Работа3. Исследование характеристик фотоэлемента с продольным фотоэффектом.
Цель работы: Изучение координатной чувствительности фотоэлемента с продольным фотоэффектом (ФПЭ).
1. Задание.
1) Проанализировать принцип действия и основные схемы включения (режимы работы) фотоэлемента с продольным фотоэффектом.
2) Снять зависимость фотоответа продольного фотоэлемента от координаты, оформить полученный результат в виде графика, объяснить экспериментальные данные.
3) Используя другую пару электрических выводов прибора ФПЭ, снять координатную зависимость фотоответа элемента в режиме поперечной фото-ЭДС. Объяснить полученные результаты.
2. Теоретическая часть. Принцип действия фотоэлементов с продольным эффектом.
Введение.
В ряде задач оптоэлектроники необходимы системы, предназначенные для обнаружения и определения положения неподвижных или перемещающихся источников излучения. Это так называемые системы поиска и слежения.
Неотъемлемой частью таких систем являются полупроводниковые фотоприемники.
Очевидно, в качестве следящих фотоприемников могут быть пригодны те фотоустройства, наиболее интересным свойство которых является зависимость их фоточувствительности от положения изображения источника излучения на поверхности приемника, то есть позиционно-чувствительные фотоприемники [1, 2]. К настоящему времени можно рассматривать несколько видов таких устройств:
1) позиционно-чувствительные фоторезисторы;
2) фотопотенциометры с фотопроводящим слоем;
3) фотопотенциометры с p-n-переходом;
4) мозаичные фоторезисторы (матрицы фоторезисторов);
5) матрицы фотодиодов;
6) МДП - и устройства на основе приборов с зарядовой связью (ПЗС- устройства);
7) позиционно-чувствительные (дифференциальные) фотодиоды;
8) фотоэлементы с продольным фотоэффектом.
Фотоэлементы с продольным фотоэффектом обладают определенными преимуществами. В отличие от МДП- и ПЗС устройств, представляющих собой матрицы диодов, фотоэлементы с продольным фотоэффектом имеют непрерывную чувствительную область.
Как известно, освещение полупроводникового p-n-перехода приводит к возникновению фотонапряжения между двумя областями перехода (поперечная фотоэдс). В случае неравномерного или локализованного освещения, кроме поперечного фотонапряжения, возникает также напряжение, параллельное переходу (продольный фотоэффект). Это явление обусловлено эффектом реинъекции (реинжекции) носителей заряда, проанализированным впервые Муром и Вебстером в системе с «плавающим» германиевым p-n-переходом [3]. Продольное фотонапряжение можно измерить, располагая два омических контакта с одной и той же стороны от перехода. Измеряемое напряжение меняется по амплитуде и знаку при перемещении светового пятна по прямой линии между контактами. Если p- и n- области полупроводника однородны и освещение равномерно, продольного фотонапряжения не возникает. Специально изготовленные фотоэлементв могут быть использованы для определения с большой точностью положения светового пятна.
Впервые продольный фотоэффект наблюдал Уоллмарк [4]. В его статье, а также в работе Аллена и других[5] дается приближенная теория таких приемников, а также приводятся их характеристики и различные режимы использования. Теория продольного фотоэффекта для случая малого сигнала рассматривается в статье Луковского [6]. В этой работе автором рассмотрен p-n-переход бесконечно больших размеров, поэтому результаты расчета не могут быть применены к реальным приборам, за исключением режима насыщения. Известны также работы Кролевца К.М. и др. [7-9], расширяющие возможности фотоэлементов с продольным фотоэффектом, Таубкина и Фримера [10], получивших на основе критического рассмотрения работы Уоллмарка выражения для характеристик таких приборов в режиме малого сигнала при произвольной нагрузке во внешней продольной цепи, а также в режиме большого сигнала для случаев холостого хода и короткого замыкания.
Как было указано нами ранее, возникновение продольного фотоэффекта в p-n- переходе обусловлено эффектом реинжекции(ре инъекции) носителей заряда.
Принцип действия продольного фотоэлемента на основе его эквивалентной схемы.
Однако сначала рассмотрим принцип действия фотоэлемента с продольным фотоэффектом на примере его эквивалентной схемы [11]. Мы уже отмечали, что конструкция такого фотоэлемента отличается от обычного фотодиода (см. Рис. 1) лишь тем, что контакты к базе (1 и 2 на рис. 1) электрически не соединены и фотонапряжение снимается не с контактов к p+- и n-областям, а с этих двух контактов к базе.
