Кремний фотодиодтың спектралдық ауданын кеңіту
КІРІСПЕ 6
1 КРЕМНИЙ ФОТОДИОДТАРЫНЫҢ АНЫҚТАМАСЫ МЕН ҚҰРЫЛЫМЫ 7
1.1 Кремний фотодиодының қасиеттері 7
1.2 Фотодиодтардың түрлері 11
1.3 Астрофотометриядағы сәуле қабылдайтын құралдар 11
1.4 Көп элементті матрицалық жарықсезгіш приборлар 18
1.5 Жартылайөткізгіштердің фотоөткізгіштігі 21
1.6 Фотоөткізгіштіктің элементар теориясы 23
1.7 Гетероауысулар 26
2 ФОТОДИОДТАР ЖӘНЕ ОЛАРДЫҢ ЖҰМЫС ІСТЕУ ПРИНЦИПІ 27
2.1 Фотодиодтардың жұмыс істеу барысында өтетін құбылыстар 27
2.2 Фотодиодтардың негізгі параметрлері мен сипаттамалары 33
2.2.1 Фотодиодтардың жиіліктік сипаттамалары 33
2.3 Шуылдар мен фотодиодтардың тапқыштық қабілеті 33
2.4 Жоғары жиілікті фотодиодтар 35
2.5 Фототокты іштей күшейтетін фотоқабылдағыштар 38
2.6 Фотоэффект құбылысы және оның физикалық негізі 40
2.7 Фототранзисторлар 41
2.8 Хаббл телескопының ғарыштық жобасы 43
3 ФОТОДИОД ҚҰРЫЛЫМЫНДАҒЫ КРЕМНИЙДІҢ ЕРЕКШЕ ҚАСИЕТТЕРІ 46
3.1 Нанокристалды кремний 46
3.2 Нанокристалды кремнийдің қасиеттері 48
3.3 Нанокристалды кремниді алу әдісі 52
ҚОРЫТЫНДЫ 56
ҚОЛДАНЫЛҒАН ӘДЕБИЕТТЕР 57
1 КРЕМНИЙ ФОТОДИОДТАРЫНЫҢ АНЫҚТАМАСЫ МЕН ҚҰРЫЛЫМЫ 7
1.1 Кремний фотодиодының қасиеттері 7
1.2 Фотодиодтардың түрлері 11
1.3 Астрофотометриядағы сәуле қабылдайтын құралдар 11
1.4 Көп элементті матрицалық жарықсезгіш приборлар 18
1.5 Жартылайөткізгіштердің фотоөткізгіштігі 21
1.6 Фотоөткізгіштіктің элементар теориясы 23
1.7 Гетероауысулар 26
2 ФОТОДИОДТАР ЖӘНЕ ОЛАРДЫҢ ЖҰМЫС ІСТЕУ ПРИНЦИПІ 27
2.1 Фотодиодтардың жұмыс істеу барысында өтетін құбылыстар 27
2.2 Фотодиодтардың негізгі параметрлері мен сипаттамалары 33
2.2.1 Фотодиодтардың жиіліктік сипаттамалары 33
2.3 Шуылдар мен фотодиодтардың тапқыштық қабілеті 33
2.4 Жоғары жиілікті фотодиодтар 35
2.5 Фототокты іштей күшейтетін фотоқабылдағыштар 38
2.6 Фотоэффект құбылысы және оның физикалық негізі 40
2.7 Фототранзисторлар 41
2.8 Хаббл телескопының ғарыштық жобасы 43
3 ФОТОДИОД ҚҰРЫЛЫМЫНДАҒЫ КРЕМНИЙДІҢ ЕРЕКШЕ ҚАСИЕТТЕРІ 46
3.1 Нанокристалды кремний 46
3.2 Нанокристалды кремнийдің қасиеттері 48
3.3 Нанокристалды кремниді алу әдісі 52
ҚОРЫТЫНДЫ 56
ҚОЛДАНЫЛҒАН ӘДЕБИЕТТЕР 57
Фотодиодтар – түсетін жарық ағынының әсерінен кері ығысқан p-n өткел арқылы қосымша ток (фототок) тудыратын шапшаң қозғалатын заряд тасымалдаушылар қалыптасатын жартылайөткізгіштік диод.
Фотодиодтың құрылысы мен оны қосу сүлбесі 1, а және б суреттерде келтірілген. база ретінде қолданылатын n-германий дөңгелек пластинасы шынымен жабылған терезеге қарсы металл корпустың ішіне орналастырылған. Электронды-кемтікті өткел германиден жасалынған пластинаға индий тамшыларын тамызу арқылы жасалынған. Осылайша, фотодиодта жарық ағыны p-n өткелдің жазықтығына перпендикуляр бағытталған. жартылайөткізгіш кристалының орналасуының өзге же орналасуы мүмкін: мұнда жарық ағаны өткел жазықтығына параллель таралады.
Фотодиодтарда белсенді элемент ретінде түрлі электрлік өткелдер қолданылады: анық симметриялы p-n өткел, p-i-n өткел, эмиттердің қалыңдығы бойынша өзгеретін қоспалар концентрациясы бар электронды-кемтікті өткел, металл – жартылайөткізгіш өткелі (Шоттка тосқауылы бар диод), гетероөткел және т.б.
Фотодиодтың жұмыс істеу принципі сәулеленген өткелде өтетін физикалық процестерге негізделеді. Жарық ағыны болмаған кезде (Ф = 0) фотодиодта кері кернеудің әсерінен кері ток пайда болады, оның мәні жартылайөткізгіштердегі негізгі емес заряд тасымалдаушылардың концентрациясымен, өткел ауданымен, бекітуші қабат облысындағы физикалық процестермен және т.б. анықталады. Сыртқы сәулелену болмаған кезде фотодиод жартылайөткізгіштік диодтан еш ерекшеленбейтіндіктен, I = f (U) үшін орынды, ол үшін Ф = 0 шарты орындалуы тиіс. фотодиод үшін осы тәуелділікті темптік вольт-амперлік сипаттама деп атайды.
Фотодиодты жарықтандыру кезінде (Ф > 0) оның базасында жарық квантының әсерінен заряд қосақтарының пайда болу процесі болады. Заряд қосақтары базаның сыртқы бетінде қарқынды жүреді. Қайта қалыптасқан электрондар мен кемтіктер база қалыңдығы арқылы p-n өткелге диффузияланады.
Бұл жұмыстың мақсаты - кремнилық фотодиод спектралдық ауданын кеңіту болатынын көрсету.
Фотодиодтың құрылысы мен оны қосу сүлбесі 1, а және б суреттерде келтірілген. база ретінде қолданылатын n-германий дөңгелек пластинасы шынымен жабылған терезеге қарсы металл корпустың ішіне орналастырылған. Электронды-кемтікті өткел германиден жасалынған пластинаға индий тамшыларын тамызу арқылы жасалынған. Осылайша, фотодиодта жарық ағыны p-n өткелдің жазықтығына перпендикуляр бағытталған. жартылайөткізгіш кристалының орналасуының өзге же орналасуы мүмкін: мұнда жарық ағаны өткел жазықтығына параллель таралады.
Фотодиодтарда белсенді элемент ретінде түрлі электрлік өткелдер қолданылады: анық симметриялы p-n өткел, p-i-n өткел, эмиттердің қалыңдығы бойынша өзгеретін қоспалар концентрациясы бар электронды-кемтікті өткел, металл – жартылайөткізгіш өткелі (Шоттка тосқауылы бар диод), гетероөткел және т.б.
Фотодиодтың жұмыс істеу принципі сәулеленген өткелде өтетін физикалық процестерге негізделеді. Жарық ағыны болмаған кезде (Ф = 0) фотодиодта кері кернеудің әсерінен кері ток пайда болады, оның мәні жартылайөткізгіштердегі негізгі емес заряд тасымалдаушылардың концентрациясымен, өткел ауданымен, бекітуші қабат облысындағы физикалық процестермен және т.б. анықталады. Сыртқы сәулелену болмаған кезде фотодиод жартылайөткізгіштік диодтан еш ерекшеленбейтіндіктен, I = f (U) үшін орынды, ол үшін Ф = 0 шарты орындалуы тиіс. фотодиод үшін осы тәуелділікті темптік вольт-амперлік сипаттама деп атайды.
Фотодиодты жарықтандыру кезінде (Ф > 0) оның базасында жарық квантының әсерінен заряд қосақтарының пайда болу процесі болады. Заряд қосақтары базаның сыртқы бетінде қарқынды жүреді. Қайта қалыптасқан электрондар мен кемтіктер база қалыңдығы арқылы p-n өткелге диффузияланады.
Бұл жұмыстың мақсаты - кремнилық фотодиод спектралдық ауданын кеңіту болатынын көрсету.
1. А.В.Миронов. «Основы астрофотометрии». МГУ, 2003 г., 297 с
2. PIN фотодиод Vishay с повышенной чувствительностью в УФ-диапазоне. http://www.symmetron.ru/news/vishay-TEMD5080X01.shtml
3. Аморфные полупроводники и приборы на их основе. Под ред. Й.Хамакавы, М., “Металлургия”, 1986, 320 с.
4. А.Меден, М.Шо. Физика и применение аморфных полупроводников. М., Мир.1991, 512 с.
5. Аморфные кремний и родственные материалы. Под ред. Х.Фрицше, М., “Мир“,1991, 472 с.
6. Quchi H., Mukai T., Kaamei T., Okamura M. Foto diodes sensitive to ultraviolet radiation // IEEE.. 1979.. Vol. ED-26, N 12.. P. 1965 .1969.
7. Verdebout J., Booker R. L. Degradation of native oxide passivated silicon photodiodes by repeated oxide bias
8. // J. Appl. Phys.. 1984.. Vol. 55, N 2.. P. 406.412.
9. Применение низкотемпературной плазмы для нанесения тонких пленок. М., Энергоатомиздат.1989, 245 с.
10. М.Бродски “Аморфные полупроводники”, М., “Мир”, 1982, 315 с.
11. Итоги науки и техники. Серия Электроника, т.16, Москва, 1984. Раков А.В. “Спектрофотометрия тонкопленочных полупроводниковых структур”, М., “Советское радио”, 1975, 156 с.
12. Дж.Джоунопулос,Дж.Люковский. Физика гидрогенизированного кремния. Том.2 Электронные и колебательные свойства. М., Мир. 1988, 365с.
13. Дж.Джоунопулос., Дж.Люковский. Физика гидрогенизированного кремния. Том.1. Структура, приготовление и приборы. М., Мир. 1988, 286 с.
14. Method of making suspended microstructures. US Patent 5 627 112. Опубл. 6.05.1997 (Tennant, et al. Rockwell International Corporation).
15. IR sensor with enhanced electrical interference protection. US Patent 6, 765, 209. Опубл. July 20, 2004 (Kassovski , et al., Melexis NV).
16. Thermopile infrared sensor, thermopile infrared sensors array, and method of manufacturing the same. US Patent 6, 335, 478. Опубл. Jan 1, 2002 (Chou, et al.).
17. Integrated thermopile sensor for automotive, spectroscopic and imaging applications, and methods of fabricating same. US Patent 5, 689, 087. Опубл. Nov 18, 1997 (Jack, Santa Barbara Research Center).
18. Heat sink for silicon thermopile. US Patent 6, 987, 223. Опубл. Jan 17, 2006 (Schneider, Delphi Technologies, Inc.).
19. Tunable optical instruments. US Patent 7, 002, 697. Опубл. 21.02.2006 (Domash, et al. Aegis Semiconductor, Inc.).
20. Image enhancement in far infrared camera. US Patent 6, 759, 949. Опубл. July 6, 2004 (Miyahara, Visteon Global Technologies, Inc.).
21. Alternative pixel shapes for uncooled micro-bolometers. US Patent 6, 956, 213. Опубл. Oct. 18, 2005 (Antesberger, The United States of America as represented by the Secretary of the Army).
22. Multispectral multipolarization antenna-coupled infrared focal plane array. US Patent 7, 095, 027. Опубл. 22.08.2006 (Boreman, University of Central Florida Research Foundation, Inc., Raytheon Missile Systems).
23. Microbolometer focal plane array with temperature compensated bias. US Patent 7, 105, 818. Опубл. Sept. 12, 2006 (Anderson, et al., Infrared Solutions, Inc.).
24. Adaptively reducing offset in a thermal imaging camera. US Patent 7, 122, 788. Опубл. 17.10.2006 (Owen, et al. L-3 Communications Corporation).
25. Uniform, non-disruptive, and radiometrically accurate calibration of infrared focal plane arrays using global scene motion. US Patent 7, 132, 648. Опубл. 7.11.2006 (Ratiff, et al.,Science & Technology Corporation@UNM
2. PIN фотодиод Vishay с повышенной чувствительностью в УФ-диапазоне. http://www.symmetron.ru/news/vishay-TEMD5080X01.shtml
3. Аморфные полупроводники и приборы на их основе. Под ред. Й.Хамакавы, М., “Металлургия”, 1986, 320 с.
4. А.Меден, М.Шо. Физика и применение аморфных полупроводников. М., Мир.1991, 512 с.
5. Аморфные кремний и родственные материалы. Под ред. Х.Фрицше, М., “Мир“,1991, 472 с.
6. Quchi H., Mukai T., Kaamei T., Okamura M. Foto diodes sensitive to ultraviolet radiation // IEEE.. 1979.. Vol. ED-26, N 12.. P. 1965 .1969.
7. Verdebout J., Booker R. L. Degradation of native oxide passivated silicon photodiodes by repeated oxide bias
8. // J. Appl. Phys.. 1984.. Vol. 55, N 2.. P. 406.412.
9. Применение низкотемпературной плазмы для нанесения тонких пленок. М., Энергоатомиздат.1989, 245 с.
10. М.Бродски “Аморфные полупроводники”, М., “Мир”, 1982, 315 с.
11. Итоги науки и техники. Серия Электроника, т.16, Москва, 1984. Раков А.В. “Спектрофотометрия тонкопленочных полупроводниковых структур”, М., “Советское радио”, 1975, 156 с.
12. Дж.Джоунопулос,Дж.Люковский. Физика гидрогенизированного кремния. Том.2 Электронные и колебательные свойства. М., Мир. 1988, 365с.
13. Дж.Джоунопулос., Дж.Люковский. Физика гидрогенизированного кремния. Том.1. Структура, приготовление и приборы. М., Мир. 1988, 286 с.
14. Method of making suspended microstructures. US Patent 5 627 112. Опубл. 6.05.1997 (Tennant, et al. Rockwell International Corporation).
15. IR sensor with enhanced electrical interference protection. US Patent 6, 765, 209. Опубл. July 20, 2004 (Kassovski , et al., Melexis NV).
16. Thermopile infrared sensor, thermopile infrared sensors array, and method of manufacturing the same. US Patent 6, 335, 478. Опубл. Jan 1, 2002 (Chou, et al.).
17. Integrated thermopile sensor for automotive, spectroscopic and imaging applications, and methods of fabricating same. US Patent 5, 689, 087. Опубл. Nov 18, 1997 (Jack, Santa Barbara Research Center).
18. Heat sink for silicon thermopile. US Patent 6, 987, 223. Опубл. Jan 17, 2006 (Schneider, Delphi Technologies, Inc.).
19. Tunable optical instruments. US Patent 7, 002, 697. Опубл. 21.02.2006 (Domash, et al. Aegis Semiconductor, Inc.).
20. Image enhancement in far infrared camera. US Patent 6, 759, 949. Опубл. July 6, 2004 (Miyahara, Visteon Global Technologies, Inc.).
21. Alternative pixel shapes for uncooled micro-bolometers. US Patent 6, 956, 213. Опубл. Oct. 18, 2005 (Antesberger, The United States of America as represented by the Secretary of the Army).
22. Multispectral multipolarization antenna-coupled infrared focal plane array. US Patent 7, 095, 027. Опубл. 22.08.2006 (Boreman, University of Central Florida Research Foundation, Inc., Raytheon Missile Systems).
23. Microbolometer focal plane array with temperature compensated bias. US Patent 7, 105, 818. Опубл. Sept. 12, 2006 (Anderson, et al., Infrared Solutions, Inc.).
24. Adaptively reducing offset in a thermal imaging camera. US Patent 7, 122, 788. Опубл. 17.10.2006 (Owen, et al. L-3 Communications Corporation).
25. Uniform, non-disruptive, and radiometrically accurate calibration of infrared focal plane arrays using global scene motion. US Patent 7, 132, 648. Опубл. 7.11.2006 (Ratiff, et al.,Science & Technology Corporation@UNM
Қазақстан Республикасының Білім және ғылым министрлігі
әл-Фараби атындағы Қазақ ұлттық университеті
Сапарбаев Н.А.
ДИПЛОМДЫҚ ЖҰМЫС
КРЕМНИЙ ФОТОДИОДТЫҢ СПЕКТРАЛДЫҚ АУДАНЫН КЕҢІТУ
050611-Астрономия мамандығы
Алматы 2012
Қазақстан Республикасының Білім және ғылым министрлігі
әл-Фараби атындағы Қазақ ұлттық университеті
Физика-техникалық факультеті
Қатты дене физикасы және бейсызық физика кафедрасы
Қорғауға жіберілді
________Кафедра меңгерушісі _____________ Приходько О.Ю.
ДИПЛОМДЫҚ ЖҰМЫС
КРЕМНИЙ ФОТОДИОДТЫҢ СПЕКТРАЛДЫҚ АУДАНЫН КЕҢІТУ
050611-Астрономия мамандығы бойынша
Орындаған Сапарбаев
Н.А
Ғылыми жетекшісі
ф-м.ғ.к., доцент Сванбаев Е.А.
Норма бақылаушы Тлеубаева И.С.
Алматы 2012
РЕФЕРАТ
Бітіру жұмысы 60 беттен, 49 формуладан, 21– суреттен, 25 - әдебиеттер
тізімінен тұрады.
Жұмыстың мақсаты: Kремний фотодиодтың сәуле қуатына тәуелділігін
зерттеу; Жасыл және көк жарық диодтарымен жарықтандырған кезде
рекомбинацияның квадраттық сипаттамасын куәландыратын сызықтық емес
тәуелділік орын алатынын көрсету.
Глоссарий
Фотоэлектрлік эффект – бетіне әсірекүлгін сәуле түскен кезде сілтілік
металдарда электрондардың ұшып шығу құбылысы.
