Фотодиоды инфракрасного и видимого диапазонов – ,

Фотодиоды и фотопроводники

Фотодиоды. Принцип действия

Фотодиод работает подобно обыкновенному сигнальному диоду. Отличие заключается в том, что фотодиод генерирует фототок, когда свет поглощается в области переходного слоя полупроводника. Это устройство обладает высокой квантовой эффективностью, а потому находит применение в решении многих задач.

При работе с фотодиодами необходимо точно определить значения выходного тока и учесть чувствительность к падающему свету. На рисунке 1 показана схема фотодиода, состоящая из основных компонентов.

Рисунок 1. Простейшая модель фотодиода. Photodetector - фотодетектор. Junction capacitance - емкость перехода. Series resistance – последовательное сопротивление. Shunt resistance – шунтирующее сопротивление. Load resistance – сопротивление нагрузки

Терминология

Чувствительность

Чувствительность фотодиода может быть определена как отношение генерируемого фототока (IPD) к мощности падающего света (P) на заданной длине волны:

Режим работы

Фотодиоды могут работать в одном из двух режимов – без внешнего источника электрической энергии (режим фотогенератора) либо с внешним источником электрической энергии (режим фотопреобразователя). Выбор режима зависит от требований к скорости работы и количества допустимого темнового тока (тока утечки).

Режим фотопреобразователя

В режиме фотопреобразователя применяется внешнее обратное смещение, которое заложено в основе детекторов серии DET. Ток в контуре определяет освещенность устройства; выходной ток линейно пропорционален входной оптической мощности. Применение обратного смещения увеличивает ширину обедненного перехода, создавая повышенную чувствительность и уменьшая емкость перехода. Таким образом возникают линейные зависимости некоторых величин. Работа в этих условиях, как правило, приводит к увеличению темнового тока; но на это влияет и сам материал фотодиода. (Примечание: детекторы DET работают в режиме обратного направления)

Режим фотогенератора

В фотогальваническом режиме смещение равняется нулю. Ток от устройства ограничен, напряжение в цепи возрастает. В основе этого режима заложен фотогальванический эффект - на нем же работают солнечные батареи. Количество темнового тока при работе в фотогальваническом режиме минимально.

Темновой ток

Темновым током называют ток утечки, который возникает при приложении напряжения смещения к фотодиоду. При работе в режиме фотопреобразователя наблюдается увеличение темнового тока, и его зависимость от температуры. Теоретически темновой ток удваивается при каждом повышении температуры на 10°C, а сопротивление шунта удваивается при повышении на 6°C. Конечно, большее смещение может уменьшить емкость перехода, но количество присутствующего тока утечки при этом увеличится.

На темновой ток также влияет материал фотодиода и размер активной области. Обычно кремниевые фотодиоды создают низкий темновой ток по сравнению с устройствами из германия. В приведенной ниже таблице перечислены некоторые материалы, используемые в производстве фотодиодов и их относительные темновые токи, скорость, чувствительность и стоимость.

Материал

Темновой ток

Скорость

Спектральный диапазон

Стоимость

Силикон (Si)

Низкий

Высокая

От видимого диапазона до ближней ИК

Низкая

Германий (Ge)

Высокий

Низкая

Ближняя ИК область

Низкая

Фосфид галлия (GaP)

Низкий

Высокая

От УФ до видимой области

Варьируется

Арсенид галлия (InGaAs)

Низкий

Высокая

Ближняя ИК область

Варьируется

Антимонид арсенида индия (InAsSb)

Высокий

Низкая

От ближней до средней ИК области

Высокая

Энзимы арсенида галлия (InGaAs)

Высокий

Высокая

Ближняя ИК область

Высокая

Теллурид кадмия ртути (MCT, HgCdTe)

Высокий

Низкий

От ближней до средней ИК области

Высокая

 

Емкость перехода

Емкость перехода (Cj) является важной характеристикой фотодиода, так как от этого зависит ширина полосы пропускания и чувствительность фотодиода. Следует отметить, что большие площади полупроводников охватывают большую часть соединения и увеличивают зарядную емкость. При применении метода обратного смещения ширина полосы обеднения увеличивается, из-за чего снижается емкость заряда и увеличивается скорость работы.

 

Ширина полосы пропускания и отклик

Сопротивление нагрузки будет взаимодействовать с емкостью перехода фотоприемника, ограничивая таким образом полосу пропускания. Для наилучшего частотного отклика необходимо использовать ограничитель в 50 Ом в сочетании с коаксиальным кабелем на 50 Ом. Полоса пропускания (fBW) и время нарастания (tr) теоретически вычисляются через значения емкости перехода (Cj) и сопротивления нагрузки (RLOAD):

Эквивалентная мощность шумов

Эквивалентная мощность шумов (NEP) создается напряжением RMS-сигнала, когда отношение сигнал-шум равно (или близко) к единице. Это свойство необходимо, поскольку эквивалентная мощность шумов определяет способность детектора обнаруживать слабое излучение. Эквивалентная мощность шумов прямо пропорциональна активной площади детектора и определяется следующим уравнением:

Где S/N – отношение сигнал-шум, Δf – ширина полосы шума, и энергия возбуждения измеряется в Вт/см2.

 

Термическое сопротивление

Сопротивление нагрузки используется для преобразования генерируемого фототока в выходное напряжение (VOUT) для отображения на осциллографе:

В зависимости от типа фотодиода сопротивление нагрузки может влиять на скорость срабатывания. Для максимальной пропускной способности рекомендуется использовать коаксиальный кабель на 50 Ом с подходящим резистором на 50 Ом, расположенном на противоположном конце кабеля. Сопоставляя кабель с его характеристическим импедансом можно свести к минимуму вызывной сигнал. Если пропускная способность не важна, можно увеличить напряжение для данного уровня освещенности, увеличив сопротивление нагрузки (RLOAD). При неверном расчете длина коаксиального кабеля может повлиять на итог эксперимента, поэтому рекомендуется выбирать кабель как можно более короткий.

 

Шунтирующее сопротивление

Сопротивление шунта представляет собой сопротивление нулевого смещения фотодиодного перехода. Идеальный фотодиод имеет бесконечное сопротивление шунта, но реальные значения могут варьироваться от десятка Ω до тысяч MΩ, а кроме того, шунтирующее сопротивление зависит от материала фотодиода. Например, детектор на основе арсенида галлия имеет шунтирующее сопротивление порядка 10 МОм, а германиевый детектор - в диапазоне до килоОм. Таким образом можно регулировать шумовой ток на фотодиоде. Тем не менее, для большинства задач высокая сопротивляемость оказывает малое влияние и обычно игнорируется.

 

Последовательное сопротивление

Последовательное сопротивление - это сопротивление полупроводникового материала, обычно им пренебрегают Последовательное сопротивление возникает из-за химических связей внутри фотодиода и используется в основном для определения линейности зависимостей некоторых характеристик фотодиода в условиях нулевого смещения.

 

Общие принципы работы

Рисунок 2. Схема обратного смещения (DET детекторы). Protection diode – защитный диод. Photodetector - фотоприемник. Voltage regulator – регулятор напряжения. C filter – RC-фильтр. V Bias – V-смещение

 

Детекторы серии DET основаны на схеме, изображенной выше. Детектор работает в режиме обратного направления, таким образом обеспечивается линейная зависимость чувствительности от приложенного света. Количество создаваемого фототока также зависит от падающего свете и длины волны. Эти данные можно вывести на осциллограф путем присоединения сопротивления нагрузки на выходе. Функция RC-фильтра состоит в том, чтобы с помощью него отделить любой высокочастотный шум, исходящий от сигнала источника питания.

Рисунок 3. Схема фотоприемника с усилителем. Transimpedance Amp – управляемый током усилитель напряжения. Feedback – обратная связь

Можно также использовать фотоприемник с усилителем, чтобы достичь высокого коэффициента усиления. Пользователь может выбрать режим работы. У каждого режима есть ряд преимуществ:

 

Влияние на частоту модуляции

Сигнал фотокондуктора будет оставаться постоянным до предельного времени отклика. Многие детекторы, включая устройства на PbS, PbSe, HgCdTe (MCT) и InAsSb, имеют спектр шума 1 / f (т. е. шум уменьшается с увеличением частоты модуляции), что существенно влияет на время отклика на более низких частотах.

Детектор будет проявлять меньшую чувствительность на более низких частотах модуляции.

Частота и обнаружение максимальны при:

 

PbS -  и PbSe – фотокондуктивные детекторы

Широко используются фотопроводящие детекторы свинцового сульфида (PbS) и селенида свинца (PbSe) для обнаружения инфракрасного излучения от 1000 до 4800 нм. В отличие от стандартных фотодиодов, которые создают ток при воздействии света, электрическое сопротивление фотопроводящего материала уменьшается при освещении светом. Хотя PbS и PbSe-детекторы могут использоваться при комнатной температуре, температурные колебания будут влиять на темновое сопротивление, чувствительность и частоту отклика.

Рисунок 4. Базовая схема фотокондуктора. Active Area – рабочая площадь. Dark Resistance – темновое сопротивление. Ground - заземление. Bias Voltage – напряжение смещения. Output signal – выходной сигнал

 

Принцип действия

У фотопроводящих материалов падающий свет приводит к увеличению числа заряженных частиц в активной области, что уменьшает сопротивление детектора. Изменение сопротивления влечет к изменению регистрируемого напряжения, поэтому фоточувствительность принято выражать в единицах В / Вт. Пример рабочей схемы показан далее. Обратите внимание, что данная схема не предназначается для практических целей, так как в ней присутствует низкочастотный шум.

Механизм обнаружения основан на проводимости тонкой пленки активной области. Выходной сигнал детектора без падающего света определяется следующим уравнением:

В случае, когда свет попадает на активную область, изменение выходного напряжения определяется таким соотношением:

 

Частотный отклик

Для получения сигналов переменного тока фотопреобразователи должны подключаться в цепь, где присутствует импульсный сигнал. То есть при использовании этих детекторов в схемах с CW-источниками следует подключать оптический прерыватель. Чувствительность детектора (Rf) при использовании прерывателя рассчитывается уравнением:

Здесь fc - частота модуляции, R0 - отклик при нулевой частоте, τr - время нарастания импульса детектора.

 

Влияние на частоту модуляции

Сигнал фотокондуктора будет оставаться постоянным до предельного времени отклика. Многие детекторы, включая устройства на PbS, PbSe, HgCdTe (MCT) и InAsSb, имеют спектр шума 1 / f (т. е. шум уменьшается с увеличением частоты модуляции), что существенно влияет на время отклика на более низких частотах.

Детектор будет проявлять меньшую чувствительность на более низких частотах модуляции.

Частота и обнаружительная способность максимальны при:

 

Температурная устойчивость

Обнаружители состоят из тонкой пленки на стеклянной подложке. Эффективная форма и рабочая площадь фотопроводящей поверхности могут значительно варьироваться в зависимости от условий эксплуатации. При этом рабочие характеристики прибора также меняются, в частности - чувствительность детектора изменяется в зависимости от рабочей температуры.

