1.6 Принципи та елементи оптоелектроніки

Вихідним матеріалом сучасних електронних пристроїв є тверде тіло, в якому можуть відбуватись не тільки електронні процеси, але й інші, пов'язані з магнітними, тепловими, випромінювальними і навіть механічними явищами. Неелектронні процеси у твердому тілі тісно пов’язані з електричними процесами через певні закономірності.

Електронні приладі та пристрої, що використовують поряд з традиційними електричними ефектами неелектричні, складають основу нових напрямків електроніки. Одним із них є оптоелектроніка. Оптоелектроніка це область електроніки, в якій вивчаються як оптичні, так і електронні явища в речовинах а також розглядаються питання перетворення оптичних сигналів в електричні та електричних сигналів в оптичні.

Практично реалізація явищ, що вивчаються, полягає у створенні оптоелектронних приладів (елементів) та оптоелектронних систем. Основними структурними елементами оптоелектроніки є джерела світла, фотоприймачі, індикатори ліній зв'язку, оптрони, які використовуються під час створення оптоелектронних систем оптичної пам'яті, оптичного зв'язку і таке інше. Такі прилади та системи находять поширення в галузі промислової електроніки.

Матеріальна база оптоелектроніки значно багатша та більш різноманітна у порівнянні з матеріальною базою електроніки. Якщо, наприклад, електронні прилади функціонують по суті на основі окремих напівпровідникових приладів з p-n переходами, або приладів, виконаних за структурою метал-діелектрик-напівпровідник, то оптоелектронні прилади використовують цілий набір матеріалів, а саме: напівпровідники; сегнетоелектрики; феромагнетики; п'єзоелектрики; різновиди легованого та халькогенідного скла; деякі органічні матеріали.

Оптоелектронні прилади є твердотільними. Це дозволяє використовувати під час їх виготовлення методи сучасної інтегральної технології.

1.6.1 Особливості оптоелектроніки. Розвиток теорії квантової електроніки, яка є результатом синтезу ідей трьох розділів фізики, а саме: атомної фізики, радіофізики та оптики, привело до створення важливого структурного елемента оптоелектроніки — випромінювача світла.

В той же час зародилася ідея волоконно-оптичних ліній зв'язку, пратичне втілення якої почалось в кінці 60-х років. З'явилась можливість побудови каналу оптичного зв'язку, який складається з керованого джерела світла, тракту передачі інформації у вигляді світлового променя та фотоприймача. Промислова реалізація (в 1965—67р.) приладу з відкритим (повітряним) оптичним каналом показала велику його ефективність як функціонального елемента в електричному колі. Такий прилад отримав назву оптрон.

Для передачі та обробки інформації застосовують складні оптоелектронні системи на основі поєднання оптичних і гальванічних зв'язків та перетворення інформації у формі оптичних і електричних сигналів у функціональних електричних колах. Таким чином оптоелектроніка є новий клас функціональних електронних кіл на базі твердого тіла і з оптичною ланкою в тракті передачі сигналу.

Функції керування і перетворення в оптоелектронній системі, одночасно з електричними процесами, виконує електронний промінь. Тому кола з потичною ланкою відрізняються новими якісними показниками у порівнянні зі звичайними електронними колами керування і перетворення.

В електронній системі звичайного типу носії інформації — електрони і кероване середовище — електричне поле мають одну й ту ж природу. Це обумовлює низьку захищеність системи від завад, які вносять збурення в нормальну роботу електронних систем. Таке обмеження відсутнє в оптоелектроніці, де носіями інформації є електрично нейтральні фотони. Відсутність взаємодії між фотонами, які не створюють ні електричних, ні магнітних полів, повністю виключає взаємні паразитні впливи між елементами і з'єднаннями оптоелектронної системи. Це не обмежує подальшого підвищення ступеня інтеграції, щільності упакування елементів та швидкодії системи.

Світловий промінь також забезпечує однонаправленість потоку інформації при відсутності зворотної реакції фотоприймача на джерело інформації, на передачу одночасно багатьох оптичних сигналів без взаємного впливу. При цьому забезпечується ідеальна гальванічна розв'язка між входом і виходом. Останнє забезпечує можливість узгодження високоомних електричних кіл з низькоомними, високовольтних з низьковольтними.