Рис. 1. Конструкция продольного фотоэлемента. 1 и 2 – контакты к базе, L –размер (длина, диаметр) фотоэлемента, Ф- световой луч, n – и p+ - типы проводимостей областей фотоэлемента.
Эквивалентная схема рассматриваемого продольного фотоэлемента представлена на Рис. 2.
Рис. 2. Эквивалентная схема продольного фотоэлемента. 1 и 2 – контакты к базе, Ф – световой поток, ri –эквивалентные сопротивления, ii-токи.
Так как в рассматриваемом фотоэлементе сопротивление области p+-области значительно меньше сопротивления n-области (см. Рис.1) , а толщины n – и p+- областей Wn < Wp, то p+- область можно считать эквипотенциальной поверхностью.
Область же p+-n- перехода и базы можно представить в виде распределенных по длине диодов и сопротивлений(резисторов).
При освещении участка фотоэлемента на нем возникает фотоэдс. Под действием этой фото-ЭДС в каждом элементарном контуре из диода и резистора будут протекать токи, которые будут создавать падение напряжения на каждом резисторе.
Напряжение на зажимах 1 и 2 U12 будет являться суммой напряжений на всех резисторах(см. рис. 2):
U12=i2r2 + i3(r2+r3) +…+ im(r2 +…+ rm) –i1r1.
Соответственно при указанном положении луча света (x < L/2) на 1 будет минус, а на зажиме 2 плюс U12. При перемещении светового луча в точку между резисторами r2-r3 слагаемое i2r2 станет с отрицательным знаком и напряжение U12 уменьшится. При перемещении светового луча в центр элемента число отрицательных и положительных членов в этом выражении будет одинаковым и напряжение на зажимах 1 и 2 станет равным нулю, U12=0.
При дальнейшем смещении луча в сторону зажима 2 знак фотонапряжения U12 меняется на противоположный (см. рис.3).
Рис.3. Зависимость продольного фотонапряжения от координаты. L- размер (длина, диаметр) фотоэлемента.
Это напряжение U12 всегда меньше фото-ЭДС диода за счет рекомбинационных и других видов потерь.
Принцип действия продольного фотоэлемента с точки зрения эффекта реинъекции носителей заряда.
Теперь рассмотрим сущность продольного фотоэффекта в p-n-переходах с точки зрения уже указанного ранее эффекта реинжекции носителей заряда [4].
Вновь обратимся к рис. 1. В соответствии с этим рисунком предположим, что луч света Ф генерирует (инжектирует) электронно-дырочные пары в указанной точке (x < L/2).
Тогда вместо равновесного состояния, существовавшего до инжекции, в переходе устанавливается новое устойчивое равновесие, при котором большинство инжектированных светом дырок находится в p+-области, а большинство фотоэлектронов – в n –области. При этом происходит смещение уровней Ферми, приводящее, как известно, к возникновению поперечного фотонапряжения.
Однако если проводимость p+ - области намного больше проводимости n-области, p+ - область можно считать эквипотенциальной; тогда дырки мгновенно и равномерно перераспределяются по этой области. В любой точке перехода при этом возникнет отклонение от равновесного состояния, приводящее к перемещению (реинжекции) дырок обратно в n-область. Эти реинъектированные дырки в n-области являются неосновными носителями заряда. Поэтому здесь образуется продольное поле, которое перемещает основные носители (в нашем случае электроны) заряда от освещенной точки к месту реинжекции для нейтрализации заряда. Это продольное поле и характеризует рассмотренный нами ранее потенциал U12 .
Из проведенного рассмотрения непосредственно следует, что n+-область при p-базе также приводит к возникновению продольного фотонапряжения; аналогично действует и n+ - область на n - базе. В последнем случае электроны переходят в n+ - область. А затем после перераспределения реинжектируются в n-область. Дырки (неосновные носители заряда) остаются около освещенной точки. Поэтому возникает поле, которое перемещает электроны обратно к освещенной точке. Продольное фотонапряжение в этом случае имеет обратную полярность по сравнению со случаем расположения p+ - слоя на n - области.