Температурные характеристики запрещенных полос в соединениях PbS и PbSe отрицательны, поэтому охлаждение детектора сдвигает диапазон спектрального отклика на область более длинных волн. Для достижения наилучших результатов рекомендуется использовать фотодиоды в стабильной среде.

 

Схема фотопроводника с усилителем

Из-за шума, характерного для фотопроводниковых материалов, эти устройства подключают в цепи переменного тока. Шум постоянного тока, возникающий при смещении, слишком высок что негативно отражается на работе детектора.

ИК-детекторы обычно подключаются в сети переменного тока для снижения шумов. Предусилитель необходим для поддержания стабильности и лучшей регистрации генерируемого сигнала.

На схеме видно, что операционный усилитель установлен в участке цепи обратной связи между точками А и В. Разность между двумя входными потенциалами увеличивается и сохраняется на выходе. Также важно обратить внимание на фильтр верхних частот, блокирующий любой сигнал постоянного тока. Кроме того, сопротивление нагрузочного резистора (RLOAD) должно равняться темновому сопротивлению детектора, чтобы обеспечить получение максимального сигнала. Напряжение блока питания (+ V) должно соответствовать величине напряжения, когда отношение сигнал-шум близко к единице. Некоторые задачи требуют большего напряжения, что провоцирует возрастание шумов.

Выходное напряжение вычисляется следующим образом:

Рисунок 5. Feedback resistor – резистор обратной связи

 

Отношение сигнал/шум

Так как шум от детектора обратно пропорционален частоте модуляции, на низких частотах шум достигает наибольшего значения. Выходной сигнал детектора линейно зависит от возрастающего напряжения смещения, но влиянием шума на небольшие смещения можно пренебречь. При достижении напряжение смещения, шум детектора будет линейно увеличиваться пропорционально напряжению. Если напряжение слишком высоко, шум будет увеличиваться экспоненциально, тем самым ухудшая отношение сигнал / шум. Чтобы получить наилучшее отношение, частоту модуляции и напряжение смещения необходимо регулировать.

 

Эквивалентная мощность шумов

Эквивалентная мощность шумов (NEP) создается напряжением RMS-сигнала, когда отношение сигнал-шум равно единице. Это необходимо, поскольку эквивалентная мощность шумов определяет способность детектора обнаруживать малое излучение. Мощность шумов прямо пропорциональна активной площади детектора и определяется следующим уравнением:

Где S/N – отношение сигнал-шум, Δf – ширина полосы шума, и энергия возбуждения измеряется в Вт/см2.

 

Темновое сопротивление
Темновое сопротивление - это сопротивление детектора без падающего света. Важно отметить, что темное сопротивление имеет тенденцию увеличиваться или уменьшаться с температурой. Охлаждение устройства увеличивает темное сопротивление.

 

Обнаружение (D) и удельная обнаружительная способность(D*)

Обнаружительная способность (D) - еще один критерий оценки работы фотоприемника. Это мера чувствительности, связанная обратной зависимостью с эквивалентной мощностью шума.

Высокие значения обнаружительной способности указывают на высокую чувствительность, что особенно важно для обнаружения сигналов слабого излучения. Обнаружительная способность зависит от длины волны падающего света.

Эквивалентная мощность шумов детектора зависит от активной области детектора, что также влияет на чувствительность. Это затрудняет определение внутренних свойств пары детекторов. Чтобы проигнорировать ненужные зависимости, для оценки работы фотоприемника используется такое понятие как удельная способность к обнаружению (D *), которая не зависит от рабочей области детектора.

 

поделиться в социальных сетях

​​​​​​

 

in-science.ru

Новые ИК фотодиоды и фототранзисторы от Vishay

21 мая 2014

Vishay Intertechnology пополнила свою линейку оптоэлектронной продукции двенадцатью новыми высокоскоростными SMD фотодиодами и фототранзисторами инфракрасного спектра, удовлетворяющими требованию AEC-Q101.

Основные характеристики:

  • Адаптированный радиус линзы для широкого ±35ºС угла половинной чувствительности ;
  • Характерные фотоэлектрические токи 10 мкА для фотодиодов и 2.7 мА для фототранзисторов на 1 мВт/кв.см и 950 нм;
  • Доступны корпуса с широкоугольными куполами линз:
    • миниатюрное «крыло чайки», обратное «крыло чайки» размерами 2.3х2.3х2.55 мм;
    • «вид с боку» размерами 2.3х2.55х2.3 мм;
  • C фильтрами или без фильтров блокировки дневного света;
  • Широкий спектральный диапазон пропускной способности:
  • от 750 до 1050 нм с фильтром блокировки дневного света;
  • от 350 до 1120 нм без фильтра блокировки дневного света;
  • Температура хранения и работы в диапазоне от −40 до +100ºC ;
  • Уровень MSL 2a;
  • Без галогенов, RoHS-совместимы, удовлетворяет «зеленым» стандартам VISHAY.
Наименование Тип Корпус Полоса пропускания (нм) Длинна волны предельной чувствительности Фототок
VEMD2003X01 Фотодиод обратное «крыло чайки» 750 до 1050 940 нм 10 мкА
VEMD2023X01 Фотодиод «крыло чайки» 750 до 1050 940 нм 10 мкА
VEMD2023SLX01 Фотодиод «вид с боку» 750 до 1050 940 нм 10 мкА
VEMD2503X01 Фотодиод обратное «крыло чайки» 350 до 1120 900 нм 10 мкА
VEMD2523X01 Фотодиод «крыло чайки» 350 до 1120 900 нм 10 мкА
VEMD2523SLX01 Фотодиод «вид с боку» 350 до 1120 900 нм 10 мкА
VEMT2003X01 Фототранзистор обратное «крыло чайки» 790 до 970 860 нм 2.7 мА
VEMT2023X01 Фототранзистор «крыло чайки» 790 до 970 860 нм 2.7 мА
VEMT2023SLX01 Фототранзистор «вид с боку» 790 до 970 860 нм 2.7 мА
VEMT2503X01 Фототранзистор обратное «крыло чайки» 470 до 1090 850 нм 2.7 мА
VEMT2523X01 Фототранзистор «крыло чайки» 470 до 1090 850 нм 2.7 мА
VEMT2523SLX01 Фототранзистор «вид с боку» 470 до 1090 850 нм 2.7 мА

 

Область применения: фотопрерыватели, детекторы для оптических выключателей, счетчиков, оптических датчиков, датчиков положения, для ИК пультов дистанционного управления, для передачи данных в автомобильных приложениях, в инфракрасных сенсорных панелях, в световых занавесах и барьерах, а также в системах учета.

•••

Наши информационные каналы
О компании Vishay

Vishay Intertechnology является одним из крупнейших в мире производителей дискретных полупроводников и пассивных электронных компонентов, в том числе диодов, транзисторов, оптико-электронных продуктов, интегральных схем (ИС), резисторов, катушек индуктивности и конденсаторов. Компания располагает заводами в шестнадцати странах, с общим числом служащих более чем 25 000 человек. Компания Vishay выросла за счет приобретений, включающие такие имена торговых марок в области дискретных электронных ...читать далее

Поиск по параметрам
Фотодиоды от Vishay

www.compel.ru

ИК-приёмник. Устройство и принцип его работы.

Устройство и характеристики ИК-приёмника

В бытовой радиоэлектронной аппаратуре получили широкое применение интегральные приёмники инфракрасного излучения. По-другому их ещё называют ИК-модулями.

Их можно обнаружить в любом электронном приборе, управлять которым можно с помощью пульта дистанционного управления.

Вот, например, ИК-приёмник на печатной плате телевизора.


ИК-приёмник на печатной плате телевизора

Несмотря на кажущуюся простоту данного электронного компонента – это специализированная интегральная схема, предназначенная для приёма инфракрасного сигнала от пультов дистанционного управления (ДУ). Как правило, ИК-приёмник имеет не менее 3-х выводов. Один вывод является общим и подключается к минусу «-» питания (GND), другой служит плюсовым «+» выводом (Vs), а третий выходом принимаемого сигнала (Out).

В отличие от обычного инфракрасного фотодиода, ИК-приёмник может принимать и обрабатывать инфракрасный сигнал, представляющий собой ИК-импульсы фиксированной частоты и определённой длительности – пачки импульсов. Это технологическое решение избавляет от случайных срабатываний, которые могут быть вызваны фоновым излучением и помехами со стороны других приборов, излучающих в инфракрасном диапазоне.

Например, сильные помехи для приёмника ИК-сигналов могут создавать люминесцентные осветительные лампы с электронным балластом. Понятно, что использовать ИК-приёмник взамен обычного ИК-фотодиода не получиться, ведь ИК-модуль является специализированной микросхемой, заточенной под определённые нужды.

Для того чтобы понять принцип работы ИК-модуля разберёмся более детально в его устройстве с помощью структурной схемы.

Структурная схема ИК-модуля

Микросхема приёмника ИК-излучения включает:

  • PIN-фотодиод

  • Регулируемый усилитель

  • Полосовой фильтр

  • Амплитудный детектор

  • Интегрирующий фильтр

  • Пороговое устройство

  • Выходной транзистор


Структурная схема ИК-модуля

PIN-фотодиод – это разновидность фотодиода, у которого между областями n и p расположена область из собственного полупроводника (i-область). Область собственного полупроводника – это по сути прослойка из чистого полупроводника без внесённых в него примесей. Именно этот слой и придаёт PIN-диоду его особенные свойства. К слову сказать, PIN-диоды (не фотодиоды) активно применяются в СВЧ электронике. Взгляните на свой мобильный телефон, в нём также используется PIN-диод.

Но, вернёмся к PIN-фотодиоду. В обычном состоянии ток через PIN-фотодиод не протекает, так как в схему он включен в обратном направлении (в так называемом обратном смещении). Так как под действием внешнего инфракрасного излучения в i-области возникают электронно-дырочные пары, то в результате через диод начинает протекать ток. Этот ток затем преобразуется в напряжение и поступает на регулируемый усилитель.

Далее сигнал с регулируемого усилителя поступает на полосовой фильтр. Он служит защитой от помех. Полосовой фильтр настроен на определённую частоту. Так в ИК-приёмниках в основном используются полосовые фильтры, настроенные на частоту 30; 33; 36; 36,7; 38; 40; 56 и 455 килогерц. Чтобы излучаемый пультом ДУ сигнал мог быть принят ИК-приёмником, он должен быть модулирован такой же частотой, на которую настроен полосовой фильтр ИК-приёмника. Вот так, например, выглядит модулированный сигнал от излучающего инфракрасного диода (см. рисунок).

А вот так выглядит сигнал на выходе ИК-приёмника.

Стоит отметить, что избирательность полосового фильтра невелика. Поэтому ИК-модуль с фильтром на 30 килогерц вполне может принимать сигнал частотой 36,7 килогерц и более. Правда, при этом расстояние уверенного приёма заметно снижается.