Максимальний рівень превантаження оптичного каналу зв'язку в 10⁶...10⁹ разів може перевищувати рівень робочих навантажень опто-електронної системи, що забезпечує високу її надійність.

1.6.2 Джерела (випромінювачі) світла. Квантова система може випромінювати енергію спонтанно (самодовільно) або вимушено (індуковано). Спонтанне випромінювання квантових систем є некогерентним (неорганізованим). При такому випромінюванні енергія розподіляється в широкому частотному спектрі.

Індуковане випромінювання є монохроматичним або когерентним (організованим). При цьому світлові промені мають одну й ту ж частоту і один напрямок розповсюдження. Джерелами некогерентного випромінювання є випромінювальні діоди (світлодіоди), а джерелами когерентного випромінювання є лазери. Ці джерела світла знайшли найбільш поширене застосування у проектуванні оптоелектронних приладів.

Оптичне випромінювання, одержане в результаті збудження електронів у матеріалі під час зовнішньої дії, називається люмінесценцією. Речовини, що мають люмінесцентні властивості, називають люмінофорами. В залежності від джерела збудження люмінофори підрозділяються на електролюмінофори, фотолюмінофори, катодолюмінофори та рентгенолюмінофори.

В оптоелектроніці найбільш поширені електролюмінофори, які найчастіше являють собою напівпровідник з відповідною структурою та домішками. Свічення таких люмінофорів викликається або струмом, що протікає через люмінофорний елемент, або електричним полем, яке прикладається до цього елемента.

Електролюмінофори використовуються в електролюмінесцентних конденсаторах та світлодіодах, які є найбільш перспективними керованими джерелами світла. Основними характеристиками джерела світла в оптоелектронному колі є залежність яскравості від керувальної напруги, або керувального струму

В=В(u,i)

а також залежність яскравості від довжини хвилі випромінюваного світла

В=В().

Ці залежності являють собою, відповідно, храктеристику яскравості та спектральну характеристику. Спектральною характеристикою джерела струму є діаграма направленості

В=В(),

яка описує залежність яскравості від просторового кута , що відлічується відносно осі джерела випромінювання.

В окремих випадках для джерел світла в оптоелектронних колах використовують вольт-амперну, перехідну та частотну храктеристики, які використовуються для будь-якого електронного приладу або пристрою.

1.6.3 Електролюмінесцентні конденсатори. Електролюмінесцентні конденсатори виготовляються у вигляді конденсатора, діелектриком у якому слугує електролюмінофор. В якості люмінофора використовуються напівпровідникові структури типу А₂В₆ (тобто сполуки елементів другої та шостої груп Періодичної системи елементів Менделєєва), серед яких переважне використання знаходять сполуки цинку та кадмію з сіркою і селеном.

Особливо поширене використання сірчаного цинку ZnS, активованого домішками марганцю, міді та алюмінію. Світлове випромінювання сірчаного цинку, в залежності від типу та кількості введеного в нього активатора, лежить в діапазоні довжин хвиль від 0,45 (блакитне свічення) до 0,6 мкм (жовто-оранжеве свічення).

Одна із можливих конструкцій електролюмінесцентного конденсатора схематично може бути зображена, як показано на рисунку 1.52, де на прозорій підкладинці 1 послідовно нанесено: електропровідний шар 2, шар люмінофора 3, захисний шар лаку чи діелектричний прошарок із окислу (двоокислу) кремнію 4 та електропровідний шар 5, який є верхню обкладинку конденсатора. В якості електропровідних покрить використовуються окисли металів.

Якщо прикласти між зовнішніми обкладинками напругу, то в шарі електролюмінофора виникає електричне поле, яке збуджує явище електролюмінесценції. При виведенні світлового випромінювання з боку підкладинки, вона виконується із прозорого матеріалу — слюди або скла.

Типова характеристика яскравості електролюмінесцентних конденсаторів має вигляд, показаний на рисунку 1.53. В діапазоні зміни яскравості у два – три порядки (10² .. 10³) від дуже низьких рівнів до значення В_max (ділянка ab) ця характеристика добре описується такою емпіричною формулою:

,

де U — величина збуджувальної напруги; k,b — коефіцієнти, які залежать від частоти напруги, що підводиться до електролюмінесцентного конденсатора. В логарифмічному масштабі зазначена характеристика це пряма лінія

.

