ДЕТЕКТОРЫ ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫХ ВОЛН

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:

E = hv

где v — частота света, a 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. Поскольку уровень шума пропорционален квадратному корню из ширины полосы пропускания.

Рис. 14.2. Спектральная характеристика ИК фотодиода

Обнаруживающая способность детектора D» определяется площадью его чувственного элемента и эквивалентной мощностью шума.

Обнаруживающая способность — это еще один способ определения отношения сигнал/шум датчика. D' не является постоянной величиной во всем спектральном диапазоне рабочих частот, поэтому она определяется для конкретных частот. Единицей измерения обнаруживающей способности является см — л/Гц/Вт. Детекторы электромагнитных волн, лежащих в спектральном диапазоне от ультрафиолетового до дальнего ИК излучений, называются световыми детекторами. С точки зрения разработчика сенсоров 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 подгруппы: 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. В этой главе будут рассмотрены оба вида детекторов. Описание фотоумножителя — детектора фотонов, обладающего очень высокой чувствительностью. 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 то он получил Нобелевскую Премию. Часть энергии фотона ф

используется на то, чтобы оторвать этот электрон с поверхности, а другая часть отдается электрону в виде кинетической энергии Кт, Фотоэлектрический эффект можно выразить в виде:

Иу = ф + Кт

где ф называется рабочей функцией испускающей поверхности, а Кт — максимальной кинетической энергией электрона после его отрыва от поверхности. Аналогичные процессы происходят, когда полупроводниковый р-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 (14.1)) падает на поверхность полупроводникового кристалла, концентрация заряженных частиц (электронов и дырок) в нем увеличивается.

Рис. 14.1. Фотоэффект в полупроводниках с участием: А — фотонов с высокой энергией, Б — фотонов с низкой энергией

На рис. 14.1А отображены зоны энергий в полупроводниковом материале, здесь Е — ширина запрещенной зоны, измеряемая в электронвольтах (эВ). 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 той 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 (см. таблицу 14.1). Этим и объясняется тот факт, что электропроводность полупроводников (не говоря уже о диэлектриках) на несколько порядков ниже, чем у металлов.

Таблица 14.1. Ширина зоны запрещенных энергий (эВ) и максимальные длины волн для различных полупроводников

материал	Ширина зоны иных энергий, эВ	максимальная длина волны, мкм
ZnS	3.6	0.345
CdS	2.41	0.52
CdSe	1.8	0.69
CdTe	1.5	0.83
Si	1.12	1.10
Ge	0.67	1.85
PbS	0.37	3.35
InAs	0.35	3.54
Те	0.33	3.75
PbTe	0.3	4.13
PbSe	0.27	4.58
InSb	0.18	6.90

Если фотон, обладающий высокой энергией (большой частотой), ударяется о кристалл (рис. 14.1А), 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. 14.1Б отображено, 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 того материал не является фоточувствительным. Однако не рекомендуется 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 Е , 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 отображена на рис. 14.2. 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.

При сравнении характеристик разных фотодетекторов рассматриваются следующие параметры:

Эквивалентная мощность шума (ЭМШ) — это количество света, эквивалентное уровню собственного шума детектора. Другими словами, ЭМШ — это уровень света, необходимый для получения отношения сигнал/шум, равного единице. Считается, что чем выше D' , тем лучше детектор

Длина волны среза (X) — это максимальная рабочая длина волны спектральной характеристики, которая часто определяется как длина волны, при той обнаруживающая способность падает на 10% от ее пикового значения.

Максимальный ток определяется для фотопроводящих детекторов, которые работают на постоянном токе. Рабочий ток никогда не должен превышать этого значения.

Максимальное обратное напряжение определяется для Ge и Si фотодиодов фотопроводящих ячеек. Превышение этого напряжения может привести к пробою фотодетектора и к значительному ухудшению его рабочих характеристик.

Чувствительность — это отношение выходного фототока (или выходного напряжения) к мощности падающего излучения при заданной длине волны. Единицей измерения чувствительности является либо А/Вт, либо В/Вт

Поле обзора — угловая мера пространства, в котором датчик реагирует на излучение

Емкость перехода С — аналогична емкости конденсатора с параллельными пластинами. Ее необходимо учитывать при исследованиях быстродействующих процессов.

Список тем Назад Вперед

Информация исключительно в ознакомительных целях. При использовании материалов этого сайта ссылка обязательна.Правообладатели статей являются их правообладателями.

По вопросам размещения статей пишите на email:

datchikisensor@yandex.ru

Датчики и сенсоры онлайн журнал

Практика использования, теоретические основы и современные тенденции

ДЕТЕКТОРЫ ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫХ ВОЛН