Fotodiodni ojačevalniki - F9 - IJS

Fotodiodni ojačevalnikE.Marganinteragirajo s prostimi elektroni ali atomi kristalne strukture snovi, ter povečajonjihovo notranjo energijo (ki se odraža v višji povprečni temperaturi snovi).Pri višjih energijah v siliciju prevladujejo reakcije neelastičnih trkov zelektroni in elastični trki z atomi kristalne strukture. V prvem primeru elektroniabsorbirajo zadostno energijo (1.1 eV) za prehod iz valenčnega pasu v prevodnienergijski pas. Vsak tako pospešen elektron pusti za seboj vrzel, a gre za začasenpojav, ki traja do ponovne rekombinacije nabojev; temu času pravimo povprečnaživljenska doba manjšinskih nosilcev naboja, 7 q , ki v siliciju (brez od zunajpritisnjene napetosti) znaša okoli 2–3 µs. Po tem času elektron spet ‘pade’ v kakodrugo vrzel, in vrzel zasede kak drug elektron, ki pride iz prevodnega pasu. Ob temelektroni oddajo odvečno energijo v obliki novih fotonov, katerih frekvenca (torej tudienergija) je ustrezno nižja od prvotnega fotona, ki je povzročil nastanek paraelektron–vrzel.Če je [ r [ g, lahko pride do sekundarnih ionizirnih učinkov, ko pospešenielektron pridobi dovolj energije da odrine še kakšnega. Pri [ r "& eV je že dovoljenergije da reakcije v kristalni mreži izvržejo nek silicijev atom iz svoje ravnovesnelege in s tem trajno poškoduje kristal. Prisotnost takih poškodb vpliva na skrajšanježivljenske dobe manjšinskih nosilcev naboja na ~0.1 µs, ali manj, v odvisnosti odupornosti silicija in gostote fotonov. Vendar kljub poškodbam kristal lahko še naprejdeluje kot detektor, ker življenska doba nosilcev nima večjega pomena, ker ne vplivana tvorbo parov, zlasti ko je kristal pod zaporno noapetostjo.Svetloba, z energijo fotonov med 1.1 eV in 4 eV (torej z valovno dolžino med1100 in 300 nm), se v siliciju absorbira in večina absorbirane energije se porabi zatvorbo parov elektron–vrzel. Ob neprekinjenem obsevanju se naboj nabira na N,oziroma P plasti, in ustvari električni potencijal. Temu pravimo foto-napetostni načindelovanja. Če je intenziteta svetlobe zadosti velika da potencijal zraste nad vrednostjopotencijalne barijere P-N spoja, se začnejo naboji rekombinirati bistveno hitreje, karpovzroči notranji tok v diodi. Ta pojav je razlog za nelinearnost napetosti v odvisnostiod svetlobe v foto-napetostnem načinu delovanja. Če bi fotodiodo priključili naampermeter, ter tako omogočili rekombinacijo nabojev po zunanjem tokorogu, bivideli da teče foto-tok zmeraj v zaporni smeri diode.Za fotone z valovno dolžino daljšo od 1100 nm je silicij prozoren in svetlobane generira naboja, med tem ko fotone z valovno dolžino manjšo od 300 nm absorbiraže vrhna, ~100 nm debela plast, pa še stekleni pokrov ohišja fotodiode v UV območjuni prozoren.S svetlobo ustvarjeni naboj se mora prebiti na površje da ga zajame elektroda.Vendar je električno polje kot posledica ustvarjenega naboja majhno, zato elektronipridobijo razmeroma nizke hitrosti. Zaradi tega narašča tok počasi in odzivni čas naspremembo osvetlitve je dolg. Poleg tega, če elektron potuje dalj časa skozi plast, bovečja verjetnost da se nekje vmes rekombinira (zasede vrzel, ki jo je zapustil drugelektron), kar poslabša linearnost.Zvišanje zaporne napetosti poglobi osiromašeno plast, ter poveča električnopolje, le-to pa grnerirani naboj pospeši do višje hitrosti. Temu pravimo foto-prevodnodelovanje. Za hitrejši elektron je verjetnost da se ponovno ujame v kakšno vrzelmanjša, zato bo povprečna prosta pot elektronov daljša in prehod osiromašene plastibo hitrejši. Zato tudi tok hitreje sledi spremembi osvetljenosti.-20-