Максимально дпустима напруга конденсатора —U_max і відповідна їй максимально допустима величина яскравості В_max обмежені терміном служби конденсатора.

Електролюмінесцентні конденсатори використовуються в якості джерела світла в оптронах а також в малогабаритних індикаторних екранах і табло. Окрім того вони використовуються в матрицях пам'яті з високою щільністю упаковування елементів. Плівкова конструкція таких конденсаторів дозволяє використовувати інтегральні методи їх виготовлення. Електролюмінесцентні конденсатори, що випускаються серійно, працюють на змінній напрузі.

Слід зазначити, що інерційність джерела світла на основі напівпровідникових структур типу А₂В₆ досить значна і складає 10^-3 с. Це обмежує застосування електролюмінесцентних конденсаторів у функціональних колах оптоелектроніки.

1.6.4 Світлодіоди. Використання напівпровідникових матеріалів типу А₃В₅, які є сполуками третьої та п'ятої груп періодичної системи елементів, дозволило значно зменшити інерційність і підвищити швидкодію електролюмінесцентних джерел світла. До таких матеріалів відноситься фосфид та арсенід галію (GaP, GaAs), які використовуються для виготовлення некогерентних джерел світла, що називаються світлодіодами. Перспективним матеріалом для світлодіодів є також карбід кремнію (SiC).

Світлодіоди перетворюють енергію електричного поля в нетеплове оптичне випромінювання. Основою світлодіода є p-n перехід, який зміщується зовнішнім джерелом напруги в напрямку провідності переходу. При такому зміщенні електрони із n-області напівпровідника переходять (інжектують) в область, де вони є неосновними носіями заряду, а дірки переміщуються в зустрічному напрямку. При цьому проходить рекомбінація надлишкових неосновних носіїв з електричними зарядами протилежного знаку.

Рекомбінаційні процеси супроводжуються виділенням енергії у вигляді квантів світла, які частково поглинаються об'ємом напівпровідника, а частково випромінюються у навколишнє середовище. Зовнішній квантовий вихід фіксується як світло.

Варіюванням складу твердих розчинів вибраних напівпровідників можна змінювати довжину хвилі випромінювання, розраховану на існуючу чутливість фотоприймачів. Виготовляються в основному два конструктивних різновиди світлодіодів: плоский з планарною структурою випромінювального p-n переходу та напівсферичний з мезаструктурою випромінювального p-n переходу (рисунок 1.54).

Світло, що генерується поблизу випромінювального p-n переходу, розповсюджується прямолінійно в усіх напрямках.

Технологія виготовлення p-n переходу основана як на методі дифузії та іонної імплантації, так і на нарощуванні легованих епітаксіальних шарів.

Основними характеристиками світлодіодів є вольт-амперна характеристика

а також залежності потужності та яскравості випромінювання від величини прямого струму

,

.

Діаграми цих залежностей показані на рисунку 1.55. Вольт-амперна характеристика світлодіода аналогічна вольт-амперній характеристиці діодів універсального призначення, яка розглядалася раніше.

На рисунку 1.56 показано умовне позначення для принципових схем та зовнішній вигляд світлодіода.

Потужність та яскравість випромінювання багато у чому визначаються конструкцією світлодіода. Чим більший струм можна пропускати через діод при допустимому його нагріві, тим більша потужність і яскравість випромінювання.

До основних параметрів світлодіода відноситься потужність випромінювання Р, довжина хвилі випромінювання світла  та коефіцієнт корисної дії. Довжина світлової хвилі, що визначає колір свічення, залежить від різниці енергій ∆Е_р, між якими здійснюється перехід електронів, і визначається рівнянням

,

де h=1,054•10^-34 Дж•с — це стала Планка.

Коефіцієнт корисної дії світлодіода визначається відношенням потужності випромінювання до електричної потужності, що підводиться до діода і лежить в межах 0,1 ... 1%.

