Оптоэлектронные полупроводниковые приборы - Электроника и схемотехника аналоговых устройств

Оптоэлектроника - область электроники, занимающаяся вопросами преобразования оптических сигналов в электрические и наоборот. Новое направление в радиоэлектронике - оптоэлектроника (ОЭ), возникло на стыке трех наук - физики твердого тела, оптики и электроники. Элементную базу ОЭ составляют: источники света, оптические среды (световоды) и фотоприемники.

Световоды - пучки тончайших нитей из прозрачного стекла, по которым свет распространяется, в результате многократного внутреннего отражения от стенок. Через стекловолокно толщиной примерно нескольких микрон может быть передано более ста оптических сигналов с незначительными потерями. Если волокна изготовлены с примесью определенных химических элементов, то они могут усиливать световой сигнал.

Принцип действия ИС основан на использовании индуцированного излучения и электролюминесценции.

Индуцированное излучение осуществляется под действием внешних фотонов. Излучатели, работающие на этом принципе, - лазеры (аббревиатура от слов: light amplification by stimulated emission of radiation - усиление света за счет индуцированного излучения.)

Наиболее распространенным является лазер на кристалле рубина (Al2O3) с примесью атомов хрома. Ионизированные атомы хрома являются источником лазерного излучения в рубине. На рисунке 8.1 представлено изображение лазера, на котором: 1 - когерентные световые лучи; 2 - полупрозрачное зеркало; 3 - отражающее серебряное зеркало; 4 - кристалл рубина; 5- лампа вспышки-накачки.

На лампу вспышки-накачки 5 подается высоковольтное импульсное напряжение. Излучение оптической накачки (процесса перехода электронов в зону проводимости под действием светового излучения) возбуждает атомы хрома. Кристалл рубина 4 является оптическим резонатором, в котором когерентный луч многократно отражается между поверхностями 2 и 3 перед прохождением через полупрозрачный отражающий слой 2. КПД лазера равен 0,5%, Рнакачки = 100 кВт, Рл = 500 Вт.

Широко используется в медицине и особенно широко в голографии (полная запись - метод записи и воспроизведения волнового поля).

Электролюминесценция - испускание света при рекомбинационных переходах электронов в возбужденных полупроводниках. Она возникает при самопроизвольном (спонтанном) возвращении электронов в валентную зону. А возбуждение осуществляется сильным электрическим полем, ударной ионизацией в запертом p-n переходе или инжекцией носителей через открытый p-n переход.

Используются как индикаторы, источники света в оптопарах, источники излучения для фиксации на светочувствительном материале.

На стеклянную подложку 5 нанесен полупрозрачный проводящий слой - нижний электрод 4. Электрическое поле между электродами (верхний 1 и нижний 4)возбуждает электролюминесценцию в люминофоре 3, который отделен от верхнего электрода 1 диэлектриком 2. Свет выходит через полупрозрачное стекло.

Недостатком является большое время разгорания и затухания (10-3 _ 10-4с).

На рисунке 8.3,а приведена яркостная характеристика

B = f(U),

Где Umin - опорное напряжение, на рисунке 8.3,б - характеристика старения прибора. Видно, что срок службы зависит от материала изготовления.

В основе работы светодиода лежит излучательная рекомбинация в p-n - переходе. При прямом смещении инжектированные неосновные носители вблизи перехода рекомбинируют в базе с основными. При этом излучаются кванты света. Излучение может быть в инфракрасной, видимой и ультрафиолетовой частях спектра.

Основные характеристики светодиодов:

А) диаграмма направленности

P = f()

- определяется конструкцией и оптическими свойствами материала (рисунок 8.4) Б) спектральная характеристика

B/B0=f()

- зависимость яркости от длины волны _ представлена на рисунке 8.5, где B - яркость (кандела/м2); В0 - максимальная яркость; В/В0 - относительная яркость; В) яркостная характеристика

B=f(IД)

- зависимость яркости от тока диода _ представлена на рисунке 8.6; Г) ВАХ IД = f(UД) - такая же, как у выпрямительного диода, но более линейная.