После того, как сигнал прошёл через полосовой фильтр, он поступает на амплитудный детектор и интегрирующий фильтр. Интегрирующий фильтр необходим для подавления коротких одиночных всплесков сигнала, которые могут быть вызваны помехами. Далее сигнал поступает на пороговое устройство, а затем на выходной транзистор.

Для устойчивой работы приёмника коэффициент усиления регулируемого усилителя контролируется системой автоматической регулировки усиления (АРУ). Поскольку полезный сигнал представляет собой пачку импульсов определённой длительности, то из-за инерционности АРУ сигнал успевает пройти через тракт усиления и остальные узлы схемы.

В случае, когда длительность пачки импульсов чрезмерна система АРУ срабатывает, и приёмник перестаёт принимать сигнал. Такая ситуация может возникнуть, когда ИК-приёмник засвечен люминесцентной лампой с электронным балластом, который работает на частотах 30 – 50 килогерц. В таком случае промодулированное инфракрасное излучение паров ртути лампы может пройти защитный полосовой фильтр фотоприёмника и вызвать срабатывание АРУ. Естественно, при этом чувствительность ИК-приёмника падает.

Поэтому не стоит удивляться, когда фотоприёмник телевизора плохо принимает команды от пульта ДУ. Возможно, ему просто мешает засветка люминесцентных ламп.

Автоматическая регулировка порога (АРП) выполняет аналогичную функцию, что и АРУ, управляя порогом срабатывания порогового устройства. АРП выставляет уровень порога срабатывания таким образом, чтобы уменьшить число ложных импульсов на выходе модуля. При отсутствии полезного сигнала число ложных импульсов может достигать 15-ти в минуту.

Форма корпуса ИК-модуля способствует фокусировке принимаемого излучения на чувствительную поверхность фотодиода. Материал же корпуса пропускает излучение с длиной волны от 830 до 1100 нм. Таким образом, в устройстве реализован оптический фильтр. Для защиты элементов приёмника от воздействия внешних электрических полей в модуле установлен электростатический экран. На фотографии показаны ИК-модули марки HS0038A2 и TSOP2236. Для сравнения рядом показаны обычные ИК-фотодиоды КДФ-111В и ФД-265.

ИК-приёмники

ИК-Фотодиоды

Как проверить исправность ИК-приёмника?

Поскольку приёмник ИК-сигналов является специализированной микросхемой, то для того, чтобы достоверно проверить её исправность необходимо подать на микросхему напряжение питания. Например, номинальное напряжение питания для «высоковольтных» ИК-модулей серии TSOP22 составляет 5 вольт. Потребляемый ток составляет единицы миллиампер (0,4 – 1,5 мА). При подключении питания к модулю стоит учитывать цоколёвку.

В состоянии, когда на приёмник не подаётся сигнал, а также в паузах между пачками импульсов напряжение на его выходе (без нагрузки) практически равно напряжению питания. Выходное напряжение между общим выводом (GND) и выводом выхода сигнала можно замерить с помощью цифрового мультиметра. Также можно замерить потребляемый модулем ток. Если ток потребления превышает типовой, то скорее всего модуль неисправен.

О том, как проверить исправность ИК-приёмника с помощью блока питания, мультиметра и пульта ДУ читайте здесь.

Как видим, приёмники ИК-сигналов, используемые в системах дистанционного управления по инфракрасному каналу, имеют достаточно изощрённое устройство. Данные фотоприёмники часто используют в своих самодельных устройствах любители микроконтроллерной техники.

Главная &raquo Радиоэлектроника для начинающих &raquo Текущая страница

Также Вам будет интересно узнать:

 

go-radio.ru

полупроводниковый фотодиод для инфракрасного излучения - патент РФ 2469438

Изобретение представляет собой высокоэффективный полупроводниковый фотодиод для детектирования ИК-излучения, который содержит содержит две сформированные на подложке мезы, поверхность одной из которых является чувствительной площадкой, а другой является контактной, тыльный и фронтальный омические контакты. Тыльный контакт выполнен сплошным и нанесен со стороны подложки, а фронтальный выполнен в виде мостика, причем продольная ось мостика сориентирована под углом 40-50° к кристаллическому направлению {110} подложки А3В5. Мостик электрически изолирован от мезы с контактной площадкой анодным окислом и нанесенным на него по меньшей мере еще одним слоем диэлектрика. Изобретение обеспечивает возможность увеличения эффективности фотодиода за счет одновременного увеличения быстродействия и обнаружительной способности прибора. 2 ил., 5 пр.

Рисунки к патенту РФ 2469438

Изобретение относится к оптоэлектронной технике, а именно к полупроводниковым фоточувствительным приборам, предназначенным для детектирования инфракрасного (ИК) излучения при комнатной температуре. Данные полупроводниковые ИК фотодиоды могут применяться в различных областях науки и техники, в промышленности: в диодно-лазерной спектроскопии, в медицине, в системах дальнометрии и локации, в оптических сверхскоростных вычислительных и коммутационных системах, в оптических системах связи и передачи информации, в том числе, по открытому воздушному каналу.

В настоящее время возникла острая потребность в фотодиодах для регистрации коротких лазерных импульсов в ИК-диапазоне спектра. Для данного спектрального диапазона разработаны различные типы лазеров: полупроводниковые лазеры на основе GaSb и его твердых растворов - квантово-каскадные, с резонатором Фабри-Перо и с дисковым резонатором, работающие при комнатной температуре, а также мощные компактные твердотельные лазеры на основе кристаллов YAG и Nd-KGW, легированных ионами Но, Tm и Er. Однако проблема создания высокоэффективных быстродействующих приемников для детектирования излучения таких лазеров не решена.

Например, существуют быстродействующие фотодиоды на основе Ge для спектрального диапазона 1.0-1.7 мкм. Тем не менее, приемники с быстродействием выше 100 пс в диапазоне длин волн 1.7-5.0 мкм отсутствуют. Это препятствует созданию такой медицинской аппаратуры, как новый вид оптического томографа, задерживает разработку оптических линии связи в открытом пространстве (Free-Space Optics Communication), не требующих прокладки дорогостоящих каналов волоконно-оптической связи (ВОЛС). Современные фотодиоды спектрального диапазона 1.7-5.0 мкм имеют ряд существенных недостатков. В результате интенсивных исследований, как в России, так и за рубежом к настоящему времени созданы фотодиоды на основе полупроводников A3B5 - на основе как бинарных соединений (InAs, InSb, GaSb), так и многокомпонентных твердых растворов (GalnAsSb/GaAlAsSb, InAs(Sb)/InAsSbP). Одним из основных недостатков InAs, InSb и InAs/InAs(Sb)/InAsSbP фотодиодов является невозможность обеспечить высокую эффективность без глубокого охлаждения, и такие фотодиоды демонстрируют приемлемые для работы характеристики только при криогенных температурах (-196°С).

Задача создания высокоэффективных быстродействующих ИК-приемников, работающих при комнатной температуре, заставляет искать новые альтернативные подходы к принципам работы и конструкции приборов. Увеличение эффективности фотодиодов возможно повышением обнаружительной способности и повышением быстродействия. Обнаружительная способность D* фотодиода определяется по следующей формуле [Jones R.C. Performance of Detectors for Visible and Infrared Radiation in book Advances in Electronics, Academic, New York, 5, 1 (1953)]:

где Ri - токовая монохроматическая чувствительность, А/Вт, S - площадь чувствительной площадки, см2; in - величина шумового тока, А.

Из формулы (1) следует, что для повышения обнаружительной способности фотодиода необходимо снижать величину шумового тока, который связан следующим образом с величиной обратного темнового тока:

где id - величина обратного темнового тока, A; q - заряд электрона, Кл.

С другой стороны, для повышения D* фотодиода необходимо увеличивать площадь чувствительной площадки S, что ведет к увеличению собственной емкости и, следовательно, снижению быстродействия фотодиода.

Таким образом, задача увеличения эффективности фотодиода для ИК-излучения на основе полупроводников A3B5 за счет одновременного увеличения его обнаружительной способности и быстродействия не решена.

Одним из недостатков существующих фотодиодов для ИК-излучения на основе полупроводников A3B 5 является снижение их эффективности из-за затенения чувствительной площадки расположенным на ее поверхности металлическим фронтальным контактом. Площадь чувствительной площадки S уменьшается на величину площади контакта на ее поверхности, при этом уменьшается D * фотодиода. В формуле (1) под S понимается эффективная площадь чувствительной площадки, а именно площадь чувствительной к ИК-излучению поверхности, не занятой контактами.

Для таких типов полупроводниковых приборов как транзисторы [LI Xian-Jie, CAI Dao-Min, ZENG Qing-Ming, LIU Shi-Yong, LIANG Chun-Guanng, Self-Aligned InP/InGaAs single heterojunction bipolar transistor with novel micro-airbrige structure and quasi-coplanar contacts, Chin. Phys. Lett. 20 (2), 311 (2003)], диоды Шоттки [А.Notargiacomo, R.Bagni, E.Giovine, V.Foglietti, S.Carta, M.Pea, L. Di Gaspare, G.Capellini, F.Evangelisti, Fabrication of air-bridge Schottky diodes on germanium for high speed IR detectors, Microelectron. Eng. (2011), doi: 10.1016/j.mee.2010.11.046] известны мостиковые контакты.

Известен p-i-n фотодиод для ИК-излучения на основе InAsSb для спектрального диапазона 2.5-4.9 мкм [В.В.Шерстнев, Д.Старостенко, И.А.Андреев, Г.Г.Коновалов, Н.Д.Ильинская, О.Ю.Серебренникова, Ю.П.Яковлев, Письма в ЖТФ 37 (1), 11-17 (2011)], взятый за аналог. Фотодиод включает мезу с чувствительной площадкой, сформированную на поверхности полупроводниковой гетероструктуры, омические контакты. Гетероструктура на подложке n-InAs состоит из широкозонного слоя InAsSbP, активной области InAs0.88Sb0.12 и широкозонного окна InAsSbP. Диаметр чувствительной площадки фотодиода составляет 300 мкм. Фронтальный контакт к слою p-InAsSbP является точечным с диаметром 30 мкм и контактная площадка располагается на поверхности чувствительной площадки фотодиода. Тыльный контакт к подложке n-InAs является сплошным. Длинноволновая граница спектральной чувствительности фотодиода достигает 4.9 мкм при Т=300 К. Коротковолновая граница спектральной чувствительности фотодиода составляет 2.5 мкм. Токовая монохроматическая чувствительность фотодиодов в максимуме спектра (max=4.0-4.6 мкм) имеет значение Ri =0.6-0.8 A/W, что соответствует квантовой эффективности 15-20%. Значение плотности обратных темновых токов фотодиода составляет (1.3-7.5)×10-2 А/см2 при напряжении обратного смещения U=-0.2 В. Быстродействие фотодиода является типичным для приборов на основе A3B5 и составляет 1-5 нс. Обнаружительная способность фотодиодов в максимуме спектральной чувствительности с учетом токовой монохроматической чувствительности и величины шумов, определяемых дробовыми шумами сопротивления в 200-500 Ом, достигает значений D*=(5-8)×10 8W-1×cm×Hz1/2.

