Квантовые детекторы

В основе практически всех твердотельных квантовых детекторов (фотоволь­таических и фотопроводящих) лежит квантовая теория излучения, базирующая­ся на взаимодействии отдельных фотонов с кристаллической решеткой полупро­водниковых материалов. Их принцип действия основан на явлении фотоэффек­та, открытом А. Эйнштейном, за которое он получил Нобелевскую Премию. В 1905 году он предположил, что свет имеет квантовую природу, т.е. он состоит из потока элементарных частиц, каждая из которых обладает в заданных условиях опре­деленной энергией. Эти частицы в дальнейшем были названы фотонами. Энергия одного фотона определяется следующим выражением:

Е = hv, (1)

где v - частота света, а h =6.626075•10^-34 Дж•С - постоянная Планка, выведенная на основе волновой теории света.

Столкновение фотона с поверхностью проводника может привести к образованию сво­бодного электрона. Часть энергии фотона ф используется на то, чтобы оторвать этот электрон с поверхности, а другая часть отдается электрону в виде кинетической энергии К_m._. Фотоэлектрический эффект можно выразить в виде:

hv = ф + К_m, (2)

где ф называется рабочей функцией испускающей поверхности, а К_m - максималь­ной кинетической энергией электрона после его отрыва от поверхности.

Анало­гичные процессы происходят, когда полупроводниковый p-n переход подверга­ется воздействию светового излучения: фотон передает свою энергию электрону, и если эта энергия достаточно большая, электрон становиться свободным, что означает появление электрического поля.

Периодическая решетка кристаллических материалов определяет значения разрешенных зон энергий для электронов, находящихся внутри твердого тел. Энер­гия любого электрона лежит в пределах одной из разрешенных зон, которые отде­лены друг от друга интервалами запрещенных значений энергии (запрещенными зонами).

Если излучение определенной длины волны (с достаточно высокой энергией фотонов, см. уравнение (1)) падает на поверхность полупроводникового крис­талла, концентрация заряженных частиц (электронов и дырок) в нем увеличива­ется, т.е. возрастает его удельная проводимость.

На рис. 2 показаны зоны энергий в полупроводниковом материале. Нижняя зона называ­ется валентной зоной, которая соответствует электронам, связанным с кри­сталлической решеткой материала. В случае кремния или германия эти электро­ны участвуют в формирова­нии ковалентных связей, обуславливающих внутри­атомные связи внутри кристалла. Самый верхний слой называется зоной проводи­мости. Эта зона соответствует электронам, свободно перемещающимся по кристаллу.­ Электроны с такими энергиями участвуют в обеспечении электропроводно­сти материала. Между этими зонами лежит зона запрещенных энергий, ширина кото­рой определяется типом материала: либо полупроводника, либо диэлектрика. Ко­личество электронов внутри кристалла соответствует полному заполнению всех воз­можных мест в валентной зоне. При отсутствии теплового возбуждения и у полупровод­ников, и у диэлектри­ков ва­лентная зона является полностью заполненной, а зона проводимости - полностью пустой. В таких воображаемых условиях ни один из этих материалов не будет обладать электропро­водностью.

В металлах энергетические уровни в зоне проводимости являются не полностью запол­ненными. Поэтому электроны могут свободно перемещаться внутри материа­ла, поскольку для перехода с уровня на уровень им не требуется обладать очень высо­кой энергией. Этим объяс­няется высокая электропроводность металлов. В диэлект­риках и полупроводниках, для того чтобы попасть в зону проводимости, электронам приходится сначала преодолевать зону запрещенных энергий, которая для диэлект­риков составляет порядка 5 эВ и более, а для полупроводников несколько ниже. Этим и объясняется тот факт, что электропроводность полупроводни­ков (не говоря уже о диэлектриках) на несколько порядков ниже, чем у металлов.

