Матричные фотоприемники (стр. 1 из 5)
МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ РЕСПУБЛИКИ МОЛДОВА
Технический Университет Молдовы
Факультет Радиоэлектроники
Кафедра Телекоммуникаций
Курсовая работа
На тему:
Матричные фотоприемники
Выполнил Борденюк В.М
студент Гр.TLC-023
Проверил
Преподаватель Морозова В.А
Кишинев 2004
Содержание
Введение .
1 Основные теоретические положения, физические эффекты, фотопроводимость.
2 Принцип работы прибора.
3 Анализ параметров , характеристика конструкций.
4 Технология изготовления.
5 Принципиальная схема
6 Область применения.
7 Выводы : перспективы развития.
Библиография.
Введение
В наши дни прогресс в различных областях науки и техники немыслим без приборов оптической электроники. Оптическая электроника уже давно играет ведущую роль в жизни человека. А с каждым годом ее внедрение во все сферы человеческой деятельности становится все интенсивнее. И этому есть свои причины. Устройства оптоэлектроники имеют ряд отличий от других устройств. Можно выделить следующие их достоинства.
а) Высокая информационная емкость оптического канала, связанная с тем, что частота световых колебаний (около 1015 Гц) в 103-104 раз выше, чем в освоенном радиотехническом диапазоне. Малое значение длины волны световых колебаний обеспечивает высокую достижимую плотность записи информации в оптических запоминающих устройствах (до 108 бит/см2).
б) Острая направленность светового излучения, обусловленная тем, что угловая расходимость луча пропорциональна длине волны и может быть меньше одной минуты. Это позволяет концентрированно и с малыми потерями передавать электромагнитную энергию в заданную область пространства. В малогабаритных электронных устройствах лазерный луч может быть направлен на фоточувствительные площадки микронных размеров.
в) Возможность двойной – временной и пространственной модуляции светового луча. Минимальная элементарная площадка в плоскости, перпендикулярной направлению распространения, которая может быть выделена для независимой модуляции части луча близка к l2(
108 см2). Это позволяет производить параллельную обработку информацию, что очень важно при создании высокопроизводительных комплексов.г) Так как источник и приемник в оптоэлектронике не связаны друг с другом электрически, а связь между ними осуществляется только посредством светового луча (электрически нейтральных фотонов), они не влияют друг на друга. И поэтому в оптоэлектронном приборе поток информации передается лишь в одном направлении – от источника к приемнику. Каналы, по которым распространяется оптическое излучение, не воздействуют друг на друга и практически не чувствительны к электромагнитным помехам (отсюда и высокая помехозащищенность).
д) возможность непосредственного оперирования со зрительно воспринимаемыми образами: фотосчитывание, визуализация (например, на жидких кристаллах).
Любое оптоэлектронное устройство содержит фотоприемный блок.
Существующая в настоящее время потребность ускоренной переработки возрастающих объемов информации ставит значительные трудности в использовании современной вычислительной техники. Трудности связаны прежде всего с недостаточными быстродействиями и объемом памяти ЭВМ. Применяемые в современных ЭВМ типы запоминающих устройств с последовательной выборкой при Основное емкости 107-109 бит имеют быстродействие порядка десятков и сотен секунд.
Запоминающее устройство (ЗУ) на магнитных сердечниках , а также полупроводниковая память ,хотя удовлетворяют требованиям по быстродействию (10-6 , 10 -7 ) б, недостаточны по объему (106 -105 ) бит.
В ряде вышедших за последние годы работ показано , что ЗУ ,созданные на основе оптоэлектронных методов обработки информации , могут удовлетворить высоким требованиям как по быстродействию . так и по объему обрабатываемой информации.
Параметры таких устройств весьма сильно зависят от характеристик составных элементов. В том числе и от фотоприемных матриц , С помощью которых производится считывание информации.
1 Основные теоретические положения, физические эффекты, фотопроводимость.
1.1 Фотоприемники
Фотоприемники предназначены для преобразования входного оптического сигнала в электрический. Различают следующие виды фотоприемников:
1. фотоэлемент;
2. фотоэлектронный умножитель;
3. фотодиод p-n-типа;
4. фотодиод p-i-n-типа;
5. лавинный фотодиод;
6. фототранзистор;
7. фототиристор.
