6. Литература

1. Микроскоп оптический МБС-1. Техническое описание.

2. Оптические методы контроля интегральных микросхем / Под ред. Л. Г. Дубовицкого. — М. : Радио и связь, 1982.

3. Павлов П. В., Хохлов А. Ф. Физика твердого тела. — М. : Высшая школа, 2000.

Лабораторная работа №2. Изучение характеристик фотодиодов

1. Цель работы

Цель работы — изучение основных параметров фотодиодов, конструкции и устройства спектрофотометра.

2. Фотодиодные структуры

Фотодиодные структуры — это оптоэлектронные приборы, имеющие p–n-переходы, к которым прикладывается напряжение в обратном направлении, и, таким образом, используют явление изменения сопротивления запирающего слоя под действием света. Возникающая при этом фото-ЭДС ввиду её малости по сравнению с величиной смещения может не учитываться. К таким приборам относятся: кремниевые фотодиоды, менее многочисленная группа германиевых диодов, телевизионные передающие трубки типа видикон и резистрон и гетеродиоды (рис. 2.1).

2.1. Германиевые и кремниевые фотодиоды

Свойства. У чистого кремния сопротивление примерно в 1000 раз выше (50–60 кОм), чем у чистого германия (50–60 Ом), поэтому обратный ток германиевых диодов в 1000 раз больше, чем кремниевых.

Рис. 2.1. Схемное обозначение фотодиода

Спектральная чувствительность германиевых фотодиодов находится в области от 0,5 (зеленый свет) до 2 мкм (инфракрасная область) с максимумом при 1,5 мкм.

Область чувствительности кремниевых фотодиодов простирается от 0,4 (фиолетовый свет) до 1,2 мкм (ближнее инфракрасное излучение) с максимумом при 0,9 мкм. Максимум спектральной чувствительности кремниевого диода при 0,9 мкм совпадает с положением максимума излучения светодиода на Это является основной причиной частого использования кремниевых фотодиодов в оптоэлектронных элементах — оптронах, в системе оптических зондов и т. д.

Фототок у современных фотодиодов линейно возрастает при увеличении освещения с коэффициентом пропорциональности 106. Темновой ток кремниевых фотодиодов мал. Эти диоды хорошо подходят для количественных измерений, так как фототок прямо пропорционален интенсивности освещения. Время переключения ( нс) достаточно мало, поэтому они могут быть использованы на частотах 50–1000 МГц, что значительно выше, чем у полупроводниковых фотоприемников. Плоскостные фотодиоды обладают двумя преимуществами по сравнению с другими конструкциями: у них меньший темновой ток (0,1 мкА) и лучшее отношение сигнал/шум.

При рассмотрении зависимости «ток–напряжение» необходимо принимать во внимание правые части семейства характеристик, приведенных на рис. 2.2. Они показывают, как ведет себя диод при наличии относительно большого напряжения смещения. Если напряжение равно нулю, то реализуется лишь фото-ЭДС, если к фотодиоду приложено внешнее смещение, то фототок выходит на насыщение. В этом режиме фотодиод обладает большим дифференциальным сопротивлением, так как ток больше не зависит от напряжения.

На абсолютную величину тока существенно влияет уровень освещения, как это видно из характеристик, параметрами которых служит освещенность. Максимальное напряжение не превышает 100 В. Если в правой части рис. 2.2 провести нагрузочную прямую, как это принято при работе с электровакуумными лампами, то можно определить изменение напряжения на нагрузочном резисторе, вызванное изменением освещения.

Рис. 2.2. Характеристики германиевого фотодиода в режиме фото-ЭДС и фототока: 1–6 — рабочие точки

Применение. Их основное назначение — рабочие элементы приемных устройств, например систем контроля, дальномеров, оптической связи в видимой или инфракрасной областях спектра, когда приходится детектировать слабые оптические сигналы. Они в основном имеют такую же конструкцию, как и плоскостные диоды, применяемые в устройствах считывания.

Преимущества фотодиодов перед фотоэлементами заключаются в низком уровне шумов, большом быстродействии и большей эффективности. Наиболее быстродействующим является p–i–n-фотодиод, широко применяемый в оптоэлектронных развязывающих и коммутирующих оптронах, быстродействующих цифровых оптоэлектронных микросхемах. Если фотодиоды изготовлены с внутренним усилением, то их называют лавинными.

Базовая технология фотодиодов — планарная. Как следует из рис. 2.3, p–i–n-диод отличается от p–n-диода наличием между p- и n-областями широкой i-области высокоомного кремния, в которой действует сильное электрическое поле p–n-перехода. Наличие протяженной i-области увеличивает эффективность фотодиода за счет поглощения большей части излучения в толстом i-слое и повышает быстродействие за счет уменьшения емкости перехода и времени пролета носителей, ускоренных его сильным полем.

а б

Рис. 2.3. Планарные структуры кремниевых фотодиодов: а — p–n-диод с диффузионной базой; б — p–i–n-диод; АОП — антиотражающее покрытие; ОПЗ — область пространственного заряда p–n-перехода

Из всех полупроводниковых приемников фотодиоды являются самыми массовыми.