Реферат: Матричные фотоприемники

МИНИСТЕРСТВООБРАЗОВАНИЯ РЕСПУБЛИКИ МОЛДОВА

Технический УниверситетМолдовы

Факультет Радиоэлектроники

Кафедра Телекоммуникаций

Курсовая работа

На тему:

Матричные фотоприемники

Выполнил Борденюк В.М

студент Гр.TLC-023

Проверил

Преподаватель Морозова В.А

Кишинев 2004

Содержание

Введение .

1Основные теоретические положения, физические эффекты, фотопроводимость.

2Принцип работы прибора.

3Анализ параметров, характеристика конструкций.

4Технология изготовления.

5Принципиальная схема

6 Областьприменения.

7 Выводы: перспективы развития.

Библиография.

Введение

Внаши дни прогресс в различных областях науки и техники немыслим без приборовоптической электроники. Оптическая электроника уже давно играет ведущую роль вжизни человека. А с каждым годом ее внедрение во все сферы человеческойдеятельности становится все интенсивнее. И этому есть свои причины. Устройстваоптоэлектроники имеют ряд отличий от других устройств. Можно выделить следующиеих достоинства.

а)Высокая информационная емкость оптического канала, связанная с тем, что частотасветовых колебаний (около 1015 Гц) в 103-104раз выше, чем в освоенном радиотехническом диапазоне. Малое значение длины волнысветовых колебаний обеспечивает высокую достижимую плотность записи информациив оптических запоминающих устройствах (до 108 бит/см2).

б)Острая направленность светового излучения, обусловленная тем, что угловаярасходимость луча пропорциональна длине волны и может быть меньше одной минуты.Это позволяет концентрированно и с малыми потерями передавать электромагнитнуюэнергию в заданную область пространства. В малогабаритных электронныхустройствах лазерный луч может быть направлен на фоточувствительные площадкимикронных размеров.

в)Возможность двойной – временной и пространственной модуляции светового луча.Минимальная элементарная площадка в плоскости, перпендикулярной направлению распространения,которая может быть выделена для независимой модуляции части луча близка к

l2(<img src="/cache/referats/19531/image002.gif" v:shapes="_x0000_i1025">108 см2). Этопозволяет производить параллельную обработку информацию, что очень важно присоздании высокопроизводительных комплексов.

г)Так как источник и приемник в оптоэлектронике не связаны друг с другомэлектрически, а связь между ними осуществляется только посредством световоголуча (электрически нейтральных фотонов), они не влияют друг на друга. И поэтомув оптоэлектронном приборе поток информации передается лишь в одном направлении– от источника к приемнику. Каналы, по которым распространяется оптическоеизлучение, не воздействуют друг на друга и практически не чувствительны кэлектромагнитным помехам (отсюда и высокая помехозащищенность).

д)возможность непосредственного оперирования со зрительно воспринимаемымиобразами: фотосчитывание, визуализация (например, на жидких кристаллах).

Любое оптоэлектронное устройство содержит фотоприемный блок.

Существующая в настоящее времяпотребность ускоренной переработки возрастающих объемов информации ставитзначительные трудности в использовании современной вычислительной техники.Трудности связаны прежде всего с недостаточными быстродействиями и объемомпамяти ЭВМ. Применяемые в современных ЭВМ типы запоминающих устройств споследовательной выборкой при Основное емкости 107-109 бит имеютбыстродействие порядка десятков и сотен секунд.

Запоминающее устройство (ЗУ) намагнитных сердечниках, а также полупроводниковая память, хотя удовлетворяют требованиям побыстродействию (10-6 , 10 -7 )б, недостаточны по объему (106 -105 ) бит.

В ряде вышедших за последние годы работ показано, что ЗУ, созданные на основе оптоэлектронных методов обработкиинформации, могут удовлетворить высоким требованиям как по быстродействию.так и по объему обрабатываемой информации.

Параметры таких устройств весьмасильно зависят от характеристик составных элементов. В том числе и отфотоприемных матриц, С помощью которых производится считывание информации.

1 Основные теоретические положения, физические эффекты, фотопроводимость.