Світлодіоди використовуються для індикації та виведенння інформації в мікроелектронних пристроях. Керовані світлодіоди (з рухомою межою світлового поля) використовуються для заміни стрілкових приладів, як оптичні індикатори налагоджування радіоприймачів, індикатори на панелях керування різноманітних верстатів тощо. Окрім того світлодіоди використовуються як джерела випромінювання в оптронах.

1.6.5 Лазери. Спонтанне некогерентне випромінювання в світлодіодах обумовлене процесом переходу атомів із збудженого стану в урівноважений. Цей процес проходить поза всілякими зв'язками із сусідніми атомами та без будь-якого зв'язку із зовнішнім впливом (діянням) на світлодіод.

Якщо під час протікання такого процесу на люмінесцентне середовище подіяти світловою хвилею, частота якої відповідає резонансній частоті збуджених атомів, то ці атоми будуть випромінювати світлову хвилю взаємопов'язано, майже одночасно. При цьому фотони світла, що генеруються, абсолютно не відрізняються від фотонів, які викликали генерацію світла. Таке явище випромінювання використовується в лазерах, які являють собою квантові генератори оптичного діапазону.

Випромінюване світло лазера — лазерний пучок — це інтенсивне випромінювання хвилі однієї і тієї ж довжини (когерентне випромінювання). Для виникнення генерації фотонів світла необхідно мати активне середовище, яке підсилює світло, пристрій для збудження активного середовища та оптичний резонатор, який створює систему позитивного зворотного зв'язку.

В якості активного середовища, що складає основу лазера, застосовуються: тверде тіло (кристалічний або аморфний діелектрик), напівпровідник, чи газове середовище. У зв'язку з цим розрізняють: твердотільні, напівпровідникові та газові лазери.

Пристроями або засобами для збудження активного середовища служать лампи розжарювання, розряд у газі або інжекційні процеси, які мають місце в світлодіодах під час протікання прямого струму. В якості резонатора виступає об'єм активної речовини з відповідним конструктивно-технологічним оформленням, тобто дзеркалами в торцях активної речовини. Дзеркало на кожному із торців забезпечує економію довжини активної речовини за рахунок багатократного відбивання світлових хвиль від дзеркала під час розгойдування лазера.

Конструктивна схема поширеного у використанні твердотільного рубінового лазера на основі активної речовини Al₂O₃ з домішками хрому показана на рисунку 1.57. Основою лезера є стержень 2 із активної речовини, у якого ретельно відполіровані дзеркальні торці 2 та 4 (оптичний резонатор).

З будження іонів хрому здійснюється за допомогою лампи-сполоху або лампи безперервного свічення 3 на хвилі 0,55 мкм (зелене світло). Когерентний промінь 5, багаторазово відбивається від дзеркальних торців резонатора, виходить через напівпрозоре дзеркало 4. З метою мікромініатюризації, підвищення терміну роботи, з метою підвищення ККД твердотільних лазерів лампи розжарювання замінюють світлодіодами. Конструктивна схема такого лазер показана на рисунку 1.58. Це твердотільний лазер на ітрієво-алюмінієвому гранаті (Y₃Al₅O₁₂) з дмішкою неодиму. Його конструкція складається з таких елементів: 5 —світлодіод; 4 — кришталевий стержень; 3 — оптичне сере­довище; 2 — фіксувальна оправка; 1 — тепловідвід.

Збудження іонів неодиму в кристалі 4 здійснюється через оптичне середовище 3 квантами світла від світлодіода 5. Стержень 4 через фіксувальну оправку 2 кріпиться до тепловідводу 1.

Використання в твердотільних лазерах аморфних діелектриків (скла) дозволяє отримати генератор світлових хвиль в інших областях оптичного діапазону. Неодимове скло дає випромінювання в ближньому інфрачервоному спектрі, а скло з газолінієм генерує ультрафіолетові хвилі. Однак у всіх твердотільних лазерах перетворювання енергії здійснюється за схемою електрика — світло —когерентне випромінювання. Через це неможливо наблизити коефіцієнт корисної дії до 100%.

У напівпровідникових лазерах збудження здійснюється шляхом інжекції носіїв заряду p-n переходом. Тому в таких лазерах електрична енергія безпосередньо перетворюється в енергію когерентного випромінювання. При цьому ККД теоретично досягає 100%.

