлення.

ж) інтегральна чутливість


K = Iф/,

де Iф – фототок, – освітленість.

із) інерційність.

Існує 3 фізичних чинника, які впливають інерційність: 1) час дифузії чи дрейфу нерівноважних носіїв через базу ; 2) час прольоту через p-n перехід і ; 3) час перезарядження бар'єрній ємності p-n переходу, що характеризується постійної часу RСбар .

Час дифузії носіїв заряду через базу можна визначити (аналогічно часу прольоту носіїв заряду через базу транзистора) для бездрейфового:

tпрол = ,


і дрейфового:


tпрол =


g 50 нс.

Час прольоту через p-n перехід:


і = ,


де - товщина p-n переходу, vmax – максимальна швидкість дрейфу носіїв заряду (vmax для кремнію і германію дорівнює 5*106 см/c).

Товщинаp-n переходу, що залежить від зворотного напруження і концентрації домішок у базі, зазвичай менше 5 мкм, отже і=0.1 нс. RCбар визначається бар'єрній ємністю p-n переходу, яка від напруження і опору бази фотодиода при малому опір навантаження у зовнішній ланцюга. Величина RСбар порядку кількох наносекунд.


4.ПРАКТИЧЕСКАЯ ЧАСТИНА


Розрахунок ККД фотодиода.


ККД обчислюється за такою формулою:


,


де Pосв – потужність освітленості, I – сила струму , U – напруга на фотодиоде.



Максимальна потужність фотодиода відповідає максимальної площі даного прямокутника.


Потужність

Освещенности,

МВт

Сила струму,

мА


Напруга,

У

ККД,

%

1

0.0464 0.24 1.1

3

0.1449 0.41 2

5

0.248 0.26 1.3

7

0.242 0.45 1.6

Середнє значення: 1.5%.


Висновок: коефіцієнт корисної дії фотодиода відповідно до отриманим даним становив середньому 1.5%.


5.ПРИМЕНЕНИЕ ФОТОДИОДА У ОПТОЭЛЕКТРОНИКЕ


Фотодиод є складовим елементом у багатьох складних оптоэлектронных пристроях. І й тому він знаходить широке застосування.

а) оптоэлектронные інтегральні мікросхеми.

Фотодиод може мати великим швидкодією, та його коефіцієнт посилення фототока вбирається у одиниці. Наявність оптичної зв'язку оптоэлектронные інтегральні мікросхеми мають також низку істотних достоїнств. Майже ідеальна гальванічна розв'язка управляючих ланцюгів за збереження з-поміж них сильної функціональної зв'язку.

б) многоэлементные фотоприемники.

Ці прилади (сканистор, мішень кремникона, фотодиодная матриця з міським управлінням на МОП-транзисторе, фоточувствительные прилади із зарядним зв'язком та інші) ставляться до найшвидше та розвитку і прогресуючих виробів електронної техніки. Поєднуючи у собі успіхи фізики дискретних фотоприймачів і новітні технологічні досягнення великих інтегральних схем, многоэлементные фотоприемники озброюють оптоэлектронику твердотельным «оком», здатним реагувати як на яркостно-временные, а й у просторові характеристики об'єкта, тобто сприймати його повний візія.

Для успішного виконання цих функцій необхідно, щоб число елементарних фоточувствительных осередків у приладі було чимало великим, тому крім всіх негараздів дискретного фотоприемника (чутливість, швидкодія, спектральна область) доводиться розв'язувати проблему і проблему зчитування інформації. Усі многоэлементные фотоприемники є скануючі системи, тобто устрою, дозволяють виробляти аналіз досліджуваного простору шляхом послідовного його перегляду (поелементного розкладання).

Принцип сприйняття образів цими системами зводиться ось до чого. Розподіл яскравості об'єкта спостереження перетворюється на оптичне зображення і фокусується на фоточувствительную поверхню. Тут світлова енергія перетворюється на електричну, причому відгук кожного елемента (струм, заряд, напруга) пропорційний його освітленості. Яркостная картина перетворюється на електричний рельєф. Схема сканування виробляє періодичний послідовний опитування кожного елемента і зчитування котра міститься у ньому інформації. У кінцевому підсумку, не вдома устрою ми маємо послідовність видеоимпульсов, у якій закодований сприймалася образ.

Під час створення многоэлементных фотоприймачів прагнуть забезпечити найкраще виконання ними функцій перетворення і сканування.

в) оптроны.

Оптроном називається такий оптоэлектронный прилад, у якому є джерело і приймач випромінювання із тим чи іншим виглядом оптичної і електричного зв'язку з-поміж них, конструктивно об'єднані і вміщені у один корпус.

У електронної схемою оптрон виконує функцію елемента зв'язку, у одному з ланок якого інформація передається оптично. Це основне призначення оптрона. Якщо між компонентами оптрона створити електрично зворотний зв'язок, то оптрон може бути активним приладом, придатним посилення і генерації електричних і оптичних сигналів.

Принципова новизна оптронов як елементів зв'язку залежить від використанні для перенесення інформації електрично нейтральних фотонів, що зумовлює ряд достоїнств оптронов, властивих й іншим оптоэлектронным приладам загалом. Хоча в оптронов є, зрозуміло, і свої недоліки.

Оптронная техніка виходить з здобутки у галузі й технології випромінювачів і фотоприймачів.


6.ЗАКЛЮЧЕНИЕ


Важлива особливість фотодіодів – високе швидкодія. Вони можуть працювати на частотах за кілька мільйонів герц. Фотодиоды зазвичай виготовляють з германію чи кремнію.

Фотодиод є потенційно широкосмуговим приймачем. Цим і обумовлюється його повсюдне застосування.

У найближчому майбутньому дуже важливо підвищення робочої температури фотодіодів. Оцінюючи сьогоднішню оптоэлектронику загалом, можна сказати, що вона скоріш «кріогенна», ніж «кімнатна».

Майбутнє оптоелектроніки перебуває у прямої залежності від прогресу фотодиодных структур. Оптическая електроніка бурхливо розвивається, розробляють нові типи фотоприймачів, й напевно вже незабаром з'являться фотодиоды з урахуванням нових матеріалів з більшою чутливістю, підвищеним швидкодією і з поліпшеними характеристиками загалом.


7.ЛИТЕРАТУРА


  1. Роках А. Р. Фотоелектричні явища в напівпровідниках і діелектриках. - Саратов: Видавництво Саратовського університету, 1984.

  2. Названов У. Ф. Основи оптоелектроніки. – Саратов: Видавництво Саратовського університету, 1980.

  3. Носов Ю. Р. Оптоэлектроника. – М.: Радянське радіо, 1977.

  4. Василевський А. М. та інших. Оптическая електроніка/ А. М. Василевський, М. А. Кропоткіна, У. У. Тихонов. – Л.: Энергоатомиздат. Ленингр. Отд-ние, 1990.

  5. Шалімова До. У. Фізика напівпровідників. – М.: Енергія, 1976.

  6. Пасинків В.В. та інших. Напівпровідникові прилади/ В.В. Пасинків, Л.К. Чиркин, А.Д. Шинків. – М.: Вищу школу, 1973.



У папці "tables"
Страница 1 из 2 | Следующая страница

Схожі реферати:

Навігація