Название: Многоэлементные фотоприемные устройства и тепловизоры - Учеб. пособие. (Илюшин В.А.)

Жанр: Технические

Просмотров: 1299


3.1. примесный фоторезистор

 

Суммарный шум фоторезистивного приемника излучения, отнесенный к единичной полосе частот , описывается выражением

                 (25)

где  – заряд электрона;  – интенсивность потока фотонов, попадающих на приемную площадку чувствительного элемента;  – скорость оптической генерации носителей заряда в фоточувствительном элементе;  – площадь чувствительного элемента приемника;  – коэффициент фотоэлектрического усиления, равный числу электронов тока во внешней цепи, отнесенному к одному поглощенному фотону;  – скорость термической генерации свободных носителей заряда в объеме фоторезистора;  – толщина фоточувствительного элемента в направлении распространения излучения; – внутреннее сопротивление фоторезистора;  – постоянная Больцмана [2, гл. 4.1.3].

Первое слагаемое в (25) учитывает генерационно-реком-бинационный шум, возникающий при оптической генерации свободных носителей тока; второе слагаемое – генерационно-рекомбинационный шум при термической генерации; третье слагаемое – джонсоновский шум.

Токовая чувствительность с учетом коэффициента фотоэлектрического усиления

                                       (26)

Из (6), (25) и (26) следует, что приведенная обнаружительная способность фоторезистора равна

.            (27)

В условиях, когда шум фотоприемника определяется только генерационно-рекомбинационным шумом

.                         (28)

принятое допущение соответствует выполнению условия пункта 3, то есть

 .                                  (29)

Для примесных резисторов оно обычно справедливо, так как их темновое сопротивление при низких температурах очень велико. Примесный резистор, как правило, используется в схемах  с малым нагрузочным сопротивлением, и при уменьшении шума фоторезистора джонсоновский шум нагрузочного сопротивления начинает проявляться ранее, чем джонсоновский шум темнового сопротивления фоторезистора.

Скорость термической генерации свободных носителей тока в примесном фоторезисторе (предположим для определенности, что фоторезистор изготовлен из полупроводника с дырочной проводимостью)

,                 (30)

где  – концентрация свободных дырок;  – время жизни дырок; ,  – концентрации акцепторов и доноров соответственно;  – эффективная плотность состояний в валентной зоне;  – коэффициент рекомбинации дырок;  – фактор вырождения акцепторных уровней;  – энергия ионизации акцепторной примеси;  – постоянная Больцмана;  – температура чувствительного слоя.

Таким образом, для примесного фоторезистора приведенная обнаружительная способность в условиях, когда шум фотоприемного устройства определяется генерационно-рекомбина-ционным шумом, равна

 

  (31)

Как видно из (31), при высоких температурах преобладает первое слагаемое в подкоренном выражении и фотоприемник работает в режиме, при котором его обнаружительная способность определяется скоростью тепловой генерации свободных носителей заряда,  является функцией температуры. С понижением температуры интенсивность термической генерации падает, первое слагаемое подкоренного выражения уменьшается, значение  увеличивается. При низких температурах преобладает второе слагаемое, обнаружительная способность в первом приближении от температуры не зависит и определяется лишь интенсивностью фонового излучения. В этих условиях приемник работает в режиме ограничения фоном (режим ОФ или BLIP-режим) и .

График зависимости  от температуры приведен на рис. 5.

 

Рис. 5.  Зависимости D* от температуры для примесного

фоторезистора из Ge(Hg) (1)

и собственного фоторезистора из сплава HgCdTe (2)

при различных интенсивностях фонового излучения,

определяемых апертурным углом q

 

В качестве оптимальной температуры приемника  можно принять температуру, при которой скорости оптической и термической генераций носителей равны. Приравнивая слагаемые в подкоренном выражении (31), находим:

                    (32)

При оптимальной температуре приведенная обнаружительная способность в раза меньше максимально возможного значения

.

Основным фактором, определяющим температуру , является энергия ионизации примесного уровня . Чем меньше энергия ионизации и больше длинноволновая граница фоточувствительности , тем ниже оптимальная рабочая температура . С учетом  из (32) можно получить

.                 (33)

Оптимальная рабочая температура тем выше, чем больше уровень фоновой засветки . При повышении уровня фоновой засветки не только уменьшается абсолютная величина приведенной обнаружительной способности, но и увеличивается температура, при которой приемник выходит в режим ОФ. Значение  зависит от характеристик полупроводникового материала, из которого изготовлен чувствительный элемент, и в первую очередь – от коэффициента рекомбинации . От концентрации примеси значение  не зависит, так как  и, следовательно, в правую часть уравнения (33) концентрация примеси не входит.

Для повышения рабочей температуры следует использовать полупроводниковый материал с наименьшим коэффициентом рекомбинации. Среди всех известных механизмов рекомбинации носителей заряда в полупроводниках наиболее важными являются излучательная рекомбинация, оже-рекомбинация и рекомбинация с испусканием фононов. Минимальное достижимое значение  и соответственно предельное (максимальное) значение  определяются процессом излучательной рекомбинации. Естественно, данное предельное значение  соответствует заданным условиям эксплуатации, то есть диапазону длин волн  и уровню фоновой засветки .