Фотоприемники

1. Фотоприемники Выполнили:Сорокин Дмитрий Скалецкий Александр.

2. Фотоприемники Фотоприемники – полупроводниковые приборы, регистрирующие оптическое излучение и преобразующие оптический сигнал на входе в электрический сигнал на выходе фотодетектора.

3. Статистическиепараметрыфотоприемников:Статистическиепараметрыфотоприемников: • Если на выходе фотоприемника изменяется ток, то фотоприемник характеризуется токовой чувствительностью Si. Токовая чувствительность – величина, характеризующая изменение тока, снимаемого с фотоприемника при единичном изменении мощности падающего оптического излучения:

4. Если регистрируемый сигнал на выходе фотоприемника - напряжение, то вводят понятие вольтовая чувствительность – как величина, показывающая, на сколько изменится напряжение на выходе фотоприемника, при единичном изменении мощности падающего лучистого потока:

5. К фотоприемникам относятся: • Фотодиоды • Фоторезисторы • Фототранзисторы • P-I-N Фотодиоды • и др. типы

6. Процессы лежащие в основе действия фотоприемников: • Генерация носителей под действием внешнего излучения. • Перенос носителей и умножение за счет того или иного механизма, характерного для данного прибора. • Взаимодействие тока с внешней цепью, обеспечивающее получение выходного сигнала.

7. Фотодетекторыдолжныобладать • высокой чувствительностью и быстродействием • низким уровнем шумов • иметь малые размеры • низкие управляющие напряжения и токи.

8. Фотодиоды Принцип действия: под действием оптического излучения образуется электронно-дырочная пара и в области пространственного заряда p-n перехода резко возрастает обратный ток фотодиода. Схема фотодиода:

9. Рассмотримфотодиоднаосновеp-nпереходаРассмотримфотодиоднаосновеp-nперехода

10. ВАХ фотодиода • Iтемн=Io (eßVg - 1) • Io = q*Lp*Pno /tp + q*Ln*Npo/tn

11. При освещении фотодиода происходит генерация электронно-дырочных пар. Во всем проводнике изменяется концентрация неосновных носителей, следовательно возрастает дрейфовая компонента тока, а диффузионная не меняется. ∆N,∆P>>Pno,Npo ∆N,∆P<<Nno,Ppo IФ = q*Lp*∆P/tp + q*Ln*∆N/tn = I∆PE +I∆NE

12. Полный ток в фотодиоде • I = IФ + Iтемн • (полная формула представлена на след слайде • Фототок от напряжения не зависит. • Область поглощения светового потока должна принадлежать промежутку (-Lp,n;Lp,n) • ВАХ сдвигаются эквидистантно.

13. Расчет полного тока In - обусловлена равновесными и избыточными электронами в р-областиIг - обусловлена термо- и фотогенерацией электронно-дырочных пар в области пространственного заряда p-n переходаIр - обусловлена дырками в n-областиIт - плотность темнового токаIф - добавка за счет действия оптического излучения Вклад в In и Ip дают те носители, которые не рекомбинируют с основными носителями и достигают за счет диффузии p-n перехода.

14. Фоторезистор • Фоторезистор - это пластина полупроводника, на противоположных концах которого расположены омические контакты. • Схема фоторезистора:

15. Поток внутри полупроводника: Фо - падающий поток R - коэффициент отражения a - коэффициент поглощения Sф - площадь

16. Работа фоторезистора характеризуется: 1. Квантовой эффективностью (усиление) Поскольку концентрация изменяется по закону: где T -время релаксации, то коэффициент усиления по току выражается:

17. 2. Время фотоответа: зависит от времени пролета. Обычно у фоторезистора время ответа больше, чем у фотодиода, поскольку между контактами большое расстояние и слабое электрическое поле. 3. Обнаружительная способность.

18. P-I-N Фотодиод • P-I-N Фотодиод построен на обычном p-i-n диоде. Эти приборы являются наиболее распространенными, так как толщину обедненной области можно сделать такой, что обеспечивается оптимальная квантовая эффективность и быстродействие.

19. Фототранзистор Фототранзистор дейсвует также как и остальные фотодетекторы, однако транзисторный эффект обеспечивает усиление фототока. По сравнению с фотодиодом фототранзистор более сложен в изготовлении и уступает ему в быстродействии (из-за большей площади).