Фотоөткізгіштік – электромагниттік сәуле әсер еткен кездегі
жартылайөткізгіштің электрөтімділігінің үлкею құбылысы.
Фоторезистор - өткізгіштігі жарықтың әсеріне байланысты өзгеретін
жартылайөткізгіштік прибор.
Болометр – сәулеленудің селекті емес жылулық қабылдағыш, шағылу
кезіндегі электрлік кедергінің өзгеруіне негізделген.
Микрофотометр – пластинканың қараюының дәрежесін өлшейтін құрал.
Оптрондар – бір корпусқа орнатылған осы немесе басқа оптикалық
байланыстағы сәулелену көзі және қабылдағышы бар оптоэлектрондық прибор.
Қысқартулар мен белгілеулер
∆W – жартылайөткізгіштің тиым салынған аймағының ені
d – жартылайөткізгіштің қалыңдығы
ВАМ- вольт-амперлік мінездеме
ИҚ – инфрақызыл
μ - шұңқырдың жылжуы
Ћ – Планк тұрақтысы
е –электрон заряды
ν - электромагниттік сәулеленудің критикалық жиілігі
R - жарықтық кедергі
K - кедергінің өзгеру қысқалығы
μ- электрондар жылжуы
TDI – time delay integration
N - түсті фотонның интенсивтілігі
ЭҚК – электр қозғаушы күші
ЗБҚ – зарядтық байланысы бар құрылғылар
МДЖ – металл-диэлектрик-жартылайөткізгіш
HST- HUBBLE SPACE TELESCOPE
МАЗМҰНЫ
КІРІСПЕ 6
1 КРЕМНИЙ ФОТОДИОДТАРЫНЫҢ АНЫҚТАМАСЫ МЕН ҚҰРЫЛЫМЫ 7
1.1 Кремний фотодиодының қасиеттері 7
1.2 Фотодиодтардың түрлері 11
1.3 Астрофотометриядағы сәуле қабылдайтын құралдар 11
1.4 Көп элементті матрицалық жарықсезгіш приборлар 18
1.5 Жартылайөткізгіштердің фотоөткізгіштігі 21
1.6 Фотоөткізгіштіктің элементар теориясы 23
1.7 Гетероауысулар 26
2 ФОТОДИОДТАР ЖӘНЕ ОЛАРДЫҢ ЖҰМЫС ІСТЕУ ПРИНЦИПІ 27
2.1 Фотодиодтардың жұмыс істеу барысында өтетін құбылыстар 27
2.2 Фотодиодтардың негізгі параметрлері мен сипаттамалары 33
2.2.1Фотодиодтардың жиіліктік сипаттамалары 33
2.3 Шуылдар мен фотодиодтардың тапқыштық қабілеті 33
2.4 Жоғары жиілікті фотодиодтар 35
2.5 Фототокты іштей күшейтетін фотоқабылдағыштар 38
2.6 Фотоэффект құбылысы және оның физикалық негізі 40
2.7 Фототранзисторлар 41
2.8 Хаббл телескопының ғарыштық жобасы 43
3 ФОТОДИОД ҚҰРЫЛЫМЫНДАҒЫ КРЕМНИЙДІҢ ЕРЕКШЕ ҚАСИЕТТЕРІ 46
3.1 Нанокристалды кремний 46
3.2 Нанокристалды кремнийдің қасиеттері 48
3.3 Нанокристалды кремниді алу әдісі 52
ҚОРЫТЫНДЫ 56
ҚОЛДАНЫЛҒАН ӘДЕБИЕТТЕР 57
КІРІСПЕ
Фотодиодтар – түсетін жарық ағынының әсерінен кері ығысқан p-n өткел
арқылы қосымша ток (фототок) тудыратын шапшаң қозғалатын заряд
тасымалдаушылар қалыптасатын жартылайөткізгіштік диод.
Фотодиодтың құрылысы мен оны қосу сүлбесі 1, а және б суреттерде
келтірілген. база ретінде қолданылатын n-германий дөңгелек пластинасы
шынымен жабылған терезеге қарсы металл корпустың ішіне орналастырылған.
Электронды-кемтікті өткел германиден жасалынған пластинаға индий тамшыларын
тамызу арқылы жасалынған. Осылайша, фотодиодта жарық ағыны p-n өткелдің
жазықтығына перпендикуляр бағытталған. жартылайөткізгіш кристалының
орналасуының өзге же орналасуы мүмкін: мұнда жарық ағаны өткел жазықтығына
параллель таралады.
Фотодиодтарда белсенді элемент ретінде түрлі электрлік өткелдер
қолданылады: анық симметриялы p-n өткел, p-i-n өткел, эмиттердің қалыңдығы
бойынша өзгеретін қоспалар концентрациясы бар электронды-кемтікті өткел,
металл – жартылайөткізгіш өткелі (Шоттка тосқауылы бар диод), гетероөткел
және т.б.
Фотодиодтың жұмыс істеу принципі сәулеленген өткелде өтетін физикалық
процестерге негізделеді. Жарық ағыны болмаған кезде (Ф = 0) фотодиодта кері
кернеудің әсерінен кері ток пайда болады, оның мәні жартылайөткізгіштердегі
негізгі емес заряд тасымалдаушылардың концентрациясымен, өткел ауданымен,
бекітуші қабат облысындағы физикалық процестермен және т.б. анықталады.
Сыртқы сәулелену болмаған кезде фотодиод жартылайөткізгіштік диодтан еш
ерекшеленбейтіндіктен, I = f (U) үшін орынды, ол үшін Ф = 0 шарты орындалуы
тиіс. фотодиод үшін осы тәуелділікті темптік вольт-амперлік сипаттама деп
атайды.
Фотодиодты жарықтандыру кезінде (Ф 0) оның базасында жарық квантының
әсерінен заряд қосақтарының пайда болу процесі болады. Заряд қосақтары
базаның сыртқы бетінде қарқынды жүреді. Қайта қалыптасқан электрондар мен
кемтіктер база қалыңдығы арқылы p-n өткелге диффузияланады.
Бұл жұмыстың мақсаты - кремнилық фотодиод спектралдық ауданын кеңіту
болатынын көрсету.
1 КРЕМНИЙ ФОТОДИОДТАРЫНЫҢ АНЫҚТАМАСЫ МЕН ҚҰРЫЛЫМЫ
1.1 Кремний фотодиодының қасиеттері
Фотодиодтар – түсетін жарық ағынының әсерінен кері ығысқан p-n өткел
ақрылы қосымша ток (фототок) тудыратын шапшаң қозғалатын заряд
тасымалдаушылар қалыптасатын жартылайөткізгіштік диод.
Фотодиодтың құрылысы мен оны қосу сүлбесі 1, а және б суреттерде
келтірілген. база ретінде қолданылатын n-германий дөңгелек пластинасы
шынымен жабылған терезеге қарсы металл корпустың ішіне орналастырылған.
Электронды-кемтікті өткел германиден жасалынған пластинаға индий тамшыларын
тамызу арқылы жасалынған. Осылайша, фотодиодта жарық ағыны p-n өткелдің
жазықтығына перпендикуляр бағытталған. жартылайөткізгіш кристалының
орналасуының өзге же орналасуы мүмкін: мұнда жарық ағаны өткел жазықтығына
параллель таралады.
Фотодиодтарда белсенді элемент ретінде түрлі электрлік өткелдер
қолданылады: анық симметриялы p-n өткел, p-i-n өткел, эмиттердің қалыңдығы
бойынша өзгеретін қоспалар концентрациясы бар электронды-кемтікті өткел,
металл – жартылайөткізгіш өткелі (Шоттка тосқауылы бар диод), гетероөткел
және т.б.
Фотодиодтың жұмыс істеу принципі сәулеленген өткелде өтетін физикалық
процестерге негізделеді. Жарық ағыны болмаған кезде (Ф = 0) фотодиодта кері
кернеудің әсерінен кері ток пайда болады, оның мәні жартылайөткізгіштердегі
негізгі емес заряд тасымалдаушылардың концентрациясымен, өткел ауданымен,
бекітуші қабат облысындағы физикалық процестермен және т.б. анықталады.
Сыртқы сәулелену болмаған кезде фотодиод жартылайөткізгіштік диодтан еш
ерекшеленбейтіндіктен, I = f (U) үшін орынды, ол үшін Ф = 0 шарты орындалуы
тиіс. фотодиод үшін осы тәуелділікті темптік вольт-амперлік сипаттама деп
атайды.
Фотодиодты жарықтандыру кезінде (Ф 0) оның базасында жарық квантының
әсерінен заряд қосақтарының пайда болу процесі болады. заряд қосақтары
базаның сыртқы бетінде қарқынды жүреді. Қайта қалыптасқан электрондар мен
кемтіктер база қалыңдығы арқылы p-n өткелге диффузияланады.
Кемтіктер контактілі өрісімен қоса кетіп, p-облысына лақтырылып
тасталады, осылайша өткел арқылы негізгі емес заряд тасымалдаушылардың ағын
тығыздығы артады, сәйкесінше, прибордағы кері ток мәні де ұлғаяды. Қайта
қалыптасқан кемтітер көп жағдайда p-n өткел облысына жетуі үшін базаның
қалыңдығы кемтіктердің диффузиялық ұзындығынан кем болуы тиіс: w Lp.
Процесс (1) шарт орындалған жағдайда анағұрлым тиімді жүреді. Осы
талапқа сәйкес фотодиод базасының қалыңдығына сәйкес таңдЫалады.
Вольт-амперлік сипаттамалары. Фотодиод арқылы өтетін токтың берілген
кернеуге тәуелділігін анықтау үшін ертеректе алынған (2) қатынасты
қолданамыз:
(1)
Қарастырылып отырған жағдайда сыртқы тізбекте қосымша кернеу көзі болады
және сәйкесінше, p-n өткелдегі кернеу мынаған тең болады:
(2)
Осыны ескере отырып, (2) теңдеуді былайша түрлендіріп жазамыз:
(3)
(3) сәйкес тұрғызылған фотодиодтың вольт-амперлік сипаттамалары (1а сурет)
сәулеленген p-n өткелдің вольт-амперлік сипаттамасынан тұрады (2- сурет).
Жоғарыда айтылғанындай, көлеңкелік сипаттама (Ф = 0) диодтың вольт-амперлік
сипаттамасының кері тармағы болып саналады. Сондықтан кремнийден жасалынған
фотодиодтарда көлеңкелік ток германиден жасалынған фотодиодтармен
салыстырғанда айтарлықтай аз болады, ал кері кернеу артқан кезде оның да
қоса артуы жартылайөткізгіштік диодтар жағдайындағыдай түсіндіріледі.
Жарық ағыны артқан сайын фототок (1) сәйкес сызықты өседі, ал бұл Ф 0
және
= const шартына сәйкес сипаттамалардың эквидистанттылығын анықтайды.
Фотодиодтың энергетикалық сипаттамалары (1, б сурет) жарық ағынының кең
өзгеру интервалында жеткілікті мөлшерде сызықты болады. Кері кернеу артқан
кездегі фототоктың да қоса артуы бекітуші қабаттың кеңеюімен және сәйкес
база енінің кемуіиен түсіндіріледі, осының нәтижесінде негізгі емес заряд
тасымалдаушылардың аз бөлігі база қалыңдығында p-n өткелге диффузия
процесінде рекомбинацияланады.
Германий және кремнийден жасалынған фотодиодтардың салыстырмалы
спектрлік сипаттамалары 1, в суреттерде бейнеленген. фотодиодты
сәулелендіру кезіндегі заряд қосақтарының қалыптасуы негізінен меншікті
жұтылуға негізделеді. Сондықтан рұқсат етілмеген зонасының ені анағұрлым
үлкен () кремнийден жасалынған приборлардың спектрлік сипаттамаларының
максимумдары германиден жасалынған (w 0,72 эВ). приборларға қарағанда
кіші мәндеріне сәйкес келеді. осы себепті германиден жасалынған
приборлар үшін ұзын толқынды шекара анағұрлым ұзын толқындар аумағында
жатыр.
Қысқа толқындар маңына қарай сезімталдылықтың азаюы мынадай себептермен
түсіндіріледі. Осы облыста коэффициенті жеткілікті үлкен (
105 см~1), фотондар негізінен базаның сыртқы бетімен жұтылады, мұнда
беттік орталықтардағы рекомбинация ықтималдылығы айтарлықтай үлкен және p-n
өткелге сәйкес келетін негізгі емес заряд тасымалдаушылардың саны кеми
түседі.
Фотодиодтың жиіліктік сипаттамасы (1, г сурет) прибордың жарықтылық
бойынша модульденген жарық ағынына қарсы жауабын көрсетеді. Абцисса өсімен
ағын жарықтылығының Ф модуляция жиілігі салынған. жиілік артқан сайын
фототоктың артуы фотодиодтың инерциялық қасиеттерінің бар екендігін
дәлелдейді.
1сурет - Фотодиодтың (а) вольт-амперлік (б) энергетикалық (в) спектрлік
және (г) жиіліктік сипаттамалары.
1-германилі фотодиод; 2-кремнилі фотодиод.
Фотодиодтардың инерциялығы бірқатар факторларға негізделген: оның
ішінде өткел сиымдылығының заряд уақыты, сонымен қатар
тасымалдаушылардың өткелге диффузиясы уақыты мен тасымалдаушылардың
өткелдегі көлемдік заряд облысы арқылы өту уақытттары маңызды рөл атқарады.
Егер жарық ағыны модульдейтін тербелістер периоды тасымалдаушылардың
қозғалысының қосынды уақытымен салыстыруға келетіндей болса, онда
прибордағы токтың өзгеру процестері жарық ағыны интенсивтлігінінің шапшаң
өзгерістерінің соңынан ілесе алмай қалады. Нәтижесінде жиілік артқан сайын
фотодиод жүктемесіндегі токтың айнымалы құраушысының амплитудасы кемиді
және жарық ағынын тудыратын тербелістер арасындағы фазалық ығысу мен
прибордағы токтың айнымалы құраушысы артады. [23] еңбекте мәнінде ток
амплитудасы модуляцияның төменгі жиілігіндегі мәнімен салыстырғанда
есе кемиді, ал фазалық ығысу 70° - тан асады. Қарастырылып отырған
құрылымдағы фотодиодта өткелдегі көлемдік заряд облысы жеткілікті тар және
тасымалдаушылардың қозғалысының негізгі уақыты базадағы кемтіктердің
диффузиясымен анықталады: (п — Ge) :. Біздің жағдайымызда әдеттегі
жартылайөткізгіш диодпен салыстырғанда кемтіктер базадан өткелге
диффузияланады, уақыт шамамен осы мәннен екі есе асып түседі.
Сондықтан (1) ескере отырып, мынаны жазуға болады:
Осы жерден айнымалы ток құраушысының амплитудасы есе кемитін
(), шекаралық жиілік мынаған тең болады:
Жартылайөткізгіштерде әдетте электрондардың қозғалғыштығы кемтіктермен
салыстырғанда жоғары болады және сәйкесінше, . Сондықтан инерциялық
қасиеттер көзқарасы тұрғысынан n-жартылайөткізгіш негізіндегі базасы бар
фотодиодтарға басымдылық беріледі.
Фотодиодтардың параметрлері. Фотодиодтардың параметрлеріне алдымен оның
жұмыс режимін анықтайтын барлық электрлік шамалар жатады: номинал жұмысшы
кернеу мен максимал мүмкін болатын кері кернеу . Фотодиодтардың
параметрлері ретінде фоторезисторларда қолданылатын шамалар алынады. Олар
сәулелендіруші жарықтың әсерінен электр сигналдарын қалыптастырады және
жарық сигналдарын табу және тіркеу үшін қажет. Осы параметрлерге
сезімталдылық s, шекаралық жиілік, шекті ағынмен табушы қасиеті D
жатады.
Осы параметрлерді жақсарту мақсатында соңғы жылдары бірқатар фотодиодтар
жасалынды, олардың құрылысы қарастырылып отырған құрылғылардан аздап
ерекшеленеді.
1.2 Фотодиодтардың түрлері
Бекітілген электр өрісі бар фотодиод. Осы прибордың энергетикалық
диаграммасы 1в суретте келтірілген. Осындай фотодиодтағы электронды-
кемтікті өткел м-жартылайөткізгіштің пластинасына акцепторлық қоспалардың
диффузиясы арқылы туады. Осы тұста базадағы қоспалардың концентрациясы
біртексіз болады, оның мәні база бетінен өткел бағытына қарай кеми түседі.
Акцепторлық атомдардың жылулық иондануы салдарынан базадағы кемтіктердің
концентрациясы да біртексіз болып қалады, оның өзі өткелге қарай
диффузияланып, база бетіндегі ионданған акцепторлық атомдардың теріс
зарядтары ашыла түседі. Базада кернеулік векторы база бетіне бағытталған
өріс туады. Базаны сәулелендіру кезінде жарық ағыны тудыратын заряд
тасымалдаушылар осы өріспен ажыратылады. өткелге қарай электрондардың
қозғалысы енді тек диффузиямен ғана емес, сонымен қатар өрістегі
дрейфпен де сипатталады. осының салдарынан базадағы электрондар
қозғалысының қосынды сомасы кемиді.
Бекітілген өрісі бар фотодиодтардың жиіліктік қасиеттерін жақсартуға
приборды диффузиялық әдіспен жасау кезінде базаның қалыңдығы 3-5 мкм дейін
кемітілетін жағдай да үлес қосады.
p-i-n типті фотодиод германиден де, кремниден де жасалына береді. Оның
ерекшелігі мынада: жартылайөткізгіштің р- және n-облыстары i қабатымен –
меншікті жартылайөткізгіш қабатымен ажыратылған. Осылайша, приборда екі
өткел қалыптасады: p-i типті және n-i типті. Алайда, егер фотодиодқа қос
өткелдің заряд облыстарымен шамалас кері кернеу берілген болса, онда
бекітуші қабаты i-облыста жататын бір ғана өткел түзіледі.
1.3 Астрофотометриядағы сәуле қабылдайтын құралдар
Астрофизиканың бір маңызды тәсілі астрофотометрия, яғни аспан
шырақтарының шығаратын сәулелерін (радиациясын) өлшеу. Осы мақсат үшін
қолданылатын құралдарды фотометрлер дейді. Фотометрлердің сәулені
қабылдайтын негізгі бөліктері: фотопластинка, фотоэлемент, термоэлемент,
болометр. Сәуле қабылдағыштың бір түрі өзіміздің көзіміз. Көз,
фотопластинка, фотоэлемент жиілігі әртүрлі сәулелерді бірдей сезбей, тек
оларды екшеп, сезеді. Көз өте-мөте сары (толқын ұзындығы 0,55 микрон)
сәулелерді жақсы сезеді. Кәдімгі фотопластинка өте күлгін (толқын ұзындығы
0,45 микрон) сәулелерді сезгіш.