1.1  Фотоприемники
        Фотоприемники предназначены дляпреобразования входного оптического сигнала в электрический. Различаютследующие виды фотоприемников:
                                                               1. фотоэлемент;
                                                               2. фотоэлектронный умножитель;
                                                               3. фотодиод p-n-типа;
                                                               4. фотодиод p-i-n-типа;
                                                               5. лавинный фотодиод;
                                                               6. фототранзистор;
                                                               7. фототиристор.
В технике оптической связи нашли применение, в основном, различные типыфотодиодов. В фотодиодах оптическое излучение преобразуется в электрическиесигналы за счет явления внутреннего фотоэффекта, при котором в области p-n-перехода полупроводника поглощаемый фотон образует пару новых носителей заряда– электрон и дырку. При отсутствии внешнего поля, в области p-n-переходасуществует внутреннее электрическое поле, препятствующее движению носителей.При облучении перехода фотонами света возникают электронно-дырочные пары. Полеp-n-перехода пространственно разделяет электроны и дырки, и создает тем самымфото-ЭДС между смежными областями кристалла. За счет этого образуется ток(фототок), вызванный движением электронов по внешней цепи.

Диод p-n-типапри наличии обратного смещения, созданного внешней электрическойцепью создает обедненную область, в которой отсутствуют носители и действуетсильное электрическое поле. Эта область образована неподвижнымиположительно заряженными атомами донора в n-области и неподвижными отрицательнозаряженными атомами акцептора в p-области. Если теперь осветить фотодиод, товозникшие носители (электроны и дырки) ускоряются в этом поле и движутся вn-слой (электроны) и в p-слой (дырки). Так фотодиод отрабатывает световыесигналы. Ширина обедненной области зависит от концентрации примесей и величинынапряжения смещения. Чем меньше примесей, тем шире обедненная область.Положение и ширина поглощающей области зависят от длины волны падающего света иот материала фотодиода. Чем сильнее поглощается свет, тем тоньше поглощающаяобласть. Ширину обедненного слоя можно увеличить, повысив напряжение смещения,но в таком обедненном слое очень слабое по напряженности поле. Для устраненияэтого недостатка была создана p-i-n-структура фотодиода. В такой структуремежду p- и n- слоями помещен слой полупроводника с высоким сопротивлением итолщиной в несколько десятков микрометров. В таком фотодиоде свет падает наi-слой и носители ускоряются сильным полем в этом слое. Это понижает инертностьи повышает частоту преобразования до нескольких гигагерц. Для повышениячувствительности увеличивают светопоглощающую поверхность, а для пониженияемкости перехода повышают напряжение обратного смещения.

Чащевсего p-i-n-фотодиоды на длину волны 0,85 мкм изготавливают из кремния (Si), ана большие длины волн (1,2 – 1,6 мкм) – из германия (Ge), InGaA sили InGaAsP.

Лавинные фотодиоды (ЛФД или APD-фотодиоды). Рассмотренные типы фотодиодовтолько отдают во внешнюю цепь электрический ток, вызванный светом, но неусиливают его. Ток на их выходе обычно равен нескольким наноамперам или меньше.В отличие от них ЛФД усиливает фототок.

Основное отличие ЛФД от PIN фотодиодов заключается в наличии дополнительногоp-слоя. Обратное смещение при этом сильно увеличивается и расширяет обедненныйслой до размеров i-слоя, а напряженность электрического поля в нем возрастает.Электронно-дырочные пары, рожденные светом, разделяются и ускоряются этим полемв обедненном слое, получая энергию, превышающую энергию ионизации атомовкристалла. Сталкиваясь затем с нейтральными атомами, носители вызываютувеличивающееся в геометрической прогрессии рождение электронов и дырок. Приявлении, называемом лавинным эффектом коэффициент усиления возрастает сувеличением обратного смещения и достигает значений порядка 1000.
ЛФД имеют высокое быстродействие и их пороговая частота достигает несколькихгигагерц. К недостаткам этих приборов можно отнести сильную температурнуюзависимость коэффициента усиления, нелинейность преобразования и малую площадьрабочей поверхности (0,05 мм2).

Из большого числа фотоприемных устройств (фотодиодные и фототранзисторные приборы, электровакуумные и твердотельные видиконы фотоэлектронные умножители и др. ) наиболее полно удовлетворяют требованиям оптоэлектронных устройств обработки информации твердотельные матричные фотоприемники.

В настоящее время в основном применяются дискретные и гибридные матрицы фотоприемников .

Дискретные матрицы фотоприемников с малым геометрическими размерами и небольшим количеством элементов создаются из отдельных кремниевых фотодиодов.

Гибриднаяматрица фотоприемника имеет большой счет интеграции и разрабатываются на базеспециально созданных кремниевых линеек, каждаяиз которых содержит одно количествоэлементов.

