7 ultimul curs

Download 7 Ultimul Curs

Post on 26-Sep-2015

233 views

Category:

Documents

1 download

Embed Size (px)

DESCRIPTION

DISPOZITIVE CONVERTOARE FOTON-ELECTRON

TRANSCRIPT

  • CAPITOLUL 6

    186 ____________________________________________________________________

    DISPOZITIVE CONVERTOARE

    FOTON-ELECTRON

    6.1 Introducere

    Conversia fotonelectron este necesar n prezent din cel puin dou

    motive. n primul rnd optoelectronica nu i-a dezvoltat nc o

    instrumentaie de msur proprie i apeleaz, deocamdat, la aceast

    conversie urmat de msurri pur electronice. n al doilea rnd n casele i n

    birourile noastre de lucru toate receptoarele funcioneaz nc pe electroni

    (telefon, radio, televizor, PC, ) astfel nct informaia primit pe fibr

    optic pe purttoare fotonic trebuie convertit pentru a fi compatibil cu

    aceste receptoare clasice.

    Conversia foton-electron poate fi realizat cu dou tipuri de

    dispozitive:

    - dispozitive termice n care absorbia fluxului de fotoni este urmat

    de creterea temperaturii dispozitivului i de modificarea unei proprieti de

    material (de exemplu rezistivitatea sau starea de polarizaie); aceste

    dispozitive nu sunt selective i n general au inerie mare;

    - dispozitive cuantice (electronice) n care absorbia fluxului de

    fotoni este nsoit de excitarea electronilor pe nivele energetice superioare

    (fie din banda de valen n banda de conducie, fie chiar de extragerea

    electronilor din cristal n vidul dispozitivului); aceste dispozitive pot avea

    inerii foarte mici.

  • CAPITOLUL 6

    __________________________________________________________________ 187

    6.2 Dispozitive convertoare cuantice cu jonciuni

    semiconductoare

    Fie o jonciune semiconductoare pn la echilibru termodinamic

    (fig. 6.1,a) cu regiunea de sarcin spaial de dimensiune W i cmpul intern

    iE .

    Aplicnd un flux de fotoni o acestei structuri, o parte din acest flux

    va fi reflectat ( oR unde R este coeficientul de reflexie depinznd de

    lungimea de und a radiaiei), n semiconductor penetrnd la x = 0 fluxul

    o 1 R .

    Dac W , acest flux va fi absorbit n semiconductor genernd

    perechi electron gol (fie coeficientul de absorbie).

    Deci n adncime rezult:

    xox 1 R e

    (6.1)

    WF

    WC

    WV

    qVB

    a

    W

    p n

    q(VB VL)

    qVL

    b

    W

    p n

    0

    x

    R 0 0

    Fig. 6.1. a jonciune pn la echilibru termodinamic i structura zonelor sale energetice

    b jonciune pn sub aciunea unui flux de fotoni 0 i

    strutura zonelor sale energetice

    iE iE

  • CAPITOLUL 6

    188 ____________________________________________________________________

    Purttorii de sarcin minoritari de neechilibru generai de o parte i

    de alta a zonei de sarcin spaial de ctre x vor fi accelerai de ctre

    cmpul intern spre regiunile cu purttori majoritari de acelai tip. Trecnd

    prin zona de sarcin spaial, aceti purttori determin apariia unui curent

    IL al crui sens corespunde cu sensul curentului direct din jonciune.

    a

    0

    a

    0L e1R1dxx~I

    (6.2)

    unde: - randamentul cuantic de generare (numrul de perechi electron-

    gol generai pe numrul de fotoni incideni);

    a adncimea maxim de ptrundere a fluxului de fotoni n

    semiconductor.

    Electronii i golurile de neechilibru

    care tranziteaz zona de sarcin spaial

    determin apariia unui cmp electric orientat

    n sens invers cmpului intern. Bariera de

    potenial qVB (unde q este sarcina

    elementar) se va micora cu qVL (figura

    6.1,b), ca i cnd jonciunea ar fi polarizat

    direct cu tensiunea VL (figura 6.2).

    nchiznd circuitul pe rezistena de sarcin RL rezult:

    VL = I RL (6.3)

    Ls L

    qVI I exp 1 I

    kT

    (6.4)

    unde Is este curentul de saturaie de ntuneric.

    n regim de gol 0LR ,I din (6.4) rezult:

    LL

    s

    IkTV ln 1

    q I

    (6.5)

    Fig. 6.2. Jonciune pniradiat nchis perezistena de sarcin RL

    VL

    p n

    I

    0

    RL

  • CAPITOLUL 6

    __________________________________________________________________ 189

    n regim de scurt (RL = 0, VL = 0) rezult

    LI I

    Jonciunea semiconductoare din figura 6.2 poate fi utilizat n trei

    regimuri:

    - polarizare direct, figura 6.3,a (neindicat deoarece curentul direct

    al jonciunii mascheaz curentul IL produs de fotoni);

    - polarizare invers, figura 6.3,b (regimul de fotodiod);

    - fr polarizare, figura 6.3,c (regimul de celul solar).