Если фотон, обладающий высокой энергией (большой частотой), ударяется о кристалл (рис. 2А), он выбивает из его валентной зоны электрон и передает ему достаточное количество кинетической энергии, чтобы он мог перескочить зону запрещенных энергий и попасть в зону проводимости, т.е. на более высокий энергетический уровень. В зоне проводимости электрон является свободным носителем заряда. Недостаток электрона в валентной зоне означает появление там дырки, которая тоже может рассматриваться как свободный носитель проти­воположного электрону заряда. Увеличение количества дырок выражается в умень­шении удельного сопротивления материала. На рис. 2Б показано, что проис­ходит, когда фотон обладает низкой энергией, недостаточной для преодоления электроном зоны запрещенных энергий. Как видно из рисунка, в этом случае сво­бодные носители зарядов не образуются.

Ширина зоны запрещенных энергий служит тем порогом, ниже которого ма­териал не является фоточувствительным. Однако не следует представлять порог в виде резкой границы. Во время фотоэффекта всегда выполняется закон сохране­ния моментов движения. Момент движения и плотность дырок и электронов в зо­нах валентности и проводимости являются максимальными в центре и падают до нуля у верхнего и нижнего краев зон. Поэтому вероятность возбужденному в ва­лентной зоне электрону най­ти место в зоне проводимос­ти гораздо выше в центре зон, чем по краям. Поэтому спек­тральная фоточувствитель­ность материала начинает ра­сти с энергии фотона, постепенно доходит до макси­мума и потом снова падает до нуля при энергии, соответ­ствующей разности между нижней энергией валентной зоны и верхней энергией зоны проводимости. Типовая спектральная характеристика полупроводникового матери­ала показана на рис. 3. При введении в материал определенных примесей можно менять фоточувствительность материала. Этот способ можно использовать для из­менения формы или получения сдвига спектральной характеристики кристалла. Все приборы, напрямую преобразующие фотоны электромагнитных излучений в носители зарядов, называются квантовыми детекторами. К таким устройствам от­носятся фотодиоды, фототранзисторы и фоторезисторы.

Фотодиоды.

Фотодиоды - это полупроводниковые оптические датчики. Это понятие вклю­чает в себя даже солнечные батареи. В упрощенном виде принцип действия фотодиодов можно описать следующим образом. При воздейст­вии излу­чения соответствующей частоты на прямо смещенный р-n переход (в котором положительный вывод батареи подключен к зоне р), ток через фотодиод возра­стет незначительно по сравнению с темновым то­ком. Другими словами, ток сме­щения в этом случае будет намного превышать ток, генерируемый светом. При обратном смещении р-n перехода (рис. 4) ток возрас­тает очень сильно. Стол­кновение фотонов с поверхностью фотодиода приводит к образованию пар элек­трон-дырка на обоих концах перехода. При попадании электронов в зону про­водимости, они начинают лететь в сторону положительного полюса батарей. Со­ответственно, созданный поток дырок на­правляется к отрицательному полюсу. Это означает появление в цепи фотодиода тока i_p В темноте ток утечки i₀ не зависит от приложенного на­пряжения, а причиной его возникновения является теп­ловая генерация носителей за­рядов. На рис. 5А показана эк­вивалентная электрическая схема обратно смещенного фотодиода, состоящая из двух источников тока и RС -цепи.

Процесс оптического де­тектирования заключается в прямом преобразовании опти­ческой энергии (в виде потока фотонов) в электрический сигнал (поток электронов). Таким образом, электрический ток пропор­ционален оптической мощности падающего на детектор излучения.

На рис. 5Б показана вольтамперная характеристика типового фотодиода. Если к диоду при разомкнутой цепи подключить вольтметр, обладающий высо­ким входным импедансом, можно увидеть, что при увеличении оптической мощ­ности, напряжение меняется по нелинейной (логарифмической) зависимости. При коротком замыкании цепи (V = 0) ток связан с оптичес­кой мощностью линейной зависимостью. Вольтамперную характеристику фото­диода можно описать выражением:

(3)

где i_o - обратный темновой ток, возникающий из-за тепловой генерации пар элек­трон-дырка, i_s - ток, соответствующий детектируемому оптическому сигналу, m - постоянная Больцмана, а Т - абсолютная температура.

Дата добавления: 2014-01-07