1.2.ПРИНЦИПДЕЙСТВИЯ ФОТОДИОДА

Полупроводниковыйфотодиод – это полупроводниковый диод, обратный ток которого зависит отосвещенности.

Обычно в качествефотодиода используют полупроводниковые диоды с p-nпереходом, который смещен в обратном направлениивнешним источником питания.

При поглощении квантовсвета в p-nпереходеили в прилегающих к нему областях образуются новые носители заряда. Неосновныеносители заряда, возникшие в областях, прилегающих к p-n переходу нарасстоянии, не превышающей диффузионной длины, диффундируют в p-nпереход и проходят через него поддействием электрического поля.

То есть обратный ток при освещении возрастает.Поглощение квантов непосредственно в p-nпереходеприводит к аналогичным результатам. Величина, на которую возрастает обратныйток, называется фототоком.

Свойства фотодиода можноохарактеризовать следующими характеристиками.

а) вольт-ампернаяхарактеристикафотодиода представляет собой зависимость светового тока при неизменном световомпотоке и темнового тока Iтемн от напряжения.

б) световаяхарактеристикафотодиода, то есть зависимость фототока от освещенности, соответствует прямойпропорциональности фототока от освещенности. Это обусловлено тем, что толщинабазы фотодиода значительно меньше диффузионной длины неосновных носителейзаряда. То есть практически все неосновные носители заряда, возникшие в базе,принимают участие в образовании фототока.

г) спектральная характеристикафотодиода– это зависимостьфототока от длины волны падающего света на фотодиод. Она определяется состороны больших длин волн шириной запрещенной зоны, при малых длинах волнбольшим показателем поглощения и увеличения влияния поверхностной рекомбинацииносителей заряда с уменьшением длины волны квантов света. То естькоротковолновая граница чувствительности зависит от толщины базы и от скоростиповерхностной рекомбинации. Положение максимума в спектральной характеристикефотодиода сильно зависит от степени роста коэффициента поглощения.

д) постоянная времени– это время, в течение которогофототок фотодиода изменяется после освещения или после затемнения фотодиода в ераз (63%) по отношению к установившемуся значению.

е) темновоесопротивление–сопротивление фотодиода в отсутствие освещения.

ж) интегральнаячувствительность

K= Iф/<img src="/cache/referats/19531/image004.gif" v:shapes="_x0000_i1026">,

гдеIф – фототок, <img src="/cache/referats/19531/image004.gif" v:shapes="_x0000_i1027"> – освещенность.

з) инерционность.

Существует 3 физическихфактора, влияющих на инерционность: 1) время диффузии или дрейфа неравновесныхносителей через базу t

; 2) время пролета через p-nпереход ti; 3) время перезарядки барьерной емкости p-nперехода, характеризующеесяпостоянной времени RСбар .

Время диффузии носителейзаряда через базу можно определить (аналогично времени пролета носителей зарядачерез базу транзистора) для бездрейфового:

tпрол=<img src="/cache/referats/19531/image006.gif" v:shapes="_x0000_i1028"> ,

идрейфового:

tпрол= <img src="/cache/referats/19531/image008.gif" v:shapes="_x0000_i1029">

t

g<img src="/cache/referats/19531/image002.gif" v:shapes="_x0000_i1030"> 50 нс.

Время пролета через p-n переход:

t

i= <img src="/cache/referats/19531/image010.gif" v:shapes="_x0000_i1031"><img src="/cache/referats/19531/image012.gif" v:shapes="_x0000_i1032"> ,

где d

— толщина p-nперехода,vmax–максимальная скорость дрейфа носителей заряда (vmaxдля кремния и германия равна 5*106см/c).

Толщина p-nперехода, зависящая от обратного напряжения иконцентрации примесей в базе, обычно меньше 5 мкм, а значит t

i=0.1 нс. RCбар определяется барьерной емкостьюp-nперехода,зависящей от напряжения и сопротивления базы фотодиода при малом сопротивлениинагрузки во внешней цепи. Величина RСбар порядка нескольких наносекунд.

1.3.ПРАКТИЧЕСКАЯ ЧАСТЬ

Расчет КПД фотодиода.

КПД вычисляется поформуле:

<img src="/cache/referats/19531/image014.gif" v:shapes="_x0000_i1033"> ,

где Pосв – мощность освещенности, I– сила тока, U– напряжение на фотодиоде.

Максимальная мощностьфотодиода соответствует максимальной площади данного прямоугольника.