В технике оптической связи нашли применение, в основном, различные типы фотодиодов. В фотодиодах оптическое излучение преобразуется в электрические сигналы за счет явления внутреннего фотоэффекта, при котором в области p-n- перехода полупроводника поглощаемый фотон образует пару новых носителей заряда – электрон и дырку. При отсутствии внешнего поля, в области p-n-перехода существует внутреннее электрическое поле, препятствующее движению носителей. При облучении перехода фотонами света возникают электронно-дырочные пары. Поле p-n-перехода пространственно разделяет электроны и дырки, и создает тем самым фото-ЭДС между смежными областями кристалла. За счет этого образуется ток (фототок), вызванный движением электронов по внешней цепи.
Диод p-n-типа при наличии обратного смещения, созданного внешней электрической цепью создает обедненную область, в которой отсутствуют носители и действует сильное электрическое поле. Эта область образована неподвижными положительно заряженными атомами донора в n-области и неподвижными отрицательно заряженными атомами акцептора в p-области. Если теперь осветить фотодиод, то возникшие носители (электроны и дырки) ускоряются в этом поле и движутся в n-слой (электроны) и в p-слой (дырки). Так фотодиод отрабатывает световые сигналы. Ширина обедненной области зависит от концентрации примесей и величины напряжения смещения. Чем меньше примесей, тем шире обедненная область. Положение и ширина поглощающей области зависят от длины волны падающего света и от материала фотодиода. Чем сильнее поглощается свет, тем тоньше поглощающая область. Ширину обедненного слоя можно увеличить, повысив напряжение смещения, но в таком обедненном слое очень слабое по напряженности поле. Для устранения этого недостатка была создана p-i-n-структура фотодиода. В такой структуре между p- и n- слоями помещен слой полупроводника с высоким сопротивлением и толщиной в несколько десятков микрометров. В таком фотодиоде свет падает на i-слой и носители ускоряются сильным полем в этом слое. Это понижает инертность и повышает частоту преобразования до нескольких гигагерц. Для повышения чувствительности увеличивают светопоглощающую поверхность, а для понижения емкости перехода повышают напряжение обратного смещения.
Чаще всего p-i-n-фотодиоды на длину волны 0,85 мкм изготавливают из кремния (Si), а на большие длины волн (1,2 – 1,6 мкм) – из германия (Ge), InGaA sили InGaAsP.
Лавинные фотодиоды (ЛФД или APD-фотодиоды). Рассмотренные типы фотодиодов только отдают во внешнюю цепь электрический ток, вызванный светом, но не усиливают его. Ток на их выходе обычно равен нескольким наноамперам или меньше. В отличие от них ЛФД усиливает фототок.
Основное отличие ЛФД от PIN фотодиодов заключается в наличии дополнительного p-слоя. Обратное смещение при этом сильно увеличивается и расширяет обедненный слой до размеров i-слоя, а напряженность электрического поля в нем возрастает. Электронно-дырочные пары, рожденные светом, разделяются и ускоряются этим полем в обедненном слое, получая энергию, превышающую энергию ионизации атомов кристалла. Сталкиваясь затем с нейтральными атомами, носители вызывают увеличивающееся в геометрической прогрессии рождение электронов и дырок. При явлении, называемом лавинным эффектом коэффициент усиления возрастает с увеличением обратного смещения и достигает значений порядка 1000 .
ЛФД имеют высокое быстродействие и их пороговая частота достигает нескольких гигагерц. К недостаткам этих приборов можно отнести сильную температурную зависимость коэффициента усиления, нелинейность преобразования и малую площадь рабочей поверхности (0,05 мм2).
Из большого числа фотоприемных устройств (фотодиодные и фототранзисторные приборы , электровакуумные и твердотельные видиконы фотоэлектронные умножители и др. ) наиболее полно удовлетворяют требованиям оптоэлектронных устройств обработки информации твердотельные матричные фотоприемники.
В настоящее время в основном применяются дискретные и гибридные матрицы фотоприемников .
Дискретные матрицы фотоприемников с малым геометрическими размерами и небольшим количеством элементов создаются из отдельных кремниевых фотодиодов.
Гибридная матрица фотоприемника имеет большой счет интеграции и разрабатываются на базе специально созданных кремниевых линеек ,каждая из которых содержит одно количество элементов.
.
1.2 .ПРИНЦИП ДЕЙСТВИЯ ФОТОДИОДА
Полупроводниковый фотодиод – это полупроводниковый диод, обратный ток которого зависит от освещенности.
Обычно в качестве фотодиода используют полупроводниковые диоды с p-n переходом, который смещен в обратном направлении внешним источником питания.
При поглощении квантов света в p-n переходе или в прилегающих к нему областях образуются новые носители заряда. Неосновные носители заряда, возникшие в областях, прилегающих к p-n переходу на расстоянии, не превышающей диффузионной длины, диффундируют в p-n переход и проходят через него под действием электрического поля.