Используются плоская и полусферическая конструкции л.

Плоская конструкция (рисунок 8.7,а) наиболее простая. Рабочая поверхность большая (несколько мм2), но мала эффективность. Используется в матричных устройствах с большой плотностью упаковки.

Полусферическая конструкция (рисунок 8.7,б) по технологии сложней, но выигрывает в эффективности. Это делает ее более предпочтительной.

Светодиод с перестраиваемым цветом свечения (рисунок 8.7,в) представляет двухдиодную структуру, каждый из p-n переходов управляется независимо. Верхний p-n переход, допустим, излучает зеленый цвет, нижний - красный. Если смещены оба перехода, то цвет излучения - желтый. Изменяя ток, можно изменять цвет, получая большую гамму излучения. Может быть использован как индикатор для отображения четырех состояний.

На светодиодах могут быть построены в интегральном исполнении инжекционные лазеры - источники когерентного излучения, которые концентрируют большое количество энергии в узкой спектральной области при высоком КПД и быстродействии (в виде матриц на базовом кристалле). Они широко используются в информационных табло.

Недостатками являются:

А) низкая эффективность; Б) деградация характеристик при старении.

Достоинства:

А) механическая прочность; Б) высокая надежность; В) малые габариты; Г) низкие рабочие температуры; Д) малое потребление энергии; Е) безынерционность.

В фотоприемнике или фотоэлектрическом приборе происходит преобразование лучистой энергии в электрическую.

Строится на трех основных фотоэлектрических явлениях:

А) внутренний фотоэффект - изменение электропроводности проводника при его освещении за счет увеличения концентрации носителей тока (фоторезистор); Б) фотоэффект в запирающем слое - возникновение ЭДС на границе двух материалов под воздействием света (фотодиод, фототранзистор); В) внешний фотоэффект - испускание электронов веществом под действием света - фотоэлектронная эмиссия (фотоэлемент, фотоэлектронный умножитель).

Фотодиод - фотоэлектронный прибор, в основу работы которого положен фотоэффект в запирающем слое, возникает ЭДС в p-n переходе под действием светового потока.

Имеет структуру обычного p-n перехода. Изготавливается из германия или кремния, чаще кремния, так как он имеет более высокий коэффициент преобразования.

Можно подвергать световому воздействию:

А) параллельно p-n переходу, но все процессы идут сверху в небольшой области; Б) перпендикулярно к p-n переходу, одна из областей делается прозрачной для лучей.

При облучении происходит ионизация атомов исходного вещества в p-n переходе. Увеличивается собственная электропроводность, т. е. количество пар электронов и дырок.

Фотодиод может включаться с и без внешнего источника:

1) при Ф = 0 (режим неосвещенного диода) будет равновесное состояние, p-n переход заперт, следовательно, суммарный ток через переход равен нулю; 2) при Ф > 0. Если энергия падающего фотона больше ширины запрещенной зоны, то валентный электрон перейдет в зону проводимости и образуется пара подвижных носителей - электрон и дырка. Так как концентрация носителей в запирающем слое меньше, чем в р и n областях, то из-за градиента они диффундируют к p-n переходу. На границе перехода они разделяются. Под действием поля перехода (контактной разности потенциалов) неосновные носители перебрасываются в область, где становятся основными, т. е. дырки переходят в р-зону, а электроны - в n-зону В области р накапливается избыточный положительный заряд дырок, в n - избыточный отрицательный заряд электронов, т. е на выводах образуется фотоэдс - Ф, который приложен к p-n-переходу в прямом направлении.

Таким образом за счет светового потока Ф увеличивается дрейфовая составляющая тока - фотоэдс Ф. Фотоэдс в свою очередь уменьшает потенциальный барьер и увеличивает диффузионный ток.