Мощность

Освещенности,

МВт

Сила тока,

мА

Напряжение,

КПД,

0.0464

0.24

1.1

0.1449

0.41

0.248

0.26

1.3

0.242

0.45

1.6

Среднее значение: 1.5%.

Вывод: коэффициентполезного действия фотодиода согласно полученным данным составил в среднем1.5%.

1.5 Принципиальная схема

1.6 ПРИМЕНЕНИЕ ФОТОДИОДА ВОПТОЭЛЕКТРОНИКЕ

Фотодиод являетсясоставным элементом во многих сложных оптоэлектронных устройствах. И поэтому оннаходит широкое применение.

а) оптоэлектронныеинтегральные микросхемы.

Фотодиодможет обладать большим быстродействием, но его коэффициент усиления фототока непревышает единицы. Благодаря наличию оптической связи оптоэлектронныеинтегральные микросхемы обладают рядом существенных достоинств. Почти идеальнаягальваническая развязка управляющих цепей при сохранении между ними сильнойфункциональной связи.

б) многоэлементныефотоприемники.

Этиприборы (сканистор, мишень кремникона, фотодиодная матрица с управлением наМОП-транзисторе, фоточувствительные приборы с зарядовой связью и другие)относятся к числу наиболее быстро развивающихся и прогрессирующих изделий электроннойтехники. Сочетая в себе успехи физики дискретных фотоприемников и новейшиетехнологические достижения больших интегральных схем, многоэлементные фотоприемникивооружают оптоэлектронику твердотельным «глазом», способным реагировать нетолько на яркостно-временные, но и на пространственные характеристики объекта,то есть воспринимать его полный зрительный образ.

Для успешного выполненияэтих функций необходимо, чтобы число элементарных фоточувствительных ячеек вприборе было достаточно большим, поэтому кроме всех проблем дискретногофотоприемника (чувствительность, быстродействие, спектральная область)приходится решать и проблему считывания информации. Все многоэлементныефотоприемники представляют собой сканирующие системы, то есть устройства,позволяющие производить анализ исследуемого пространства путем последовательногоего просмотра (поэлементного разложения).

Принцип восприятияобразов этими системами сводится к следующему. Распределение яркости объектанаблюдения превращается в оптическое изображение и фокусируется нафоточувствительную поверхность. Здесь световая энергия переходит вэлектрическую, причем отклик каждого элемента (ток, заряд, напряжение) пропорционаленего освещенности. Яркостная картина преобразуется в электрический рельеф. Схемасканирования производит периодический последовательный опрос каждого элемента исчитывание содержащейся в нем информации. В конечном счете, на выходеустройства мы получаем последовательность видеоимпульсов, в которой закодированвоспринимаемый образ.

При созданиимногоэлементных фотоприемников стремятся обеспечить наилучшее выполнение имифункций преобразования и сканирования.

в) оптроны.

Оптроном называется такойоптоэлектронный прибор, в котором имеются источник и приемник излучения с темили иным видом оптической и электрической связи между ними, конструктивнообъединенные и помещенные в один корпус.

В электронной схемеоптрон выполняет функцию элемента связи, в одном из звеньев которого информацияпередается оптически. Это основное назначение оптрона. Если между компонентамиоптрона создать электрически обратную связь, то оптрон может стать активнымприбором, пригодным для усиления и генерации электрических и оптических сигналов.

Принципиальное отличие оптронов какэлементов связи заключается в использовании для переноса информацииэлектрически нейтральных фотонов, что обуславливает ряд достоинств оптронов,которые присущи и всем остальным оптоэлектронным приборам в целом. Хотя уоптронов есть, разумеется, и свои недостатки.

Оптронная техникабазируется 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 изнаиболее 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, практическивсе фотоэлектроны и дырки возникают в i — слое, и быстродействие диода определяетсявременем tI их пролета через i — слой. Дрейфовая скоростьэлектронов в кремнии сначала растет с увеличением напряженности поля, а затемиспытывает насыщение при Ud≈≈5∙106 см/с.В этихусловиях время пролета

t

I =50∙10-4см/5∙106 см/с=10-9 с,

а время t

д , определяемое диффузией электронов изp-области илидырок из n-области (tд > tI ), не играет существенной роли.

В общем случае следует учитывать еще одну составляющую t

RCпостоянной времени, связанную с сопротивлением Rи емкостью Cцепи. При малом сопротивлениинейтральных 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 достигаетзначения 1∙1013 см ∙Гц1/2 ∙Вт-1 (λ=1 мкм, Т=300 К)

.SHAPE * MERGEFORMAT

М-металлические контакты, И- изолятор(SiO2), П-просветляющее покрытие.