К достоинствам данного фотодиода можно отнести возможность работы при комнатной температуре в длинноволновом диапазоне 2.5-4.9 мкм.

Основным недостатком устройства-аналога являются невысокая эффективность за счет низких обнаружительной способности и быстродействия фотодиода. Обнаружительная способность D * фотодиода снижена из-за затенения чувствительной площадки расположенным на ее поверхности металлическим фронтальным контактом. Кроме того, в данной конструкции уменьшение площади чувствительной площадки, позволяющее снизить собственную емкость и, соответственно, повысить быстродействие фотодиода, приведет к дальнейшему снижению обнаружительной способности.

Известен p-i-n фотодиод для ИК-излучения на основе GaInAsSb для спектрального диапазона 0.9-2.4 мкм [И.А.Андреев, О.Ю.Серебренникова, Г.С.Соколовский, Е.В.Куницына, В.В.Дюделев, И.М. Гаджиев, А.Г.Дерягин, Е.А.Гребенщикова, Г.Г.Коновалов, М.П.Михайлова, Н.Д.Ильинская, В.И.Кучинский, Ю.П.Яковлев, Письма в ЖТФ 36 (9), (2010)], взятый за аналог. Фотодиод включает мезу с чувствительной площадкой, сформированную на поверхности полупроводниковой гетероструктуры, омические контакты. Гетероструктура на подложке n-GaSb состоит из активной области n-Ga0.78 In0.22As0.18Sb0.82 и широкозонного окна p-Ga0.66Al0.34Sb0.025As 0.975. Диаметр чувствительной площадки фотодиода составляет 100 мкм. Фронтальный контакт к слою p-GaAlAsSb является точечным с диаметром 30 мкм и контактная площадка располагается на поверхности чувствительной площадки фотодиода. Тыльный контакт к подложке n-GaSb является сплошным. Длинноволновая граница спектральной чувствительности фотодиода достигает 2.4 мкм при Т=300 К. Коротковолновая граница спектральной чувствительности фотодиода составляет 0.9 мкм. При нулевом смещении фотодиоды имели собственную емкость 2.0-3.0 пФ. При обратном смещении 3.0 В емкость фотодиода имеет величину 0.9-1.2 пФ. Токовая монохроматическая чувствительность на длине волны =2.1 мкм достигает Ri=0.9-1.1 A/W, что соответствует квантовой эффективности 0.6-0.7 без антиотражающего покрытия. Величина обратного темнового тока для лучших образцов фотодиода составляет (500-1000) нА при обратном напряжении U=-(0.5-3.0) В. Обнаружительная способность фотодиодов, определенная по формуле [1], в максимуме спектра имеет значение D*=9.0×1010 W-1×cm×Hz1/2. Быстродействие фотодиода, определяемое по времени нарастания импульса фотоотклика на уровне 0.1-0.9, составляет величину (130-150) пс. Полоса пропускания фотодиодов достигает значения 2 HGz.

К достоинствам данного фотодиода можно отнести достаточно высокое быстродействие для приемников ИК-излучения в спектральном диапазоне 0.9-2.4 мкм при высоком значении обнаружительной способности, т.е. довольно высокую эффективность при комнатной температуре.

Основными недостатками устройства-аналога являются снижение эффективности из-за затенения чувствительной площадки расположенным на ее поверхности металлическим фронтальным контактом, приводящего к уменьшению эффективной площади чувствительной площадки и, таким образом, к уменьшению D* фотодиода, а также невозможность дальнейшего снижения собственной емкости фотодиода, и, следовательно, повышения его быстродействия при сохранении/повышении обнаружительной способности за счет уменьшения площади чувствительной площадки.

Известен быстродействующий p-i-n фотодиод на основе InGaAs для селективного перестраиваемого приемного устройства - фильтра, работающего на длине волны 1.55 мкм с диапазоном перестройки 44 нм [C.Dhanavantri, H.Halbritter, O.P.Daga, J.P.Pachauh, F.Riemenschneider, P.Meissner, and B.R.Singh, Fabrication of PIN diodes for WDM tunable and wavelength selective receivers, in Proc. 7th Conference on Optoelectronics, Fiber Optics & Photonics (Photonics), Cochin, Indien, Dezember 2004, p.340], взятый за прототип. Фотодиод включает мезу с чувствительной площадкой, сформированной на поверхности полупроводниковой гетероструктуры на основе A3B 5, омические контакты. Гетероструктура на подложке n-lnP состоит из буферных слоев In0.52Al0.48As и In0.53Ga0.47As, общей толщиной 65 nm, легированных n+-слоев In0.52Al0.48 As, In0.53Ga0.47As и In0.52Al 0.48As, толщиной 200 nm, 50 nm and 500 nm, соответственно; нелегированной активной области In0.53Ga0.47 As; верхних р+-слоев In0.52Al0.48 As и In0.53Ga0.47As, толщиной 200 nm and 50 nm. На структуру со стороны подложки InP нанесено диэлектрическое Брэгговское зеркало из 7 пар SiOs/Ta2O 5, необходимое для применения фотодиода в качестве селективного перестраиваемого фильтра. Для создания мезы использовалось мокрое травление. На первой стадии с фронтальной поверхности гетероструктуры вокруг чувствительной площадки мезы удалялись все слои до контактного n+-In0.53Ga0.47As слоя. На второй стадии ступенчатого травления с одной стороны от мезы удалялись все слои до подложки InP. Диаметр чувствительной площадки фотодиода составляет 100 мкм. Омические контакты р+ и n + выполнены фронтальными, поскольку с тыльной стороны подложки нанесено Брэгговское зеркало. С противоположных сторон мезы на фронтальной поверхности сформированы две контактные площадки: n+-Ti/Pt/Au - на контактном n+-In0.53 Ga-As слое, p+-Pd/AuGe/Au - на поверхности подложки InP. Омический контакт p+-Pd/AuGe/Au, усиленный электролитическим золотом толщиной 2.5 мкм, выполнен в мостиковой конфигурации. Один конец мостика в виде кольца с диаметром, близким к диаметру мезы, лежит на чувствительной площадке. Другой конец мостика соединен с контактной р+ площадкой на поверхности подложки InP.

Пик спектральной чувствительности фотодиодов на основе InGaAs, выращенных на подложке InP, лежит на длине волны 1.55 мкм. Диапазон спектральной чувствительности фотодиодов является узким - полуширина пика на полувысоте составляет 0.2 нм и диапазон перестройки пика 44 нм. Фотодиоды с диаметром мезы 100 мкм имеют собственную емкость при нулевом смещении ~2.5 пФ. При обратном смещении 3.0 В емкость фотодиода падает до ~1.0 пФ. Плотность емкости меняется от 7.7 мкФ×см-2 до 9.7 мкФ×см-2 при изменении диаметра мезы от 500 мкм до 60 мкм. Плотность обратного темнового тока фотодиодов 100 мкм составляет ~10 нА при обратном напряжении U=-3.0 В. Ширина полосы пропускания InGaAs/InAlAs/InP фотодиодов достигает 2.5 ГГц.

Данная конструкция фотодиода с мостиковым контактом позволяет минимизировать паразитную емкость. А именно, при включении фотодиода в схему в качестве селективного фильтра контактные провода, подводимые к n+ и p+ контактным площадкам, не находятся над рабочей мезой прибора, и паразитная емкость, возникающая между контактным проводом и проводящими слоями рабочей мезы, отсутствует. Однако из-за расположения p+ контактной площадки непосредственно на подложке InP возникает дополнительная емкость, снижающия быстродействие фотодиода. Поскольку один конец контактного мостика лежит на чувствительной площадке, а другой соединен с контактной площадкой на поверхности подложки InP, мостик расположен в разных плоскостях и претерпевает двойной изгиб. Такой изгиб приводит к возникновению механических напряжений и снижению надежности конструкции, что, в свою очередь, требует создания достаточно толстого мостика и кольца большой площади на его конце, соединенном с чувствительной площадкой. Данное кольцо затеняет чувствительную площадку, эффективная площадь фотодиода уменьшается, и обнаружительная способность прибора падает.

Создателям устройства-прототипа удалось минимизировать паразитную емкость, однако собственная емкость InGaAs/InAlAs/lnP фотодиода уменьшена не до предельных значений для данного материала. Так полоса пропускания данного фотодиода в 20 раз меньше известных фотодиодов на основе Ge, работающих в том же спектральном диапазоне 1.55-1.7 мкм [Klinger, M. Berroth, M.Kaschel, M.Oehme, E. Kasper, Photonics Technology Letters, IEEE 21 (13), 920 (2009)].

К достоинствам данного фотодиода можно отнести повышение его эффективности, а именно повышение быстродействия за счет снижения паразитной емкости благодаря мостиковому фронтальному контакту.

Основными недостатками фотодиода-прототипа являются низкая надежность и недостаточная эффективность. Надежность конструкции фотодиода снижается при механических напряжениях, возникающих из-за изгиба мостикового фронтального контакта. Потери в обнаружительной способности происходят за счет значительного затенения чувствительной площадки кольцевой частью мостикового контакта, а в быстродействии - из-за высокой собственной емкости для фотодиода на основе данных материалов и возникновения дополнительной емкости при расположении контактной площадки на подложке.

Задачей, решаемой изобретением, является увеличение эффективности полупроводникового фотодиода для ИК-излучения на основе гетероструктур A3B 5.

Задача решается полупроводниковым фотодиодом для инфракрасного излучения, включающим гетероструктуру на основе полупроводниковых соединений A3B5 на подложке A3B5 с двумя сформированными мезами, тыльным и фронтальным омическими контактами к гетерострукгуре, тыльный контакт выполнен сплошным и нанесен на подложку, а фронтальный выполнен в виде соединяющего мезы мостика, продольная ось которого сориентирована под углом от 40° до 50° к кристаллическому направлению {110} подложки A3B5, электрически изолированного от одной из мез слоем анодного окисла с нанесенным на этот слой по меньшей мере одним слоем диэлектрика.

Техническим результатом при использовании предлагаемого изобретения является увеличение эффективности фотодиода за счет одновременного увеличения быстродействия и обнаружительной способности прибора.