Енді фотометрлердің кейбір түрлерін қарастырайық. Мұндай құралдар өте
сезімтал және бақылаушы адамға тәуелді емес. Соңғы жылдарда шыққан
электрондық фотокөбейткіш деген құралдар арқылы фотоэлемент сезбейтін өте
бәсең жарықты да өлшеуге мүмкіндік туды. Осы күнде жаңа электрондық
техникада сигналдар құрылымының фотоэлектрлік және электрооптикалық
принципіне негізделген жартылайөткізгіш приборлар кеңінен қолданылады.
Осылардың бірі нәтижесінде ондағы жарық энергиясының жұтылуы болатын заттың
электрофизикалық құрамының өзгеруімен негізделген принцип. Осыдан заттың
өтімділігі өзгереді немесе фотосезгіштік элемент қосылған шынжырдағы токтың
өзгеруіне әкелетін ЭҚК туады. Екіншісі жарықсәулелендіретін ток элементінен
өтетін заттың сәулелену генерациясымен байланысты принцип. Көрсетілген
принциптер оптоэлектрониканың ғылыми негізін құрайды – ақпаратты сақтауда,
өңдеуде және тасымалында электрлік сияқты оптикалық әдістер мен тәсілдер
қолданылатын жаңа ғылыми техникалық бағыт.
Осы кезде оптикалық электрониканың приборларынсыз техника мен ғылымның
әртүрлі облыстарында даму мүмкін емес. Оптикалық электроника бұрыннан адам
өмірінде маңызды роль атқарады. Ал жыл өткен сайын оны адам іс-әрекетіне
енгізу қарқынды түрде дамып келеді.
Жарық қабылдаушы – көз (теңгеру фотометрі). Бұл фотометрде бақылаушы
трубадан қарап жалтырауын өлшегелі отырған жұлдызбен қатар, жанып тұрған
электр лампасының кішкене қылын – салыстыру жұлдызын да көреді. Бақылаушы
бұл жасанды жұлдыздың жарықтығын нашарлатып отырып, әлгі өлшегелі отырған
жұлдыздыкімен теңгереді. Неше есе нашарлатқаны белгілі болады; ендеше
осыған сүйеніп әлгі жұлдыздың жалтырауын да есептеп шығарады. Фотометрияда
көзбен бақылаудың маңызы төмендеп, оны күннен күнге механикаландырып
келеді.
Жарық қабылдаушы – фотопластинка. Осы кезде фотографиялық фотометрия
көп қолданылады. Неғұрлым жұлдыз жарығырақ болған сайын, солғұрлым
фотографиялық негативтерде оның дөңгелекше кескінінің диаметрі үлкендеу
болады және ол кескін солғұрлым қараңғылау болады. Сонда, жұлдыздың
жалтырауын дөңгелекшенің диаметрін өлшеу арқылы да, қараюының дәрежесін
өлшеу арқылы да есептеп шығаруға болады.
Мұндай әдіспен Күн атмосферасы, тұмандық сияқты аумақты объектілердің
жалтырауын анықтаумен қабат, олардың әр жеріндегі заттардың қалай таралуын
да анықтауға болады. Пластинканың қараюының дәрежесін өлшейтін құралды
микрофотометр дейді. Жарық қабылдағышы термоэлемент не фотоэлемент болатын
фотометрлер де астрономияда жаппай тарап келеді. Аспан денесінен келген
жарық тесікше терезеден өтіп, не термоэлементке не фотоэлементке түсіп,
электр тогын (термо не фототок) туғызады. Бұл токты өлшеу арқылы жарықтың
энергиясын анықтауға болады.
Мұндай құралдар өте сезімтал және бақылаушы адамға тәуелді емес. Соңғы
жылдарда шыққан электрондық фотокөбейткіш деген құралдар арқылы фотоэлемент
сезбейтін өте бәсең жарықты да өлшеуге мүмкіндік туды.
Болометр – бұл да түскен жарықтың энергиясын өлшейтін құрал. Мұнда
түскен жарықтың жылуының әсерінен қарайтылған металл пластинкасының
кедергісі өзгереді, сондықтан ондағы ток күші өзгереді. Токтың күші бойынша
жарық энергиясын есептеп шығарады. Болометрдің пластинкасын спектрдің әр
жеріне қойып, әртүрлі сәуленің энергиясын жеке-жеке өлшеуге де болады.
Аспан денелерінің радиацияланған фотометриялық бақылаулар арқылы өлшегенде
физикадағы сәуле шығару (Стефан-Больцман т.т.) заңдары көп қолданылады.
2 сурет- фотодиодтың энергетикалық диаграмасы
3 сурет- p-i-n фотодиодтың энергетикалық диаграммасы
Осындай фотодиодтағы базаны жеткілікті жұқа етіп жасайды, сондықтан
фотондардың меншікті жұтылуының негізгі актілері i-облысқа сәйкес келеді.
прибордағы генерацияланған тасымалдаушылардың негізгі қозғалыс уақыты
олардың i-облыс арқылы дрейфімен анықталады:
(4)
Осы жерден fгр = жиілік үшін мынаны жазуға болады:
, (5)
Мұндағы а — өткелдегі контактілі өріс.
p-i-n фотодиодтары симметриялы p-n өткелден тұратын фотодиодтар сияқты
жиіліктері 10 ГГц дейін жететін сигналдарды табу үшін кеңінен қолданылады.
Осындай типтегі фотодиодтардың артықшылықтары рұқсат етілетін кері
кернеулер мен өткел сиымдылығының аздығымен байқалады.
Шотка тосқауылына ие фотодиод. Осы диодтың құрылымы мен энергетикалық
диаграммасы 3 суретте бейнеленген. Кремний кристалының бетіне алтынның
жұқат қабаты жағылған (0,01 мкм), оның өзі жұқа диэлектрик қабықшасымен
қапталған, осылайша жарықтандырушы жабын түзіледі. Кремний, алтын мен
күкіртті мырыштың сыну коэффициенттерінің әр түрлілігінің салдарынан жарық
сәулесі белгілі бір толқын ұзындығынан бастап, осы қабықшалардың
шекарасынан шағыла отырып, аз шығынмен металл қабықша арқылы кремний
кристалына енеді. Мысалы, гелий-неон лащермен алынған ( 0,63 мкм)
жарық ағыны өткенде қуаттың тек 5%-ы ғана жоғалады.
4 сурет- құрылғының және фотодиодтың энергетикалық диаграммасы (Шоттки
барьерімен)
Егер фотон энергиясы hv онда кремний кристалында, оның бетінде
меншікті жұтылу байқалады. Қалыптасқан электрондарың өткелге дрейфі болады,
осылайша фототок қалыптасады.
Жоғары кері кернеулерде бекітуші қабаттағы қозғалатын бөлшектердің
энергиясы валенттік байланыстарды үзу үшін жеткілікті (соқпа иондану). Осы
жағдайда өткелдің көшкіндік бұзылуына тән заряд тасымалдаушылардың
көшкіндік көбею процесі қалыптасуы мүмкін. Осы құбылыс көшкіндік
фотодиодтарда қолданылады, оның негізінде тек Шоттка тосқауылы ғана емес,
сонымен қатар әдеттегі p-n өткел де жатуы мүмкін.
Көшкіндік фотодиод. 4 суреттерде планарлық технология әдісімен
жасалынған p-n өткелі бар кремнийлік көшкіндік фотодиодтың, сонымен қатар
Шоттка тосқауылы бар платина-кремнийлік фотодиодтың құрылымдары
келтірілген. Қос приборда фотосезімтал облыс диаметрі кіші дөңгелек терезе
ретінде орындалған (40-60 мкм). Осы облыстың аса үлкен емес өлшемдері
приборға қойылатын талаптардың біріне негізделген: тасымалдаушылардың
көшкін тәрізді көбеюі белгілі бір кері кернеу мәнінде кристалдың барша
көлемінде сәулелендірілген бет маңында жүзеге асады. Фотосезімтал
ауданшаның үлкен өлшемдерінде қалыңдығы бойынша біртекті және құрылымы
бойынша жұқа кристалл бетінде n+—Si немесе PtSi қабықшаны (0,1—0,3 мкм) алу
қиынға соғады. Біртексіз қабықшада көшкіндік кедергі кернеуінің төменгі
мәні байқалатын микробөлімшелер түзілуі мүмкін, осының салдарынан
тасымалдаушылардың көшкіндік көбеюі кристалдың аз көлемінде ғана жүзеге
асады және фототоктың тығыздығы кемиді.
Қабықшаның шетінде кернеудің төменгі мәндерінде жергілікті көшкіндік
кедергінің алдын алу үшін сақтау сақинасы – негізгі кристалдың
өткізгіштігінің мәнімен шамалас, бірақ, қоспаларының концентрациясы аз
болатын сақиналы қабат қолданылады.
Қоспалардың концентрациясы градиентінің аздығы мен қисықтық радиусының
үлкендігінің салдарынан сақтау сақинасының периметрі бойынша кедергі
белсенді облыспен салыстырғанда жоғары кернеулерде қалыптасады.
Көшкіндік фотодиодта өтетін физикалық процестер әдеттегі фотодиодтан
электронды-кемтікті өткелдің бекітуші қабаттындағы жарық тудыртын
тасымалдаушылардың қосымша көшкіндік көбеюйімен ерекшеленеді. Осы процестің
салдарынан сыртқы тізбектің жарықтың әсерінен болатын зарядтар қосағы
тогы мен көлеңкелі токпен тудырылатын токпен салыстырғанда М рет
артады, мұнда
М= (14-42) – тасымалдаушылардың көбею коэффициенті.
5 сурет- Лавиндік фотодиодның кремнилік құрылғысының ток өткізбейтін
қоршауы және Шоттка барьерімен лавиндік фотодиод
Көшкіндік көбеюдің салдарынан фототоктың артуын әдебиеттерде әдетте бірінші
текті фототоктың күшеюі немесе фотокөбею деп те аталады. М коэффициенті (10-
59) өрнекке ұқсас көшкіннің дамуының нәтижесінде қалыптасқан кемтіктер
санының көшкіндік процесті тудырған бірінші текті кемтіктердің санына
қатынасымен анықталады. Белгілі бір таңбалы тасымалдаушылардың көшкінінің
дамуы прибордағы жарық кванттарының жұтылу ерекшеліктерімен анықталады.
Жоғарыда аталғанындай, жұтылу коэффициентінің мәні түрлі толқын
ұзындықтары үшін әр түрлі болады. кремний үшін толқын
ұзындығында, ал 0,85 мкм тең толқын ұзындығында оның мәні 7-102 см-1
дейін кемиді. Жұтылу қалыңдығы w қабатта өтетіндіктен, онда қысқа
толқынды сәулелену кезінде (0,4 мкм) жарық кванттары -р
диодында беттік қабатта жұтылады; өткел арқылы негізгі емес тасымалдаушылар
– кемтіктер өтеді және нәтижесінде кемтіктердің көшкіні болады. ұзын
толқынды сәулелену барысында негізгі жұтылу актілері өткел артында өтеді
және сәйкесінше, көлемдік заряд облысына көшкін тудыра отырып, электрондар
келеді.
Көбею коэффициенті мен приборға берілген кернеу арасындағы байланыс (10-60)
ұқсас тәуелділікпен сипатталады:
(6)
Мұндағы - өткелдегі кернеу; R — фотодиодтың жүйелі көлемдік
кедергісі.
Осы қатынастан максимал көбею коэффициентінің өрнегін шығарып алуға болады:
(7)
М үлкен мәндеріне қол жеткізу үшін көлеңкелік токты кеміту, сонымен
қатар көлеңкелік токты , сонымен қатар көлемдік R кедергіні кеміту
керек. Көшкіндік Шоттка тосқауылына ие фотодиодтарда М мәні 30—35 дейін
жетеді. (14-42) және (14-43) өрнектерін ескере отырып, R кедергіні аз деп
есептеп, сәйкесінше, Uпердеп тұжырымдап, фотодиодтың вольт-амперлік
сипаттамасы үшін өрнекті шығарып алуға болады (14-19 сурет):
(8)
1.4 Көп элементті матрицалық жарықсезгіш приборлар
Көп элементті матрицалық жарықсезгіш приборлардың ішінде зарядтық
байланысы бар құрылғылардың (ЗБҚ) фотометриялық приборлардың орны ерекше.
Зарядтық байланысы бар приборлардың негізінде металл-диэлектрик-
жартылайөткізгіш (МДЖ) - конденсатор жатыр. Жартылайөткізгіш ретінде,
әдетте, кремний қолданылады, ал диэлектрик - кремний тотығы .
Әдеттегі ЗБҚ былайша жасалады. Жартылайөткізгіштік подложкаға (мысалы,
p-типті өткізгіші бар) диэлектриктің жұқа қабаты қалыптасады (0.1-0.15мкм).
Бұл қабатқа өткізгіш электрод жолақтары орналастырылады (өткізгіш
электродтар) (металл немесе поликристалдық кремний). Бұл электродтар
сызықты немесе матрицалық тізбекті құрайды, бұл кездегі электродтардың
арасындағы қашықтық аз болатыны соншалықты көрші электродтардың өзара
әсерлесу эффектілері едәуір болады. ЗБҚ жұмыс істеу принципі электродтарға
сыртқы электр кернеуін бергенде жартылайөткізгіштің беткі қабатында пайда
болатын потенциалдық шұңқырларда зарядтық пакеттердің түзілуіне, сақталуына
және бағыттық берілуіне негізделеді.
Егер бұл конденсатордағы металл электродқа оң кернеу берілсе, онда МДЖ-
құрамында электр өрісі пайда болады, оның әсерінен негізгі заряд тасушылар
(кемтіктер) шапшаң жылдамдықпен (пикосекунд бірлігінде) жартылайөткізгіштің
бетінен ұшып шығады. Нәтижесінде беткі қабатта кедейленген қабат пайда
болады. Оның қалыңдығы микрометрдің бірлік үлесін құрайды. Кедейленген
қабатта қандайда бір процестердің (мысалы,жылулық) әсеріне генерацияланған
немесе беткі қабатқа диффузияның салдарынан жартылайөткізгіштің бейтарап
облыстарынан келіп түскен негізгі емес заряд тасушылар (электрондар) (өріс
әсерінен) жартылайөткізгіш-диэлектрик шекарасына қарай жылжыйды және олар
тор инверсті қабатта локальданады(0,01 мкм)осылайша, беткі қабатта
электрондар үшін потенциалдық шұңқыр пайда болады, олар онда өріс әсерінен
кедейленген қабаттан келіп түседі. Кедейленген аймақта пайда болған негізгі
тасушылар (кемтіктер) өріс әсерінен жартылайөткізгіштің бейтарап бөлігіне
кері серпіледі. Белгілі бір уақыттан соң (1-100с) кернеу бергеннен кейін
МТЖ-құрылым заряд тасушыларының концентрациясы уақыт бойынша тұрақты болып
қалатын стационар инверсті қабаттың пайда болуымен сипатталатын
термодинамикалық тепе-тең күйге өтеді.
ЗБҚ-да МДЖ-құрылымының бейстационар күйі қолданылады. Тасушылардың
термогенерациясының жылдамдығы өте аз болғандықтан МДЖ-құрылымының
потенциалдық шұңқырын уақытша сигналдық заряд пакеттерін сақтау үшін
қолдануға болады. Негізінен сақтаудың максимал уақыты беткі қабатта және
кедейленген аймақта электрон-кемтіктік термогенерация процестерімен
шектеледі. Шынында да, жинақталған паразиттік заряд цифрлық немесе
аналогтік ақпаратты сақтауды сипаттайтын сигналдық зарядты бұзады.
Сақтаудың максимал уақыты жартылайөткізгіштің қасиеттерімен, сонымен бірге
бұзылудың рұқсат етілетін дәрежесімен анықталады және нақты құралдарда
(мәжбүрлі суытусыз) бірлік немесе ондық милли секундты құрайды.
ЗБҚ-берілетін сыртқы электр өрістерінің әсерінен бір-біріне әсер
ететін, подложкада қалыптасатын МДЖ-құрылымдарының жиыны көрші потенциалдық
шұңқырлардың әсерлесуі электродтардың арасындағы арақашықтықтың аз болуынан
(0.1-1мкм) немесе жартылайөткізгішке қалыптасып үлгеретін және көрші
потенциалдық шұңқырларды электрлік байланыстыратын арнайы легірленген
облыстарды жасағанда болады. Көршілес потенциалдық шұңқырларының
әсерлесуінің салдарынан зарядтардың бағытталуын қамтамасыз етуге болады.
Мұндай зарядтарды беру процесін басқарылатын электродтарға берілетін электр
импульстерінің арнайы тізбекті периодтылығымен басқаруға болады.
Егер ЗБҚ жарықтандырса, онда жартылайөткізгіште жұтылатын фотондар
электрон-кемтіктердің жұбының генерациясын тудырады. Кремнийде валентті
электронды шығару үшін сәулелік энергияның квантының энергиясы
жартылайөткізгіштің рұқсат етілмеген зонасының потенциалынан асып түсуі
тиіс. Кремний үшін бұл 1.1еB аз ғана үлкен. Егер ЗБҚ-на энергиясы Ћν1.1еB
фотон келсе онда ол электронды жұлып алып, жұлынған электрон потенциалдық
шұңқырға қарай жылжыйды. Егер келген фотонның энергиясы 4еB көп болса
мұндай фотон екі электронды босатуы мүмкін. Сәйкес кемтіктер электр
өрісінің әсерінен жартылайөткізгіштің бейтарап аймағына келіп түседі.
Берілген элементте жинақталған зарядтық покеттің шамасы бірінші жуықтауда
элементтің ауданы бойынша орташаланған фотон ағындарына және жинақталу
уақытына тура пропорционал.
ЗБҚ-ын астрономияда төменгі жарықтандыру жағдайларында пайдалану
әдетте сигналдың жинақталу уақытының көп болуын талап етеді(секундтар және
ондаған секундтар). Паразит сигналдың термогенерациясының әсерін әлсірету
үшін мұндай жағдайларда қабылдағышты суыту керек.