20. Устройство и эквивалентная схема: Переход база - коллектор играет роль чувствительного элемента. На рисунке он показан в виде диода с параллельно включенной емкостью, имеет большую площадь

21. Фототранзистор особенно эффективен, так как обеспечивает высокий коэффициент преобразования по току(50% и более). В режиме работы с плавающей базой фотоносители дают вклад в ток коллектора в виде фототока Iph. Кроме того, дырки фотогенерируемые в базе, приходящие в базу из коллектора, уменьшают разность потенциалов между собой и эмиттером, что приводит к инжекции электронов через базу в коллектор. • Общий ток:

22. Другие виды фотоприемников:

23. На барьере Шоттки В области пространственного заряда диода с барьером Шоттки на основе полупроводника n-типа при обратном смещении генерируемые электронно - дырочные пары разделяются электрическим полем, и дырки выбрасываются в металлический контакт, а электроны - в базу. Так как ОПЗ имеет малую ширину и примыкает к светоприемной поверхности, то такие фотодиоды обладают высокой квантовой эффективностью и высоким коэффициентом поглощения в области малых длин волн. Оптическое излучение полностью поглощается в ОПЗ фотодиода.

24. На гетеропереходах Полупроводник с более широкой запрещенной зоной используется как окно, которое пропускает оптическое излучение с энергией, меньшей чем ширина запрещенной зоны без заметного поглощения. И тогда эффективность фотодиода будет зависеть только от того, на каком расстоянии расположен p-n переход от светоприемной поверхности. Важно использовать гетеропереход с малой величиной обратного темнового тока, которую можно обеспечить, сводя к минимуму плотность граничных состояний, ответственных за появление, например, части тока, обусловленной фотогенерацией электронно-дырочных пар в ОПЗ p-n перехода. Это обеспечивается за счет согласования постоянных решеток обоих полупроводников

25. Лавинные фотодиоды На них подается обратное напряжение, достаточное для развития ударной ионизации в ОПЗ, то есть, сила фототока, квантовый выход и чувствительность возрастают в М раз (М - коффициент лавинного умножения). Преимущество заключается в том, что они имеют меньшее значение мощности, эквивалентной шуму.

26. Fотоприёмники Примеры устройств с характеристиками Подготовили:Сорокин Дмитрий Скалецкий Александр

27. Фотодиоды и Фотоприёмные устройства на основе Si, Ge, InGaAs для спектрального диапазона 0,4…1,55 мкм • Для регистрации импульсного лазерного излучения и волоконно-оптических линий связи • Неохлаждаемые • Фотоприёмники и фотоприёмные устройства • Число элементов (каналов) • от 1 до 128 • Высоко скоростные, лавинные фотодиоды, pin-фотодиоды

28. Фотоприёмники и фотоприёмные устройства на основефоточувствительных плёнок PbS, PbSe для спектрального диапазона 1 - 5 мкм • Фотоприёмники и фотоприёмные устройства • Количество элементов (каналов) от 1 до 256 • Не охлаждаемые и с термоэлектрическим охлаждением • С различными вариантами корпусов и бескорпусные

29. Фотодиоды и фотоприёмные устройства на основеInSbдля спектрального диапазона 3…5 мкм • Фотоприёмники и фотоприёмные устройства • С предусилителями и интегральными считывающими устройствами • Число элементовов от 1 до сотен тысяч • Линейные и матричные фотоприёмные устройства • С охлаждением Стирлинга • С различными вариантами корпусов и бескорпусные

30. Фотоприёмники и Фотоприёмные устройства и фотодиоды на основефоточувствительных плёнок из CdHgTe для спектрального диапазона3…5 и 8…12 мкм • Фотоприёмники и фотоприёмные устройства • С охладителями Стирлинга и термоэлектрическим охлаждением • С предусилителями и интегральными считывающими микросхемами • Число элементов от 1 до сотен тысяч • Линейные и матричные фотоприёмные устройства

31. Лавинныегерманиевыефотодиодыдля волоконно-оптических линий связи • Основные характеристики • Рабочие длины волны, мкм 1,3 и 1,55 • Рабочее напряжение, В 35 – 45 • Чувствительность • (при 1∙10-11А×Гц-1/2), А×Вт-1≥6 • Ёмкость, пФ ≤ 2 • Время нарастания, нс ≤ 2

32. InGaAsфотодиоды для волоконно-оптических линий связи • Основные характеристики • Рабочие длины волн, мкм 1,3 и 1,55 • Рабочее напряжение, В 10 • Диаметр фоточувствительной • площадки, мкм 200 • Темновой ток, нА ≤10 • Токовая чувствительность, А×Вт-1 • на λ=1,3 мкм, А/Вт ≥0,6 • на λ=1,55 мкм,А/Вт ≥0,8 • Ёмкость, пФ ≤2 • Время нарастания, нс ≤2 • Рабочее напряжение, В 10 • Диапазон рабочих • температур, оС от -40 до +85