2.5Принципиальная схема

2.6 Вывод: перспективы развития.

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

новгерц. Фотодиоды обычно изготовляют из германия или кремния.

Фотодиод являетсяпотенциально широкополосным приемником. Этим и обуславливается его повсеместноеприменение.

В будущем крайне важноповышение рабочей температуры фотодиодов. Оценивая сегодняшнюю оптоэлектроникув целом, можно сказать, что она скорее «криогенная», чем «комнатная».

Будущееоптоэлектроники находится в прямой зависимости от прогресса фотодиодныхструктур. Оптическая электроника бурно развивается, разрабатываются новые типыфотоприемников, и наверняка уже скоро появятся фотодиоды на основе новых материаловс большей чувствительностью, повышенным быстродействием и с улучшеннымихарактеристиками 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, проведенныйнами для

гетероструктур InSbBi/InSb, показал, что причинойвозможной деградации

частотных характеристик и добротности фотодетекторов сиспользованием этих

твердых растворов могут быть скачки в зонной структурегетероперехода.

Эффективность гетероперехода со скачком потенциала ввалентной зоне на

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

∆Е = Еg1 — Еg2 — ∆Е0

Захват носителей приводит к замедлению релаксациифототока с постоянной

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

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

около 0,05 эВ.

Сглаживание гетеропереходов достигается применениембуферных слоев

постоянного или переменного по толщине состава[1].Оптимальным вариантом

здесь могут оказаться сверхрешеточные структуры,варизонность которых

сохраняется на больших длинах ~ 1,5 мкм.

Для реализации этой задачи нами были получены спомощью методики[2]

двойные гетероструктуры InSb – InSbBi.

Согласно[3], рост Bi-содержащих твердых растворовможет происходить как

автоволновый концентрационный процесс в условияхпотери устойчивости фронтом

кристаллизации. Нами был получен ряд образцов,состоящих из чередующихся

слоев InSb и InSb0.985Bi0.015. Перекристаллизацияосуществлялась при Т = 693 К, grad

T = 30 К/cм движением плоской жидкой зоны усредненногосостава In0.45Bi0.55 со

скоростью (65 10) мкм/час. Общая толщинаэпитаксиальной пленки InSb-InSbBi

составляла около 5,5 мкм. На рис. 1 приводитсяэлектронная микрофотография

поверхности выращенных образцов. Как отдельные слои,так и структура в целом

обладают высокой планарностью, толщины разных слоевблизки. Слои InSb,

чередующиеся со слоями InSbBi, образуют правильнуюпериодическую структуру с

периодом TSL = 120 нм.

Центр эпитаксиальной структуры либо свободен отдислокаций

несоответствия, либо содержит их незначительноеколичество. Измерение

удельного сопротивлениячетырехзон-довым методомпоказало, что концентрация

висмута по диаметру эпитаксиальных структур неизменялась. Поэтому можно

считать, что увеличение плотности дислокацийнесоответствия связано с

радиальными градиентами в процессе роста структур, чтообуславливает градации

интенсивности на электронной микрофотографии.

Рис. 1. Электронная микрофотография поверхностигетероструктуры

InSb – InSb 0.985 Bi 0.015 – .20000.

Измерения, проведенные на основе рентгенографическихисследований,

показали, что суммарная толщина пары слоев InSb иInSbBi

d1 + d2 ≈ 120 нм.

Ширина запрещенной зоны в такой сверхрешетке припереходе от слоя к слою

модулируется по закону:

Eg(x) = (Eg1d1 + Eg2d2 )/(d1 + d2)

Рис. 2. Схема лавинного фотодиода на основесверхрешетки InSb-InSbBi

При этом снимается проблема программированногоизменения состава

твердого раствора на малых длинах (~ 0,1 мкм).Градиентный слой уменьшает

величину скачка в валентной зоне так, что ∆Е →0 и длинновременная

составляющая релаксации фототока τp →0. Быстродействие при этом может

сокращаться до значений ~ 1 нс. Структура такоголавинного фотодиода

предст

еще рефераты

Еще работы по радиоэлектронике

Реферат по радиоэлектронике

Автоматизированный электропривод

29 Августа 2013

Реферат по радиоэлектронике

Разработка схемы радиоприемника

29 Августа 2013

Реферат по радиоэлектронике

Программируемый генератор синусоидальных колебаний

29 Августа 2013

Реферат по радиоэлектронике

Детектор излучения сотового телефона

29 Августа 2013