Фотоприемники на МДП-структурах
Принципиальные достоинства оптоэлектронных приборов и устройств. Основная задача и материалы фотоприемников. Механизмы генерации неосновных носителей в области пространственного заряда. Дискретные МПД-фотоприемники (металл - диэлектрик - полупроводник).
| Рубрика | Коммуникации, связь, цифровые приборы и радиоэлектроника |
| Вид | реферат |
| Язык | русский |
| Дата добавления | 06.12.2017 |
| Размер файла | 797,5 K |
Отправить свою хорошую работу в базу знаний просто. Используйте форму, расположенную ниже
Студенты, аспиранты, молодые ученые, использующие базу знаний в своей учебе и работе, будут вам очень благодарны.
17
Размещено на http://www.allbest.ru/
МИНОБРНАУКИ РОССИИ
Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение
высшего профессионального образования
"Московский технологический университет"
Кафедра конструирования и производства радиоэлектронных средств (КПРЭС)
Реферат
по дисциплине "Оптоэлектроника технических систем"
Тема: "Фотоприемники на МДП структурах"
Выполнил студент группы РКМО-02-16
Шмакова В.Е.
Содержание
- Введение
- Фотоприемники
- Материалы для фотоприемников
- Механизмы генерации неосновных носителей в области пространственного заряда
- Дискретные МДП-фотоприемники
- Неравновесное обеднение
- Матрицы фотоприемников с зарядовой связью (ФПЗС)
Введение
Оптоэлектроника - направление электроники, охватывающее вопросы использования оптических и электрических методов обработки, хранения и передачи информации. Оптоэлектроника представляет собой этап развития радиоэлектроники и вычислительной техники, отличительной чертой которого является использование для обработки информации оптического излучения.
К основным элементам оптоэлектронных устройств относятся источники излучения (некогерентного или когерентного), оптические среды и приемники излучения. Эти элементы в разных устройствах применяются как в виде различных комбинаций, так и виде автономных устройств и узлов с самостоятельными частными задачами. Оптоэлектроника отличается от вакуумной и полупроводниковой электроники наличием в цепи сигнала оптического звена (оптической связи). Поэтому достоинства оптоэлектроники определяются, в первую очередь, преимуществами оптической связи по сравнению с электрической, а также теми возможностями, которые открываются в результате использования разнообразных физических явлений, обусловленных взаимодействием излучения с веществом. Оптоэлектроника синтезирует достижения ряда областей науки и техники: полупроводниковой электроники, квантовой электроники, физики фотоэлектронных приборов, электрооптики, нелинейной оптики, волоконной оптики, голографии, ИК техники и светотехники.
Принципиальные достоинства оптоэлектронных приборов и устройств определяется следующими основными особенностями.
- Частота электромагнитных колебаний в оптическом диапазоне много больше, чем в радиодиапазоне, а именно 1013-1015 Гц, что обуславливает высокую скорость передачи информации и высокую информационную емкость оптического канала связи. Для передачи обычного телевизионного сигнала требуется полоса частот Дн ? 8 МГц. В метровом диапазоне при значении несущей частоты н0 ? 300 МГц, можно передать около десятка ТВ программ. В оптическом диапазоне при том же соотношении Дн/н0 их число возрастает в миллион раз.
- Оптическое излучение имеет малую длину волны (? 1 мкм). Следствием этого является: высокая плотность записи информации в оптических ПЗУ (<108 бит/см2); высокая концентрация оптического излучения в пространстве, так как минимальный объем, в котором может быть сфокусировано электромагнитного излучение составляет ~л3. По этой причине световоды могут быть на несколько порядков меньше волноводов СВЧ. Угловая расходимость луча <л, для оптического диапазона нетрудно сформировать узкую диаграмму направленности с угловым расхождением < 1'. И если в СВЧ (л = 1 м) для этого необходима антенна диаметром - 100 м, то в оптическом - сферическое зеркало или линза меньших размеров.