ЗБҚ интегралдық кванттық эффективтілігінің сипаттық мәндері (шағылу
және жұту эффекттерін ескергенде) 0,2-0,4 құрайы. Өзге жартылайөткізгіштік
детекторлар сияқты ЗБҚ өзіндік спектрлік сезімтал облысқа ие. Ұзынтолқынды
шекара жартылайөткізгіштің рұқсат етілмеген зонасының енімен анықталады
және ол кремний үшін 1.1 мкм болады. Қысқа толқынды шекара 0.4-0.5 мкм-тең
және ол бірмезгілде тасушылардың фотогенерациясымен қоса олардың
рекомбинациясы интенсивті түрде жүретін беткі жұқа қабаттың жарықтың
қысқатолқынды кванттарын күшті жұтумен түсіндіріледі. ЗБҚ түрлі
жартылайөткізгіштік материалдардан жасалуы мүмкін (рұқсат етілмеген
аймағының ені әр түрлі). Бұл спектрдің кең аумағын, оның ішінде инфрақызыл
диапозонды тасмалдауға мүмкіндік береді. МДЖ-құрылымның жарыққа
сезімталдылығы көпқабатты болып табылатын беттік шағылу сипаттамаларына
күшті тәуелді.Егер басқарушы электродтар ретінде көрінетін жарық үшін
мөлдір емес металдар (А1,М0 т.б) қолданылса, онда жарық арнайы қалыптасқан
терезелерден немесе электродтар арасындағы саңылаудан өтеді. Мұндай
жартылайөткізгіш жүйесімен анықталады. (Әдетте, ауа- SiO-Si).
Поликристалдық кремнийден жасалған жартылай мөлдір электродтар
пайдаланылса, онда жарық ауа- қорғаныш қабаты SiO-поликремний
электротты қабат SiO-Si жүйесі арқылы өтеді. Ендігі кезекте біз
жарықтың әсерінен пайда болатын зарядтарды жинақтау орындарын ауыстыра
аламыз. Біз зарядтардың тасымалы бір сызықтың бойымен өтетін бірөлшемді
құрылымды қарастырдық. Енді екіөлшемді құрылымды елестетіп көрейік.
Тікбұрышты матрицаны қарастырамыз:ұяшықтардан тұратын сызықтардың жүйесін,
олардың әрқайсысының үстінде үш металдық электродтар орналасқан.
Әрбір осындай ұяшық – пиксел, яғни рұқсат етілген элементар элемент.
Әрбір пикселде осы матрицадағы жарықтың әсерінен қандай да бір уақыт
аралығында потенциалдық шұңқырларда зарядтар пайда болсын делік.
Жинақталғаннан соң оларды санауға кірісеміз. Алдымен арнайы қосымша жолдағы
төменгі жолды санаймыз. Оны әдетте көлденең регистр деп атайды. Бұл регистр
қалғандарынан жарықтан тосаланғандығымен ерекшеленеді. Ондағы зарядтарды
перпендикуляр бағытта да қозғалтуға болады. Зарядтарды матрицаның төменгі
көлденең жолынан сәйкес көлденең регистр пикселдеріне жылжытайық. Төменгі
жолдың босаған ұяшықтарына төменгі жолдағы екінші жолдың зарядтарын
жылжытамыз,ал екіншісінің орнына үшіншісін,т.с.с пикселден соң пиксел
көлденең регистрдегі зарядтарды көлденең бағытта күшейткіштің кіріс
каскадына қарай жылжытамыз. Көлденең регистрдің барлық ұяшықтарын санап
болған соң қайтадан екінші жолдан келген сигналдары бар төменгі жолдан
зарядтарды жылжытамыз. Осылайша,бар матрица кезектесіп саналады,осының
салдарынан электр сигналдарының уақыттық тізбегі түзіледі. Ол сандық
формаға түрленеді. Идеал жағдайда осы сандардың әрқайсысы ертеректе әрбір
пикселде жинақталған зарядтарға тура пропорционал. Бір жинақталғаннан кейін
алынған ақпаратты жинақталған деп атап,бір фрейм саналды дейді(ағылшын
grame-рамка,кинокдр).
ЗБҚ жоғары кванттық шығысы бар. Фотографияда фотоэмульсиясының
түйірінде жасырын бейнені тудыру үшін жуықтап алғанда 100-200 квант қажет.
Фотокатодта бір фотоэлектронды босату үшін орташа есеппен 10 квант қажет.
Оларды осыған қоса жинап,тіркеу керек. ЗБҚ қалыпты жағдайда спектрлік
сезімталдылықтың максимумында 90% -ға жететін кванттың шығысы болады, ал
орташа алғанда барлық спектрлік сезімталдылық облысында ЗБҚ-ның кванттық
шығысы 50-60% құрайды. Әдеттегі ЗБП-матрицалар 512*512-ден 2048*2048
пикселдерге дейінгі өлшемділікке ие. ЗБҚ-дағы электрондардың генерациясы
ФЭУ фотокатодындай келетін сәулелік энергиясының мөлшеріне пропорциянал
түрде жүреді. Панорамдылыққа сай, яғни көру аймағында бір мезгілде бірнеше
нысандарды тіркеу мүмкіндігіне сәйкес бұл үлкен артықшылық. ЗБҚ
қабылдағыштар жағдайында фотоэлектрлік фотометрия мен фотографияның
байланысының артықшылықтарына қол жеткіземіз.
1.5 Жартылай өткізгіштердің фотоөткізгіштігі
Металда токты еркін электрондар (өткізгіш электрондар) алып жүреді, ал
жартылайөткізгіште – өткізгіш электрондар мен кемтіктер. Кемтік – саны
бойынша электрон зарядына тең, оң зарядталған квазибөлшек. Электр өрісінде
кемтіктер өріс бойымен, ал еркін электрондар – қарама-қарсы бағытта
ауытқиды. Осыған байланысты жартылай өткізгіштің меншікті
электрөткізгіштігі - электронды және кемтіктік өткізгіштер санына тең:
( = e (n(n + p (p) (9)
Мұнда тиісті n және p – кемтіктер мен электрондар концентрациясы; (n және
(p - электрондар мен кемтіктердің қозғалғыштығы.
Жартылай өткізгіштердің металдардан негізгі айырмашылығы өткізгіштіктің
температураға сапалы әр түрлі тәуелділігі болып табылады. Температураның
төмендеуімен металдардың өткізгіштігі артады, ал нолге жақын температурада
кейбір металдар мен қоспалар жоғарыөткізгіштік күйге өтеді. Металда
өткізгіш электрондар концентрациясы мүлдем температураға тәуелді емес,
салқындату барысында электрөткізгіштіктің артуы қозғалғыштықтың артуымен
түсіндіріледі.
Жартылай өткізгіште керісінше, Т температураның төмендеуімен
өткізгіштік төмендейді. Жартылай өткізгіштер өте төмен температурада
изоляторларға айналады, яғни ток өткізбеушілікке. -ның
температурамен өзгеруі, электрондар мен кемтіктердің концентрациясының
өзгеруімен түсіндіріледі. Атомнан электрондарды жұлып алу үшін және оны
кристалл бойынша еркін қозғалу үшін бірнеше Е электрон жұмсау керек.
Электрон кристалда атомдардың жылу тербеліс энергиясы есебінен жұлып алыну
мүмкін және осы құбылыстың орындалу мүмкіндігі температураның жоғарылауымен
орын алады.
Жартылай өткізгіште электрондармен байланыс тек қана жылу қозғалыспен
ғана үзілмейді, сонымен қатар әр түрлі сыртқы әрекеттермен: жарық,
зарядталған бөлшектердің жылдам ағынымен және т.б. Сондықтан
жартылайөткізгіштер үшін сыртқы әрекеттерге электрөткізгіштіктің жоғары
сезгіштік сипаты тән.
Температураның өзгерту арқылы жартылай өткізгіштің электрөткізгіштігін
кең аумақта қолдануға болады, қоспалар қосу және т.б. , негізгі көп және әр
түрлі қолдану болып табылады.
Химиялық таза меншікті жартылай өткізгіште температура нолде, валенттік
аймақ электрондармен толып тұрады, ал өткізгіштік аймақ бос болады (9-
сурет). Нолдегі жарықтандырылмаған жартылай өткізгіш изолятор болып
табылады. Егер жартылай өткізгіш қыздырылса, онда жылумен қозу салдарынан
өткізгіш аймақта электрондар және валенттік аймақта кемтіктер пайда болады.
Жылумен қоздырылған жартылай өткізгіштің электрөткізгіштігі қараңғы
өткізгіш деп аталады және (28) өрнекпен сипатталады.
Фотоөткізгіштік құбылысы (фоторезистивті эффект), электромагниттік
сәулелену әсерінен жартылай өткізгіштің электрөткізгіштігінің жоғарылауынан
тұрады.
Фотоөткізгіштіктің негізінде ішкі фотоэффект құбылысы жатыр: электрон
фотонды жұтып, ток тасымалдаушылар концентрациясын арттырып, өте жоғары
энергетикалық деңгейге өтеді. Қозған электрон дененің ішінде қалатын
болғандықтан, ішкі фотоэффект деп аталады.
Осыдан фотон электронды валенттік аймақтан жұлып, өткізгіштік аймаққа
лақтырады. ( 9-сурет); бір уақытта өткізгіш электрондар саны мен кемтіктер
саны (меншікті фотоөткізгіштік) артады. Қоспалы фотоөткізгіштікте электрон
донорлы деңгейден өткізгіштік аймаққа лақтырылады немесе валенттік аймақтан
бос акцептрлік аймаққа лақтырылады.
Донорлы (5-валентті) қоспалар өткізгіштік аймақтың түбіне жақын қоспалы
деңгейді құрайды. К-де өткізгіштік аймақ бос, қоспалы атомдар
өздерінің электрондарын ұстап қалатындықтан, өткізгіштік өте аз.
Электрондарды қоспалы деңгейден өткізгіштік аймаққа лақтыру үшін
электронвольттың жүзден бір бөлігіне тең, қатысты кішкене донр.
энергия (донорлы атомның иондану энергиясы) жұмсау қажет, онда бөлме
температурасында электрондардың көбі өткізгіштік аймаққа лақтырылған
болады. Ондай жартылай өткізгіш n-типті өткізгіштікке ие.
Акцепторлы (үшвалентті) қоспалар (К температурада) бос деңгейді
құрайды, валенттік аймақтың жоғары энергиясынан есе үлкен энергия (9-
сурет). Температура жоғарылаған сайын кемтіктер түзілетін осы деңгейлер
валенттік аймақтың электрондарымен толтырылады. Ондай жартылай өткізгіштер
р-типті өткізгіштікке ие.
Фотондар энергиясы , (һ- Планк тұрақтысы) болғанда, сәйкес ауысу
энергиясынан асқанда, фотоөткізгіштік тек сәулелену әсерінен болуы мүмкін:
меншікті фотоөткізгіштік үшін немесе қоспалы өткізгіштік үшін.
Артынша, фотоөткізгіштік -да жоғалады, мұнда -ішкі фотоэффекттің
қызыл шекарасы. Меншікті фотоөткізгіштік үшін:
(10)
Аз мәнді немесе қоспалы өткізгіштер үшін қызыл шекара -
20... 50 мкм-ге жетеді.
1.6 Фотоөткізгіштіктің элементар теориясы
Жарықтандырылмаған жартылай өткізгіште, электрондар мен кемтіктер
термиялық қозу есебінен пайда болғанда, меншікті өткізгіштік:
(11)
мұнда – электрондар мен кемтіктердің тепе-теңдік концентрациясы.
өткізгіштік - қараңғы деп аталады. Жарық әсерінен еркін
тасымалдаушылардың пайда болу құбылысы олардың оптикалық генерациясы деп
аталады. Генерация нәтижесінде өткізгіштік тең болады:
(12)
. Мұнда мен - жартылайөткізгішті жарықтандыру нәтижесінде
пайда болған артық электрондар мен кемтіктердің тиісті концентрациялары.
Меншікті фотоөткізгіштікті жарықтандыру кезіндегі мен қараңғы кездегі
өткізгіштіктердің айырымы арқылы анықтайды:
(13)
Айтылғандардан түсінікті болғандай, толық электрөткізгіштік қараңғы мен
фотоөткізгіштіктен құрылады:
. (14)
Еркін тасымалдаушылардың генерациясынан басқа кері процес – рекомбинация
жүреді. Жарықтандыру басында, артық тасымалдар аз кезде рекомбинация да аз,
бірақ n мен p артқан сайын ол да артады. Жарық берілгеннен кейін біраз
уақыт өткен соң стационарлы мәндерге мен сай келетін
стационарлы фотоөткізгіштік орнайды. Осылайша, әр артық
тасымалдаушылар рекомбинцияға дейін біраз уақыт (өмір сүру уақыты) еркін
күйде болады. Әр түрлі тасымалдаушылар үшін, мысалға кемтіктер, тура сол
жартылай өткізгіште өмір сүру уақыты әр түрлі, сондықтан орташа өмір
сүру уақыт деген түсінік қалыптасады.
Ары қарай меншікті фотоөткізгіштікті қарастырумен шектелеміз. Генерация
мен рекомбинация процестері уақытында тепе-теңсіз электрондар
концентрацияларының өзгерісі келесідей теңдеумен өрнектеледі:
(15)
Мұндағы G - жарық әсерінен жартылай өткізгіштің бірлік көлеміндегі
электронды-кемтіктік жұп генерациясының жылдамдығы (қарқын); -
рекомбинация есебінен 1 с ішінде бірлік көлемде артық жұптардың азаюы.
Стационарлы фотоөткізгіштік үшін, , болғанда, (34)-теңдеуден
электрондардың стационарлы концентрациясын аламыз (меншікті жартылай
өткізгіште дәл сондай кемтіктердің концентрациясы ). Онда
фотоөткізгіштік:
(16)
Осылайша, генерация қарқыны өзгеріссіз болғанда, меншікті фотоөткізгіштік
еркін тасымалдаушылар үлкен қозғалыстағы және өмір сүру уақытынан көп
жартылайөткізгіштерден үлкен. Материалдың құрылымына тәуелділігіне
байланысты температура дәрежесінде орташа өмір сүру уақыты шегінде
өзгере алады.
Генерация қарқыны жарықтың затпен әрекет процесімен анықталады.
Жартылайөткізгіш пластинасынаға , [] тығыздықты фотондар
ағынды монохромдық сәулелену түссін делік.
Жұтылу салдарынан фотондар ағыны пластинаға тереңдеп енген сайын
әлсірейді (Бургер заңы):
exp
мұнда жарықтың жұтылу коэффициенті (материал мен толқын ұзындығына
тәуелді). (16)- формулаға сәйкес фотондардың тығыздығы х қалыңдықты
пластинаның соңғы шекарасында -ға теңеседі. Пластинаның соңғы
шегіне (түбіне) жеткен фотондар жұтылудан қашады. Яғни, жұтылғандар:
exp (-). (17)
Егер х яғни, егер жұтылу коэффициенті аз болса немесе пластина
жұқа болса, онда (37)-формула:
(18)
Жұтылған фотондар арқылы пайда болатын электронды-кемтіктік жұп сандары
:
. (19)
пропорционалдық коэффициенті ішкі фотоэффекттің кванттық шығысы деп
аталады. Ол жұтылған фотондардың қанша үлесі ток тасымалдаушылар жұбын
құрғаның көрсетеді. Әдетте , электрондар мен кемтіктер құрмай-ақ,
жарық жұтатын бәсекелес құбылыстар бар.
-ты пластина қалыңдығына бөлу арқылы, бірлік көлемде генерация
қарқыны жұбын аламыз:
(20)
(20)-өрнекті (15)-формуладағы G-дың орнына қойып, алатынымыз:
(21)
сәулелену жиілігінде фотондар ағын тығыздығын
энергетикалық жарықтылық арқылы өрнектеуге болады:
(22)
Онда (21)-ді мындай түрде жазуға болады:
(23)
кернеулі пластина арқылы өтетін фототок, оның шекарасының
аралығында, -ның -ға көбейтіндісіне пропорционал:
(24)
(24)-формула жуықталған, қорытындысында жартылай өткізгіште оңайлатылған
құбылыстар қарастырылды. Фототоктың жарықтылықтан тәуелділігі
сызықтықтан өзгеше болуы мүмкін.
Сонымен, егер жарық жетерліктей ұзақ түсетін болса, онда жартылай
өткізгіште (23)-формуламен анықталатын стационарлы фотоөткізгіштік пайда
болады. Жарық қосылған кезде және сөнген кездегі өту құбылыстарын қысқаша
қарастырып кетейік. Сәйкес тәуелділіктерді (24)-формуланы шешу арқылы
алуымызға болады:
Егер болған уақытта жарық қосылса, онда артық тасымалдаушылар
концентрациясы және оған пропорционал фотоөткізгіштік уақыт ішінде
төмендегі заңға байланысты артады:
(25)
(25) тәуелділігі көрсетілген; бірнеше -ға тең уақыт өткеннен кейін,
фотоөткізгіштік стационарлы мәнге жетеді. Егер ұзақ жарықтылықтан кейін
жарық сөнсе (формуланы қарапайымдылығы үшін болғанда), онда
өткізгіштік төменгі заң бойынша құлайды:
(26)
1.7 Гетероауысулар
Гетероқұрылымдарды қолдану түрленудің тиімділігін арттыруға
бағытталған. Гетероауысу – p және n облыстарда қолданылатын материалдар әр
түрлі болатын электронды-кемтікті ауысу. Орнықты байланысты қалыптастыру
үшін құраушыларының бірдеі кристалдық торы болуы тиіс.
7 сурет - Гетероауысулар
Фотоқабылдағыштар үшін гетероауысулардың мынадай қасиеті қолданылады:
кең зоналы жартылайөткізгіш тарапынан оптикалық сәуле жұтылусыз өтеді,
жарықтың барша энергиясы тар зоналы жартылайөткізгіште жұтылады.
2 ФОТОДИОДТАР ЖӘНЕ ОЛАРДЫҢ ЖҰМЫС ІСТЕУ ПРИНЦИПІ
2.1 Фотодиодтардың жұмыс істеу барысында өтетін құбылыстар
Фотодиодтар дегеніміз (ФД) - p-n ауысудың біржақты өткізгіштігін
қолдануға негізделген жартылайөткізгіш приборлар. Олар орамды режимде де
(сыртқы қорек көзінсіз), сонымен қатар фотодиодты режимде – бекітуші
(кері) бағытта айтарлықтай қорек көзі берілетін кезде де жұмыс жасай
береді.