    6.3 Fotodiode semiconductoare

    Dac jonciunea semiconductoare este polarizat cu tensiunea

    invers U (regim de fotodiod) curentul prin jonciune va avea expresia:

    Ls L

    qV qUI I exp 1 I

    kT

    (6.6)

    U

    p n

    R

    -+

    0

    U

    I

    a

    U

    p n

    R

    - +

    0

    U

    I

    b

    I

    U

    p n

    RL

    0

    U

    I

    c

    I

    Fig. 6.3. Cele trei regimuri de funcionare a unei jonciuni pn iradiate:a-polarizare direct;b-polarizare invers;c-fr polarizare.

  • CAPITOLUL 6

    190 ____________________________________________________________________

    Alegnd LVU i kTqU expresia 6.6 devine:

    s LI I I (6.7)

    Dac valoarea curentului de

    ntuneric Is tinde ctre zero, din relaia 6.2

    rezult:

    0L ~II (6.8)

    relaie de proporionalitate care se

    pstreaz aproximativ 9 ordine de mrime.

    Rezult deci c o fotodiod de

    calitate trebuie alimentat cu o tensiune

    invers ct mai mare n valoare absolut

    (aproape de limita de strpungere a jonciunii) i trebuie s aib un curent de

    ntuneric ct mai mic. Acest ultim deziderat se asigur prin urmtoarele:

    - folosirea unui semiconductor de nalt puritate, fr defecte n

    reeaua cristalin n special n zona de sarcin spaial, adic fr fenomene

    de generare recombinare n volumul acestei zone;

    - pasivarea suprafeelor libere ale jonciunii semiconductoare, deci

    reducerea la minim a conduciei de suprafa.

    Pentru o fotodiod se definete responsivitatea monocromatic

    0

    L

    SI

    (6.9)

    care din (6.2) devine:

    ae1R1~S (6.10)

    Pentru o responsivitate ct mai mare trebuie acionat asupra celor trei

    factori ai relaiei (6.10).

    Randamentul cuantic de generare , fr a lua msuri deosebite,

    este mai mare dect 0,9.

    Is

    Is+IL1

    Is+IL202

    01

    0=0I

    U

    Fig. 6.4. Dependenacurent-tensiune a uneifotodiode

  • CAPITOLUL 6

    __________________________________________________________________ 191

    Din pcate coeficientul de reflexie R este destul de mare

    (aproximativ 0,3) din cauza indicelui de refracie mare al materialelor

    semiconductoare folosite. Pentru reducerea coeficientului de reflexie se

    folosete, ntotdeauna, un strat antireflectant (figura 6.5). Dac se alege gro-

    simea acestui strat

    01

    1

    d4n

    (6.11)

    coeficientul de re-

    flexie devine

    22

    1 0 2

    min 22

    1 0 2

    n n nR

    n n n

    .

    Impunnd pentru stratul antireflectant un indice de refracie

    1 0 2n n n la lungimea de und 0 rezult Rmin = 0.

    n jurul acestei lungimi de und favorite coeficienii de reflexie au

    valori de ordinul

    0,06 0,1.

    Pentru a ob-

    ine rezultate i

    mai bune se pot

    folosi dou stra-

    turi antireflectan-

    te (figura 6.6).

    Grosimile acestora se aleg :

    01

    1

    d4n

    (6.12)

    strat antireflectant(AR)

    semiconductor

    0n0

    n1

    n2

    d1

    R 0

    Fig. 6.5. Strat antireflectant pesuprafaa semiconductorului

    strat antireflectant(AR1)

    strat antireflectant(AR2)

    semiconductor

    0n0

    n1

    n2

    n3

    d2

    d1

    R 0

    Fig. 6.6. Strat antireflectant dublu pesuprafaa semiconductorului

  • CAPITOLUL 6

    192 ____________________________________________________________________

    02

    24d

    n

    (6.13)

    pentru care coeficientul de reflexie devine:

    22 2

    1 3 2 0

    min 22 2

    1 3 2 0

    n n n nR

    n n n n

    Alegnd materialele straturilor astfel nct 2 21 3 2 0n n n n se obine la

    lungimea de und 0 un Rmin=0. n jurul acesteia Rmin=0,04 0,06.

    Tehnologia straturilor antireflectante, singura posibil, este destul de

    delicat n primul rnd prin natura materialelor care s aib indicele de

    refracie corespunztor (oxid, dioxid sau nitrur de siliciu, oxizi de

    aluminiu, titan sau tantal) i n al doilea rnd prin grosimea riguros

    controlat a stratului (sute de nanometri, relaiile (6.11) (6.13)).

    Din relaia (6.10) rezult c responsivitatea monocromatic S crete

    mult dac semiconductorul ales are un coeficient de absorbie mare pentru

    lungimile de und dorite

    ale fasciculului de fotoni.

    n figura 6.7 sunt

    reprezentate grafic depen-

    dena coeficientului de

    absorbie de lungimea de

    und pentru semicon-

    ductoarele Ge, Si, GaAs,

    In0,7Ga0,3As0,64P0,36.

    Pentru un semi-

    conductor care are coefi-

    cientul de absorbie 5 110 cm (de exemplu: Ga As la 0 0,7 m ) dac

    zona de absorbie este a = 1m rezult:

    (cm-1)

    105

    104

    103

    102

    10

    0,4 0,8 1,2 1,6 0 (m)

    Ge

    SiGa As

    In0,

    7 G

    a 0,3 A

    s 0,6

    4 P

    0,36

    Fig. 6.7 Dependena coeficientului de absorbie delungimea de und pentru unele semiconductoare

    folosite pentru fotodiode.