- Возможность двойной - временной и пространственной модуляции светового луча, что позволяет проводить параллельную обработку информации и получать объемное голографическое изображение.
- Передача информации осуществляется фотонами - электрически нейтральными частицами, вследствие чего реализуется: а) Идеальная гальваническая развязка входа и выхода. б) Однонаправленность потока информации и отсутствие обратной связи. в) Невосприимчивость оптических каналов к воздействию электромагнитных полей, т.е. помехозащищенность, исключение наводок и паразитных связей. г) Многоканальность связи. д) Малое затухание сигналов.
- Возможность непосредственного оперирования со зрительно воспринимаемыми образами, восприятия на входе и визуализации на выходе.
Фотоприемники
Фотоприемники (или эквивалентный термин фотодетекторы) - полупроводниковые приборы, регистрирующие оптическое излучение и преобразующие оптический сигнал на входе в электрический сигнал на выходе фотодетектора.
Поскольку основная задача фотоприемников - регистрация, то существует набор статических характеристик, которыми описываются качества фотоприемника. Если регистрируемый сигнал на выходе фотоприемника - напряжение, то вводят понятие вольтовая чувствительность, показывающая, насколько изменится напряжение ДU на выходе фотоприемника при единичном изменении мощности ДP падающего лучистого потока:
Если на выходе фотоприемника изменяется ток, то фотоприемник характеризуется токовой чувствительностью Si. Токовая чувствительность - величина, характеризующая изменение тока ДI, регистрируемого в цепи фотоприемника при единичном изменении мощности ДP падающего оптического излучения:
На фотоприемнике всегда есть хаотический сигнал, связанный с флуктуациями микропараметров приемника. Этот сигнал характеризуется средним квадратичным значением шумового напряжения:
фотоприемник дискретный металл диэлектрик
Наличие шумового напряжения на фотоприемнике является физической границей регистрации внешнего сигнала. Параметр, описывающий этот эффект, получил название пороговой чувствительности. Пороговая чувствительность - это минимальная энергия оптического излучения Pm, которая вызовет на выходе фотоприемника сигнал, находящийся в заданном отношении (m) к шуму.
При m = 1 мощность оптического излучения Pm = Pmin называется минимальной пороговой чувствительностью. Поскольку шумовая ЭДС пропорциональна полосе частот, то пороговую чувствительность рассматривают для единичной полосы частот ?f = 1, при этом
Величина, обратная пороговой чувствительности, называется обнаружительной способностью:
Удельная обнаружительная способность D* - величина, нормированная на единицу площади фотоприемника и на полосу частот:
Таким образом, удельная обнаружительная способность D* - это величина, обратная мощности оптического излучения, которая при полосе частот ?f = 1 и площади фотоприемник A = 1, вызывает на выходе фотоприемника сигнал, равный шуму. На рисунке 1 приведена зависимость обнаружительной способности D* от длины волны излучения для различных фоторезисторов и фотодиодов.
Рисунок 1 - Зависимость обнаружительной способности D* от длины волны излучения для различных фоторезисторов и фотодиодов (ФД). Штрихованными кривыми представлена теоретическая идеальная D* при 77 и 300 К и угле 2р.
Материалы для фотоприемников
Также как и для всех оптоэлектронных устройств, для фотоприемников важно использовать прямозонные полупроводники и фундаментальное поглощение вблизи края запрещенной зоны. Последнее условие вызывает наличие красной границы в регистрации сигнала. Граничная длина волны лгр, выше которой отсутствует регистрация излучения, при межзонных переходах определяется из следующих простых соотношений:
В таблице 1 приведены значения ширины запрещенной зоны для различных полупроводников и граничная длина волны.
Таблица 1
При выборе фотоприемников значение также имеет спектр пропускания среды между приемником и источником. Обычно этой средой является или атмосфера, или оптоволокно. Ниже на рисунках 2 и 3 приведены эти характеристики.
