Квантовые детекторы

ДЕТЕКТОРЫ СВЕТОВЫХ ИЗЛУЧЕНИЙ

На рисунке 1 показан спектр электромагнитных волн. Детекторы электромагнитных волн, лежащих в спектральном диапазоне от ульт­рафиолетового до дальнего ИК излучений, называ­ются световыми детекторами. С точки зрения разработчика датчиков поглощение фотонов чувст­вительным ма­териалом приводит либо к повышению его температуры, либо к появлению но­вых квантовых частиц. Поэтому все детекторы световых излучений можно разде­лить на две группы: квантовые и тепловые преобразователи. Квантовые детекто­ры работают в интервале от УФ до среднего ИК диапазонов, в то время как тепло­вые датчики чаще используются в диапазонах среднего и дальнего ИК излуче­ний, где их эффективность при комнатных температурах намного превышает эф­фективность квантовых преобразователей.

Квантовые детекторы

В основе практически всех твердотельных квантовых детекторов (фотоволь­таических и фотопроводящих) лежит квантовая теория излучения, базирующая­ся на взаимодействии отдельных фотонов с кристаллической решеткой полупро­водниковых материалов. Их принцип действия основан на явлении фотоэффек­та, открытом А. Эйнштейном, за которое он получил Нобелевскую Премию. В 1905 году он предположил, что свет имеет квантовую природу, т.е. он состоит из потока элементарных частиц, каждая из которых обладает в заданных условиях опре­деленной энергией. Эти частицы в дальнейшем были названы фотонами. Энергия одного фотона определяется следующим выражением:

Е = hv, (1)

где v - частота света, а h =6.626075•10^-34 Дж•С - постоянная Планка, выведенная на основе волновой теории света.

Столкновение фотона с поверхностью проводника может привести к образованию сво­бодного электрона. Часть энергии фотона ф используется на то, чтобы оторвать этот электрон с поверхности, а другая часть отдается электрону в виде кинетической энергии К_m._. Фотоэлектрический эффект можно выразить в виде:

hv = ф + К_m , (2)

где ф называется рабочей функцией испускающей поверхности, а К_m - максималь­ной кинетической энергией электрона после его отрыва от поверхности.

Анало­гичные процессы происходят, когда полупроводниковый p-n переход подверга­ется воздействию светового излучения: фотон передает свою энергию электрону, и если эта энергия достаточно большая, электрон становиться свободным, что означает появление электрического поля.

Периодическая решетка кристаллических материалов определяет значения разрешенных зон энергий для электронов, находящихся внутри твердого тел. Энер­гия любого электрона лежит в пределах одной из разрешенных зон, которые отде­лены друг от друга интервалами запрещенных значений энергии (запрещенными зонами).

Если излучение определенной длины волны (с достаточно высокой энергией фотонов, см. уравнение (1)) падает на поверхность полупроводникового крис­талла, концентрация заряженных частиц (электронов и дырок) в нем увеличива­ется, т.е. возрастает его удельная проводимость.

На рис. 2 показаны зоны энергий в полупроводниковом материале. Нижняя зона называ­ется валентной зоной, которая соответствует электронам, связанным с кри­сталлической решеткой материала. В случае кремния или германия эти электро­ны участвуют в формирова­нии ковалентных связей, обуславливающих внутри­атомные связи внутри кристалла. Самый верхний слой называется зоной проводи­мости. Эта зона соответствует электронам, свободно перемещающимся по кристаллу.­ Электроны с такими энергиями участвуют в обеспечении электропроводно­сти материала. Между этими зонами лежит зона запрещенных энергий, ширина кото­рой определяется типом материала: либо полупроводника, либо диэлектрика. Ко­личество электронов внутри кристалла соответствует полному заполнению всех воз­можных мест в валентной зоне. При отсутствии теплового возбуждения и у полупровод­ников, и у диэлектри­ков ва­лентная зона является полностью заполненной, а зона проводимости - полностью пустой. В таких воображаемых условиях ни один из этих материалов не будет обладать электропро­водностью.

В металлах энергетические уровни в зоне проводимости являются не полностью запол­ненными. Поэтому электроны могут свободно перемещаться внутри материа­ла, поскольку для перехода с уровня на уровень им не требуется обладать очень высо­кой энергией. Этим объяс­няется высокая электропроводность металлов. В диэлект­риках и полупроводниках, для того чтобы попасть в зону проводимости, электронам приходится сначала преодолевать зону запрещенных энергий, которая для диэлект­риков составляет порядка 5 эВ и более, а для полупроводников несколько ниже. Этим и объясняется тот факт, что электропроводность полупроводни­ков (не говоря уже о диэлектриках) на несколько порядков ниже, чем у металлов.