Определим величину фотоэдс Ф.

Сумма токов в диоде

IЕ - IД + IФ = 0,

Где IЕ. - дрейфовый ток, IД - диффузионный ток, IФ - фототок.

IЕ=I0 - тепловому току p-n перехода.

Диффузионный ток

IД=I0-еxp(Ф /Т),

Фототок

Iф= IД - IЕ = I0 [еxp(Ф /Т) -1)],

Отсюда

Ф=Т--ln[(IФ/I0+1)].

Фотоэдс Ф зависит от освещенности, длины волны, ширины запрещенной зоны, времени жизни носителей, подвижности электронов, состояния поверхности;

Б) фотодиодный или фотопреобразовательный режим.

Напряжение внешнего источника включается в обратном направлении к диоду:

А) при Ф = 0 через переход течет обратный тепловой ток - I0; Б) под действием Ф > 0 увеличивается число пар носителей и увеличивается обратный ток - фототок. Общий ток через диод Iобщ=I0+I Ф.

К основным характеристикам фотодиода относятся:

А) вольт-амперная характеристика

I=f(U)|Ф= const (рисунок 8.8).

Здесь в IV квадранте отражен генераторный режим:

1) при I = 0 (режим холостого хода)

U = ф - фотоэдс;

2) при U = 0 (режим короткого замыкания) течет ток Iкз; 3) при RH 0 ток I = ф / RH.

В III квадранте отражен фотодиодный режим. При Ф = 0 характеристика совпадает с обратной ветвью выпрямительного диода (темновой режим). С увеличением Ф увеличивается фототок IФ. Общий ток Iобщ равен сумме обратного тока и фототока Iобщ=I0+IФ.

В I квадранте - при Ф = 0 ВАХ как у выпрямительного диода.

При Ф > 0 Iпр >> IФ и IФ не отличить на фоне Iпр. Поэтому фотодиод в прямом включении не используется. Так как IФ и Iобр соизмеримы, фотодиод включается в обратном направлении;

Б) спектральная характеристика

Iф=f().

Германиевый фотодиод имеет более широкий спектр (рисунок 8.9);

В) энергетические

Iф=f(Ф)

1) световая (для вентильного режима - рисунок 8.10,а)

Iф=f(Ф)|Rн = const,

При RН = 0 Iф изменяется прямо пропорционально световому потоку Ф, с увеличением RН увеличивается URH и характеристика отличается от линейной;

2) световая (для фотодиодного режима - рисунок 8.10,б)

Iф=f(Ф) |U=const

Основные параметры:

А) выходное сопротивление Rвых - десятки мегаом; Б) чувствительность

К=IФ/Ф|U=const

- несколько десятков мА/лм; В) темновой ток IТ, ток при Ф=0 и Uобр=1В.

К недостаткам относятся:

А) сильное влияние температуры; Б) инерционность; В) низкий коэффициент преобразования из-за потерь.

Фотодиоды применяются:

А) для регистрации слабых низкочастотных световых сигналов; Б) при преобразовании световой энергии в электрическую (солнечные батареи, источники питания); В) в устройствах считывания информации; Г) автоматике, фотометрии, при контроле наличия источников излучения и др.

Фототранзистор биполярный

Это фотоэлектронный транзистор с двумя или более выводами. Имеет структуру плоскостного транзистора и выводы от эмиттера, коллектора и базы.

Свет воздействует на базу.

Используются два режима:

А) с оборванной (плавающей) базой; Б) с задействованной базой.

Рассмотрим режим работы с оборванной базой:

А) при Ф=0 через коллекторный переход течет сквозной ток коллектора IКОС, который называется темновым (обратный ток коллектора в схеме с ОЭ при Iб=0 - оборванной базе).