Рисунок 2 Спектр пропускания атмосферы
Рисунок 3 - Спектр пропускания оптического волокна на основе кварца
Механизмы генерации неосновных носителей в области пространственного заряда
МДП-структуры в состоянии неравновесного обеднения являются физической основой приборов с зарядовой инжекцией и приборов с зарядовой связью. Процессы релаксации неравновесного состояния определяют границы частотного диапазона применения этих приборов. В зависимости от метода измерения можно контролировать либо изменение емкости C МДП-структуры, либо изменение заряда на электродах QG в процессе релаксации емкости при постоянном напряжении VG, либо изменение напряжения на затворе VG в режиме постоянного заряда QM на металлическом электроде.
Рассмотрим МДП-структуру, находящуюся в равновесных условиях при некотором значении напряжения на затворе. Подадим на затвор дополнительно импульс напряжения VG, выводящий систему из равновесия. Часть напряжения упадет на диэлектрике (Vox), часть - на ОПЗ МДП-структуры (VОПЗ = шs). ОПЗ в момент t = 0 перейдет в неравновесное состояние и будет характеризоваться неравновесными значениями поверхностного потенциала шs, емкости ОПЗ Csc, заряда ОПЗ Qsc. Вследствие генерационно-рекомбинационных процессов ОПЗ будет переходить от неравновесного к равновесному состоянию. Пусть фрел - среднее время, за которое осуществляется этот переход. Ясно, что в зависимости от конкретных условий для МДП-структуры (режим постоянного напряжения VG или режим постоянного заряда QM на полевом электроде) время релаксации фрел будет отличаться. Время релаксации также будет зависеть от начального и конечного состояния ОПЗ, от механизма генерации неравновесных носителей заряда. Последнее будет в основном определять кинетику релаксации ОПЗ.
При релаксации неравновесного обеднения на поверхности полупроводника происходит заполнение потенциальной "ямы" для неосновных носителей до равновесного значения. Существуют четыре основных механизма генерации неосновных носителей, вызывающих заполнение потенциальной ямы:
1) генерация через объемные локальные центры в ОПЗ, находящиеся в запрещенной зоне полупроводника;
2) генерация через поверхностные состояния;
3) диффузионный ток из квазинейтрального объема;
4) туннельный генерационный ток.
При наличии высокого электрического поля в ОПЗ может происходить лавинное умножение неосновных носителей, причем в качестве "затравочного" тока может выступать любой из этих четырех механизмов.
Дискретные МДП-фотоприемники
Рассмотрим работу фотоприемника на основе МДП-структуры МДП ФПУ в режиме прибора с зарядовой инжекцией. На рисунке 4 показана зонная диаграмма, иллюстрирующая его работу. После подачи импульса напряжения VG < 0 за момент времени, равный максвелловскому времени релаксации фМ, реализуется состояние неравновесного обеднения. Состояние неравновесного обеднения хранится время t, равное времени релаксации неравновесной емкости фp. Если за это время в неравновесную ОПЗ попадет квант света в полосе собственного поглощения hн > Eg, то в ОПЗ произойдет генерация электронно-дырочных пар. Неосновные фотогенерированные носители будут заполнять неравновесную яму у поверхности. Поскольку наблюдается изменение заряда в инверсионном слое, то через диэлектрик потечет довольно большой ток смещения Jсм, который будет зарегистрирован во внешней цепи. Возможен и другой принцип регистрации фотонов - считывание информационного заряда, как в приборах с зарядовой связью.
Рисунок 4 - Зонная диаграмма, иллюстрирующая работу МДП-структуры в качестве фотоприемного устройства
Через время t, равное времени релаксации неравновесной емкости фp, вследствие термогенерации "яма" для неосновных носителей заполнится. МДП-структура придет в равновесное состояние и утратит способность регистрировать кванты света. Поэтому необходимо привести МДП-структуру сначала в исходное состояние, а затем снова в состояние неравновесного обеднения. Следовательно, МДП ФПУ будет находиться в рабочем состоянии, если тактовая частота импульсов напряжения VG будет больше, чем обратное время релаксации неравновесной емкости МДП-структуры.