Конструкція напівпровідникових лазерів близька до конструкції світлодіодів. Напівпровідникові лазери виконуються у формі куба або паралелепіпеда, паралельні бокові грані якого ретельно відполіровані. Три грані покриті відбиваючим шаром і виконують функцію резонаторів, а четверта грань, через яку проходить випромінювання, прозора.

Активна речовина напівпровідникового лазера, в якості якої використовують арсенід галія, легована селеном або телуром у шарі з n­провідністю. Шар активної речовини з p-провідністю легований кадмієм або цинком. При цьому утворений таким чином один p-n перехід розташований перпендикулярно граням оптичного резонатора.

Газові лазери значно поступаються напівпровідниковим та твердотільним. Тому широкого застосування у техніці вони не мають. Напівпровідникові лазери у порівнянні з твердотільними характеризуються не тільки більш високим ККД, але й і більш високою швидкодією, меншими габаритами та високою компактністю (розміри резонатора складають приблизно 10 мкм). Окрім того, для напівпровідникових лазерів більш проста схема збудження та більша технологічна сумісність з елементами інтегральних схем.

Однак твердотільні лазери переважають напівпровідникові у механічній міцності, температурній та радіаційній стійкості. Оптичні квантові генератори (лазери) знаходять широке використання в обчислювальній техніці, телебаченні, медицині (операції на очах лазерним променем) та в інших галузях. При цьому вони можуть бути використані як автономні пристрої, або в складних оптоелектронних системах.

1.6.6 Фотоприймачі. Фотоприймачі в системах оптоелектроніки призначені для перетворювання світлових сигналів в електричні. Робота фотоприймачів основана на фотоелектричних явищах (фотоефектах). В напівпровідникових фотоелектричних приймачах використовується внутрішній фотоефект, який характеризується тим, що під час опромінення променевою енергією електрони напівпровідникової речовини отримують додаткову енергію, достатню для вивільнення їх від міжатомних зв'язків.

Завдяки цьому в напівпровіднику з'являються додаткові носії електричного заряду, які збільшують електричну провідність напівпровідника. Фотоприймачі характеризуються граничною частотою фотоефекту, а відповідна довжина світлової хвилі називається пороговою.Світловий потік з довжиною хвилі більшою, ніж порогова (λ>λ₀) не може викликати фотоефекту. Для кремнію, наприклад, межа фотоефекту лежить в інфрачервоній області світлового випромінювання (λ₀≈1,1 мкм).

Вимоги до фотоприймачів оптоелектронних систем містять у собі вимоги до спектральної чутливості, до швидкодії та до відношення рівня сигналу до рівня шуму. При цьому важливо, щоб чутливість фотоприймача була максимальною на робочій довжині хвилі джерела випромінювання.

В якості фотоприймачів найбільш використовують фоторезистори, фотодіоди, фототранзистори та фототиристори.

1.6.6.1 Фоторезистори. Фоторезисторами називаються напівпровідникові прилади, опір яких змінюється під дією світлового потоку або проникного випромінювання. Під час опромінювання світловим потоком деякого об'єму напівпровідникового матеріалу, в ньому виникає надлишкова концентрація носіїв заряду за рахунок переходу електронів в зону провідності, що викликає зміну провідності напівпровідника, тобто фоторезистивний ефект.

Конструктивна схема фоторезистора показана на рисунку 1.59. Фоторезистор складається із діелектричної підкладинки 3 (наприклад, скляна пластинка), на яку нанесено світлочутливий шар напівпровідника 1. Шар напівпровідника оснащений зовнішніми виводами (електродами) 2.

Для захисту від вологи світлочутливий шар покривається прозорим лаком. Підкладинка з напівпровідниковим шаром розміщується в металевому або пластмасовому корпусі, який має вікно для проходження світлового потоку, що освітлює світлочутливий шар.

Фоторезистори для інтегральних мікросхем випускаються в безкорпусному виконанні або технологічно поєднаними з іншими елементами інтегральних схем. У більшості дискретних фоторезисторів промислових типів робоча площадка світлочутливого шару складає приблизно 30 мм². Матеріалом для виготовлення світлочутливого шару слугує сірнистий свинець, сульфід та селенід кадмію.