Для получения максимальной величины продольной фоточувствительности необходимо обеспечить как наиболее полное разделение переходом генерированных светом электронно-дырочных пар, так и высокое сопротивление той части перехода, с контактов к которой снимается продольное фотонапряжение. С этой точки зрения интересно использование для создания продольных фотоэлементов гетеропереходов [12]. В гетеропереходе генерация электронно-дырочных пар при освещении светом, с энергией квантов меньшей ширины запрещенной зоны верхнего материала, происходит непосредственно в области p-n-перехода. При отсутствии или малой величине «разрыва» в одной из энергетических зон (зоны проводимости или валентной, в зависимости от типа проводимости узкозонного материала) будет происходить полное разделение созданных светом электронно-дырочных пар.
Для повышения к.п.д. продольных фотоэлементов и стабильности авторами [13] предлагается метод образования индуцированного поверхностного p-n-перехода в структурах диэлектрик– полупроводник с помощью внешнего электрического поля или встроенного в диэлектрик заряда. В этом случае глубина залегания p-n – перехода получается минимально возможной, а сам переход– максимально резким. Большой встроенный в окисел положительный заряд при наличии высокоомного кремния p-типа приводит к образованию на его поверхности мощного инверсионного слоя, проводимость которого значительно больше проводимости однородного объекта.
Такой слой выполняет функции эквипотенциальной поверхности, что как раз необходимо для появления продольного фотоэффекта в рассматриваемых структурах. Неравновесные электроны практически мгновенно (за максвелловское время) перераспределяются по длине этого слоя и инжектируются обратно в объем p-типа в разных точках перехода. Этот процесс сопровождается направленным рекомбинационным потоком неравновесных дырок, что, в конечном счете, и обусловливает возникновение продольного фотоэффекта в рассматриваемых структурах.
Расчет продольного поля
а) Одномерный случай.
В работе [4] Уоллмарком для случая малого сигнала в режиме фотоэлемента дано следующее выражение для продольного падения напряжения на участке между произвольной точкой на переходе в n-области с координатой x и каким-либо базовым контактом:
V=ρnIfx/bWn =ρn Ifx/a, (1)
где ρn -удельное сопротивление n- области перехода, If –фототок, b – ширина образца, Wn–толщинаn- слоя, a =bWn.
Пусть луч света попадает на центральную часть элемента. При этом возникают два продольных фотонапряжения, равные по величине, но противоположной полярности; поэтому напряжение между базовыми контактами равно нулю. Когда луч света перемещается по направлению к одному краю элемента, между базовыми контактами возникнет напряжение, равное разности двух продольных напряжений.
Выходное напряжение можно вычислить из выражения (1). Предположим, что освещена точка с координатойx1. Тогда выходное напряжение Vout находится как сумма двух слагаемых:
Vout= ρnIf(-x)/a + ρnIf(2d-x1)/a =2ρnIf(d-x1)/a, (2)
где a =bWn, 2d =L – расстояние между базовыми контактами. Это уравнение (2) является уравнением прямой линии, проходящей через нуль в точке x1=d (или L/2), которая соответствует центральной части фотоэлемента (см. на рис.3). (Более строгий расчет этого случая показывает [10], что вывод о линейности характеристики в [4] не обоснован. Авторы [10] показали, что приближение [4] эквивалентно нестационарному режиму работы фотоэлемента).
б) Двумерный случай[5].
В случае двухмерного фотоэлемента при световом пятне, движущемся вдоль оси x, выражение для напряжения имеет вид:
Uout= ρnΙf/2πWn ln (d+x)/(d-x). (3)
Здесь, как и ранее ρn– удельное сопротивлениеn- области, Wn–толщинаn -области, 2d (=L) -расстояние между контактами, If - полный фототок. Для малых перемещений светового пятна(x
Vout=ρnIfx /πWnd. (4)
Это уравнение представляет собой наиболее удобную форму записи этой зависимости, так как во многих случаях фотоэлемент с продольным фотоэффектом используется при малых смещениях светового пятна от нулевого положения. Более общий случай для двумерного продольного фотоэлемента также рассмотрен Алленом и др. в[5].
Основные характеристики продольных фотоэлементов
Чувствительность. Чувствительность фотоэлементов с продольным фотоэффектом зависит от размеров образца, удельного сопротивления полупроводникового материала, интенсивности света и положения светового пятна.
Чувствительность ФЭ можно повысить, как уже было показано ранее, увеличивая удельное сопротивление или уменьшая толщину базы.
Спектральная чувствительность. Спектральная чувствительность продольного фотоэлемента определяется спектром поглощения используемого полупроводникового кристалла.
Линейность характеристики. Выходная характеристика фотоэлемента с продольным фотоэффектом имеет логарифмическую форму. Это значит, что она линейна вблизи нуля(или в пределах20 % межконтактного расстояния).
