Фотоприемники на основе внутреннего фотоэффекта
Область спектральной чувствительности фотоэмиссионных приемников простирается от ультрафиолетовой до ближней инфракрасной части спектра. Однако для диапазона волн Я>1,2 мкм фотоэмиссионных приемников пока нет, хотя многие лазеры излучают в этом диапазоне. Даже на волне Я= 1,06 мкм, излучаемой лазерами на неодимовом стекле и алюмоиттриевом гранате, применение фотоэмиссионных приемников не всегда целесообразно из-за низкой чувствительности единственного пригодного для работы в этой части спектра фотокатода — кислородно-серебряно-цезиевого. Поэтому в ИК диапазоне волн чаще всего используются полупроводниковые фотодетекторы с внутренним фотоэффектом.
Наиболее распространены два типа полупроводниковых фотодетекторов— фоторезисторы (фотосопротивления) и фотодиоды.
Инерционность процессов в фоторезисторах чаще всего имеет порядок 10-5—10-7 с, и это ограничивает широкополос — ность приемников с такими фотодетекторами. Поэтому при точной дальнометрии, когда необходимо обеспечить прием коротких импульсов (Тф«10-8 с и менее) или непрерывного излучения с достаточно высокой частотой модуляции (десятки мегагерц и более), целесообразно использовать не фоторезисторы, а фотодиоды, обладающие, как правило, большим быстродействием.
Фотодиоды. Фотодиоды представляют собой полупроводниковые приборы с р—«-переходом (см. § И, стр. 112). При поглощении фотонов падающего излучения в зоне р—«-перехода может происходить процесс, обратный рекомбинационному излучению — образование электронно-дырочных пар (свободных электронов и носителей положительного заряда — дырок). Инерционность фотодиодов удается довести до долей наносекунды, поэтому приемники с такими фотодиодами можно применять для приема даже очень коротких лазерных импульсов или непрерывного излучения с СВЧ модуляцией.
От внешнего источника питания на фотодиод подается напряжение, полярность которого препятствует протеканию тока через р—п-переход (в отличие от случая, описанного ранее, в § 11, когда полупроводниковый диод используется для генерации оптического излучения). Поэтому при отсутствии излучения текущий через фотодиод ток (так называемый темповой ток) достаточно мал. Его величина пропорциональна геометрической площади чувствительной площадки и обычно имеет порядок 10-9 А. При попадании в область р—n-перехода фотонов оптического излучения за счет генерации электронно-дырочных пар ток через диод возрастает. Чувствительность фотодиодов на основе широкозонных полупроводников (Si, GaAs) в оптимальном для них диапазоне волн (для широко распространенных кремниевых диодов этот диапазон соответствует 0,8—0,9 мкм) достигает 0,.4—0,5 A/Вт, что соответствует квантовому выходу
т]кв=60—80%.
Охлаждаемые фотодиоды на основе указанных полупроводников (одним из наиболее перспективных материалов такого рода является в настоящее время тройное соединение кадмий— ртуть — теллур (HgCdTe), получившее сокращенное название КРТ) также имеют высокую чувствительность и малую инерционность (~10-9 с) в характерном для них участке длин волн 5—15 мкм. Рабочая температура для материала типа КРТ составляет обычно ~80 К, т. е. близка к температуре жидкого азота, а область наибольшей чувствительности можно сдвигать по шкале длин волн изменением относительного содержания кадмия и ртути в тройном соединении.
Несмотря на высокий квантовый выход полупроводниковых материалов, фотодиодам присущ тот же недостаток, что и фотоэлементам — в случае приема широкополосных сигналов сопротивление нагрузки приходится выбирать малым для обеспечения малой постоянной времени; выходное напряжение при слабом сигнале получается очень низким и чувствительность приемника в целом ограничивается шумами последующего усилителя.
В значительной мере преодолеть эту трудность позволяет применение интенсивно разрабатываемых в последнее время лавинных фотодиодов (ЛФД) — приборов, напоминающих ФЭУ тем, что в них также используется внутреннее усиление фототока.
Лавинные фотодиоды работают при напряжении, соответствующем порогу электрического пробоя диода. При этом возникающие вследствие попадания в зону р—/t-перехода фотонов принимаемого излучения носители заряда (электроны и дырки) получают за счет электрического поля энергию, достаточную для «выбивания» из кристаллической решетки полупроводника добавочных электронно-дырочных пар; происходит лавинообразное размножение носителей заряда, и протекающий через сопротивление нагрузки ток растет. Жесткая стабилизация питающего напряжения и принятие других специальных мер позволяют избежать неконтролируемого развития лавинного процесса и поддерживать коэффициент умножения М числа носителей заряда на заданном постоянном уровне. Величина М у ЛФД значительно меньше, чем у ФЭУ, и обычно не превышает 100. Тем не менее порог чувствительности приемников с ЛФД, определяемый уровнем их шумовой мощности, оказывается значительно ниже, чем у обычных фотодиодов на основе тех же материалов. Пока для изготовления ЛФД используются главным образом кремний и германий, что позволяет применять такие приемники для регистрации излучения неодимовых и полупроводниковых лазеров, генерирующих в ближнем ИК диапазоне волн. Несмотря на небольшой коэффициент лавинного умножения М, приемники с ЛФД имеют в этом диапазоне меньший уровень шума и оказываются, следовательно, более чувствительными к слабым оптическим сигналам, чем приемники с ФЭУ; причина этого — высокий квантовый, выход полупроводниковых материалов по сравнению с квантовым выходом пока единственного практически применяемого для работы в указанном диапазоне волн кислородно-серебряно-цезиевого фотокатода.