В таком фотодиоде, как выявили авторы, формирование двух мез позволяет вынести за пределы чувствительной площадки на поверхности одной мезы большую часть фронтального контакта и расположить ее на поверхности (контактной площадке) другой мезы. В отличие от прототипа, имеющего одну мезу и, как следствие, претерпевающий изгиб в двух местах металлический контактный мостик, в предлагаемом фотодиоде контактный мостик располагается в одной плоскости и не требует для увеличения механической прочности контактного кольца большой площади на его конце, соединенном с чувствительной площадкой. Фронтальный контакт в виде мостика не затеняет чувствительной площадки, за счет чего повышается обнаружительная способность D* прибора. Авторами обнаружено, что в отличие от прототипа в фотодиоде с двумя мезами возможно независимо от площади фронтального контакта уменьшать площадь чувствительной площадки. И если в прототипе быстродействие увеличивается незначительно, только за счет уменьшения паразитной емкости при создании мостикового контакта, то в предлагаемом фотодиоде быстродействие возрастает как за счет уменьшения паразитной емкости, так и, более значительно, за счет снижения собственной емкости прибора. Ориентирование мостикового контакта в нужном кристаллическом направлении позволяет получить гладкий (без ступенек) профиль травления гетероструктуры под контактом, что приводит к снижению величины обратных темновых токов фотодиода, следовательно, уровня шумов и, как результат, к увеличению обнаружительной способности.

Быстродействие полупроводникового фотодиода с p-n переходом определяется тремя факторами - временем диффузии созданных ИК-излучением носителей до области пространственного заряда, временем пролета области пространственного заряда носителями и постоянной времени RC. Предлагаемый фотодиод (как и прототип) имеет широкозонное окно, прозрачное для принимаемого излучения в спектральном ИК-диапазоне. Такая конструкция позволяет подавить поверхностную рекомбинацию и обеспечить генерацию носителей в области пространственного заряда, исключив, таким образом, вклад диффузионной составляющей, определяемой временем диффузии носителей до области пространственного заряда. Так как время пролета носителями области пространственного заряда p-n перехода, толщина которой для полупроводников в гетероструктурах на основе A3 B5 равна 2-3 мкм, по оценкам авторов составляет менее 10 пс ( =10-11-10-12 с), определяющим быстродействие фактором является собственная емкость фотодиода. Таким образом, увеличение быстродействия фотодиода может быть достигнуто за счет снижения собственной емкости прибора. В свою очередь, собственная емкость полупроводникового фотодиода определяется концентрацией носителей в активной области и площадью чувствительной площадки. Концентрация носителей в эпитаксиальных слоях A3B 5 может быть снижена до такого низкого уровня, как 10 14-1015 cm-3 при высоком структурном совершенстве слоя и низкой плотности дислокации несоответствия (<104 cm-2) на гетерограницах, что следует отнести к преимуществам фотодиодов на основе гетероструктур A 3B5. Дальнейшее же уменьшение площади чувствительной площадки в фотодиоде-прототипе практически невозможно, т.к. мостиковый фронтальный контакт, располагающийся в разных плоскостях и претерпевающий двойной изгиб, для повышения надежности конструкции соединен с чувствительной площадкой металлическим кольцом большой площади. Уменьшение площади чувствительной площадки при такой конструкции приведет к снижению обнаружительной способности фотодиода из-за значительного затенения чувствительной площадки кольцевой частью фронтального контакта. В предлагаемом фотодиоде в отличие от прототипа сформированы две мезы, что дает возможность независимо уменьшать площадь чувствительной площадки одной из них и увеличивать площадь контактной площадки другой. Чувствительная и контактная площадки мез соединены фронтальным омическим контактом, выполненным в виде металлического мостика, изолированного от подконтактной площадки анодным окислом и нанесенным на него по меньшей мере еще одним слоем диэлектрика. При такой конструкции фотодиода травление слоев гетероструктуры под мостиковым контактом осуществляется одновременно с травлением мез. Глубина травления должна быть достаточной для протравливания слоев под металлическим мостиком и, тем самым, формирования двух мез. Кроме того, травление должно обеспечивать гладкий (без ступенек) профиль травления. В противном случае, каждая из ступенек и неоднородностей будет приводить к возрастанию токов утечки фотодиода, вносящих, как обнаружено авторами, подавляющий вклад в величину обратного темнового тока фотодиодов с малыми диаметрами чувствительной площадки (<300 мкм). Как результат, будет возрастать уровень шумов и падать обнаружительная способность фотодиода. Для решения данной проблемы авторы предлагают ориентировать определенным образом металлический мостик относительно кристаллографических направлений в материале, учитывая различие скоростей травления в различных направлениях. Предлагаемый фотодиод создан на основе полупроводников A 3B5. Для всех соединений A3B 5 скорости растворения зависят от ориентации следующим образом: V{111}B>V{110}>V{100}>>V{111}A. Авторы обнаружили, что если продольная ось контактного мостика сориентирована под углом (40-50)° к кристаллографическому направлению {110}, то, например, мокрое травление позволяет получить гладкий (без ступенек) профиль под контактом. Это приводит к снижению величины обратных темновых токов фотодиода и, следовательно, уровня шумов и, в конечном итоге, к увеличению обнаружительной способности. Данное утверждение справедливо для всех кристаллических полупроводников A3B5.

Чтобы электрически изолировать металлический мостиковый контакт от контактной площадки и, тем самым, контактную площадку от чувствительной, используется диэлектрик. Авторами обнаружено, что использование многослойного диэлектрика, состоящего из анодного окисла и других диэлектрических слоев, одновременно позволяет:

- получить достаточно толстый слой диэлектрика, толщиной не менее 0.3 мкм, обеспечивающий надежную электрическую изоляцию мостикового контакта от материала гетероструктуры A3B5;

- уменьшить высоту ступеньки диэлектрика за счет особенностей процесса анодного окисления.

Известно, что наличие резких ступеней диэлектрика является нежелательным при производстве приборов из-за возникновения трещин при термическом осаждении металла, а также из-за возможного брака при проведении фотолитографических процессов, связанных с неоднородностью нанесения и экспонирования фоторезиста на топологических ступенях. Особенностью же химических свойств рассматриваемых материалов A3B5 определяется необходимость создавать топологический рисунок только методом взрывной фотолитографии, в результате чего априори получается резкий край ступени диэлектрика. Анодный окисел на поверхности гетероструктуры A3B6 формируется вглубь материала. Это позволяет получить общую толщину диэлектрика не менее 0.3 мкм при снижении высоты диэлектрической ступени на 2/3 величины по сравнению с высотой диэлектрической ступени, образующейся при отсутствии анодного окисла.

Изобретение поясняется Фиг.1 и Фиг.2.

На Фиг.1 схематически изображен предложенный полупроводниковый фотодиод для ИК-диапазона спектра, где

1 - подложка;

2 - меза с чувствительной площадкой;

3 - меза с контактной площадкой;

4 - спои диэлектриков;

5 - тыльный омический контакт;

6 - фронтальный омический контакт в виде мостика.

На Фиг.2 схематически изображен вид сверху полупроводникового фотодиода для ИК-диапазона спектра, где

2 - меза с чувствительной площадкой;

3 - меза с контактной площадкой;

6 - фронтальный омический контакт в виде мостика.

Фотодиод работает следующим образом. При попадании фотона ИК излучения на поверхность мезы с чувствительной площадкой 2 он проходит через широкозонное окно и поглощается в области пространственного заряда p-n перехода между широкозонным окном и активной областью. При поглощении фотона образуется электронно-дырочная пара, которая разделяется электрическим полем объемного заряда. Электроны доходят до тыльного омического контакта 5 и дырки - до фронтального омического контакта 6 и образуют фототок во внешней цепи. Фототок, проходя во внешней цепи, образует на нагрузочном сопротивлении напряжение, которое пропорционально фототоку. Это напряжение измеряется во внешней цепи осциллографом либо вольтметром.

Пример 1.

Созданный полупроводниковый фотодиод включал гетероструктуру на основе полупроводниковых соединений A 3B5 на подложке 1 GaSb, две сформированные на поверхности гетероструктуры мезы 2 и 3, тыльный 5 и фронтальный 6 омические контакты. Гетероструктура на подложке 1 из n-GaSb состояла из активной области (n-Gao0.78In0.22 As0.18Sb0.82) толщиной 1-3 мкм и широкозонного окна (p-Ga0.66Al0.34Sb0.025As 0.975) толщиной 0.5-2.5 мкм. На основе гетероструктуры изготавливался полупроводниковый фотодиод для ИК-излучения с двумя мезами. Поверхность одной мезы 2 являлась чувствительной площадкой, а поверхность другой мезы 3 - контактной. Чувствительная площадка была выполнена в форме круга диаметром 50 мкм, контактная площадка - в форме прямоугольника размерами 50×70 мкм. Тыльный AuTe/Au омический контакт 5 был нанесен на подложку n-GaSb и выполнен сплошным. Фронтальный омический контакт 6 был сформирован к слою p-GaAlAsSb и представлял собой мостик шириной 20 мкм и длиной 85 мкм. Мостик формировался напылением Cr-Au толщиной 2200 Å, и нанесением гальванического Au толщиной 3-6 мкм. Для обеспечения контакта одной стороной мостик заходил на чувствительную площадку 2 на 10 мкм, а другой стороной - на контактную площадку 3, покрытую диэлектриком 4. Со стороны контактной площадки мостик заканчивался прямоугольной частью размером 60×40 мкм. Продольная ось мостика была сориентирована под углом 45° к кристаллическому направлению {110} подложки. Мезы формировались мокрым травлением после нанесения контактов. Мостиковый контакт 6 изолирован от контактной площадки 3 и, следовательно, полупроводникового материала гетероструктуры двухслойным диэлектриком 4 толщиной 0.3 мкм, состоящим из слоя анодного окисла толщиной 0.2 мкм и слоя Si 3N4 толщиной 0.1 мкм.

Длинноволновая граница спектральной чувствительности фотодиода достигала 2.4 мкм при Т=300 К. Коротковолновая граница спектральной чувствительности фотодиода составляла 0.9 мкм. Для снижения концентрации основных носителей в активной области в качестве легирующей примеси использовался теллур. Исследование вольт-емкостных характеристик показало, что распределение примеси в гетероструктуре было резким, а концентрация носителей в активной области составила (0.7-2)1015 cm-3. При нулевом смещении фотодиоды имели собственную емкость 1.0-2.0 пФ. При обратном смещении 3.0 В емкость фотодиода составляла величину 0.5-1.9 пФ. Токовая монохроматическая чувствительность на длине волны =2.1 мкм составила Ri=0.9-1.1 A/W, что соответствует квантовой эффективности 0.6-0.7 без антиотражающего покрытия. Величина обратного темнового тока для лучших образцов фотодиода составила 200-500 нА при обратном напряжении U=-(0.5-3.0) В. Обнаружительная способность фотодиодов, оцененная по формуле (1), в максимуме спектра имеет значение D*=1.2×10 11 W-1×cm×Hz1/2. Быстродействие фотодиода, определяемое по времени нарастания импульса фотоотклика на уровне 0.1-0.9, составило величину 50-100 пс. Полоса пропускания фотодиодов достигает величины 5 HGz.