Если фотон, обладающий высокой энергией (большой частотой), ударяется о кристалл (рис. 2А), он выбивает из его валентной зоны электрон и передает ему достаточное количество кинетической энергии, чтобы он мог перескочить зону запрещенных энергий и попасть в зону проводимости, т.е. на более высокий энергетический уровень. В зоне проводимости электрон является свободным носителем заряда. Недостаток электрона в валентной зоне означает появление там дырки, которая тоже может рассматриваться как свободный носитель проти­воположного электрону заряда. Увеличение количества дырок выражается в умень­шении удельного сопротивления материала. На рис. 2Б показано, что проис­ходит, когда фотон обладает низкой энергией, недостаточной для преодоления электроном зоны запрещенных энергий. Как видно из рисунка, в этом случае сво­бодные носители зарядов не образуются.

Ширина зоны запрещенных энергий служит тем порогом, ниже которого ма­териал не является фоточувствительным. Однако не следует представлять порог в виде резкой границы. Во время фотоэффекта всегда выполняется закон сохране­ния моментов движения. Момент движения и плотность дырок и электронов в зо­нах валентности и проводимости являются максимальными в центре и падают до нуля у верхнего и нижнего краев зон. Поэтому вероятность возбужденному в ва­лентной зоне электрону най­ти место в зоне проводимос­ти гораздо выше в центре зон, чем по краям. Поэтому спек­тральная фоточувствитель­ность материала начинает ра­сти с энергии фотона, постепенно доходит до макси­мума и потом снова падает до нуля при энергии, соответ­ствующей разности между нижней энергией валентной зоны и верхней энергией зоны проводимости. Типовая спектральная характеристика полупроводникового матери­ала показана на рис. 3. При введении в материал определенных примесей можно менять фоточувствительность материала. Этот способ можно использовать для из­менения формы или получения сдвига спектральной характеристики кристалла. Все приборы, напрямую преобразующие фотоны электромагнитных излучений в носители зарядов, называются квантовыми детекторами. К таким устройствам от­носятся фотодиоды, фототранзисторы и фоторезисторы.

Фотодиоды.

Фотодиоды - это полупроводниковые оптические датчики. Это понятие вклю­чает в себя даже солнечные батареи. В упрощенном виде принцип действия фотодиодов можно описать следующим образом. При воздейст­вии излу­чения соответствующей частоты на прямо смещенный р-n переход (в котором положительный вывод батареи подключен к зоне р), ток через фотодиод возра­стет незначительно по сравнению с темновым то­ком. Другими словами, ток сме­щения в этом случае будет намного превышать ток, генерируемый светом. При обратном смещении р-n перехода (рис. 4) ток возрас­тает очень сильно. Стол­кновение фотонов с поверхностью фотодиода приводит к образованию пар элек­трон-дырка на обоих концах перехода. При попадании электронов в зону про­водимости, они начинают лететь в сторону положительного полюса батарей. Со­ответственно, созданный поток дырок на­правляется к отрицательному полюсу. Это означает появление в цепи фотодиода тока i_p В темноте ток утечки i₀ не зависит от приложенного на­пряжения, а причиной его возникновения является теп­ловая генерация носителей за­рядов. На рис. 5А показана эк­вивалентная электрическая схема обратно смещенного фотодиода, состоящая из двух источников тока и RС-цепи.

Процесс оптического де­тектирования заключается в прямом преобразовании опти­ческой энергии (в виде потока фотонов) в электрический сигнал (поток электронов). Таким образом, электрический ток пропор­ционален оптической мощности падающего на детектор излучения.

На рис. 5Б показана вольтамперная характеристика типового фотодиода. Если к диоду при разомкнутой цепи подключить вольтметр, обладающий высо­ким входным импедансом, можно увидеть, что при увеличении оптической мощ­ности, напряжение меняется по нелинейной (логарифмической) зависимости. При коротком замыкании цепи (V = 0) ток связан с оптичес­кой мощностью линейной зависимостью. Вольтамперную характеристику фото­диода можно описать выражением:

(3)

где i_o - обратный темновой ток, возникающий из-за тепловой генерации пар элек­трон-дырка, i_s - ток, соответствующий детектируемому оптическому сигналу, m - постоянная Больцмана, а Т - абсолютная температура.