IТК=IКОС= I КО /(1 - );

Б) при Ф>0 фотоны вызывают генерацию пар в базе. Дырки полем КП втягиваются в коллектор, а электроны скапливаются в базе. Они уменьшают потенциальный барьер в ЭП, что создает дополнительную инжекцию дырок из эмиттера и увеличивают ток коллектора IК. Электроны, возникающие при внутреннем фотоэффекте, создают фототок IФ, пропорциональный световому потоку Ф, и играют управляющую роль тока базы.

При равных световых потоках Ф, воздействующих на диод и транзистор, полное приращение IК в фототранзисторе больше фототока IФ диода в (+1) раз

IФТ=IФд(1+).

Максимальная чувствительность получается при освещении участка базы, непосредственно примыкающего к коллектору, так как далеко от него они рекомбинируют, а эмиттерный контакт сдвигают, чтобы мертвая зона находилась с краю светочувствительной площадки.

Основные характеристики:

А) выходные

IK=f(UКЭ) при Ф=const

Аналогичны с выходными характеристиками биполярного транзистора с ОЭ, но параметром является вместо тока базы IБ световой поток Ф.

Б) энергетические и спектральные характеристики подобны фотодиодным.

Фототиристор преобразовывает световой сигнал в электрический. Имеет ту же структуру, что и обычный тиристор, но с прозрачным окном (рисунок 8.11). Здесь:

1 - прозрачный слой;

N1, p2 - базы;

N2, p1 - эмиттеры;

УЭ - управляющий электрод.

На ВАХ, как и у простого тиристора, имеет место участок с отрицательным сопротивлением.

Рассмотрим режимы работы:

А) при Ф=0 режим как у обычного тиристора, течет темновой ток; Б) при Ф > 0 световой поток управляет моментом включения тиристора. Генерируются пары носителей, дырки отбрасываются в р-область, а электроны в - n-область. Продвигаясь к эмиттерным переходам, они уменьшают их потенциальные барьеры и увеличивают диффузионные токи. При некоторых Ф, М = 1 и тиристор включается. Через него течет ток

I=(IК0 + IФ)/(1 - М),

Где IФ - суммарный фототок - равен

IФ= IФ2+IФ11+IФ33.

Управление световым потоком Ф имеет преимущество перед электрическим, так как позволяет осуществлять гальваническую развязку управляющей цепи от силовой.

УЭ _ дополнительный электрод _ введен для:

А) создания определенного режима работы; Б) температурной компенсации; В) стабилизации светочувствительности.

Основные характеристики фототиристора:

А) спектральная, как у фототранзистора; Б) ВАХ - как у тиристора; В) характеристика управления

Uвкл =f(Ф)

Приведена на рисунке 8.12, где

Uвкл0 - Uвкл при Ф = 0. Это максимальное напряжение включения при затемнении;

Uост - минимальное Uвкл при Фспр;

Фспр - максимальный световой поток, при котором ВАХ спрямляется;

Фпор - начальная нечувствительность к управляющему световому потоку;

Г) Световая характеристика

IФ=f(Ф) при U=const

Приведена на рисунке 8.13.

Применяется фототиристор в разных автоматических устройствах в качестве бесконтактных ключей для коммутации электрических цепей большой мощности.

Достоинствами прибора являются малое потребление мощности, малые габариты, малое время включения и отсутствие старения.

Элементарный оптрон - пара с фотонной связью

Оптрон - это активный элемент, сочетающий источник света и согласованный с ним фотоприемник, в котором внешний электрический сигнал преобразуется в оптический, усиливается, затем снова преобразуется в электрический, либо наоборот, но обязательно коэффициент усиления должен быть больше единицы.

Основное достоинство - возможность разделения входной и выходной цепей, т. е. имеет место гальваническая или оптическая развязка.

Оптроны подразделяются на два вида:

А) оптрон с внешней фотонной связью и внутренней электрической.

ФП - фотоприемник, У - усилитель электрических сигналов, ИС - источник света.