Данный фотодиод для ИК-излучения имеет высокую эффективность за счет рекордных в данном спектральном диапазоне до 2.4 мкм обнаружительной способности и быстродействия. В отличие от прототипа в данном фотодиоде фронтальный мостиковый контакт незначительно заходит на чувствительную площадку и затеняет менее 1/10 ее площади, что позволяет получить высокое значение обнаружительной способности. В устройстве-прототипе быстродействие было увеличено за счет снижения паразитной емкости, в то время как в предлагаемом фотодиоде быстродействие увеличено за счет снижения как паразитной, так и собственной емкости прибора. В отличие от прототипа наличие двух мез позволяет независимо от площади контактной площадки уменьшать площадь чувствительной площадки, снижая собственную емкость. Кроме того, в прототипе расположение контактной площадки на подложке приводит к возникновению дополнительной емкости. В предлагаемом приборе контактной площадкой является поверхность одной из мез, что позволяет избежать дополнительной емкости.

Сравнение с прототипом возможно провести только по конструкции. Сравнение параметров разработанного фотодиода и прототипа затруднительно, поскольку значения параметров, в том числе спектральный диапазон работы прибора, зависят от выбранного материала. Однако новые конструктивные решения, описанные в формуле изобретения, позволяют для фотодиода на основе любых полупроводниковых соединений A3B5 получить повышение эффективности за счет одновременного увеличения его обнаружительной способности и быстродействия. Также по сравнению прототипом надежность конструкции разработанного фотодиода выше, так как мостиковый фронтальный контакт располагается в одной плоскости и не претерпевает изгибов.

Пример 2.

То же, что и в Примере 1, но продольная ось мостика была сориентирована под углом 40° к кристаллическому направлению {110} подложки. В результате величина обратного темнового тока для лучших образцов фотодиода незначительно увеличилась по сравнению с фотодиодом в Примере 1 и составила 300-600 нА, что привело к незначительному снижению обнаружительной способности фотодиодов до D*=1.0×1011 W-1×cm×Hz1/2 и не оказало влияния на значения остальных параметров фотодиода. Показано, что по сравнению с прототипом фотодиод имеет такие же преимущества, как фотодиод в Примере 1.

Пример 3.

То же, что и в Примере 1, но продольная ось мостика была сориентирована под углом 50° к кристаллическому направлению {110} подложки. В результате величина обратного темнового тока для лучших образцов фотодиода незначительно увеличилась по сравнению с фотодиодом в Примере 1 и составила 300-600 нА, что привело к незначительному снижению обнаружительной способности фотодиодов до D* =1.0×1011 W-1×cm×Hz 1/2 и не оказало влияния на значения остальных параметров фотодиода. Показано, что по сравнению с прототипом фотодиод имеет такие же преимущества, как фотодиод в Примере 1.

Пример 4.

То же, что и в Примере 1, но продольная ось мостика была сориентирована под углом 35° к кристаллическому направлению {110} подложки. За время формирования мез с заданным шаблоном размером протравливания под металлическим фронтальным контактом в виде мостика не произошло, и две сформированные мезы не были изолированы друг от друга. Дальнейшее травление привело к искажению формы боковых стенок мез.

Пример 5.

То же, что и в Примере 1, но продольная ось мостика была сориентирована под углом 55° к кристаллическому направлению {110} подложки. За время формирования мез с заданным шаблоном размером протравливание под металлическим фронтальным контактом в виде мостика было неполным и форма боковых стенок мез в районе мостика была сильно искажена.

ФОРМУЛА ИЗОБРЕТЕНИЯ

Полупроводниковый фотодиод для инфракрасного излучения, включающий гетероструктуру на основе полупроводниковых соединений А 3B5 на подложке А3В5 с двумя сформированными мезами, тыльным и фронтальным омическими контактами к гетероструктуре, тыльный контакт выполнен сплошным и нанесен на подложку, а фронтальный выполнен в виде соединяющего мезы мостика, продольная ось которого сориентирована под углом от 40° до 50° к кристаллическому направлению {110} подложки А3B5, электрически изолированного от одной из мез слоем анодного окисла и нанесенным на этот слой по меньшей мере одним слоем диэлектрика.

www.freepatent.ru

Фотодиод - chipenable.ru

Фотодиод - это полупроводниковый диод, у которого ток зависит от освещенности. Обычно под этим током подразумевают обратный ток фотодиода, потому что его зависимость от освещенности выражена на порядки сильнее, чем прямого тока. В дальнейшем мы будем говорить именно про обратный ток.

В общем случае фотодиод представляет собой p-n переход, открытый для светового излучения. Под воздействием света в области p-n перехода генерируются носители заряда (электроны и дырки), которые проходят через него и вызывают напряжение на выводах фотодиода или протекание тока в замкнутой цепи.

Фотодиод, в зависимости от его материала, предназначен для регистрации светового потока в инфракрасном, оптическом и ультрафиолетовом диапазоне длин волн. Фотодиоды изготавливают из кремния, германия, арсенида галлия, арсенида галлия индия и других материалов.

Фотодиоды широко используются в системах управления, метрологии, робототехнике и других областях. Также они используются в составе других компонентов, например, оптопар, оптореле. Применительно к микроконтроллерам, фотодиоды находят применение в качестве различных датчиков - концевых датчиков, датчиков освещенности, расстояния, пульса и т.д.

На электрических схемах фотодиод обозначается как диод, с двумя направленными к нему стрелочками. Стрелки символизируют падающее на фотодиод излучение. Не путайте с обозначением светодиода, у которого стрелки направлены от него.

Буквенное обозначение фотодиода может быть VD или BL (фотоэлемент).

Фотодиод работает в двух режимах: фотодиодном и фотогальваническом (фотовольтаическом, генераторном).

В фотодиодном режиме используется источник питания, который смещает фотодиод в обратном направлении. В этом случае через фотодиод течет обратный ток, пропорциональный падающему на него световому потоку. В рабочем диапазоне напряжений (то есть до наступления пробоя), этот ток практически не зависит от приложенного обратного напряжения.


В фотогальваническом режиме фотодиод работает без внешнего источника питания. В этом режиме он может работать в качестве датчики или в качестве элемента питания (солнечной батареи), так как под воздействием света на выводах фотодиода появляется напряжение, зависящее от потока излучения и нагрузки.


Чтобы получше разобраться с режимами работы фотодиода, нужно рассмотреть его вольтамперную характеристику.


График состоит из 4 областей, так называемых квадрантов. Фотодиодному режиму соответствует работа в 3-м квадранте. 


При отсутствии излучения график представляет собой обратную ветвь вольтамперной характеристики обычного полупроводникового диода. Присутствует небольшой обратный ток, который называется тепловым (темновым) током обратно смещенного p-n перехода.

При наличии светового потока, сопротивление фотодиода уменьшается и обратный ток фотодиода возрастает. Чем больше света падает, тем больший обратный ток течет через фотодиод. Зависимость обратного тока фотодиода от светового потока в этом режиме линейная.

Из графика видно, что обратный ток фотодиода слабо зависит от обратного напряжения. Посмотрите на наклон графика от нулевого напряжения до напряжения пробоя, он маленький.

Фотогальваническому режиму соответствует работа фотодиода в 4-м квадранте. И здесь можно выделить два предельных случая:

- холостой ход (хх),
- короткое замыкание (кз).

Режим близкий к холостому ходу используется для получения энергии от фотодиода. То есть для применения фотодиода в качестве солнечной батареи. Конечно, от одного фотодиода будет мало проку, да и КПД у него невысокий. Но если соединить много элементов, то такой батареей можно запитать какое-нибудь мало-потребляющее устройство.

В режиме короткого замыкания, напряжение на фотодиоде близкое к нулю, а обратный ток прямо пропорционален световому потоку. Этот режим используется для построения фотодатчиков.

В чем преимущество и недостатки фотодиодного и фотогальванического режимов работы? Фотодиодный режим обеспечивает большее быстродействие фотодиода, но в этом режиме всегда есть темновой ток. В фотогальваническом режиме темнового тока нет, но быстродействие датчиков будет ниже.

Продолжение следует.

chipenable.ru

Фотодиоды | Техника и Программы

Принцип действия фотодиода

Полупроводниковый фотодиод — это полупроводниковый диод обратный ток которого зависит от освещенности.

Обычно в качестве фотодиода используют полупроводниковые диоды с р-п переходом, который смещен в обратном направлении внешним источником питания. При поглощении квантов света в р-n переходе или в прилегающих к нему областях образуются новые носители заряда. Неосновные носители заряда, возникшие в областях, прилегающих к р-п переходу на расстоянии, не превь,’ ,ающем диффузионной длины, диффундируют в р-п переход и проходя* через него под действием электрического поля. То есть обратный ток при освещении возрастает. Поглощение квантов непосредственно в р-п переходе приводит к аналогичным результатам. Величина, на которую возрастает обратный ток, называется фототоком.

Характеристики фотодиодов

Свойства фотодиода можно охарактеризовать следующими характеристиками:

Вольт-амперная характеристика фотодиода представляет собой зависимость светового тока при неизменном световом потоке и темнового тока 1т от напряжения.

Световая характеристика фотодиода обусловлена зависимостью фототока от освещенности. При увеличении освещенности фототок возрастает.

Спектральная характеристика фотодиода — это зависимость фототока от длины волны падающего света на фотодиод. Она определяется для больших длин волн шириной запрещенной зоны, а при малых длинах волн большим показателем поглощения и увеличения влияния поверхностной рекомбинации носителей заряда с уменьшением длины волны квантов света. То есть коротковолновая граница чувствительности зависит от толщины базы и от скорости поверхностной рекомбинации. Положение максимума в спектральной характеристике фотодиода сильно зависит от степени роста коэффициента поглощения.

Постоянная времени — это время, в течение которого фото- ток фотодиода изменяется после освещения или после затемнения фотодиода в е раз (63%) по отношению к установившемуся значению.

Темновое сопротивление — сопротивление фотодиода в отсутствие освещения.

Интегральная чувствительность определяется формулой:

где 1ф — фототок, Ф — освещенность.

Инерционность

Существует три физических фактора, влияющих на инерционность:

1.          Время диффузии или дрейфа неравновесных носителей через базу т;

2.           Время пролета через р-n переход т,;

3.          Время перезарядки барьерной емкости р-п перехода, характеризующееся постоянной времени RC6ap.

Толщина р-п перехода, зависящая от обратного напряжения и концентрации примесей в базе, обычно меньше 5 мкм, а значит, т, — 0,1 не. RC6ap определяется барьерной емкостью р-п перехода, зависящей от напряжения и сопротивления базы фотодиода при малом сопротивлении нагрузки во внешней цепи. Величина RC6ap обычно составляет нескольких наносекунд.

Расчет КПД фотодиода и мощности

КПД вычисляется по формуле:

где Росв — мощность освещенности; I — сила тока;

U — напряжение на фотодиоде.

Расчет мощности фотодиода иллюстрирует рис. 2.12 и таблица 2.1.

Рис. 2.12. Зависимость мощности фотодиода от напряжения и силы тока

Максимальная мощность фотодиода соответствует максимальной площади данного прямоугольника.