Неравновесное обеднение
Рассмотрим МДП-структуру, находящуюся в равновесных условиях при некотором значении напряжения на затворе VG0. Подадим на затвор дополнительно импульс напряжения Vи (VG=Vи+VG0), выводящий систему из термодинамического равновесия. Часть напряжения VG упадет на диэлектрике (Vox), часть на области пространственного заряда (ОПЗ) МДП-структуры (Vопз=Js) (рис.5).
Рисунок 5 - Зонная диаграмма МДП-структуры при неравновесном обеднении
МДП-структура в момент времени t=0 перейдет в неравновесное состояние и будет характеризоваться значениями поверхностного потенциала Js, ширины W, заряда Qsc, емкости Csc ОПЗ, отличными от равновесных значений. При этом емкость всей МДП-структуры Cмдп меньше Cmin, определяемой из равновесной высокочастотной вольфарадной характеристики (ВВФХ), и будет расти во времени (рис.6).
Вследствие генерационно-рекомбинационных процессов, по мере формирования инверсионного канала и перераспределения напряжения между диэлектриком и полупроводником, МДП-структура будет переходить от неравновесного к равновесному состоянию. При этом время релаксации неравновесного обеднения фрел также будет зависеть от начального и конечного состояния ОПЗ (обеднение или инверсия).
Рисунок 6 - Равновесная (1) и неравновесная (2) ВВФХ
При релаксации неравновесного обеднения на поверхности полупроводника происходит заполнение потенциальной ямы неосновными носителями заряда до равновесного значения.
Матрицы фотоприемников с зарядовой связью (ФПЗС)
Новым типом полевых полупроводниковых приборов, работающих в динамическом режиме, являются приборы с зарядовой связью (ПЗС). На рисунке 7 приведена схема, поясняющая устройство и основные физические принципы работы ПЗС. Приборы с зарядовой связью представляют собой линейку или матрицу последовательно расположенных МДП-структур.
Величина зазора между соседними МДП-структурами невелика и составляет 1-2 мкм. ПЗС-элементы служат для преобразования оптического излучения в электрические сигналы, и передачи информации от одного элемента электронной схемы к другому. На рисунке 5.30 показан принцип работы трехтактного прибора с зарядовой связью.
Рисунок 7 - Устройство и принцип работы приборов с зарядовой связью
Рассмотрим принцип работы ПЗС. При подаче обедняющего импульса напряжения VG1 на затвор 1-го элемента в ОПЗ полупроводника образуется неравновесный слой обеднения. Для электронов в полупроводнике р-типа это соответствует формированию под затвором 1-го элемента потенциальной ямы. Известно, что неравновесное состояние сохраняется в период времени t порядка времени генерационно-рекомбинационных процессов фген. Поэтому все остальные процессы в ПЗС-элементах должны проходить за времена меньше фген.
Пусть в момент времени ф1>> фген в ОПЗ под затвор 1-го элементаинжектирован каким-либо образом информационный заряд электронов. Теперь в момент времени t2 > t1, но t2 << фген на затвор 2-го ПЗС-элемента подадим напряжение такое же, как и напряжение на первом электроде. В этом случае информационный заряд перераспределится между двумя этими электродами. Затем напряжение на втором электроде увеличим, а на первом уменьшим, VG2 > VG1, что способствует формированию более глубокой потенциальной ямы для электронов под затвором 2-го элемента.
Вследствие диффузии и дрейфа возникнет поток электронов из ОПЗ под 1-м элементом в ОПЗ под вторым элементом. Когда весь информационный заряд перетечет в ОПЗ 2-го ПЗС-элемента, напряжение на затворе VG1 снимается, а на затворе VG2 уменьшается до значения, равного VG1. Произошла nepeдача информационного заряда. Затем цикл повторяется, и заряд передается дальше в ОПЗ 3-го ПЗС-элемента.