33. Лавинныекремниевыефотодиоды • Основные характеристики • Рабочая длина волны, мкм 0,8 – 0,9 • Чувствительность • (при 1·10-12 А×Гц-1/2), А×Вт-1 ≥20 • Рабочее напряжение, В 70 - 400 • Ёмкость, пФ ≤3 • Время нарастания, нс ≤3 • Диапазон рабочих • температур, оС от -40 до +85 • Диаметр сечения оптического • волокна, мкм 300

34. Фотоприёмное устройство на основе кремниевого pin-фотодиода • Основные характеристики • Спектральный диапазон, мкм 0,8 – 0,95 • Диаметр фоточувствительной площадки, мм 5 • Пороговая импульсная чувствительность • (при דвх=100 нс), Вт (1,95 – 3,25)·10-6 • Напряжение питания, В 6,5 – 10,5 • Ток потребления при (Рф=4 мВт) ≤7 • Амплитуда импульсов на выходе, В ≥5 • Диапазон рабочих • температур, оС от -20 до +50

35. 8 канальное фотоприёмное устройство на основе кремниевого pin-фотодиода • Основные характеристики • Рабочая длина волны, мкм 1,06 • Порог чувствительности (Uс/Uш=1),Вт • наружные площадки ≤1,0∙10-7 • внутренние площадки ≤0,6∙10-7 • Вольтовая монохроматическая импульсная • чувствительность, В/Вт 1∙10-4 • Разброс чувствительности между • площадками, % ≤15 • Динамический диапазон выходных сигналов • от уровня шума, дБ • наружные площадки ≤57 • внутренние площадки ≤70 • внутренние площадки в • режиме «Ослаблено» ≥100 • Напряжение питания ФПУ, В • фотодиодов 200±10 • усилителей ±12

36. Пороговыйгерманиевый фотодиод Основные характеристики Количество чувствительных элементов 1 Диаметр эффективной площадки, мм 1,1 Плоский угол зрения 40° Спектральный диапазон, мкм 0,8 – 1,6 Токовая чувствительность на λ=1,06 нм, А/Вт 0,5 на λ=1,55 нм, А/Вт 0,55 Обнаружительная способность при λmax, Вт-1∙см∙Гц1/2 3∙1010 Время нарастания/спада переходной характеристики, нс ≤40 Динамический диапазон 1∙107 Темновой ток, мкА ≤10 Ёмкость, пФ ≤100 Масса, г 2 Рабочее напряжение, В 10

37. Фотоприёмное устройство на основеSi фотодиода • Основные характеристики • Количество чувствительных элементов 1 • Спектральный диапазон, мкм 0,4 – 1,1 • Диаметр фоточувствительной • площадки, мм 0,45 – 0,55 • Параметры выходного сигнала • амплитуда, В 2,5 – 4,5 • длительность, нс 50-120 • полярность положительная • время нарастания , нс ≤15 • Напряжение питания фотодиода, В 100±10 • Ток потребления по цепи усилителя, мА ≤45 • Диапазон рабочих • температур, оС от -40 до +60 • Габаритные размеры, мм Ø30×6,5

38. Фоторезисторы на основе PbSиPbSe Основные характеристики

39. Матричное фотоприёмное устройство на основе CdHgTe

40. Одноэлементные неохлаждаемые фоторезисторы на основе PbSe Основные характеристики

41. Фотоприёмное устройство на основе CdHgTe детекторах Основные характеристики

42. Фотоприёмное устройство на основеPbSe с термоэлектрическим охлаждением Основные характеристики

43. Электронно-лучевая установка

44. Ионно-лучевая установка

45. Электронно-лучевая пушка

46. Ионные источники

47. Солнечные батареи Подготовили:Сорокин ДмитрийСкалецкий Александр

48. Солнечные батареи в современном мире – одно из немногих, и одно из самых перспективных средств для получения энергии из возобновляемых источников. Актуальность использования СБ в качестве источника энергии со временем будет только возрастать. • В настоящее время ведутся многочисленные научные исследования, в целях которых - повышение эффективности работы СБ, и повышение их доступности.

49. Солнечная батарея - полупроводниковый фотоэлектрический генератор, непосредственно преобразующий энергию солнечной радиации в электрическую энергию • С конструктивной точки зрения солнечная батарея – плоская панель, состоящая из размещенных вплотную фотоэлементов и электрических соединений, защищенная с лицевой стороны прозрачным твердым покрытием. Число фотоэлементов в батарее может быть различным, от нескольких десятков до нескольких тысяч.

50. Электрический ток в солнечной батарее возникает в результате процессов, происходящих в фотоэлементах при попадании на них солнечного излучения. Действие СБ основано на использовании вентильного (барьерного) фотоэффекта - возникновении электродвижущей силы в p-n переходе под действием света.