Фотодиодтардың негізгі жұмыс істеу принциптері өткізгіштігі әр түрлі
қоспалы жартылайөткізгіштердің физикалық әсерлесу облысында өтетіг
физикалық құбылыстарға негізделеді. Жартылайөткізгіштің акцепторлық облысы
донорлық облыспен салыстырғанда анағұрлым күштірек легирленген болсын
және концентрациялардың үлесуі 8,б суретте келтірілген.
жартылайөткізгіштің қолдағы бар p және n контактілерінде және контактінің
екі жағындағы сәйкес тасымалдаушылардың концентрациялары әр түрлі болғанда
(p-облыста электрондар аз, ал n-облыста керісінше кемтіктердің
концентрациясы аз) электрондар мен кемтіктердің диффузиялық ток
тығыздықтары бар негізгі тасымалдаушылардың диффузиясы басталады (8,а
сурет). Диффузия нәтижесінде электрондардың бір бөлігі n-облыстан p-
облысына көшеді, ал кемтіктер керісінше p-облысынан n-облысына көшеді.
Диффузияның болуының салдарынан зарядтардың бөлінуі байқалады, осының
салдарынан жартылайөткізгіштердің контакті облысында сәйкес қоспадағы
иондардың көлемдік заряды пайда болады, ол n-облыст оң және p-облысында
теріс мәнге ие (8,в сурет), яғни p-n өткел қалыптасады.
Жартылайөткізгіштердің екі жағындағы тасымалдаушылардың
концентрацияларының таралуы 8,г суретте келтірілген.
Нәтижесінде әр түрлі өткізгіштігі бар жартылайөткізгіштің контакті
облысында электр өрісі қалыптасады, ол n-облыстан p-облысқа қарай
бағытталады (8,д сурет).
Осы өрістің әсерінен n-облыстан p-облысқа қарай кемтіктердің және p-
облыстан n-облысқа қарай электрондардың дрейфі қалыптасады.
Жартылайөткізгіштің осы облыстары арасындағы тасымалдаушылардың алмасуы
негізгі емес тасымалдаушылардың дрейфтік тогы негізгі тасымалдаушылардың
диффузиялық тогымен теңеспейінші жүре береді. осы мезетте тепе-теңдік
орнап, p-n өткел арқылы қорытқы ток нөлге тең болады.
Контактіге жақын облыс электронды жартылайөткізгіш тарапынан
электрондарме кедейленген және кемтіктік жартылайөткізгіш тарапынан
кемтіктермен кедейленген болады. сондықтан бекітуші қабат – негізгі
тасымалдаушыларға кедейленген кедергісі жоғары қабат қалыптасады. Осы
қабаттың қалыңдығы негізгі тепе-тең p және n типті тасымалдаушылардың
концентрациясына кері пропорционал болады.
8 сурет - Контактілі энергиясы бар облыстың энергия деңгейлері
а – электронды және кемтікті өткізгіштігі бар жартылайөткізгіштердің
сүлбесі; б – акцепторлық (Na) және донорлық (Nd) қоспалардың
концентрацияларының таралуы; в – зарядтардың таралуы және электр өрісінің
қалыптасуы; г – негізгі (pp және nn)және негізгі емес (pn және np) заряд
тасымалдаушылардың таралуы; д – көлемдік зарядтың таралуы (Р) және электр
өрісінің кернеулігінің өзгерісі Е(x); е - p-n ауысудың энергетикалық
диаграммасы; ж, з – кері және тура полярлығыне ие сырттан кернеу берген
кездегі p-n өткелдің энергетикалық диаграммасы; и, к – жарықталынған және
жарықталынбаған p-n өткелдің энергетикалық диаграммасы.
p-n өткелдің тепе-тең күйі Ферми деңгейінің бірдей орналасуымен
сипатталады: =, ал контактілі энергиясы бар облыстың энергия
деңгейлері бұрмаланатын болады (8,е сурет). Энергетикалық зоналардың қисаюы
электрондар мен кемтіктердің концентрацияларының қайта үлесуін тудырады (8,
г сурет). 8, г суретте негізгі (кемтіктер – мен электрондар –
) және негізгі емес (р-обласында және n-обласында ) заряд
тасымалдаушылардың үлесуі көрсетілген.
. (27)
Негізгі және негізгі емес тасымалдаушылар тудыратын токтар теңгеріледі.
Тепе-теңдік негізгі емес тасымалдаушылары үшін контактілі тосқауылдың
болмауымен қамтамасыз етіледі және олардың қозғалысының әсерінен туындайтын
ток олардың p және n облыстарындағы концентрацияларымен, олардың диффузия
коэффициенттерімен, сонымен қатар олардың рекомбинация кезінде ығысуы
мүмкін орташа қашықтықпен анықталады.
Концентрациясы анағұрлым жоғары негізгі емес тасымалдаушылардың
диффузиялық тогы контактілі облыстағы потенциалдық тосқауылдың болуымен
шектелген (тежеуші қозғалыс). Тосқауылдан энергиясы жоғары негізгі
тасымалдаушылардың айтарлықтай көп емес үлесі өтеді. Сыртқы кернеу болмаған
кехдегі потенциалдық тосқауылдың биіктігі p-n өткел арқылы негізгі және
негізгі емес ток тасымалдаушылардың ағындарының теңдігін қамтамасыз
ететіндей мәнге ие болады.
Бекітуші қабат өзінің кедергісі мәнін берілген сыртқы кернеудің
полярлығына қатысты өзгертіп отырады. Егер кері полярлы кернеу берілсе (p-
облысқа минус, ал n-облысқа плюс), онда берілген электр өрісі негізгі заряд
тасымалдаушыларды контактінің ішіне қарай тартады, осының салдарынан еркін
зарядтары жоқ контактілі облыс кеңейеді, сондықтан бекітуші қабаттың
кедергісі артады. осындай ұлғаю механизмі 8,ж суретте бейнеленген. сыртқы
өріс потенциалдардың контактілі айырымы өрісімен қосылып, контактілі
облыстағы кернеудің жалпы түсуі болады, мұндағы – берілген
кернеу. Осы кезде энергетикалық тосқауыл артады.
Егер берілген кернеу негізгі тасымалдаушыларды жартылайөткізгіштің
ішінен контактілі p-n өткелге тартып алатын болса, онда бекітуші қабат
сығылып, оның кедергісі түседі, ал сыртқы кернеу потенциалдардың контактілі
айырымынан шегеріліп тастайды. Осындай полярдықты, яғни плюс p-типті
жартылайөткізгішке, ал минус n-типті жартылайөткізгішке берілген жағдайды
тура немесе өткізгіш деп атайды. Осы кездегі p-n өткелдің жұмысы 8,э
суретте бейнеленген. егер берілген кернеу контактілі потенциалдар
айырымынан үлкен болса, онда өткел арқылы өтетін ток Ом заңынан анықталады.
Контактілі облыстың берілген кернеулің полярлығына қатысты
өткізгіштігінің өзгеру құбылысы айнымалы токты түзету үшін қолданылады.
Жартылайөткізгішке сәуле берген кезде сәуле жартылайөткізгіштің
тереңінде жұтылады. Осы тұста электронды – кемтікті қосақтар қалыптасады,
яғни ... жалғасы
Сіз бұл жұмысты біздің қосымшамыз арқылы толығымен тегін көре аласыз.
әл-Фараби атындағы Қазақ ұлттық университеті
Сапарбаев Н.А.
ДИПЛОМДЫҚ ЖҰМЫС
КРЕМНИЙ ФОТОДИОДТЫҢ СПЕКТРАЛДЫҚ АУДАНЫН КЕҢІТУ
050611-Астрономия мамандығы
Алматы 2012
Қазақстан Республикасының Білім және ғылым министрлігі
әл-Фараби атындағы Қазақ ұлттық университеті
Физика-техникалық факультеті
Қатты дене физикасы және бейсызық физика кафедрасы
Қорғауға жіберілді
________Кафедра меңгерушісі _____________ Приходько О.Ю.
ДИПЛОМДЫҚ ЖҰМЫС
КРЕМНИЙ ФОТОДИОДТЫҢ СПЕКТРАЛДЫҚ АУДАНЫН КЕҢІТУ
050611-Астрономия мамандығы бойынша
Орындаған Сапарбаев
Н.А
Ғылыми жетекшісі
ф-м.ғ.к., доцент Сванбаев Е.А.
Норма бақылаушы Тлеубаева И.С.
Алматы 2012
РЕФЕРАТ
Бітіру жұмысы 60 беттен, 49 формуладан, 21– суреттен, 25 - әдебиеттер
тізімінен тұрады.
Жұмыстың мақсаты: Kремний фотодиодтың сәуле қуатына тәуелділігін
зерттеу; Жасыл және көк жарық диодтарымен жарықтандырған кезде
рекомбинацияның квадраттық сипаттамасын куәландыратын сызықтық емес
тәуелділік орын алатынын көрсету.
Глоссарий
Фотоэлектрлік эффект – бетіне әсірекүлгін сәуле түскен кезде сілтілік
металдарда электрондардың ұшып шығу құбылысы.
Фотоөткізгіштік – электромагниттік сәуле әсер еткен кездегі
жартылайөткізгіштің электрөтімділігінің үлкею құбылысы.
Фоторезистор - өткізгіштігі жарықтың әсеріне байланысты өзгеретін
жартылайөткізгіштік прибор.
Болометр – сәулеленудің селекті емес жылулық қабылдағыш, шағылу
кезіндегі электрлік кедергінің өзгеруіне негізделген.
Микрофотометр – пластинканың қараюының дәрежесін өлшейтін құрал.
Оптрондар – бір корпусқа орнатылған осы немесе басқа оптикалық
байланыстағы сәулелену көзі және қабылдағышы бар оптоэлектрондық прибор.
Қысқартулар мен белгілеулер
∆W – жартылайөткізгіштің тиым салынған аймағының ені
d – жартылайөткізгіштің қалыңдығы
ВАМ- вольт-амперлік мінездеме
ИҚ – инфрақызыл
μ - шұңқырдың жылжуы
Ћ – Планк тұрақтысы
е –электрон заряды
ν - электромагниттік сәулеленудің критикалық жиілігі
R - жарықтық кедергі
K - кедергінің өзгеру қысқалығы
μ- электрондар жылжуы
TDI – time delay integration
N - түсті фотонның интенсивтілігі
ЭҚК – электр қозғаушы күші
ЗБҚ – зарядтық байланысы бар құрылғылар
МДЖ – металл-диэлектрик-жартылайөткізгіш
HST- HUBBLE SPACE TELESCOPE
МАЗМҰНЫ
КІРІСПЕ 6
1 КРЕМНИЙ ФОТОДИОДТАРЫНЫҢ АНЫҚТАМАСЫ МЕН ҚҰРЫЛЫМЫ 7
1.1 Кремний фотодиодының қасиеттері 7
1.2 Фотодиодтардың түрлері 11
1.3 Астрофотометриядағы сәуле қабылдайтын құралдар 11
1.4 Көп элементті матрицалық жарықсезгіш приборлар 18
1.5 Жартылайөткізгіштердің фотоөткізгіштігі 21
1.6 Фотоөткізгіштіктің элементар теориясы 23
1.7 Гетероауысулар 26
2 ФОТОДИОДТАР ЖӘНЕ ОЛАРДЫҢ ЖҰМЫС ІСТЕУ ПРИНЦИПІ 27
2.1 Фотодиодтардың жұмыс істеу барысында өтетін құбылыстар 27
2.2 Фотодиодтардың негізгі параметрлері мен сипаттамалары 33
2.2.1Фотодиодтардың жиіліктік сипаттамалары 33
2.3 Шуылдар мен фотодиодтардың тапқыштық қабілеті 33
2.4 Жоғары жиілікті фотодиодтар 35
2.5 Фототокты іштей күшейтетін фотоқабылдағыштар 38
2.6 Фотоэффект құбылысы және оның физикалық негізі 40
2.7 Фототранзисторлар 41
2.8 Хаббл телескопының ғарыштық жобасы 43
3 ФОТОДИОД ҚҰРЫЛЫМЫНДАҒЫ КРЕМНИЙДІҢ ЕРЕКШЕ ҚАСИЕТТЕРІ 46
3.1 Нанокристалды кремний 46
3.2 Нанокристалды кремнийдің қасиеттері 48
3.3 Нанокристалды кремниді алу әдісі 52
ҚОРЫТЫНДЫ 56
ҚОЛДАНЫЛҒАН ӘДЕБИЕТТЕР 57
КІРІСПЕ
Фотодиодтар – түсетін жарық ағынының әсерінен кері ығысқан p-n өткел
арқылы қосымша ток (фототок) тудыратын шапшаң қозғалатын заряд
тасымалдаушылар қалыптасатын жартылайөткізгіштік диод.
Фотодиодтың құрылысы мен оны қосу сүлбесі 1, а және б суреттерде
келтірілген. база ретінде қолданылатын n-германий дөңгелек пластинасы
шынымен жабылған терезеге қарсы металл корпустың ішіне орналастырылған.
Электронды-кемтікті өткел германиден жасалынған пластинаға индий тамшыларын
тамызу арқылы жасалынған. Осылайша, фотодиодта жарық ағыны p-n өткелдің
жазықтығына перпендикуляр бағытталған. жартылайөткізгіш кристалының
орналасуының өзге же орналасуы мүмкін: мұнда жарық ағаны өткел жазықтығына
параллель таралады.
Фотодиодтарда белсенді элемент ретінде түрлі электрлік өткелдер
қолданылады: анық симметриялы p-n өткел, p-i-n өткел, эмиттердің қалыңдығы
бойынша өзгеретін қоспалар концентрациясы бар электронды-кемтікті өткел,
металл – жартылайөткізгіш өткелі (Шоттка тосқауылы бар диод), гетероөткел
және т.б.
Фотодиодтың жұмыс істеу принципі сәулеленген өткелде өтетін физикалық
процестерге негізделеді. Жарық ағыны болмаған кезде (Ф = 0) фотодиодта кері
кернеудің әсерінен кері ток пайда болады, оның мәні жартылайөткізгіштердегі
негізгі емес заряд тасымалдаушылардың концентрациясымен, өткел ауданымен,
бекітуші қабат облысындағы физикалық процестермен және т.б. анықталады.
Сыртқы сәулелену болмаған кезде фотодиод жартылайөткізгіштік диодтан еш
ерекшеленбейтіндіктен, I = f (U) үшін орынды, ол үшін Ф = 0 шарты орындалуы
тиіс. фотодиод үшін осы тәуелділікті темптік вольт-амперлік сипаттама деп
атайды.
Фотодиодты жарықтандыру кезінде (Ф 0) оның базасында жарық квантының
әсерінен заряд қосақтарының пайда болу процесі болады. Заряд қосақтары
базаның сыртқы бетінде қарқынды жүреді. Қайта қалыптасқан электрондар мен
кемтіктер база қалыңдығы арқылы p-n өткелге диффузияланады.
Бұл жұмыстың мақсаты - кремнилық фотодиод спектралдық ауданын кеңіту
болатынын көрсету.
1 КРЕМНИЙ ФОТОДИОДТАРЫНЫҢ АНЫҚТАМАСЫ МЕН ҚҰРЫЛЫМЫ
1.1 Кремний фотодиодының қасиеттері
Фотодиодтар – түсетін жарық ағынының әсерінен кері ығысқан p-n өткел
ақрылы қосымша ток (фототок) тудыратын шапшаң қозғалатын заряд
тасымалдаушылар қалыптасатын жартылайөткізгіштік диод.
Фотодиодтың құрылысы мен оны қосу сүлбесі 1, а және б суреттерде
келтірілген. база ретінде қолданылатын n-германий дөңгелек пластинасы
шынымен жабылған терезеге қарсы металл корпустың ішіне орналастырылған.
Электронды-кемтікті өткел германиден жасалынған пластинаға индий тамшыларын
тамызу арқылы жасалынған. Осылайша, фотодиодта жарық ағыны p-n өткелдің
жазықтығына перпендикуляр бағытталған. жартылайөткізгіш кристалының
орналасуының өзге же орналасуы мүмкін: мұнда жарық ағаны өткел жазықтығына
параллель таралады.
Фотодиодтарда белсенді элемент ретінде түрлі электрлік өткелдер
қолданылады: анық симметриялы p-n өткел, p-i-n өткел, эмиттердің қалыңдығы
бойынша өзгеретін қоспалар концентрациясы бар электронды-кемтікті өткел,
металл – жартылайөткізгіш өткелі (Шоттка тосқауылы бар диод), гетероөткел
және т.б.
Фотодиодтың жұмыс істеу принципі сәулеленген өткелде өтетін физикалық
процестерге негізделеді. Жарық ағыны болмаған кезде (Ф = 0) фотодиодта кері
кернеудің әсерінен кері ток пайда болады, оның мәні жартылайөткізгіштердегі
негізгі емес заряд тасымалдаушылардың концентрациясымен, өткел ауданымен,
бекітуші қабат облысындағы физикалық процестермен және т.б. анықталады.
Сыртқы сәулелену болмаған кезде фотодиод жартылайөткізгіштік диодтан еш
ерекшеленбейтіндіктен, I = f (U) үшін орынды, ол үшін Ф = 0 шарты орындалуы
тиіс. фотодиод үшін осы тәуелділікті темптік вольт-амперлік сипаттама деп
атайды.
Фотодиодты жарықтандыру кезінде (Ф 0) оның базасында жарық квантының
әсерінен заряд қосақтарының пайда болу процесі болады. заряд қосақтары
базаның сыртқы бетінде қарқынды жүреді. Қайта қалыптасқан электрондар мен
кемтіктер база қалыңдығы арқылы p-n өткелге диффузияланады.
Кемтіктер контактілі өрісімен қоса кетіп, p-облысына лақтырылып
тасталады, осылайша өткел арқылы негізгі емес заряд тасымалдаушылардың ағын
тығыздығы артады, сәйкесінше, прибордағы кері ток мәні де ұлғаяды. Қайта
қалыптасқан кемтітер көп жағдайда p-n өткел облысына жетуі үшін базаның
қалыңдығы кемтіктердің диффузиялық ұзындығынан кем болуы тиіс: w Lp.
