Приемники оптического излучения – средства для регистрации и количественных измерений световой энергии. Долгое время единственным приемником оптического излучения являлся глаз человека. Затем роль приемника оптического излучения стала выполнять фотоэмульсия (фотопластинка, фотопленка). Специальные сорта астрономических фотоэмульсий используются для некоторых научных задач до сих пор. Во второй половине XX века появились разнообразные вакуумные и полупроводниковые приемники оптического излучения, значительно превышающие глаз и фотоэмульсию по чувствительности (например, фотоумножители, электронно-оптические преобразователи, приборы с зарядовой связью). Они используют явление внешнего или внутреннего фотоэффекта с последующим усилением электрического сигнала. Приемники оптического излучения различаются как по принципу работы, так и по той области спектра, в которой они имеют максимальную чувствительность. Современные приемники оптического излучения, используемые для наблюдения слабых объектов, в состоянии "поштучно" улавливать отдельные кванты света, попадающие в прибор.

Принцип работы приемников оптического излучения. Фотоэлектрическое действие излучения может проявляться различным образом. Если под действием поглощающего потока излучения из вещества в вакуум эмитируются электроны, то имеет место внешний фотоэффект.

Внутреннее возбуждение кристаллической решетки полупроводникового материала под действием поглощающего излучения, обуславливающего перевод электронов из связанных состояний в свободное без выхода наружу, носит название внутреннего фотоэффекта. Появление свободных зарядов, способных перемещаться в твердом теле, приводит к изменению электропроводности материала чувствительного слоя; фотоэлементы, основанные на фотопроводимости, т. е. на изменении электропроводности под действием падающего оптического излучения называются фотосопротивлением. Явление внутреннего фотоэффекта возникает в системах, состоящих из двух различных контактирующих веществ (металл – полупроводник, два полупроводника) и вызывает возникновение фото-ЭДС на границах системы при облучении приконтактной области. Это явление внутреннего фотоэффекта известно как вентильный фотоэффект. Фотоэлементы, основанные на данном фотоэффекте называются вентильными фотоэлементами или фотоэлементами с запирающим слоем. Фототок в цепи вентильных фотоэлементов возникает при отсутствии внешнего питающего напряжения.

Если в качестве ионизирующих веществ применяются полупроводники с различным типом проводимости, то, наряду с возникновением разности потенциалов между слоями с p- и n-проводимостью, образуется разность потенциалов вдоль p-n-перехода. Эту фото-ЭДС называют продольной или боковой. Фотоэлементы, основанные на использовании продольной фото-ЭДС, называются фотоэлементами с продольным или боковым фотоэффектом.

Продольный фотоэффект проявляется только при неравномерном освещении чувствительного слоя. Вентильные фотоэлементы на основе электронно-дырочных переходов, работающие с приложенным внешним напряжением, называют фотодиодами.

Кроме того, приемниками могут быть и системы, похожие на фотодиоды, но обладающие внутренним усилением фототока, их называют фототриоды или фототранзисторы.

Приемник излучения должен преобразовать оптический сигнал в электрический. Поскольку информационный сигнал содержится в модулированном световом потоке, этот поток должен быть принят как можно полнее и без искажений. Так как рабочая поверхность приемника - намного больше сечения световода, потери при переходе излучения в приемник будут намного меньше, чем при переходе от источника в линию.

Приемники оптического излучения находят применение в современных оптико-электронных системах, лазерной технике, интегральных и волоконно-оптических систем, применяются для сбора и обработки информации о состоянии природной среды с помощью оптико-электронных средств дистанционного зондирования, устанавливаемых на неподвижных и подвижных носителях, в том числе аэрокосмических.

Рассматривают следующие типы приемников оптического излучения:

- фотодиоды;

- фототранзисторы;

- P-i-n фотодиоды;

- лавинные фотодиоды.

Фотодиоды  – полупроводниковые приборы на основе кремния, германия и соединений элементов третьей и пятой групп. В обычных фотодиодах формируется ток, зависящий от интенсивности падающего излучения, их отличают хорошая линейность и стабильность работы, малое время отклика, но они не обеспечивают усиление фототока.

Фототранзисторы - полупроводниковые приборы, которые также строятся на основе кремния, германия и соединений элементов третьей и пятой групп. Фототранзисторы имеют высокую чувствительность и хорошее усиление, но, из-за большой барьерной емкости, время отклика у них большое, то есть частотные характеристики хуже. Граничная частота для лучших образцов достигает 200 МГц.

В p-i-n структуре средняя i-область заключена между двумя областями противоположной проводимости. При достаточно большом напряжении оно пронизывает i-область, и свободные носители, появившееся за счет фотонов при облучении, ускоряются электрическим полем p-n переходов. Это дает выигрыш в быстродействии и чувствительности. Повышение быстродействия в p-i-n фотодиоде обусловлено тем, что процесс диффузии заменяется дрейфом электрических зарядов в сильном электрическом поле. Уже при U_обр≈0.1В p-i-n фотодиод имеет преимущество в быстродействии.

Достоинства p-i-n фотодиода:

- есть возможность обеспечения чувствительности в длинноволновой части спектра за счет изменения ширины i-области.

- высокая чувствительность и быстродействие.

- малое рабочее напряжение U_раб.

Недостатки:

- сложность получения высокой чистоты i-области

В структуре используется лавинный пробой. Он возникает тогда, когда энергия фотоносителей превышает энергию образования электронно-дырочных пар. Очень чувствительны. Для оценки существует коэффициент лавинного умножения:

Для реализации лавинного умножения необходимо выполнить два условия:

1) Электрическое поле области пространственного заряда должно быть достаточно большим, чтобы на длине свободного пробега электрон набрал энергию, большую, чем ширина запрещённой зоны:

2) Ширина области пространственного заряда должна быть существенно больше, чем длина свободного пробега:

W > > λ

Значение коэффициентов внутреннего усиления составляет M=10-100 в зависимости от типа фотодиодов.