Таблица 2.1. Зависимость мощности от КПД

Мощность освещенности, мВт

Сила тока, мА

Напряжение, В

КПД, %

1

0,0464

0,24

1,1

3

0,1449

0,41

2

5

0,248

0,26

1,3

7

0,242

0,45

1,6

Применение фотодиода в олтоэлектронике

Фотодиод является составным элементом во многих сложных оптоэлектронных устройствах:

•        Оптоэлектронные интегральные микросхемы.

Фотодиод может обладать большим быстродействием, но его коэффициент усиления фототока не превышает единицы. Благодаря наличию оптической связи оптоэлектронные интегральные микросхемы обладают рядом существенных достоинств, а именно: почти идеальная гальваническая развязка управляющих цепей от силовых при сохранении между ними сильной функциональной связи.

•        Многоэлементные фотоприемники.

Эти приборы (сканистор, фотодиодная матрица с управлением на МОП-транзисторе, фоточувствительные приборы с зарядовой связью и другие) относятся к числу наиболее быстро развивающихся и прогрессирующих изделий электронной техники. Оптоэлектрический «глаз» на основе фотодиода способен реагировать не только на яркостно-временные, но и на пространственные характеристики объекта, то есть воспринимать его полный зрительный образ.

Число фоточувствительных ячеек в приборе является достаточно большим, поэтому кроме всех проблем дискретного фотоприемника (чувствительность, быстродействие, спектральная область) приходится решать и проблему считывания информации. Все многоэлементные фотоприемники представляют собой сканирующие системы, то есть устройства, позволяющие производить анализ исследуемого пространства путем последовательного его просмотра (поэлементного разложения).

Как происходит восприятие образов?

Распределение яркости объекта наблюдения превращается в оптическое изображение и фокусируется на фоточувствительную поверхность. Здесь световая энергия переходит в электрическую, причем отклик каждого элемента (ток, заряд, напряжение) пропорционален его освещенности. Яркостная картина преобразуется в электрический рельеф. Схема сканирования производит периодический последовательный опрос каждого элемента и считывание содержащейся в нем информации. Тогда на выходе устройства мы получаем последовательность видеоимпульсов, в которой закодирован воспринимаемый образ.

При создании многоэлементных фотоприемников стремятся обеспечить наилучшее выполнение ими функций преобразования и сканирования. • Оптроны.

Оптроном называется такой оптоэлектронный прибор, в котором имеются источник и приемник излучения с тем или иным видом оптической связи между ними, конструктивно объединенные и помещенные в один корпус. Между управляющей цепью (ток в которой мал, порядка нескольких мА), куда включен излучатель, и исполнительной, в которой работает фотоприемник, отсутствует электрическая (гальваническая) связь, а управляющая информация передается посредством светового излучения.

Это свойство оптоэлектронной пары (а в некоторых видах оптронов присутствует по несколько не связанных друг с другом даже оптически оптопар) оказалось незаменимым в тех электронных узлах, где нужно максимально устранить влияние выходных электрических цепей на входные. У всех дискретных элементов (транзисторов, тиристоров, микросхем, являющихся коммутационными сборками, или микросхем с выходом, позволяющим коммутировать нагрузку большой мощности) управляющие и исполнительные цепи электрически связаны друг с другом. Это часто недопустимо, если коммутируется высоковольтная нагрузка. К тому же, возникающая обратная связь неминуемо приводит к появлению дополнительных помех.

Конструктивно фотоприемник обычно крепится на дне корпуса, а излучатель — в верхней части. Зазор между излучателем и фотоприемником заполнен иммерсионным материалом — чаще всего эту роль выполняет полимерный оптический клей. Этот материал исполняет роль линзы, фокусирующей излучение на чувствительный слой фотоприемника. Иммерсионный материал снаружи покрыт специальной пленкой, отражающей световые лучи внутрь, чтобы препятствовать рассеянию излучения за пределы рабочей зоны фотоприемника.

Роль излучателей в оптронах, как правило, выполняют светодиоды на основе арсенид-галлия. Светочувствительные элементы в оптопарах могут представлять собой фотодиоды (оптопары серии АОД…), фототранзисторы, фототринисторы (оптопары серии АОУ.,.) и высокоинтегрированные схемы фотореле. В диодной оптопаре, например, в качестве фотоприемного элемента используется фотодиод на основе кремния, а излучателем служит инфракрасный излучающий диод. Максимум спектральной характеристики излучения диода приходится на длину волны около 1 мкм. Диодные оптопары применяются в фотодиодном и фотогенераторном режимах.

Транзисторные оптроны (серия АОТ…) имеют некоторые преимущества относительно диодных. Коллекторным током биполярного транзистора управляют как оптически (воздействуя на светодиод), так и электрически по базовой цепи (в данном случае работа фототранзистора при отсутствии излучения управляющего светодиода оптрона практически не отличается от работы обыкновенного кремниевого транзистора). У полевого транзистора управление осуществляется через цепь затвора.

Кроме того, фототранзистор может работать в ключевом и усилительных режимах, а фотодиод — только в ключевом. Оптроны с составными-транзисторами (например, АОТ1ЮБ), имеют наибольший коэффициент усиления (как и обычный узел на составном транзисторе), могут коммутировать напряжение и ток достаточно больших величин и по данным параметрам уступают только тиристорным оптронам и оптоэлектронным реле типа КР293КП2 — КР293КП4, которые приспособлены для коммутации высоковольтных и сильноточных цепей. Сегодня в розничной продаже появились новые оптоэлектронные реле серий К449 и К294. Серия К449 позволяет коммутировать напряжение до 400 В при токе до 150 мА. Такие микросхемы в четырехвы- водном компактном корпусе DIP-4 приходят на смену маломощным электромагнитным реле и имеют по сравнению с реле массу преимуществ (бесшумность работы, надежность, долговечность, отсутствие механических контактов, широкий диапазон напряжения срабатывания). Кроме того, их доступная цена объясняется тем, что нет необходимости использовать драгметаллы (в реле ими покрываются коммутирующие контакты).

В резисторных оптронах (например, ОЭП-1) и-злучателями являются электрические минилампы накаливания, помещенные также в один корпус.

Графическим обозначениям оптронов по ГОСТу присвоен условный код — латинская буква U, после которой следует порядковый номер прибора в схеме.

В главе 3 книги описаны приборы и устройства, иллюстрирующие применение оптронов.

Применение фотоприемников

Любое оптоэлектронное устройство содержит фотоприемный блок. И в большинстве современных оптоэлектронных устройств фотодиод составляет основу фотоприемника.

обладают наилучшим сочетанием фотоэлектрических параметров, основных с точки зрения использования в оптоэлектронике: высокие значения чувствительности и быстродействия, малые значения паразитных параметров (например, тока утечки). Простота их устройства позволяет достигнуть физического и конструктивного оптимума и обеспечить наиболее полное использование падающего света.

В сопоставлении с другими, более сложными фотоприемниками, они обладают наибольшей стабильностью температурных характеристик и лучшими эксплуатационными свойствами.

Основной недостаток, на который обычно указывают, — отсутствие усиления. Но он достаточно условен. Почти в каждом оп- тоэлектронном устройстве фотоприемник работает на ту или иную согласующую электронную схему. И введение усилительного каскада в нее значительно проще и целесообразнее, чем придание фотоприемнику несвойственных ему функций усиления.

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).

Острая направленность (кучность) 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 электрическую энергию в любую область пространства.

Возможность двойной — временной и пространственной — модуляции светового луча. Так как источник и приемник в опто- электронике не связаны друг с другом электрически, а связь между ними осуществляется только посредством светового луча (электрически нейтральных фотонов), то 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, что определяет их высокую помехозащищенность.

Важная особенность фотодиодов — высокое быстродействие. Они могут работать на частотах до нескольких МГц. обычно изготовляют из германия или кремния.

Фотодиод является потенциально широкополосным приемником. Этим обуславливается его повсеместное применение и популярность.

ИК спектра

Инфракрасный излучающий диод (ИК диод) представляет собой полупроводниковый диод, который при протекании через него прямого тока излучает электромагнитную энергию в инфракрасной области спектра.

В отличие от видимого человеческим глазом спектра излучения (какое, например, производит обычный светоизлучающий диод на основе фосфида галлия) ИК излучение не может быть воспринято человеческим глазом, а регистрируется с помощью специальных приборов, чувствительных к данному спектру излучения. Среди популярных фотоприемных диодов ИК спектра можно отметить фоточувствительные приборы МДК-1, ФД263-01 и подобные им.

Спектральные характеристики ИК излучающих диодов имеют выраженный максимум в интервале волн 0,87…0,96 мкм. Эффективность излучения и КПД данных приборов выше, чем у светоизлучающих диодов.

На основе ИК диодов (которые в электронных конструкциях занимают важное место передатчиков импульсов ИК спектра) конструируются волоконно-оптические линии (выгодно отличающиеся своим быстродействием и помехозащищенностью), многоплановые электронные бытовые узлы и, конечно же, электронные узлы охраны. В этом есть свое преимущество, т.к. ИК луч невидим человеческим глазом и в некоторых случаях (при условии использования нескольких разнонаправленных ИК лучей) определить визуально наличие самого охранного устройства невозможно до его перехода в режим «тревога»). Опыты работы в сфере производства и обслуживания систем охраны на основе ИК излучателей позволяют все же дать некоторую рекомендацию по определению рабочего состояния ИК излучателей.

Если близко всмотреться в излучающую поверхность ИК диода (например, АЛ147А, АЛ156А), когда на него подан сигнал управления, то можно заметить слабое красное свечение. Световой спектр этого свечения близок к цвету глаз животных альбиносов (крыс, хомяков и т.д.). В темноте ИК свечение еще более выражено. Необходимо заметить, что длительное время всматриваться в излучающий ИК световую энергию прибор нежелательно с медицинской точки зрения.

Кроме систем охраны, ИК излучающие диоды в настоящее время находят применение в брелоках сигнализации для автомобилей, различного рода беспроводных передатчиках сигналов на расстояние. Например, подключив к передатчику модулированный НЧ сигнал от усилителя, с помощью ИК приемника на некотором расстоянии (зависит от мощности излучения и рельефа местности) можно прослушивать звуковую информацию, телефонные переговоры также можно транслировать на расстояние. Этот способ сегодня менее эффективен, но все же является альтернативным вариантом домашнему радиотелефону. Самым популярным (в быту) применением ИК излучающих диодов являются пульты дистанционного управления различными бытовыми приборами.

Как может легко убедиться любой радиолюбитель, вскрыв крышку ПДУ, электронная схема этого прибора не сложна и может быть повторена без особых проблем. В радиолюбительских конструкциях, некоторые из которых описаны в третьей главе данной книги, электронные устройства с ИК излучающими и приемными приборами намного проще, чем промышленные устройства.