Процесс (1) шарт орындалған жағдайда анағұрлым тиімді жүреді. Осы
талапқа сәйкес фотодиод базасының қалыңдығына сәйкес таңдЫалады.
Вольт-амперлік сипаттамалары. Фотодиод арқылы өтетін токтың берілген
кернеуге тәуелділігін анықтау үшін ертеректе алынған (2) қатынасты
қолданамыз:
(1)
Қарастырылып отырған жағдайда сыртқы тізбекте қосымша кернеу көзі болады
және сәйкесінше, p-n өткелдегі кернеу мынаған тең болады:
(2)
Осыны ескере отырып, (2) теңдеуді былайша түрлендіріп жазамыз:
(3)
(3) сәйкес тұрғызылған фотодиодтың вольт-амперлік сипаттамалары (1а сурет)
сәулеленген p-n өткелдің вольт-амперлік сипаттамасынан тұрады (2- сурет).
Жоғарыда айтылғанындай, көлеңкелік сипаттама (Ф = 0) диодтың вольт-амперлік
сипаттамасының кері тармағы болып саналады. Сондықтан кремнийден жасалынған
фотодиодтарда көлеңкелік ток германиден жасалынған фотодиодтармен
салыстырғанда айтарлықтай аз болады, ал кері кернеу артқан кезде оның да
қоса артуы жартылайөткізгіштік диодтар жағдайындағыдай түсіндіріледі.
Жарық ағыны артқан сайын фототок (1) сәйкес сызықты өседі, ал бұл Ф 0
және
= const шартына сәйкес сипаттамалардың эквидистанттылығын анықтайды.
Фотодиодтың энергетикалық сипаттамалары (1, б сурет) жарық ағынының кең
өзгеру интервалында жеткілікті мөлшерде сызықты болады. Кері кернеу артқан
кездегі фототоктың да қоса артуы бекітуші қабаттың кеңеюімен және сәйкес
база енінің кемуіиен түсіндіріледі, осының нәтижесінде негізгі емес заряд
тасымалдаушылардың аз бөлігі база қалыңдығында p-n өткелге диффузия
процесінде рекомбинацияланады.
Германий және кремнийден жасалынған фотодиодтардың салыстырмалы
спектрлік сипаттамалары 1, в суреттерде бейнеленген. фотодиодты
сәулелендіру кезіндегі заряд қосақтарының қалыптасуы негізінен меншікті
жұтылуға негізделеді. Сондықтан рұқсат етілмеген зонасының ені анағұрлым
үлкен () кремнийден жасалынған приборлардың спектрлік сипаттамаларының
максимумдары германиден жасалынған (w 0,72 эВ). приборларға қарағанда
кіші мәндеріне сәйкес келеді. осы себепті германиден жасалынған
приборлар үшін ұзын толқынды шекара анағұрлым ұзын толқындар аумағында
жатыр.
Қысқа толқындар маңына қарай сезімталдылықтың азаюы мынадай себептермен
түсіндіріледі. Осы облыста коэффициенті жеткілікті үлкен (
105 см~1), фотондар негізінен базаның сыртқы бетімен жұтылады, мұнда
беттік орталықтардағы рекомбинация ықтималдылығы айтарлықтай үлкен және p-n
өткелге сәйкес келетін негізгі емес заряд тасымалдаушылардың саны кеми
түседі.
Фотодиодтың жиіліктік сипаттамасы (1, г сурет) прибордың жарықтылық
бойынша модульденген жарық ағынына қарсы жауабын көрсетеді. Абцисса өсімен
ағын жарықтылығының Ф модуляция жиілігі салынған. жиілік артқан сайын
фототоктың артуы фотодиодтың инерциялық қасиеттерінің бар екендігін
дәлелдейді.
1сурет - Фотодиодтың (а) вольт-амперлік (б) энергетикалық (в) спектрлік
және (г) жиіліктік сипаттамалары.
1-германилі фотодиод; 2-кремнилі фотодиод.
Фотодиодтардың инерциялығы бірқатар факторларға негізделген: оның
ішінде өткел сиымдылығының заряд уақыты, сонымен қатар
тасымалдаушылардың өткелге диффузиясы уақыты мен тасымалдаушылардың
өткелдегі көлемдік заряд облысы арқылы өту уақытттары маңызды рөл атқарады.
Егер жарық ағыны модульдейтін тербелістер периоды тасымалдаушылардың
қозғалысының қосынды уақытымен салыстыруға келетіндей болса, онда
прибордағы токтың өзгеру процестері жарық ағыны интенсивтлігінінің шапшаң
өзгерістерінің соңынан ілесе алмай қалады. Нәтижесінде жиілік артқан сайын
фотодиод жүктемесіндегі токтың айнымалы құраушысының амплитудасы кемиді
және жарық ағынын тудыратын тербелістер арасындағы фазалық ығысу мен
прибордағы токтың айнымалы құраушысы артады. [23] еңбекте мәнінде ток
амплитудасы модуляцияның төменгі жиілігіндегі мәнімен салыстырғанда
есе кемиді, ал фазалық ығысу 70° - тан асады. Қарастырылып отырған
құрылымдағы фотодиодта өткелдегі көлемдік заряд облысы жеткілікті тар және
тасымалдаушылардың қозғалысының негізгі уақыты базадағы кемтіктердің
диффузиясымен анықталады: (п — Ge) :. Біздің жағдайымызда әдеттегі
жартылайөткізгіш диодпен салыстырғанда кемтіктер базадан өткелге
диффузияланады, уақыт шамамен осы мәннен екі есе асып түседі.
Сондықтан (1) ескере отырып, мынаны жазуға болады:
Осы жерден айнымалы ток құраушысының амплитудасы есе кемитін
(), шекаралық жиілік мынаған тең болады:
Жартылайөткізгіштерде әдетте электрондардың қозғалғыштығы кемтіктермен
салыстырғанда жоғары болады және сәйкесінше, . Сондықтан инерциялық
қасиеттер көзқарасы тұрғысынан n-жартылайөткізгіш негізіндегі базасы бар
фотодиодтарға басымдылық беріледі.
Фотодиодтардың параметрлері. Фотодиодтардың параметрлеріне алдымен оның
жұмыс режимін анықтайтын барлық электрлік шамалар жатады: номинал жұмысшы
кернеу мен максимал мүмкін болатын кері кернеу . Фотодиодтардың
параметрлері ретінде фоторезисторларда қолданылатын шамалар алынады. Олар
сәулелендіруші жарықтың әсерінен электр сигналдарын қалыптастырады және
жарық сигналдарын табу және тіркеу үшін қажет. Осы параметрлерге
сезімталдылық s, шекаралық жиілік, шекті ағынмен табушы қасиеті D
жатады.
Осы параметрлерді жақсарту мақсатында соңғы жылдары бірқатар фотодиодтар
жасалынды, олардың құрылысы қарастырылып отырған құрылғылардан аздап
ерекшеленеді.
1.2 Фотодиодтардың түрлері
Бекітілген электр өрісі бар фотодиод. Осы прибордың энергетикалық
диаграммасы 1в суретте келтірілген. Осындай фотодиодтағы электронды-
кемтікті өткел м-жартылайөткізгіштің пластинасына акцепторлық қоспалардың
диффузиясы арқылы туады. Осы тұста базадағы қоспалардың концентрациясы
біртексіз болады, оның мәні база бетінен өткел бағытына қарай кеми түседі.
Акцепторлық атомдардың жылулық иондануы салдарынан базадағы кемтіктердің
концентрациясы да біртексіз болып қалады, оның өзі өткелге қарай
диффузияланып, база бетіндегі ионданған акцепторлық атомдардың теріс
зарядтары ашыла түседі. Базада кернеулік векторы база бетіне бағытталған
өріс туады. Базаны сәулелендіру кезінде жарық ағыны тудыратын заряд
тасымалдаушылар осы өріспен ажыратылады. өткелге қарай электрондардың
қозғалысы енді тек диффузиямен ғана емес, сонымен қатар өрістегі
дрейфпен де сипатталады. осының салдарынан базадағы электрондар
қозғалысының қосынды сомасы кемиді.
Бекітілген өрісі бар фотодиодтардың жиіліктік қасиеттерін жақсартуға
приборды диффузиялық әдіспен жасау кезінде базаның қалыңдығы 3-5 мкм дейін
кемітілетін жағдай да үлес қосады.
p-i-n типті фотодиод германиден де, кремниден де жасалына береді. Оның
ерекшелігі мынада: жартылайөткізгіштің р- және n-облыстары i қабатымен –
меншікті жартылайөткізгіш қабатымен ажыратылған. Осылайша, приборда екі
өткел қалыптасады: p-i типті және n-i типті. Алайда, егер фотодиодқа қос
өткелдің заряд облыстарымен шамалас кері кернеу берілген болса, онда
бекітуші қабаты i-облыста жататын бір ғана өткел түзіледі.
1.3 Астрофотометриядағы сәуле қабылдайтын құралдар
Астрофизиканың бір маңызды тәсілі астрофотометрия, яғни аспан
шырақтарының шығаратын сәулелерін (радиациясын) өлшеу. Осы мақсат үшін
қолданылатын құралдарды фотометрлер дейді. Фотометрлердің сәулені
қабылдайтын негізгі бөліктері: фотопластинка, фотоэлемент, термоэлемент,
болометр. Сәуле қабылдағыштың бір түрі өзіміздің көзіміз. Көз,
фотопластинка, фотоэлемент жиілігі әртүрлі сәулелерді бірдей сезбей, тек
оларды екшеп, сезеді. Көз өте-мөте сары (толқын ұзындығы 0,55 микрон)
сәулелерді жақсы сезеді. Кәдімгі фотопластинка өте күлгін (толқын ұзындығы
0,45 микрон) сәулелерді сезгіш.
Енді фотометрлердің кейбір түрлерін қарастырайық. Мұндай құралдар өте
сезімтал және бақылаушы адамға тәуелді емес. Соңғы жылдарда шыққан
электрондық фотокөбейткіш деген құралдар арқылы фотоэлемент сезбейтін өте
бәсең жарықты да өлшеуге мүмкіндік туды. Осы күнде жаңа электрондық
техникада сигналдар құрылымының фотоэлектрлік және электрооптикалық
принципіне негізделген жартылайөткізгіш приборлар кеңінен қолданылады.
Осылардың бірі нәтижесінде ондағы жарық энергиясының жұтылуы болатын заттың
электрофизикалық құрамының өзгеруімен негізделген принцип. Осыдан заттың
өтімділігі өзгереді немесе фотосезгіштік элемент қосылған шынжырдағы токтың
өзгеруіне әкелетін ЭҚК туады. Екіншісі жарықсәулелендіретін ток элементінен
өтетін заттың сәулелену генерациясымен байланысты принцип. Көрсетілген
принциптер оптоэлектрониканың ғылыми негізін құрайды – ақпаратты сақтауда,
өңдеуде және тасымалында электрлік сияқты оптикалық әдістер мен тәсілдер
қолданылатын жаңа ғылыми техникалық бағыт.
Осы кезде оптикалық электрониканың приборларынсыз техника мен ғылымның
әртүрлі облыстарында даму мүмкін емес. Оптикалық электроника бұрыннан адам
өмірінде маңызды роль атқарады. Ал жыл өткен сайын оны адам іс-әрекетіне
енгізу қарқынды түрде дамып келеді.
Жарық қабылдаушы – көз (теңгеру фотометрі). Бұл фотометрде бақылаушы
трубадан қарап жалтырауын өлшегелі отырған жұлдызбен қатар, жанып тұрған
электр лампасының кішкене қылын – салыстыру жұлдызын да көреді. Бақылаушы
бұл жасанды жұлдыздың жарықтығын нашарлатып отырып, әлгі өлшегелі отырған
жұлдыздыкімен теңгереді. Неше есе нашарлатқаны белгілі болады; ендеше
осыған сүйеніп әлгі жұлдыздың жалтырауын да есептеп шығарады. Фотометрияда
көзбен бақылаудың маңызы төмендеп, оны күннен күнге механикаландырып
келеді.
Жарық қабылдаушы – фотопластинка. Осы кезде фотографиялық фотометрия
көп қолданылады. Неғұрлым жұлдыз жарығырақ болған сайын, солғұрлым
фотографиялық негативтерде оның дөңгелекше кескінінің диаметрі үлкендеу
болады және ол кескін солғұрлым қараңғылау болады. Сонда, жұлдыздың
жалтырауын дөңгелекшенің диаметрін өлшеу арқылы да, қараюының дәрежесін
өлшеу арқылы да есептеп шығаруға болады.
Мұндай әдіспен Күн атмосферасы, тұмандық сияқты аумақты объектілердің
жалтырауын анықтаумен қабат, олардың әр жеріндегі заттардың қалай таралуын
да анықтауға болады. Пластинканың қараюының дәрежесін өлшейтін құралды
микрофотометр дейді. Жарық қабылдағышы термоэлемент не фотоэлемент болатын
фотометрлер де астрономияда жаппай тарап келеді. Аспан денесінен келген
жарық тесікше терезеден өтіп, не термоэлементке не фотоэлементке түсіп,
электр тогын (термо не фототок) туғызады. Бұл токты өлшеу арқылы жарықтың
энергиясын анықтауға болады.
Мұндай құралдар өте сезімтал және бақылаушы адамға тәуелді емес. Соңғы
жылдарда шыққан электрондық фотокөбейткіш деген құралдар арқылы фотоэлемент
сезбейтін өте бәсең жарықты да өлшеуге мүмкіндік туды.
Болометр – бұл да түскен жарықтың энергиясын өлшейтін құрал. Мұнда
түскен жарықтың жылуының әсерінен қарайтылған металл пластинкасының
кедергісі өзгереді, сондықтан ондағы ток күші өзгереді. Токтың күші бойынша
жарық энергиясын есептеп шығарады. Болометрдің пластинкасын спектрдің әр
жеріне қойып, әртүрлі сәуленің энергиясын жеке-жеке өлшеуге де болады.
Аспан денелерінің радиацияланған фотометриялық бақылаулар арқылы өлшегенде
физикадағы сәуле шығару (Стефан-Больцман т.т.) заңдары көп қолданылады.
2 сурет- фотодиодтың энергетикалық диаграмасы
3 сурет- p-i-n фотодиодтың энергетикалық диаграммасы
Осындай фотодиодтағы базаны жеткілікті жұқа етіп жасайды, сондықтан
фотондардың меншікті жұтылуының негізгі актілері i-облысқа сәйкес келеді.
прибордағы генерацияланған тасымалдаушылардың негізгі қозғалыс уақыты
олардың i-облыс арқылы дрейфімен анықталады:
(4)
Осы жерден fгр = жиілік үшін мынаны жазуға болады:
, (5)
Мұндағы а — өткелдегі контактілі өріс.
p-i-n фотодиодтары симметриялы p-n өткелден тұратын фотодиодтар сияқты
жиіліктері 10 ГГц дейін жететін сигналдарды табу үшін кеңінен қолданылады.
Осындай типтегі фотодиодтардың артықшылықтары рұқсат етілетін кері
кернеулер мен өткел сиымдылығының аздығымен байқалады.
Шотка тосқауылына ие фотодиод. Осы диодтың құрылымы мен энергетикалық
диаграммасы 3 суретте бейнеленген. Кремний кристалының бетіне алтынның
жұқат қабаты жағылған (0,01 мкм), оның өзі жұқа диэлектрик қабықшасымен
қапталған, осылайша жарықтандырушы жабын түзіледі. Кремний, алтын мен
күкіртті мырыштың сыну коэффициенттерінің әр түрлілігінің салдарынан жарық
сәулесі белгілі бір толқын ұзындығынан бастап, осы қабықшалардың
шекарасынан шағыла отырып, аз шығынмен металл қабықша арқылы кремний
кристалына енеді. Мысалы, гелий-неон лащермен алынған ( 0,63 мкм)
жарық ағыны өткенде қуаттың тек 5%-ы ғана жоғалады.
4 сурет- құрылғының және фотодиодтың энергетикалық диаграммасы (Шоттки
барьерімен)
Егер фотон энергиясы hv онда кремний кристалында, оның бетінде
меншікті жұтылу байқалады. Қалыптасқан электрондарың өткелге дрейфі болады,
осылайша фототок қалыптасады.
Жоғары кері кернеулерде бекітуші қабаттағы қозғалатын бөлшектердің
энергиясы валенттік байланыстарды үзу үшін жеткілікті (соқпа иондану). Осы
жағдайда өткелдің көшкіндік бұзылуына тән заряд тасымалдаушылардың
көшкіндік көбею процесі қалыптасуы мүмкін. Осы құбылыс көшкіндік
фотодиодтарда қолданылады, оның негізінде тек Шоттка тосқауылы ғана емес,
сонымен қатар әдеттегі p-n өткел де жатуы мүмкін.
Көшкіндік фотодиод. 4 суреттерде планарлық технология әдісімен
жасалынған p-n өткелі бар кремнийлік көшкіндік фотодиодтың, сонымен қатар
Шоттка тосқауылы бар платина-кремнийлік фотодиодтың құрылымдары
келтірілген. Қос приборда фотосезімтал облыс диаметрі кіші дөңгелек терезе
ретінде орындалған (40-60 мкм). Осы облыстың аса үлкен емес өлшемдері
приборға қойылатын талаптардың біріне негізделген: тасымалдаушылардың
көшкін тәрізді көбеюі белгілі бір кері кернеу мәнінде кристалдың барша
көлемінде сәулелендірілген бет маңында жүзеге асады. Фотосезімтал
ауданшаның үлкен өлшемдерінде қалыңдығы бойынша біртекті және құрылымы
бойынша жұқа кристалл бетінде n+—Si немесе PtSi қабықшаны (0,1—0,3 мкм) алу
қиынға соғады. Біртексіз қабықшада көшкіндік кедергі кернеуінің төменгі
мәні байқалатын микробөлімшелер түзілуі мүмкін, осының салдарынан
тасымалдаушылардың көшкіндік көбеюі кристалдың аз көлемінде ғана жүзеге
асады және фототоктың тығыздығы кемиді.
Қабықшаның шетінде кернеудің төменгі мәндерінде жергілікті көшкіндік
кедергінің алдын алу үшін сақтау сақинасы – негізгі кристалдың
өткізгіштігінің мәнімен шамалас, бірақ, қоспаларының концентрациясы аз
болатын сақиналы қабат қолданылады.