Схема вмикання фоторезистора в електричне коло показана на рисунку 1.60. Джерело струму Е може бути увімкнено з будь-якою полярністю, тому що фоторезистор не має вентильних властивостей.

При відсутності освітлення (Ф=0) фоторезистор має більший темновий опір R_темн., тому темновий струм I_темн., що протікає у колі фоторезистора, малий і визначається виразом

. (1.4)

При наявності світлового потоку (Ф>0) опір фоторезистора зменшується до величини R_св, що визначає (разом із джерелом Е) світловий струм

. (1.5)

Різниця струмів I_св— I_темн визначає фотострум

. (1.6)

Вольт-амперна характеристика фоторезистора виглядає, як показано на рисунку 1.61. Вольт-амперні характеристики фоторезистора при освітленні (лінія 1) та при затемленні (лінія 2) відповідають залежностям (1.4 ... 1.6). В робочому діапазоні напруг ці характристики лінійні.

Інтегральна чутливість фоторезисторів визначається виразом

.

Оскільки величина фотоструму визначається не тільки світловим потоком, але й прикладеною напругою, то використовують поняття питомої чутливості, як відношення інтегральної чутливості до одиниці напруги

.

Фоторезистори характеризуються ще спектральними характеристиками, які показують залежність фотоструму від довжини хвилі світлового опромінення. Такі характеристики мають вигляд, наведений на рисунку 1.62. На спектральній характеристиці кривою 1 показана залежність фотоструму від опромінення сірнисто-кадмієвих фоторезисторів видимою областю спектра світлових променів, де фотострум сягає максимуму.

Крива 2 та 3 характеризують відповідно селено-кадмієві та сірнисто-свинцеві фоторезистори, в яких максимум фотоструму припадає на червоне та інфрачервоне опромінення.

Дискретні фоторезистори, які відрізняються малими габаритними розмірами, відносно високою чутливістю та практично необмеженим терміном служби, широко використовуються в колах постійного, змінного та імпульсних струмів в якості перетворювачів світлових сигналів автономних джерел випромінювання в електричні сигнали. Фоторезистори в безкорпусному та в інтегральному виконанні використовуються в оптронах з тією ж метою (як перетворювачі світлових сигналів автономних джерел світла в електричні сигнали).

1.6.6.2 Фотодіоди. Фотодіод містить один p-n перехід з двома зовнішніми виводами і є фотоелектричним приладом із внутрішнім фотоефектом. Внутрішній фотоефект у фотодіоді відображає процес перетворення світлової енергії в електричну і полягає у тому, що під дією світлового променя в області p-n переходу проходить іонізація атомів основної речовини напівпровідника та домішки. В результаті цього генеруються пари носіїв заряду — електрон і дірка. У зовнішньому електричному колі, яке приєднано до p-n переходу, виникає струм, викликаний рухом цих носіїв (фотострум I_ф).

Промисловістю випускаються германієві та кремнієві фотодіоди як в дискретному, так і в інтегральному виконанні. Інтегральні фотодіоди оптронних систем виконуються тільки на основі кремнію.

Умовне графічне позначення та конструктивна схема фотодіода показані на рисунку 1.63.

Технологія виготовлення світлодіодів по суті не відрізняється від стандартної технології.

Фотодіоди можуть працювати у двох режимах: вентильному (фотогенераторний режим) та фотодіодному (фотоперетворювальний режим). На відміну від вентильного фотодіодний режим має місце при наявності зовнішнього джерела живлення (джерела зміщення). Схема фотодіода у фотогенераторному режимі показана на рисунку 1.64.

Робота такої схеми полягає у тому, що при контакті двох напівпровідників n- та p- типу, на їх розділі створюється контактна різниця потенціалів. При відсутності світлового потоку (Ф=0) та навантаження (ключ S розімкнений) дифузійна складова струму p-n переходу I_диф, яка обумовлена густиною дифузійного струму основних носіїв, врівноважується дрейфовою складовою струму І_др, що визначається густиною струму неосновних носіїв заряду. Тому сумарний струм фотодіода дорівнює нулю

.

При освітленні напівпровідника в області p-n переходу генеруються додаткові пари носіїв заряду. Поле об'ємного заряду p-n переходу розділяє ці пари: дірки дифундують в p-область, а електрони в n-область. Тобто проходить переміщення додаткових носіїв електричного струму.