Фототранзистор

Фотодиод напрямую преобразует фотоны в носители зарядов - один фотон образует одну пару электрон-дырка. Фототранзисторы помимо фотоэлектри­ческого преобразования выполняют функцию усиления тока, что значительно повышает чувствительность детектора. Переход коллектор-база является об­ратно смещенным диодом. При включении транзистора в схему с источником питания, внут­ри контура, в состав которого входит переход база-эмиттер, начинает течь фо­тоиндуцированный ток. Усиление тока в фототранзисторе происходит также как в традиционном биполярном транзисторе. В результате этого коллектор­ный ток значительно возрастает.

На рис. 6 показаны энергетические зоны фототранзистора. Фотоин­дуцированный ток базы возвращается на коллектор через эмиттер и внешнюю часть схемы. При этом электроны, попадающие в базовую область со стороны эмиттера, выталкиваются электрическим полем в зону коллектора. Чувстви­тельность фототранзистора определяется эффективностью работы перехода база-коллектор и коэффициентом усиления по постоянному току транзисто­ра. Поэтому можно утверждать, что чувствительность является функцией кол­лекторного тока.

Вольтамперные характеристики фототранзисторов (зависимости коллекторного тока от напря­жения на коллекторе) имеют тот же вид, что и у обычных транзисторов. Поэтому для расчета схем с фототранзисторами можно применять традиционные методы разработки транзисторных цепей, за исключением того, что здесь база является входом для фото индуцированного тока, текущего со стороны коллектора. Фото­электрический процесс протекает, в основном, в зоне коллектор-база, поэтому чем шире эта область, тем больше носителей зарядов будет образовано. Очевид­но, что всегда надо стремиться увеличивать, насколько это возможно, площадь окошка для попадания света. Фототранзисторы бывают двух типов: с двумя и тре­мя выводами. В последнем случае фототранзистор может использоваться не только как фоточувствительный элемент, но и как обычный биполярный транзистор, что обеспечивает разработчику допол­нительную гибкость при проектирова­нии электронных цепей. Однако в ка­честве фотодатчиков чаще применяют­ся фототранзисторы с двумя выводами.

Фоторезисторы

Также как и фотодиод, фоторезистор является фотопроводящим устройством. Для изго­товления фоторезисторов, как правило, применяется сульфид кадмия (CdS) и селенид кадмия (CdSe). Эти материалы являются полупроводника­ми, сопротивление которых меняется при по­падании на их поверхность света, т.е. фотоэффект здесь заключается в изменении удельного сопротивления материа­ла. Очевидно, что фоторезисторы необходимо подключать к источни­кам пита­ния. На рис. 7 показана схема фоторе­зистивного элемента. Из рисунка вид­но, что в нем на поверхности двух противоположных концов фотопроводника нанесены электроды. В темноте такой элемент имеет очень высокое сопротивле­ние, и, следовательно, при подключе­нии к нему источника напряжения V, темно­вой ток в цепи, наличие которого объясняется тепловыми явлениями, будет очень низким. При попадании света на поверхность фоторезиста, в цепи потечет ток i_p.

Причина увеличения тока заключается в следующем. Непосредственно под зоной прово­димости кристалла находится донорный уровень, а над валентной зоной располагается акцепторный уровень. В условиях темноты эти уровни явля­ются практически заполненными электронами и дырками, что объясняет высо­кое сопротивление полупроводникового кри­сталла.

При освещении фотопроводящего кристалла его материал поглощает летящие фотоны, в результате чего энергия электронов валентной зоны возрастает, что позво­ляет им перемес­титься в зону проводимости. При этом в валентной зоне остаются свободные дырки. Этот процесс и объясняет повышение удельной проводимости материала. Акцепторный уровень, расположенный рядом с валентной зоной, не мо­жет удержать электроны, поэтому в валентном слое происходит не так много реком­бинаций пар электрон-дырка, а количество свободных электронов в зоне проводи­мости значительно возрастает.

Можно показать, что для улучшения чувствительности и снижения сопро­тивления рези­стивного элемента расстояние между электродами необходимо уменьшать, а ширину детектора d - увеличивать. Для выполнения этих условий детектор должен быть очень коротким и очень широким. Для этого фотодетекто­ру часто придают форму серпантина (рис. 7Б).