Выходная яркость ВВЫХ изменяется пропорционально входной ВВХ. Оптический сигнал преобразуется в электрический, затем усиливается электронным усилителем и снова преобразуется в оптический.

Если ВВЫХ > ВВХ при одинаковом спектральном составе, то имеет место гомохроматическое усиление излучения, при ВВЫХ > ВВХ и разных спектрах - гетерохроматическое усиление или преобразование излучения. Можно преобразовывать одну длину волны в другую. При оптических ФП и ИС происходит усиление света.

Рабочий участок - линейная часть характеристики, при больших и малых значениях яркости появляется нелинейность.

Оптрон - основа оптоэлектронных усилителей и преобразователей изображения. Изображение на входе матрицы, состоящей из большого числа оптронов, будет на выходе усилено или преобразовано (например, невидимое в видимое);

Б) оптрон с внутренней фотонной связью.

Здесь ИС - источник света, С - световод, ФП - фотоприемник. Все это помещено в герметичный светонепроницаемый корпус. Электрический сигнал преобразуется в оптический, усиливается и вновь преобразуется в электрический.

Оптроны используются для преобразования, усиления, генерирования, формирования электрического сигнала и т. д.

Если оптрон имеет один излучатель и один приемник, он называется оптопарой или элементарным оптроном.

Микросхема из нескольких оптопар с дополнительными согласующими и усилительными устройствами называется оптоэлектронной интегральной микросхемой.

Достоинствами оптронов являются:

А) электрическая развязка приемника и излучателя; Б) широкая полоса частот (0...1014 Гц); В) повышенная помехозащищенность от внешних электромагнитных полей; Г) возможность совмещения с другими полупроводниковыми приборами.

К недостаткам относятся:

А) большая потребляемая мощность; Б) невысокая температурная стабильность и радиационная стойкость; В) старение и изменение параметров; Г) высокий уровень собственных шумов.

В основном в качестве источника света в оптронах используется светодиод инжекционный. Спектр излучения зависит от материала изготовления и различается типом фотоприемника:

А) резисторная оптопара (рисунок 8.17,а), в которой источник света - светодиод, фотоприемник - фоторезистор из селенида кадмия, сульфида кадмия или свинца; Б) диодный оптрон (рисунок 8.17,б) представляет сочетание светодиода (GaAs) с фотодиодом (Si); В) фотоварикапный оптрон (рисунок 8.17,в); Г) транзисторный оптрон - арсенидгаллиевый светодиод с кремниевым фототранзистором (рисунок 8.17,г);

Д ) оптрон с составным транзистором, у него выше чувствительность, но мало быстродействие (рисунок 8.17, д);

Е) транзисторный оптрон с диодом (рисунок 8.17,е), быстродействие выше, чем у предыдущего оптрона; Ж) оптрон с однопереходным транзистором (рисунок 8.17,з).

Однопереходный фототранзистор можно использовать:

1)как фоторезистор при включении только баз; 2) как фотодиод при включении только эмиттерного перехода; 3) как однопереходный транзистор при включении всех трех электродов; И) оптрон с полевым транзистором имеет хорошие линейные выходные характеристики, удобен для использования в аналоговых схемах; К) тиристорный оптрон. От фоторезисторных и фотодиодных оптронов отличается высокой нагрузочной способностью при повышенных рабочих напряжениях. Л) оптоэлектронные интегральные схемы (ОЭ ИС) имеют оптическую связь между отдельными компонентами. В этих микросхемах на основе диодных, транзисторных и тиристорных оптопар кроме источников света и фотоприемников содержатся устройства для обработки сигналов от фотоприемника. Особенность ОЭ ИС _ однонапрвленная передача сигнала и отсутствие обратной связи. Техника оптоэлектронных приборов перспективна и непрерывно развивается.

Оптоэлектронные полупроводниковые приборы - Электроника и схемотехника аналоговых устройств

Похожие статьи