13. Фототранзистор
Фототранзистор — это полупроводниковый прибор, реагирующий на облучение световым потоком и способный одновременно усиливать фототок.
Фототранзистор имеет, как и обычный биполярный транзистор, два рn-перехода. В электрическую цепь фототранзистор включается по схеме с общим эмиттером. Рассмотрим как один из возможных вариантов включения фототранзистор с разомкнутой базой (рис. 8).
При таком включении напряжение UКЭ, несмотря на то что база оборвана, распределяется между обоими переходами пропорционально их сопротивлению. Причем напряжение UКЭ подается как прямое (+) на эмиттер, обратное (-) на коллектор. Потенциальный барьер на эмиттерном рn-переходе скомпенсирован только частично, так как большая часть напряжения U приложена к коллектору.
Рисунок 8. Структурная схема фототранзистора.
В отсутствие освещения в замкнутой цепи протекает темновой ток. При освещении базы начинается процесс генерации носителей заряда (дырки направляются к коллектору, а электроны — к эмиттеру).
Происходит компенсация потенциального барьера эмиттерного перехода из-за того, что электроны накапливаются на границе с эмиттером.
Это вызывает дополнительную инжекцию основных носителей — дырок из эмиттера в базу, где они становятся неосновными и под действием обратного напряжения 11обр на коллекторном переходе переходят в коллектор.
Таким образом, в фототранзисторе управление производится за счет светового потока. В фототранзисторе фототок усиливается, как и в обычном биполярном транзисторе, включенном по схеме с общим эмиттером, в Ь21 раз.
Статические выходные характеристики фототранзистора 1К = f(UКз) при Ф = соnst аналогичны характеристикам биполярного транзистора, включенного по схеме с общим эмиттером (рис.9).
Рисунок 9. Выходная статическая характеристика.
14. Полупроводниковые источники света
Полупроводниковый излучатель — это оптоэлектронный полупроводниковый прибор, преобразующий электрическую энергию электромагнитного излучения в область видимой, инфракрасной и ультрафиолетовой части спектра. К данному классу приборов относятся:
инфракрасные излучающие диоды;
светоизлучающие диоды;
полупроводниковые знаковые индикаторы;
полупроводниковые шкалы;
полупроводниковые экраны;
электролюминесцентные порошковые и пленочные излучатели. Рассмотрим более подробно некоторые из этих приборов.
Устройство светодиода
В светодиодах преобразование электрической энергии в видимый свет — оптическое излучение — происходит при обычных температурах за счет свойств pn-перехода. В основе явления свечения светодиода лежит явление люминесценции.
Процесс люминесценции включает в себя два этапа. На первом этапе происходит генерация подвижных носителей заряда, накопление энергии.
На втором этапе возникает рекомбинация, в результате которой в окружающее пространство излучается энергия, затраченная на генерацию.
Для того чтобы излучаемая энергия имела спектральный состав в области видимого света, требуется подобрать соответствующий материал излучающих структур.
Для получения излучения в области видимого света используют материалы с большой шириной запрещенной зоны: фосфид галлия, карбид кремния, арсенид галлия и др.
В светодиодах применяют инжекционную люминесценцию, при которой рn-переход находится под прямым напряжением ипр, в результате чего происходит инжекция основных носителей из одной области в другую.
В светодиодах излучающей является только одна область, поэтому стремятся получить максимальную инжекцию в эту область. Если излучающей является р-область, то концентрация примеси в я-области должна быть гораздо выше, чем в излучающей области, в данном случае р-области. В р-области происходит рекомбинация носителей с выделением в окружающее пространство видимого света (электромагнитного излучения). ,
На рис. 10. показана конструкция плоскостного светодиода. При приложении прямого напряжения II к рп-переходу происходит диффузионный перенос носителей через него. Увеличивается инжекция дырок в п-область и электронов в р-область. Прохождение тока через рп-переход в прямом на правлении сопровождается рекомбинацией инжектированных неосновных носителей заряда. Рекомбинация происходит как в самом рn-переходе..
В большинстве полупроводников рекомбинация осуществляется через примесные центры (ловушки), энергетические уровни которых располагаются вблизи середины запрещенной зоны, и сопровождается выделением тепловой энергии — фонола. Такая рекомбинация называется безызлучательной. В ряде случаев процесс рекомбинации сопровождается выделением кванта света — фотона. Это происходит в полупроводниках с большой шириной запрещенной зоны — прямозонных полупроводниках. Электроны с более высоких энергетических уровней зоны проводимости переходят на более низкие энергетические уровни валентной зоны {переход зона-зона), при рекомбинации происходит выделение фотонов и возникает некогерентное оптическое излучение..
Рисунок 10. Структурная схема светодиода.
Фотон, испущенный при переходе электрона, может вызвать индуцированное излучение идентичного фотона, при котором еще один электрон перейдет в валентную зону. Яркость свечения светодиода примерно пропорциональна числу зарядов, инжектированных рп-переходом. Желательно, чтобы количество инжектированных носителей было максимально в излучающей (активной) р-области. Для этого в п-область вводят больше донорной примеси, чем в р-область акцепторной. Преобладает инжекция электронов из n-области в р-область, и излучает р-область. Из-за относительно большой ширины запрещенной зоны исходного полупроводника рекомбинационный ток рn-перехода оказывается большим по сравнению с током инжекции, особенно при малых прямых напряжениях, и процесс рекомбинации в этом случае реализуется в основном в рn-переходе. Достоинства светодиодов:
высокий КПД преобразования электрической энергии в световую энергию;
сравнительно высокая направленность излучения;
высокое быстродействие, что позволяет использовать свето диоды в устройствах управления.
Существуют различного типа светодиоды, которые практически перекрывают весь оптический диапазон различных цветов.