Қоспалардың концентрациясы градиентінің аздығы мен қисықтық радиусының
үлкендігінің салдарынан сақтау сақинасының периметрі бойынша кедергі
белсенді облыспен салыстырғанда жоғары кернеулерде қалыптасады.
Көшкіндік фотодиодта өтетін физикалық процестер әдеттегі фотодиодтан
электронды-кемтікті өткелдің бекітуші қабаттындағы жарық тудыртын
тасымалдаушылардың қосымша көшкіндік көбеюйімен ерекшеленеді. Осы процестің
салдарынан сыртқы тізбектің жарықтың әсерінен болатын зарядтар қосағы
тогы мен көлеңкелі токпен тудырылатын токпен салыстырғанда М рет
артады, мұнда
М= (14-42) – тасымалдаушылардың көбею коэффициенті.
5 сурет- Лавиндік фотодиодның кремнилік құрылғысының ток өткізбейтін
қоршауы және Шоттка барьерімен лавиндік фотодиод
Көшкіндік көбеюдің салдарынан фототоктың артуын әдебиеттерде әдетте бірінші
текті фототоктың күшеюі немесе фотокөбею деп те аталады. М коэффициенті (10-
59) өрнекке ұқсас көшкіннің дамуының нәтижесінде қалыптасқан кемтіктер
санының көшкіндік процесті тудырған бірінші текті кемтіктердің санына
қатынасымен анықталады. Белгілі бір таңбалы тасымалдаушылардың көшкінінің
дамуы прибордағы жарық кванттарының жұтылу ерекшеліктерімен анықталады.
Жоғарыда аталғанындай, жұтылу коэффициентінің мәні түрлі толқын
ұзындықтары үшін әр түрлі болады. кремний үшін толқын
ұзындығында, ал 0,85 мкм тең толқын ұзындығында оның мәні 7-102 см-1
дейін кемиді. Жұтылу қалыңдығы w қабатта өтетіндіктен, онда қысқа
толқынды сәулелену кезінде (0,4 мкм) жарық кванттары -р
диодында беттік қабатта жұтылады; өткел арқылы негізгі емес тасымалдаушылар
– кемтіктер өтеді және нәтижесінде кемтіктердің көшкіні болады. ұзын
толқынды сәулелену барысында негізгі жұтылу актілері өткел артында өтеді
және сәйкесінше, көлемдік заряд облысына көшкін тудыра отырып, электрондар
келеді.
Көбею коэффициенті мен приборға берілген кернеу арасындағы байланыс (10-60)
ұқсас тәуелділікпен сипатталады:
(6)
Мұндағы - өткелдегі кернеу; R — фотодиодтың жүйелі көлемдік
кедергісі.
Осы қатынастан максимал көбею коэффициентінің өрнегін шығарып алуға болады:
(7)
М үлкен мәндеріне қол жеткізу үшін көлеңкелік токты кеміту, сонымен
қатар көлеңкелік токты , сонымен қатар көлемдік R кедергіні кеміту
керек. Көшкіндік Шоттка тосқауылына ие фотодиодтарда М мәні 30—35 дейін
жетеді. (14-42) және (14-43) өрнектерін ескере отырып, R кедергіні аз деп
есептеп, сәйкесінше, Uпердеп тұжырымдап, фотодиодтың вольт-амперлік
сипаттамасы үшін өрнекті шығарып алуға болады (14-19 сурет):
(8)
1.4 Көп элементті матрицалық жарықсезгіш приборлар
Көп элементті матрицалық жарықсезгіш приборлардың ішінде зарядтық
байланысы бар құрылғылардың (ЗБҚ) фотометриялық приборлардың орны ерекше.
Зарядтық байланысы бар приборлардың негізінде металл-диэлектрик-
жартылайөткізгіш (МДЖ) - конденсатор жатыр. Жартылайөткізгіш ретінде,
әдетте, кремний қолданылады, ал диэлектрик - кремний тотығы .
Әдеттегі ЗБҚ былайша жасалады. Жартылайөткізгіштік подложкаға (мысалы,
p-типті өткізгіші бар) диэлектриктің жұқа қабаты қалыптасады (0.1-0.15мкм).
Бұл қабатқа өткізгіш электрод жолақтары орналастырылады (өткізгіш
электродтар) (металл немесе поликристалдық кремний). Бұл электродтар
сызықты немесе матрицалық тізбекті құрайды, бұл кездегі электродтардың
арасындағы қашықтық аз болатыны соншалықты көрші электродтардың өзара
әсерлесу эффектілері едәуір болады. ЗБҚ жұмыс істеу принципі электродтарға
сыртқы электр кернеуін бергенде жартылайөткізгіштің беткі қабатында пайда
болатын потенциалдық шұңқырларда зарядтық пакеттердің түзілуіне, сақталуына
және бағыттық берілуіне негізделеді.
Егер бұл конденсатордағы металл электродқа оң кернеу берілсе, онда МДЖ-
құрамында электр өрісі пайда болады, оның әсерінен негізгі заряд тасушылар
(кемтіктер) шапшаң жылдамдықпен (пикосекунд бірлігінде) жартылайөткізгіштің
бетінен ұшып шығады. Нәтижесінде беткі қабатта кедейленген қабат пайда
болады. Оның қалыңдығы микрометрдің бірлік үлесін құрайды. Кедейленген
қабатта қандайда бір процестердің (мысалы,жылулық) әсеріне генерацияланған
немесе беткі қабатқа диффузияның салдарынан жартылайөткізгіштің бейтарап
облыстарынан келіп түскен негізгі емес заряд тасушылар (электрондар) (өріс
әсерінен) жартылайөткізгіш-диэлектрик шекарасына қарай жылжыйды және олар
тор инверсті қабатта локальданады(0,01 мкм)осылайша, беткі қабатта
электрондар үшін потенциалдық шұңқыр пайда болады, олар онда өріс әсерінен
кедейленген қабаттан келіп түседі. Кедейленген аймақта пайда болған негізгі
тасушылар (кемтіктер) өріс әсерінен жартылайөткізгіштің бейтарап бөлігіне
кері серпіледі. Белгілі бір уақыттан соң (1-100с) кернеу бергеннен кейін
МТЖ-құрылым заряд тасушыларының концентрациясы уақыт бойынша тұрақты болып
қалатын стационар инверсті қабаттың пайда болуымен сипатталатын
термодинамикалық тепе-тең күйге өтеді.
ЗБҚ-да МДЖ-құрылымының бейстационар күйі қолданылады. Тасушылардың
термогенерациясының жылдамдығы өте аз болғандықтан МДЖ-құрылымының
потенциалдық шұңқырын уақытша сигналдық заряд пакеттерін сақтау үшін
қолдануға болады. Негізінен сақтаудың максимал уақыты беткі қабатта және
кедейленген аймақта электрон-кемтіктік термогенерация процестерімен
шектеледі. Шынында да, жинақталған паразиттік заряд цифрлық немесе
аналогтік ақпаратты сақтауды сипаттайтын сигналдық зарядты бұзады.
Сақтаудың максимал уақыты жартылайөткізгіштің қасиеттерімен, сонымен бірге
бұзылудың рұқсат етілетін дәрежесімен анықталады және нақты құралдарда
(мәжбүрлі суытусыз) бірлік немесе ондық милли секундты құрайды.
ЗБҚ-берілетін сыртқы электр өрістерінің әсерінен бір-біріне әсер
ететін, подложкада қалыптасатын МДЖ-құрылымдарының жиыны көрші потенциалдық
шұңқырлардың әсерлесуі электродтардың арасындағы арақашықтықтың аз болуынан
(0.1-1мкм) немесе жартылайөткізгішке қалыптасып үлгеретін және көрші
потенциалдық шұңқырларды электрлік байланыстыратын арнайы легірленген
облыстарды жасағанда болады. Көршілес потенциалдық шұңқырларының
әсерлесуінің салдарынан зарядтардың бағытталуын қамтамасыз етуге болады.
Мұндай зарядтарды беру процесін басқарылатын электродтарға берілетін электр
импульстерінің арнайы тізбекті периодтылығымен басқаруға болады.
Егер ЗБҚ жарықтандырса, онда жартылайөткізгіште жұтылатын фотондар
электрон-кемтіктердің жұбының генерациясын тудырады. Кремнийде валентті
электронды шығару үшін сәулелік энергияның квантының энергиясы
жартылайөткізгіштің рұқсат етілмеген зонасының потенциалынан асып түсуі
тиіс. Кремний үшін бұл 1.1еB аз ғана үлкен. Егер ЗБҚ-на энергиясы Ћν1.1еB
фотон келсе онда ол электронды жұлып алып, жұлынған электрон потенциалдық
шұңқырға қарай жылжыйды. Егер келген фотонның энергиясы 4еB көп болса
мұндай фотон екі электронды босатуы мүмкін. Сәйкес кемтіктер электр
өрісінің әсерінен жартылайөткізгіштің бейтарап аймағына келіп түседі.
Берілген элементте жинақталған зарядтық покеттің шамасы бірінші жуықтауда
элементтің ауданы бойынша орташаланған фотон ағындарына және жинақталу
уақытына тура пропорционал.
ЗБҚ-ын астрономияда төменгі жарықтандыру жағдайларында пайдалану
әдетте сигналдың жинақталу уақытының көп болуын талап етеді(секундтар және
ондаған секундтар). Паразит сигналдың термогенерациясының әсерін әлсірету
үшін мұндай жағдайларда қабылдағышты суыту керек.
ЗБҚ интегралдық кванттық эффективтілігінің сипаттық мәндері (шағылу
және жұту эффекттерін ескергенде) 0,2-0,4 құрайы. Өзге жартылайөткізгіштік
детекторлар сияқты ЗБҚ өзіндік спектрлік сезімтал облысқа ие. Ұзынтолқынды
шекара жартылайөткізгіштің рұқсат етілмеген зонасының енімен анықталады
және ол кремний үшін 1.1 мкм болады. Қысқа толқынды шекара 0.4-0.5 мкм-тең
және ол бірмезгілде тасушылардың фотогенерациясымен қоса олардың
рекомбинациясы интенсивті түрде жүретін беткі жұқа қабаттың жарықтың
қысқатолқынды кванттарын күшті жұтумен түсіндіріледі. ЗБҚ түрлі
жартылайөткізгіштік материалдардан жасалуы мүмкін (рұқсат етілмеген
аймағының ені әр түрлі). Бұл спектрдің кең аумағын, оның ішінде инфрақызыл
диапозонды тасмалдауға мүмкіндік береді. МДЖ-құрылымның жарыққа
сезімталдылығы көпқабатты болып табылатын беттік шағылу сипаттамаларына
күшті тәуелді.Егер басқарушы электродтар ретінде көрінетін жарық үшін
мөлдір емес металдар (А1,М0 т.б) қолданылса, онда жарық арнайы қалыптасқан
терезелерден немесе электродтар арасындағы саңылаудан өтеді. Мұндай
жартылайөткізгіш жүйесімен анықталады. (Әдетте, ауа- SiO-Si).
Поликристалдық кремнийден жасалған жартылай мөлдір электродтар
пайдаланылса, онда жарық ауа- қорғаныш қабаты SiO-поликремний
электротты қабат SiO-Si жүйесі арқылы өтеді. Ендігі кезекте біз
жарықтың әсерінен пайда болатын зарядтарды жинақтау орындарын ауыстыра
аламыз. Біз зарядтардың тасымалы бір сызықтың бойымен өтетін бірөлшемді
құрылымды қарастырдық. Енді екіөлшемді құрылымды елестетіп көрейік.
Тікбұрышты матрицаны қарастырамыз:ұяшықтардан тұратын сызықтардың жүйесін,
олардың әрқайсысының үстінде үш металдық электродтар орналасқан.
Әрбір осындай ұяшық – пиксел, яғни рұқсат етілген элементар элемент.
Әрбір пикселде осы матрицадағы жарықтың әсерінен қандай да бір уақыт
аралығында потенциалдық шұңқырларда зарядтар пайда болсын делік.
Жинақталғаннан соң оларды санауға кірісеміз. Алдымен арнайы қосымша жолдағы
төменгі жолды санаймыз. Оны әдетте көлденең регистр деп атайды. Бұл регистр
қалғандарынан жарықтан тосаланғандығымен ерекшеленеді. Ондағы зарядтарды
перпендикуляр бағытта да қозғалтуға болады. Зарядтарды матрицаның төменгі
көлденең жолынан сәйкес көлденең регистр пикселдеріне жылжытайық. Төменгі
жолдың босаған ұяшықтарына төменгі жолдағы екінші жолдың зарядтарын
жылжытамыз,ал екіншісінің орнына үшіншісін,т.с.с пикселден соң пиксел
көлденең регистрдегі зарядтарды көлденең бағытта күшейткіштің кіріс
каскадына қарай жылжытамыз. Көлденең регистрдің барлық ұяшықтарын санап
болған соң қайтадан екінші жолдан келген сигналдары бар төменгі жолдан
зарядтарды жылжытамыз. Осылайша,бар матрица кезектесіп саналады,осының
салдарынан электр сигналдарының уақыттық тізбегі түзіледі. Ол сандық
формаға түрленеді. Идеал жағдайда осы сандардың әрқайсысы ертеректе әрбір
пикселде жинақталған зарядтарға тура пропорционал. Бір жинақталғаннан кейін
алынған ақпаратты жинақталған деп атап,бір фрейм саналды дейді(ағылшын
grame-рамка,кинокдр).
ЗБҚ жоғары кванттық шығысы бар. Фотографияда фотоэмульсиясының
түйірінде жасырын бейнені тудыру үшін жуықтап алғанда 100-200 квант қажет.
Фотокатодта бір фотоэлектронды босату үшін орташа есеппен 10 квант қажет.
Оларды осыған қоса жинап,тіркеу керек. ЗБҚ қалыпты жағдайда спектрлік
сезімталдылықтың максимумында 90% -ға жететін кванттың шығысы болады, ал
орташа алғанда барлық спектрлік сезімталдылық облысында ЗБҚ-ның кванттық
шығысы 50-60% құрайды. Әдеттегі ЗБП-матрицалар 512*512-ден 2048*2048
пикселдерге дейінгі өлшемділікке ие. ЗБҚ-дағы электрондардың генерациясы
ФЭУ фотокатодындай келетін сәулелік энергиясының мөлшеріне пропорциянал
түрде жүреді. Панорамдылыққа сай, яғни көру аймағында бір мезгілде бірнеше
нысандарды тіркеу мүмкіндігіне сәйкес бұл үлкен артықшылық. ЗБҚ
қабылдағыштар жағдайында фотоэлектрлік фотометрия мен фотографияның
байланысының артықшылықтарына қол жеткіземіз.
1.5 Жартылай өткізгіштердің фотоөткізгіштігі
Металда токты еркін электрондар (өткізгіш электрондар) алып жүреді, ал
жартылайөткізгіште – өткізгіш электрондар мен кемтіктер. Кемтік – саны
бойынша электрон зарядына тең, оң зарядталған квазибөлшек. Электр өрісінде
кемтіктер өріс бойымен, ал еркін электрондар – қарама-қарсы бағытта
ауытқиды. Осыған байланысты жартылай өткізгіштің меншікті
электрөткізгіштігі - электронды және кемтіктік өткізгіштер санына тең:
( = e (n(n + p (p) (9)
Мұнда тиісті n және p – кемтіктер мен электрондар концентрациясы; (n және
(p - электрондар мен кемтіктердің қозғалғыштығы.
Жартылай өткізгіштердің металдардан негізгі айырмашылығы өткізгіштіктің
температураға сапалы әр түрлі тәуелділігі болып табылады. Температураның
төмендеуімен металдардың өткізгіштігі артады, ал нолге жақын температурада
кейбір металдар мен қоспалар жоғарыөткізгіштік күйге өтеді. Металда
өткізгіш электрондар концентрациясы мүлдем температураға тәуелді емес,
салқындату барысында электрөткізгіштіктің артуы қозғалғыштықтың артуымен
түсіндіріледі.
Жартылай өткізгіште керісінше, Т температураның төмендеуімен
өткізгіштік төмендейді. Жартылай өткізгіштер өте төмен температурада
изоляторларға айналады, яғни ток өткізбеушілікке. -ның
температурамен өзгеруі, электрондар мен кемтіктердің концентрациясының
өзгеруімен түсіндіріледі. Атомнан электрондарды жұлып алу үшін және оны
кристалл бойынша еркін қозғалу үшін бірнеше Е электрон жұмсау керек.
Электрон кристалда атомдардың жылу тербеліс энергиясы есебінен жұлып алыну
мүмкін және осы құбылыстың орындалу мүмкіндігі температураның жоғарылауымен
орын алады.
Жартылай өткізгіште электрондармен байланыс тек қана жылу қозғалыспен
ғана үзілмейді, сонымен қатар әр түрлі сыртқы әрекеттермен: жарық,
зарядталған бөлшектердің жылдам ағынымен және т.б. Сондықтан
жартылайөткізгіштер үшін сыртқы әрекеттерге электрөткізгіштіктің жоғары
сезгіштік сипаты тән.
Температураның өзгерту арқылы жартылай өткізгіштің электрөткізгіштігін
кең аумақта қолдануға болады, қоспалар қосу және т.б. , негізгі көп және әр
түрлі қолдану болып табылады.
Химиялық таза меншікті жартылай өткізгіште температура нолде, валенттік
аймақ электрондармен толып тұрады, ал өткізгіштік аймақ бос болады (9-
сурет). Нолдегі жарықтандырылмаған жартылай өткізгіш изолятор болып
табылады. Егер жартылай өткізгіш қыздырылса, онда жылумен қозу салдарынан
өткізгіш аймақта электрондар және валенттік аймақта кемтіктер пайда болады.
Жылумен қоздырылған жартылай өткізгіштің электрөткізгіштігі қараңғы
өткізгіш деп аталады және (28) өрнекпен сипатталады.
Фотоөткізгіштік құбылысы (фоторезистивті эффект), электромагниттік
сәулелену әсерінен жартылай өткізгіштің электрөткізгіштігінің жоғарылауынан
тұрады.
Фотоөткізгіштіктің негізінде ішкі фотоэффект құбылысы жатыр: электрон
фотонды жұтып, ток тасымалдаушылар концентрациясын арттырып, өте жоғары
энергетикалық деңгейге өтеді. Қозған электрон дененің ішінде қалатын
болғандықтан, ішкі фотоэффект деп аталады.