Для того, чтобы приборы с зарядовой связью эффективно функционировали, необходимо, чтобы время передачи фпер от одного элемента к другому было много меньше времени генерационно-рекомбинационных процессов (фпер << фген). Не должно быть потерь информационного заряда в ОПЗ вследствие захвата на поверхностные состояния, в связи с чем требуются МДП-структуры с низкой плотностью поверхностных состояний (Nss ? 1010 см-2·эВ-1).
Приборы с зарядовой связью реализуются в виде матриц размерностью, кратной 2n. Типичный размер для матрицы емкостью 5 мегапикселов составляет 2048 Ч 2048 элементов. На рисунке 8 приведена схема ПЗС-матрицы с регистрами сдвига, обеспечивающими считывание информационного заряда с индивидуальных элементов - пикселов.
Размещено на Allbest.ru
Подобные документы
Физические принципы работы фотоприемников на приборах с зарядовой связью. Матричный ПЗС с разделением цветовых сигналов. Технологии комплементарных структур метал–оксид–полупроводник (КМОП). Фотоприёмники с координатной адресацией; телевизионный сигнал.
презентация [1,8 M], добавлен 14.12.2013Анализ физических процессов в структуре металл-диэлектрик-полупроводник. Расчет необходимых характеристик полупроводниковой структуры. Построение диаграммы МДП-структуры в режиме сильной инверсии. Технология изготовления комплементарных МОП-транзисторов.
курсовая работа [945,3 K], добавлен 06.04.2014Применение полупроводниковых приборов в радиоэлектронике. Типы тиристоров, понятие о динисторах, их вольтамперная характеристика и параметры, проектирование структуры. Виды и выбор полупроводникового материала. Время жизни неосновных носителей заряда.
курсовая работа [2,2 M], добавлен 18.12.2009Физические принципы генерации гармонических СВЧ-сигналов широкополосных каналов связи. Базовая конструкция оптоэлектронных генераторов. Расчет мощности нелинейной генерации в планарных структурах с областями модулированной диэлектрической проницаемости.
дипломная работа [1,7 M], добавлен 18.06.2014Интегральные микросхемы на транзисторах со структурой металл - диэлектрик - полупроводник. Принципы работы, конструкция и классификация транзисторов данного вида. Четыре типа транзисторов. Вспомогательные элементы микросхем. Применение охранных колец.
реферат [447,3 K], добавлен 22.02.2009Работа оптоэлектронных приборов основана на электронно-фотонных процессах получения, передачи и хранения информации. Одним из оптоэлектронных приборов является оптрон, принцип действия которого состоит в преобразовании электрического сигнала в оптический.
реферат [83,5 K], добавлен 07.01.2009Неравновесные электронные процессы в структурах металл-туннельно-прозрачный-окисел-полупроводник. Исследование вольт-амперных характеристик и физических процессов, протекающих в транзисторных структурах с распределенным p-n переходом. Методы их расчета.
курсовая работа [745,2 K], добавлен 11.12.2015Типы проводимостей полупроводников и их отличия. Преимущества гетероэпитаксиальных структур КРТ по сравнению с объемными кристаллами КРТ, выращивание. Разновидности полупроводниковых фотоприёмников. Приборы на основе КРТ: принцип действия и устройство.
курсовая работа [3,3 M], добавлен 18.10.2009Классификация, температурные зависимости концентрации, подвижностей носителей заряда собственных и примесных полупроводников. Общая характеристика и основные сведения о кристаллическом строении полупроводниковых материалов Si и Ge, методика выращивания.
курсовая работа [1,5 M], добавлен 08.05.2009Изменение концентрации носителей и проводимости в приповерхностном слое полупроводника под действием электрического поля. Эффект поля в собственном и примесном полупроводниках. Механизмы рекомбинации носителей. Законы движения носителей в полупроводниках.
презентация [206,2 K], добавлен 27.11.2015
