5. Напівпровідникові джерела й приймачі оптичного випромінювання

1.5.1 Загальні відомості

Робота напівпровідникових приймачів оптичного випромінювання заснована на внутрішньому фотоефекті.

Внутрішній фотоефект — порушення електронів речовини, тобто перехід їх на більше високий енергетичний рівень під дією випромінювання, завдяки чому змінюється концентрація вільних носіїв заряду, а значить і електричні особливості речовини.

До джерел випромінювання відносяться світлодіоди, а до приймачів - фоторезистори, фотодіоди, фототранзистори, фототиристори.

У таблиці 1.12 наведені назви, умовно графічні позначення й вольтамперні характеристики джерел і приймачів оптичного випромінювання.

Світлодіодом називають напівпровідниковий діод, у якому передбачена можливість виводу світлового випромінюванні з області р-n переходу крізь прозоре вікно в корпусі.

Фоторезистор — фотоелектричний напівпровідникової приймач випромінювання, опір якого залежить від освітленості.

Фотодіодом називають напівпровідниковий фотоелектричний діод, у якому поглинання випромінювання проходить безпосередньо близь переходу, і при цьому виникає фотогальванічний ефект, що проявляється в наведенні на його виводах.

Фототранзистор — транзистор, у якому використовується фотоелектричний ефект.

Оптопари — оптоелектронний напівпровідниковий прилад, що складається з випромінюючого і фотоприйомного елементів, між якими існує оптичний зв'язок і забезпечена електрична ізоляція.

Таблиця 1.12 - Назви, умовні графічні позначення й вольтамперні характеристики джерел і приймачів оптичного випромінювання.

Назва	Умовно графічне позначення	Характеристики
1	2	3
Світлодіод
Фоторезистор
Фотодіод
Фототран- зистор біполярний

Продовження таблиці 1.12

1	2	3
Фоторезистор поьовий
Фототиристор
Фотоелемент
Оптопари

Світлодіод

Принцип дії напівпровідникових діодів заснований на випромінюванні квантів світла при рекомбінації носіїв заряду в області р-n переходу, до якого прикладена пряма напруга. Колір випромінювання залежить від матеріалу, з якого виготовлений світлодіод. Випускають світлодіоди інфрачервоного, червоного, жовтого й зеленого кольору.

Світлодіоди розділяють на крапкові, які призначені для кольорової світлової індикації й знакові (сегментні) - для відображення цифр і букв. Із семи сегментів можна синтезувати цифри від 0 до 9 і 12-ти букв російського алфавіту.

Характеристики світлодіода приведені на рисунку 1.26.

а) б) в)

Рисунок 1.26 – Характеристики світлодіода:

а) – вольт-амперна I=f(U);

б) – випромінювальна Ф=f(I_пр);

в) – спектральна Ф= f(α).

Фоторезистор

Залежність опору фото резистора від світлового потоку показана на рисунку 1.27.

Рисунок 1.27 - Залежність опору фото резистора від світлового потоку

Головна частина фоторезистора - тонкий струмопровідний шар напівпровідника із двома електродами Е, які утворюють омічні контакти. Інші утворюються напилюванням тонкого шару металу.

Світлочутливий струмопровідний шар напівпровідника, звичайно, наносять на скляну пластину випаром у вакуумі, а потім на краї шару наносять металеві електрода. Скляну пластину розташовують у прозорому корпусы.

Залежно від матеріалу напівпровідникового шару чутливість фоторезисторів до різних ділянок спектра випромінювання буде різною. Наприклад, фоторезистори, виготовлені на базі з'єднань свинцю, найбільш придатні як фотоприймачі для використання в інфрачервоній області, а фоторезистори, виготовлені на базі з'єднань кадмію - у видимій області спектра.

Фотодіод

Фотодіоди можуть працювати в одному із двох режимів:

1) без зовнішнього джерела електричної енергії (режим фотогенератора);

2) із зовнішнім джерелом електричної енергії (режим фотоперетворювача).

При освітленні переходу під дією квантів світла в ньому утворяться пари електрон-дірка. Під дією електричного поля переходу електрони переносяться в область а дірки - в область , створюючи різницю потенціалів між областями й .

Режим фотогенератора:

а б

Рисунок 1.28 - Режим фотогенератора

Якщо замкнути виводи освітленого фотодіода через резистор, то в електричному полі з'явиться струм, значення якого залежить від фото-ерс (рис.1.28,б) і опору резистора.

Максимальний струм буде при опорі резистора рівним нулю, тобто при короткому замиканні фотодіода. Напруга холостого ходу фотодіода (крапки 1,2,3). Фото-ЕРС зв'язана зі світловим потоком логарифмічною залежністю. У фотогенераторному режимі працюють елементи сонячних батарей (фотоелементи).

Режим фотоперетворювача:

Режим фотоперетворювача відповідає подачі напруги на фотодіод у замикаючому напрямку (рис.1.29, а). Вольтамперні характеристики діода при різній освітленості й лінія навантаження наведені на рисунку 1.29. Зі збільшенням світлового потоку провідність фотодіода збільшується, що приводить до зменшення напруги на фотодіоді й збільшенню напруги на резисторі.

Е

U_зв

а ) б)

Рисунок 1.29 - Режим фотоперетворювача

Фототранзистор

Використовуються біполярні й польові фототранзистори.

Біполярний фототранзистор — це фототранзистор, фоточутливий елемент якого містить структуру біполярного транзистора.

Польовий фототранзистор — це фототранзистор фоточутливий елемент, якого містить структуру польового транзистора.

Рисунок 1.30 – Схема включення біполярного транзистора

У біполярному транзисторі під дією фотонів у базі утворюються нові пари носіїв заряду електрони й дірки. Неосновні носії заряду рухаються через колекторний перехід, поле якого є для них прискорювальним, на колектор, створюючи фотострум . На рис.1.30 показана схема включення біполярного фототранзистора.

Польовий фототранзистор виконується з керуючим переходом і як звичайний польовий транзистор має три електроди:виток, стік і затвор. В обсязі напівпровідника між стоком і витоком утвориться провідний канал. Затвор відділений від каналу переходом, область об'ємного заряду якого модулюється потенціалом затвор-виток. Перехід затвор-канал можна розглянути як фотодіод, фотострум якого призводить до падіння напруги на резисторі R у колі затвору. Схема включення польового транзистора показана на рис. 1.31.

Рисунок 1.31 - Схема включення польового транзистора.