Частотная зависимость чувствительности. Условия инжекции электронно-дырочных пар в продольном фотоэлементе и их последующей диффузии к p-n- переходу совершенно аналогичны условиям работы обычных транзисторов. Поэтому их частотные характеристики определяются одними и теми же параметрами: толщинойn – области, внутренними полями и т.д. Перераспределение и реинжекция носителей заряда с последующей нейтрализацией пространственного заряда обусловлены движением основных носителей заряда и имеют пренебрежимо малые постоянные времени (максвелловские времена). Поэтому частотную характеристику продольного фотоэлемента можно считать [4, 5] эквивалентной частотной характеристике транзистора с такой же толщиной базы (25 мкм), имеющего предельную частоту, равную примерно1 МГц.
Выходное сопротивление продольного фотоэлемента. Сопротивление постоянному току, измеряемое между парой контактов, зависит от размеров контактов и элемента и удельного сопротивления полупроводникового материала.
Шум; отношение сигнал/шум; эквивалентная мощность шума.
Предел чувствительности продольного фотоэлемента определяется шумами фотоэлемента.
Для любого практического уровня освещенности при отсутствии напряжения, приложенного к фотоэлементу (режим фотоэдс), доминирующим источником шума является тепловой шум базового сопротивления. Эквивалентная мощность шума прибора определяется как минимальная мощность светового пятна, дающая отношение сигнал/шум, равное1. В фотодиодном режиме работы шумовые свойства продольных фотоэлементов полностью определяются флуктуациями темнового тока и фототока.
Стабильность. При использовании продольного фотоэлемента в качестве индикатора рассогласования электрооптической следящей системы наиболее важна стабильность положения нулевого отсчета на образце. Согласно работе [9] Ge- иSi – продольные фотоэлементы представляются перспективными для таких целей при использовании их в фотодиодном режиме и при применении модулированного света. Для измерений перемещений светового штриха целесообразно применять фотодиодный режим компенсации, обеспечивающий при модуляции света стабильность показаний в пределах десятых долей микрона, независимость их от освещенности и температуры.
Чувствительность к перемещению светового пятна. Разрешающая способность.
Минимальная величина перемещения светового пятна, которая может быть обнаружена с помощью продольного фотоэлемента, вычисляется по кривой чувствительности и уровню шумов[4].
Некоторые особенности продольных фотоэлементов. Подытожим особенности продольных фотоэлементов:
1) чувствительность по двум координатам;
2) высокая разрешающая способность;
3) высокая точность;
4) малая инерционность(микросекунды);
5) высокая надежность;
6) виброустойчивость;
7) отсутствие гистерезиса характеристик;
8) возможность статических или динамических измерений;
9) простое вспомогательное оборудование;
10) малый вес;
11) малые размеры;
12) возможность модуляции выходного сигнала с помощью электрического смещения переменным напряжением(электронная модуляция).
Применение. Несмотря на то, что в настоящее время в использовании большую конкуренцию продольным фотоэлементам составляют квадрантные фотодиоды, а также ПЗС- устройства и др., тем не менее позиционно-чувствительные фотоэлементы с продольным фотоэффектом до сих пор применяются для точного измерения положений объектов и их перемещений на длинных и коротких расстояниях. Так, с использованием продольных фотоэлементов реализованы промышленные оптические датчики для измерения небольших перемещений на расстоянии нескольких сантиметров[14]. Эти датчики эффективно работают в реальном масштабе времени и применяются при измерениях:
- высоты в таких устройствах, как системы контроля: качества печатных плат, уровня жидких и твердых сред и т.д.
- эксцентриситета вращающегося объекта,
- толщины,
- перемещений,
- а также для обнаружения присутствия в рабочей зоне определенных объектов.
Основным достоинством датчиков на основе продольных фотоэлементов является то, что их точность может превышать точность самого ПФЭ.
Продольные фотоэлементы выпускаются двух типов: одно- и двухмерные.
Поскольку в состав эквивалентных схем входят распределенные емкости и сопротивления, постоянные времени ПФЭ зависят от положения светового пятна.
При подаче на выход ступенчатой функции постоянная времени ПФЭ с небольшой чувствительной зоной меняется в диапазоне1-2 мкс. Спектральный диапазон ПФЭ на основе кремния составляет 320 – 1100 нм, следовательно, они работают в УФ, видимом и ближнем инфракрасном областях спектра. Чувствительная поверхность небольших одномерных ПФЭ лежит в пределах 1х2…1х12 мм, в то время как больших двухмерных ПФЭ ее сторона равна4…27 мм[14].