Параметры, определяющие статические режимы работы ИК диодов (прямое и обратное максимально допустимое напряжение, прямой ток и т.д.) сходны с параметрами фотодиодов. Основными специфическими параметрами, по которым их идентифицируют, для ИК диодов являются:

Мощность излучения — Ризл — поток излучения определенного спектрального состава, излучаемого диодом. Характеристикой диода, как источника ИК излучения, является ватт-амперная характеристика — зависимость мощности излучения в Вт (милливаттах) от прямого тока, протекающего через диод. Диаграмма направленности излучения диода показывает уменьшение мощности излучения в зависимости от угла между направлением излучения и оптической осью прибора. Современные ИК диоды различаются между имеющими остронаправленное излучение и рассеянное.

При конструировании электронных узлов следует учитывать, что дальность передачи ИК сигнала прямо зависит от угла наклона (совмещения передающей и приемной частей устройства) и мощности ИК диода. При взаимозаменах ИК диодов необходимо учитывать этот параметр мощности излучения. Некоторые справочные данные по отечественным ИК диодам приведены в табл. 2.2.

Данные по взаимозаменам зарубежных и отечественных приборов приведены в приложении. Сегодня наиболее популярными типами ИК диодов среди радиолюбителей считаются приборы модельного ряда АЛ 156 и АЛ147. Они оптимальны по универсальности применения и стоимости.

Импульсная мощность излучения — Ризл им — амплитуда потока излучения, измеряемая при заданном импульсе прямого тока через диод.

Ширина спектра излучения — интервал длин волн, в котором спектральная плотность мощности излучения составляет половину максимальной.

Максимально допустимый прямой импульсный ток 1пр им (ИК диоды в основном используются в импульсном режиме работы).

Таблица 2.2. Излучающие диоды инфракрасного спектра

ИК диод

Мощность излучения, мВт

Длина волны, мкм

Ширина спектра, мкм

Напряжение на приборе, В

Угол излучения, град

АЛ107Б

9

0,94…0,96

0,03

2

60

АЛ107Г

12

0,94…0,96

0,03

2

60

АЛ145Д

20

0,93…0,98

0,06

1,6

40

АЛ156В

12

0,82…0,9

0,04

1,8

35

АЛ161А

8

0,83…0,9

0,07

1,5

10

АЛ165Б

15

0,85…0,89

0,04

2

35

АЛ165В

400

0,85…0,9

нет данных

1,6

нет данных

АЛ170В

100

0,85…0,89

0,1

1,5

4

Время нарастания импульса излучения tHapизл — интервал времени, в течение которого мощность излучения диода нарастает с 10 до 100% от максимального значения.

Параметр времени спада импульса tcnM3J1 аналогичен предыдущему.

Скважность — Q — отношение периода импульсных колебаний к длительности импульса.

В основе предлагаемых к повторению электронных узлов (глава 3 данной книги) лежит принцип передачи и приема модулированного ИК сигнала. Но не только в таком виде можно использовать принцип работы ИК диода. Такие оптореле могут работать и в режиме реагирования на отражение лучей (фотоприемник размещается рядом с излучателем). Этот принцип воплощен в электронные узлы, реагирующие на приближение к объединенному приемо-передающему узлу какого-либо предмета или человека, что также может служить датчиком в системах охраны.

Вариантов применения ИК диодов и устройств на их основе бесконечно много и они ограничиваются только эффективностью творческого подхода радиолюбителя.

nauchebe.net

Видеть невидимое. Ближний инфракрасный диапазон (0.9-1.7мкм) / Habr

На видео может показаться, что вольфрамовым ломом черпают расплавленный светящийся уран, но… но нет. И это не изображение тепловизора — это самый ближний инфракрасный спектральный диапазон. Возможно, вы больше не увидите таких уникальных картинок, которые спрятались под кат, добро пожаловать…

ps: читающие заголовок в мобильной версии анимацию сейчас не видят, поэтому добро пожаловать сразу в статью… ваша чашка со свежезаваренным кофе далее по тексту… =)

Обычные кремниевые детекторы ПЗС и CMOS не могут использоваться для получения изображения в спектральном диапазоне с длиной волны более 1мкм. Кванты с длиной волны 1мкм не могут индуцировать электроны в кремниевых детекторах, квантовая эффективность в ближнем ИК диапазоне быстро спадает до нуля.

Для регистрации ближнего ИК излучения используют уже детекторы на основе арсенид галлия-индия (InGaAs). Ну и несколько лет назад нам попал в руки коммерческий детектор такого типа ближнего ИК диапазона (SWIR, Near-infrared). Разрешение детектора небольшое: 320х256 элементов. Спектральная характеристика детектора представлена на рисунке ниже.

Казалось, ничто не предвещало сложностей, и разработка камеры на данном детекторе не должна была бы отличаться от разработки камеры видимого диапазона, но это оказалось не так. Основной сложностью оказался очень большой темновой ток детектора и очень большой разброс в параметрах отдельных элементов. Посмотрите на график ниже:

За время 16мс потенциальная яма отдельных элементов детектора быстро заполняется на 3-5%, а для частоты 25 кадров в секунду (40мс) это уже 8-12%. Для ёмкости потенциальной ямы элемента детектора 6млн. электрон — это 600 000 электронов темнового тока отдельного элемента, а шум в отдельном пикселе составляет более 800 электрон. Много это или мало? Для регистрации освещенных объектов вполне нормально, но для чувствительной камеры, которая способна регистрировать собственное излучение объектов с температурой до 100'C (как представленное на первом видео) — шум 800 электронов это очень и очень много.
На графике представлено излучение абсолютно черного тела, как видно, для объектов с температурой 300-400K излучение в диапазоне 1-2мкм очень слабое.

Второй особенностью является очень большой разброс характеристик каждого элемента в отдельности. Разработка заняла несколько лет, упор делался на разработку малошумящей аналоговой схемотехники, а также на аппроксимацию характеристик отдельных элементов в зависимости от температуры. Повторюсь, детектор коммерческий, мы не могли охладить детектор и напрямую уменьшить уровень темнового тока возможности не было, но смогли реализовать термостатирование детектора, что значительно сказалось на стабильности характеристик.

Ранее мы в некоторых статьях упоминали данную камеру и приводили сравнение её работы с детекторами видимого диапазона, а также с электронно оптическим преобразователем ЭОП 3+:
«Как видят ночью разные камеры и приборы»
также демонстрировали возможности данной камеры в режиме наблюдения звезд днём:
«Наблюдение звёзд днём или дневная астрономия»

Сейчас же мы хотим дополнить опубликованное ранее и продемонстрировать другие уникальные возможности камеры ближнего ИК диапазона.

Самый распространенный вопрос — «Как камера видит в тумане?». Качественный туман застать довольно непросто, поэтому сразу извиняемся за, возможно, не очень показательное видео. Для того, чтобы продемонстрировать, как видно в реальности глазами, использовалась камера видимого диапазона PanasonicGM1.

само видео наблюдения в тумане SWIR камерой


оригиналы видео доступны по ссылкам
«Видео VS320 исходник»
«Видео PanasonicGM1 оригинал»
На всякий случай предупредим, что туманы очень сильно отличаются друг от друга, бывают туманы, когда ни в одном спектральном диапазоне ничего не видно. Результат сильно зависит от дисперсии частиц воды.

Чувствительность же камеры демонстрирует видео, фрагмент которого представлен в заголовке статьи. Это обычная чашка с вкусным свежезаваренным кофе. В начале видео мы наблюдаем собственное тепловое излучение объектов, а после включения освещения — отраженное. Пока камера VS320 единственная, которая может демонстрировать видео излучения объектов до 100'C. Мы несколько раз показывали это видео на выставках и всегда сталкивались со скепсисом =)


Для примера: цветная камера и глаз видят раскаленный металл с температурой выше 500'С, черно-белая ПЗС-матрица видит жало горячего паяльника с температурой 400'С, SWIR камера VS320 видит предметы начиная с 50-60'С.

Более объективные измерения по модели абсолютно черного тела. Примерно на уровне 50 градусов шум элементов детектора и сигнал модели абсолютно черного тела сравниваются.

оригинал видео можно получить здесь (внимание! большой размер, так как без сжатия)
«Видео VS320 черное тело»

Из некоторых интересных моментов, с которыми мы столкнулись во время работы с камерами,
это особенная защита, которую наносят на банкноты, возможно это люминесцентные маркеры:
Изображения банкнот при обычном освещении не отличается от указанных на сайте Центробанка России, для примера 500р:

но при освещении исключительно видимым спектром (люминесцентной лампой) наблюдаются маркеры, которые находятся у разных банкнот в разных местах и могли бы использоваться для дополнительной автоматической сортировки банкнот:

на сайте ЦБ РФ такая защита не обозначена

В новых купюрах от такой маркировки, видимо, отказались, теперь маркер находится в одном и том же месте, круглый с буквой Р:

и вот все банкноты вместе:

Так же следует отметить, что ночное небо очень яркое в ближнем ИК диапазоне. Это позволяет конкурировать камерам ближнего ИК диапазона с другими приборами ночного видения, а так же для каких-то применений вроде обнаружения объектов на фоне «яркого» ночного неба.


«VS320. Ночное небо в ближнем ИК. исходник (200МБайт)»

А вот днём наоборот, в ближнем ИК диапазоне небо намного темнее (в сравнении с яркостью неба в видимой части спектра), для примера кадр в очень яркий солнечный день.

Эта свойство может использоваться для наблюдения за небесными объектами днём, частный случай которого был описан в статье: «Наблюдение звёзд днём или дневная астрономия».

Наиболее важным свойством камеры ближнего ИК (наравне с возможностью улучшения видимости в тумане) — это значительно лучшая видимость в дымке, для сравнения кадры разных частей спектра:

А вот видео в ближнем ИК диапазоне по вантовому мосту на дальности 9-10км.


а вот демонстрация на дальности в 9км по Смольному (в середине видео включается функция камеры: локальное контрастирование (аналог HDR/DDE) )


Можно ещё довольно много рассказывать про ближний ИК-диапазон, но, к сожалению, это выходит за объём одной статьи. Если получится и будет достаточно материала, мы обязательно продолжим. Подводя итоги можно сказать, что камеры ближнего ИК можно применять:

— для улучшения видимости в тумане
— для улучшения видимости при атмосферной дымке, смоге
— в качестве приборов ночного видения (улучшения видимости ночью)
— поиске объектов на дневном небе
— при разработке мультиспектральных камер, когда важно увидеть значительно теплый
скрытый в видимом диапазоне объект
— для особых применений в промышленности, когда важен именно этот спектральный диапазон
— поиске замаскированных предметов, когда одни краски становятся малоконтрастными, а другие наоборот темнеют в данном диапазоне или люминесцируют.

Хотелось бы сказать спасибо организации НПК «Фотоника», которая предоставила данный детектор для разработки и финансировала работу в течение длительного времени. Результатом работы явилась камера с очень высокими характеристиками по чувствительности. Отдельное спасибо коллегам, которые её разработали, несколько раз переработали, а также построили математическую модель и разработали методику калибровки такого строптивого InGaAs детектора.

Ну и собственно фотография камеры VS320 «в размере»:

Ждем вопросы в комментариях, будем рады ответить.

habr.com

Отправить ответ

avatar
  Подписаться  
Уведомление о