Осыдан фотон электронды валенттік аймақтан жұлып, өткізгіштік аймаққа
лақтырады. ( 9-сурет); бір уақытта өткізгіш электрондар саны мен кемтіктер
саны (меншікті фотоөткізгіштік) артады. Қоспалы фотоөткізгіштікте электрон
донорлы деңгейден өткізгіштік аймаққа лақтырылады немесе валенттік аймақтан
бос акцептрлік аймаққа лақтырылады.
Донорлы (5-валентті) қоспалар өткізгіштік аймақтың түбіне жақын қоспалы
деңгейді құрайды. К-де өткізгіштік аймақ бос, қоспалы атомдар
өздерінің электрондарын ұстап қалатындықтан, өткізгіштік өте аз.
Электрондарды қоспалы деңгейден өткізгіштік аймаққа лақтыру үшін
электронвольттың жүзден бір бөлігіне тең, қатысты кішкене донр.
энергия (донорлы атомның иондану энергиясы) жұмсау қажет, онда бөлме
температурасында электрондардың көбі өткізгіштік аймаққа лақтырылған
болады. Ондай жартылай өткізгіш n-типті өткізгіштікке ие.
Акцепторлы (үшвалентті) қоспалар (К температурада) бос деңгейді
құрайды, валенттік аймақтың жоғары энергиясынан есе үлкен энергия (9-
сурет). Температура жоғарылаған сайын кемтіктер түзілетін осы деңгейлер
валенттік аймақтың электрондарымен толтырылады. Ондай жартылай өткізгіштер
р-типті өткізгіштікке ие.
Фотондар энергиясы , (һ- Планк тұрақтысы) болғанда, сәйкес ауысу
энергиясынан асқанда, фотоөткізгіштік тек сәулелену әсерінен болуы мүмкін:
меншікті фотоөткізгіштік үшін немесе қоспалы өткізгіштік үшін.
Артынша, фотоөткізгіштік -да жоғалады, мұнда -ішкі фотоэффекттің
қызыл шекарасы. Меншікті фотоөткізгіштік үшін:
(10)
Аз мәнді немесе қоспалы өткізгіштер үшін қызыл шекара -
20... 50 мкм-ге жетеді.
1.6 Фотоөткізгіштіктің элементар теориясы
Жарықтандырылмаған жартылай өткізгіште, электрондар мен кемтіктер
термиялық қозу есебінен пайда болғанда, меншікті өткізгіштік:
(11)
мұнда – электрондар мен кемтіктердің тепе-теңдік концентрациясы.
өткізгіштік - қараңғы деп аталады. Жарық әсерінен еркін
тасымалдаушылардың пайда болу құбылысы олардың оптикалық генерациясы деп
аталады. Генерация нәтижесінде өткізгіштік тең болады:
(12)
. Мұнда мен - жартылайөткізгішті жарықтандыру нәтижесінде
пайда болған артық электрондар мен кемтіктердің тиісті концентрациялары.
Меншікті фотоөткізгіштікті жарықтандыру кезіндегі мен қараңғы кездегі
өткізгіштіктердің айырымы арқылы анықтайды:
(13)
Айтылғандардан түсінікті болғандай, толық электрөткізгіштік қараңғы мен
фотоөткізгіштіктен құрылады:
. (14)
Еркін тасымалдаушылардың генерациясынан басқа кері процес – рекомбинация
жүреді. Жарықтандыру басында, артық тасымалдар аз кезде рекомбинация да аз,
бірақ n мен p артқан сайын ол да артады. Жарық берілгеннен кейін біраз
уақыт өткен соң стационарлы мәндерге мен сай келетін
стационарлы фотоөткізгіштік орнайды. Осылайша, әр артық
тасымалдаушылар рекомбинцияға дейін біраз уақыт (өмір сүру уақыты) еркін
күйде болады. Әр түрлі тасымалдаушылар үшін, мысалға кемтіктер, тура сол
жартылай өткізгіште өмір сүру уақыты әр түрлі, сондықтан орташа өмір
сүру уақыт деген түсінік қалыптасады.
Ары қарай меншікті фотоөткізгіштікті қарастырумен шектелеміз. Генерация
мен рекомбинация процестері уақытында тепе-теңсіз электрондар
концентрацияларының өзгерісі келесідей теңдеумен өрнектеледі:
(15)
Мұндағы G - жарық әсерінен жартылай өткізгіштің бірлік көлеміндегі
электронды-кемтіктік жұп генерациясының жылдамдығы (қарқын); -
рекомбинация есебінен 1 с ішінде бірлік көлемде артық жұптардың азаюы.
Стационарлы фотоөткізгіштік үшін, , болғанда, (34)-теңдеуден
электрондардың стационарлы концентрациясын аламыз (меншікті жартылай
өткізгіште дәл сондай кемтіктердің концентрациясы ). Онда
фотоөткізгіштік:
(16)
Осылайша, генерация қарқыны өзгеріссіз болғанда, меншікті фотоөткізгіштік
еркін тасымалдаушылар үлкен қозғалыстағы және өмір сүру уақытынан көп
жартылайөткізгіштерден үлкен. Материалдың құрылымына тәуелділігіне
байланысты температура дәрежесінде орташа өмір сүру уақыты шегінде
өзгере алады.
Генерация қарқыны жарықтың затпен әрекет процесімен анықталады.
Жартылайөткізгіш пластинасынаға , [] тығыздықты фотондар
ағынды монохромдық сәулелену түссін делік.
Жұтылу салдарынан фотондар ағыны пластинаға тереңдеп енген сайын
әлсірейді (Бургер заңы):
exp
мұнда жарықтың жұтылу коэффициенті (материал мен толқын ұзындығына
тәуелді). (16)- формулаға сәйкес фотондардың тығыздығы х қалыңдықты
пластинаның соңғы шекарасында -ға теңеседі. Пластинаның соңғы
шегіне (түбіне) жеткен фотондар жұтылудан қашады. Яғни, жұтылғандар:
exp (-). (17)
Егер х яғни, егер жұтылу коэффициенті аз болса немесе пластина
жұқа болса, онда (37)-формула:
(18)
Жұтылған фотондар арқылы пайда болатын электронды-кемтіктік жұп сандары
:
. (19)
пропорционалдық коэффициенті ішкі фотоэффекттің кванттық шығысы деп
аталады. Ол жұтылған фотондардың қанша үлесі ток тасымалдаушылар жұбын
құрғаның көрсетеді. Әдетте , электрондар мен кемтіктер құрмай-ақ,
жарық жұтатын бәсекелес құбылыстар бар.
-ты пластина қалыңдығына бөлу арқылы, бірлік көлемде генерация
қарқыны жұбын аламыз:
(20)
(20)-өрнекті (15)-формуладағы G-дың орнына қойып, алатынымыз:
(21)
сәулелену жиілігінде фотондар ағын тығыздығын
энергетикалық жарықтылық арқылы өрнектеуге болады:
(22)
Онда (21)-ді мындай түрде жазуға болады:
(23)
кернеулі пластина арқылы өтетін фототок, оның шекарасының
аралығында, -ның -ға көбейтіндісіне пропорционал:
(24)
(24)-формула жуықталған, қорытындысында жартылай өткізгіште оңайлатылған
құбылыстар қарастырылды. Фототоктың жарықтылықтан тәуелділігі
сызықтықтан өзгеше болуы мүмкін.
Сонымен, егер жарық жетерліктей ұзақ түсетін болса, онда жартылай
өткізгіште (23)-формуламен анықталатын стационарлы фотоөткізгіштік пайда
болады. Жарық қосылған кезде және сөнген кездегі өту құбылыстарын қысқаша
қарастырып кетейік. Сәйкес тәуелділіктерді (24)-формуланы шешу арқылы
алуымызға болады:
Егер болған уақытта жарық қосылса, онда артық тасымалдаушылар
концентрациясы және оған пропорционал фотоөткізгіштік уақыт ішінде
төмендегі заңға байланысты артады:
(25)
(25) тәуелділігі көрсетілген; бірнеше -ға тең уақыт өткеннен кейін,
фотоөткізгіштік стационарлы мәнге жетеді. Егер ұзақ жарықтылықтан кейін
жарық сөнсе (формуланы қарапайымдылығы үшін болғанда), онда
өткізгіштік төменгі заң бойынша құлайды:
(26)
1.7 Гетероауысулар
Гетероқұрылымдарды қолдану түрленудің тиімділігін арттыруға
бағытталған. Гетероауысу – p және n облыстарда қолданылатын материалдар әр
түрлі болатын электронды-кемтікті ауысу. Орнықты байланысты қалыптастыру
үшін құраушыларының бірдеі кристалдық торы болуы тиіс.
7 сурет - Гетероауысулар
Фотоқабылдағыштар үшін гетероауысулардың мынадай қасиеті қолданылады:
кең зоналы жартылайөткізгіш тарапынан оптикалық сәуле жұтылусыз өтеді,
жарықтың барша энергиясы тар зоналы жартылайөткізгіште жұтылады.
2 ФОТОДИОДТАР ЖӘНЕ ОЛАРДЫҢ ЖҰМЫС ІСТЕУ ПРИНЦИПІ
2.1 Фотодиодтардың жұмыс істеу барысында өтетін құбылыстар
Фотодиодтар дегеніміз (ФД) - p-n ауысудың біржақты өткізгіштігін
қолдануға негізделген жартылайөткізгіш приборлар. Олар орамды режимде де
(сыртқы қорек көзінсіз), сонымен қатар фотодиодты режимде – бекітуші
(кері) бағытта айтарлықтай қорек көзі берілетін кезде де жұмыс жасай
береді.
Фотодиодтардың негізгі жұмыс істеу принциптері өткізгіштігі әр түрлі
қоспалы жартылайөткізгіштердің физикалық әсерлесу облысында өтетіг
физикалық құбылыстарға негізделеді. Жартылайөткізгіштің акцепторлық облысы
донорлық облыспен салыстырғанда анағұрлым күштірек легирленген болсын
және концентрациялардың үлесуі 8,б суретте келтірілген.
жартылайөткізгіштің қолдағы бар p және n контактілерінде және контактінің
екі жағындағы сәйкес тасымалдаушылардың концентрациялары әр түрлі болғанда
(p-облыста электрондар аз, ал n-облыста керісінше кемтіктердің
концентрациясы аз) электрондар мен кемтіктердің диффузиялық ток
тығыздықтары бар негізгі тасымалдаушылардың диффузиясы басталады (8,а
сурет). Диффузия нәтижесінде электрондардың бір бөлігі n-облыстан p-
облысына көшеді, ал кемтіктер керісінше p-облысынан n-облысына көшеді.
Диффузияның болуының салдарынан зарядтардың бөлінуі байқалады, осының
салдарынан жартылайөткізгіштердің контакті облысында сәйкес қоспадағы
иондардың көлемдік заряды пайда болады, ол n-облыст оң және p-облысында
теріс мәнге ие (8,в сурет), яғни p-n өткел қалыптасады.
Жартылайөткізгіштердің екі жағындағы тасымалдаушылардың
концентрацияларының таралуы 8,г суретте келтірілген.
Нәтижесінде әр түрлі өткізгіштігі бар жартылайөткізгіштің контакті
облысында электр өрісі қалыптасады, ол n-облыстан p-облысқа қарай
бағытталады (8,д сурет).
Осы өрістің әсерінен n-облыстан p-облысқа қарай кемтіктердің және p-
облыстан n-облысқа қарай электрондардың дрейфі қалыптасады.
Жартылайөткізгіштің осы облыстары арасындағы тасымалдаушылардың алмасуы
негізгі емес тасымалдаушылардың дрейфтік тогы негізгі тасымалдаушылардың
диффузиялық тогымен теңеспейінші жүре береді. осы мезетте тепе-теңдік
орнап, p-n өткел арқылы қорытқы ток нөлге тең болады.
Контактіге жақын облыс электронды жартылайөткізгіш тарапынан
электрондарме кедейленген және кемтіктік жартылайөткізгіш тарапынан
кемтіктермен кедейленген болады. сондықтан бекітуші қабат – негізгі
тасымалдаушыларға кедейленген кедергісі жоғары қабат қалыптасады. Осы
қабаттың қалыңдығы негізгі тепе-тең p және n типті тасымалдаушылардың
концентрациясына кері пропорционал болады.
8 сурет - Контактілі энергиясы бар облыстың энергия деңгейлері
а – электронды және кемтікті өткізгіштігі бар жартылайөткізгіштердің
сүлбесі; б – акцепторлық (Na) және донорлық (Nd) қоспалардың
концентрацияларының таралуы; в – зарядтардың таралуы және электр өрісінің
қалыптасуы; г – негізгі (pp және nn)және негізгі емес (pn және np) заряд
тасымалдаушылардың таралуы; д – көлемдік зарядтың таралуы (Р) және электр
өрісінің кернеулігінің өзгерісі Е(x); е - p-n ауысудың энергетикалық
диаграммасы; ж, з – кері және тура полярлығыне ие сырттан кернеу берген
кездегі p-n өткелдің энергетикалық диаграммасы; и, к – жарықталынған және
жарықталынбаған p-n өткелдің энергетикалық диаграммасы.
p-n өткелдің тепе-тең күйі Ферми деңгейінің бірдей орналасуымен
сипатталады: =, ал контактілі энергиясы бар облыстың энергия
деңгейлері бұрмаланатын болады (8,е сурет). Энергетикалық зоналардың қисаюы
электрондар мен кемтіктердің концентрацияларының қайта үлесуін тудырады (8,
г сурет). 8, г суретте негізгі (кемтіктер – мен электрондар –
) және негізгі емес (р-обласында және n-обласында ) заряд
тасымалдаушылардың үлесуі көрсетілген.
. (27)
Негізгі және негізгі емес тасымалдаушылар тудыратын токтар теңгеріледі.
Тепе-теңдік негізгі емес тасымалдаушылары үшін контактілі тосқауылдың
болмауымен қамтамасыз етіледі және олардың қозғалысының әсерінен туындайтын
ток олардың p және n облыстарындағы концентрацияларымен, олардың диффузия
коэффициенттерімен, сонымен қатар олардың рекомбинация кезінде ығысуы
мүмкін орташа қашықтықпен анықталады.
Концентрациясы анағұрлым жоғары негізгі емес тасымалдаушылардың
диффузиялық тогы контактілі облыстағы потенциалдық тосқауылдың болуымен
шектелген (тежеуші қозғалыс). Тосқауылдан энергиясы жоғары негізгі
тасымалдаушылардың айтарлықтай көп емес үлесі өтеді. Сыртқы кернеу болмаған
кехдегі потенциалдық тосқауылдың биіктігі p-n өткел арқылы негізгі және
негізгі емес ток тасымалдаушылардың ағындарының теңдігін қамтамасыз
ететіндей мәнге ие болады.
Бекітуші қабат өзінің кедергісі мәнін берілген сыртқы кернеудің
полярлығына қатысты өзгертіп отырады. Егер кері полярлы кернеу берілсе (p-
облысқа минус, ал n-облысқа плюс), онда берілген электр өрісі негізгі заряд
тасымалдаушыларды контактінің ішіне қарай тартады, осының салдарынан еркін
зарядтары жоқ контактілі облыс кеңейеді, сондықтан бекітуші қабаттың
кедергісі артады. осындай ұлғаю механизмі 8,ж суретте бейнеленген. сыртқы
өріс потенциалдардың контактілі айырымы өрісімен қосылып, контактілі
облыстағы кернеудің жалпы түсуі болады, мұндағы – берілген
кернеу. Осы кезде энергетикалық тосқауыл артады.
Егер берілген кернеу негізгі тасымалдаушыларды жартылайөткізгіштің
ішінен контактілі p-n өткелге тартып алатын болса, онда бекітуші қабат
сығылып, оның кедергісі түседі, ал сыртқы кернеу потенциалдардың контактілі
айырымынан шегеріліп тастайды. Осындай полярдықты, яғни плюс p-типті
жартылайөткізгішке, ал минус n-типті жартылайөткізгішке берілген жағдайды
тура немесе өткізгіш деп атайды. Осы кездегі p-n өткелдің жұмысы 8,э
суретте бейнеленген. егер берілген кернеу контактілі потенциалдар
айырымынан үлкен болса, онда өткел арқылы өтетін ток Ом заңынан анықталады.
Контактілі облыстың берілген кернеулің полярлығына қатысты
өткізгіштігінің өзгеру құбылысы айнымалы токты түзету үшін қолданылады.
Жартылайөткізгішке сәуле берген кезде сәуле жартылайөткізгіштің
тереңінде жұтылады. Осы тұста электронды – кемтікті қосақтар қалыптасады,
яғни ... жалғасы
Сіз бұл жұмысты біздің қосымшамыз арқылы толығымен тегін көре аласыз.
Ұқсас жұмыстар
Пәндер
- Іс жүргізу
- Автоматтандыру, Техника
- Алғашқы әскери дайындық
- Астрономия
- Ауыл шаруашылығы
- Банк ісі
- Бизнесті бағалау
- Биология
- Бухгалтерлік іс
- Валеология
- Ветеринария
- География
- Геология, Геофизика, Геодезия
- Дін
- Ет, сүт, шарап өнімдері
- Жалпы тарих
- Жер кадастрі, Жылжымайтын мүлік
- Журналистика
- Информатика
- Кеден ісі
- Маркетинг
- Математика, Геометрия
- Медицина
- Мемлекеттік басқару
- Менеджмент
- Мұнай, Газ
- Мұрағат ісі
- Мәдениеттану
- ОБЖ (Основы безопасности жизнедеятельности)
- Педагогика
- Полиграфия
- Психология
- Салық
- Саясаттану
- Сақтандыру
- Сертификаттау, стандарттау
- Социология, Демография
- Спорт
- Статистика
- Тілтану, Филология
- Тарихи тұлғалар
- Тау-кен ісі
- Транспорт
- Туризм
- Физика
- Философия
- Халықаралық қатынастар
- Химия
- Экология, Қоршаған ортаны қорғау
- Экономика
- Экономикалық география
- Электротехника
- Қазақстан тарихы
- Қаржы
- Құрылыс
- Құқық, Криминалистика
- Әдебиет
- Өнер, музыка
- Өнеркәсіп, Өндіріс
Қазақ тілінде жазылған рефераттар, курстық жұмыстар, дипломдық жұмыстар бойынша біздің қор #1 болып табылады.
Ақпарат
Қосымша
Email: info@stud.kz