3. Экспериментальная часть.
3.1. Описание экспериментальной установки
Схема экспериментальной установки для снятия координатной чувствительности фотоэлемента с продольным фотоэффектом приведена на рис4.
3
1
4 5
2
Рис. 4. Схема установки для измерения координатной чувствительности фотоэлементов с продольным фотоэффектом.
источник света (лампа накаливания, светодиод или лазерный диод), 2-
блок питания источника света, 3-продольный фотоэлемент, 4- координатный столик, 5- гальванометр(электронный вольтметр).
В эксперименте перемещается световой луч (от лампы накаливания с
фокусирующей линзой, закрепленной на координатном столике) относительно фотоэлемента.
3.2 . Порядок выполнения работы
1. Ознакомиться с описанием данной лабораторной работы.
2. Перемещая световой луч в горизонтальном направлении с помощью координатного столика, снять координатную чувствительность фотоэлемента в режиме продольного фотоэффекта.
3. Используя другую пару выводов прибора, соответствующих режиму поперечного фотоэффекта, исследовать координатную чувствительность фотоэлемента(в режиме поперечной фотоэдс).
4. Полученные данные измерений оформить в виде графиков и объяснить полученные результаты.
Контрольные вопросы
1. Принцип действия, основные физические процессы и схемы включения фотоэлемента с продольным фотоэффектом.
2. Виды координатно-чувствительных фотоприёмников, их применение.
3. Результаты проделанной работы и их обсуждение.
Литература
1. Кравцов Н.В., Стрельников Ю.В. Позиционно-чувствительные датчики оптических следящих систем. -М. : Наука, 1969.
2.Свечников С.В., Смовж А.К., Каганович Э.Б. Фотопотенциометры и функциональные фоторезисторы. -М. : Сов. Радио, 1978.
3. Moore A.R., Webster W.M. The effective surface recombination of a germanium surface with floating barrier. //Proceedings of IRE. - 1955. - V. 43. – N 4. - P. 427-435. ( Есть русский перевод: Мур А., Вебстер В. Поверхностная рекомбинация и плавающий переход.//В книге: Электрофизические свойства германия и кремния. - М.: Наука, 1956, стр.381-387.).
4. Уоллмарк Дж. Новый полупроводниковый фотоэлемент с продольным фотоэффектом.//В книге: Полупроводниковые фотоприемники и преобразователи излучений. - М.: Мир, 1965, стр.215-238.
5. Аллен Д., Вейман И., Уинслоу Д. Следящий преобразователь излучения.//Там же, стр. 418-431.
6. Луковский Дж. Фотоэффект в неравномерно облученных p-n-переходах.// Там же, стр. 239-258.
7. Горбач Т.Я., Грибников В.С., Кролевец К.М. Фотоэдс p-n-перехода при неравномерном освещении.//Радиотехника и электроника. - 1962. -Т. 7. - №6. –С. 1020-1029.
8. Горбач Т.Я., Кролевец К.М. Продольный фотоэлемент при больших освещенностях. //Радиотехника и электроника. –1962. - Т. 7. - №6. - С. 1057-1060.
9. Кролевец К.М. Экспериментальное изучение фотодиодного режима продольных фотоэлементов. //Радиотехника и электроника. - 1964. - Т. 9. - №6. - С. 1055-1064.
10. Таубкин И.И., Фример А.И. К расчету вентильных фотоэлементов с продольным фотоэффектом. // Радиотехника и электроника. - 1962. –Т. 7. - №7. - С. 1196-1205.
11. Викулов И.М., Стафеев В.И. Физика полупроводниковых приборов. - 2-е изд., перераб.и доп. -М. : Радио и связь, 1990, глава2.
12. Алферов Ж.И., Андреев В.М., Портной Е.Л.,Протасов И.И. Координатно-чувствительные фотоэлементы на основе гетеропереходов AlxGa1-xAs –GaAs. // ФТП. - 1969. -Т. 3.- №9. – С. 1324 –1326.
13. Литовченко В.Г., Горбань А.П. Основы физики микроэлектронных систем металл-диэлектрик-полупроводник. - Киев: Наукова думка, 1978, глава 9.
14. Фрайден Дж. Современные датчики. Справочник. – М.: Техносфера, 2006, глава7.
|
Скачать 44.21 Kb.