В результаті цього густина дрейфових складових струмів збільшується, і відповідно, дрейфовий струм І_др отримує деякий приріст, який називають фотострумом І_ф. При цьому повний дрейфовий струм дорівнює

,

де складова дрейфового струму І_др є тепловий струм І₀, обумовлений неосновними носіями при відсутності освітлення.

Оскільки в області напівпровідника p-типу накопичуються надлишкові носії з позитивним зарядом, а в області напівпровідника n-типу — носії з негативним зарядом, то між зовнішніми електродами з'являється різниця потенціалів, яка є фотоелектрорушійною силою Е_ф.

Ця електрорушійна сила зменшує висоту потенціального бар'єру φ_к, викликаючи цим самим збільшення дифузійної складової струму, яка може бути виражена як

,

де φ_т — тепловий потенціал p-n переходу. У цій залежності φ_к є по суті різницею електричних потенціалів p-n переходу і визначається як

,

де (φ_т0,026 В, при Т=300К); p_n та n_p — відповідно, концентрація дірок та електронів як неосновних носіїв електричного заряду в напівпровідниках n- та p- типів. У германієвих переходів φ_к=(0,3 ... 0,4) В, у кремнієвих φ_к=(0,7 ... 0,8) В.

В стані термодинамічної рівноваги (ключ S (рисунок 1.64) розімкнений) виконується рівність

Звідки величина фотоелектрорушійної сили в режимі холостого ходу не перевищує значення, чисельно рівного ширині забороненої зони напівпровідника.

При підключенні навантаження (ключ S замкнутий) потече струм І_нав., і напруга на зовнішніх затискачах фотодіода зменшиться до деякого значення U_фд<E_ф. Струм у навантаженні при цьому дорівнює

.

Це означає, що в режимі короткого замикання (U_фд=0) і І_нав=І_ф.

Підключення фотодіода за схемою фотоперетворювача показано на рисунку 1.65. При підключенні зовнішнього зміщення Е і відсутності освітлення через p-n перехід дрейфують тільки власні неосновні носії електричного заряду, які обумовлюють дрейфовий струм І_др=І₀. Відсутність дифузійної складової струму пояснюється тим, що під дією зовнішнього джерела струму Е внутрішнє електричне поле, яке визначається фотоелектрорушійною силою Е_ф, компенсується і потенціальний бар'єр різко зростає. При цьому більша частина напруги джерела струму Е гаситься на великому опорі зворотньо-зміщеного p-n переходу, складаючи напругу U_фд.

При освітленні p-n переходу, завдяки процесу іонізації атомів кристалу, генеруються додаткові пари носіїв електричного заряду, які дифундують через p-n перехід у тому ж напрямку, що й власні неосновні носії, і при цьому обумовлюють фотострум І_ф. Таким чином, через навантаження протікає струм І_фдІ₀+І_ф.

Залежність струму від прикладеної до нього напруги визначає вольт-амперну характеристику фотодіода як

.

У вигляді діаграм ці характеристики показані на рисунку 1.66, де для кожної із вищезазначених характеристик світловий потік постійний (Ф=const).

При відсутності освітлення (Ф=0) через фотодіод протікає лише тепловий струм І₀. З освітленням (Ф>0) величина фотоструму зростає пропорційно величині світлового потоку. Оскільки І₀, як правило, малий струм, то відношення І_ф/І₀, яке визначає зміну освітлення, має великі значення.

За світловою характеристикою

визначається інтегральна чутливість фотодіода

.

Величина фотоструму діода залежить від довжини хвилі світлового випромінювання. Максимальна фоточутливість різних типів фотодіодів лежить в діапазоні довжин хвиль від 0,63 до 0,92 мкм.

1.6.6.3 Фотоприймачі з внутрішнім підсиленням. До таких фотоприймачів відносяться фоторезистори та фототранзистори. Фототранзистори, як правило, p-n-p типу і виготовляються на основі планарної технології кремнієвих інтегральних струтур. Те саме відноситься і до фототиристорів.

Фототранзистором називається фотоелектричний напівпровідниковий прилад з двома p-n переходами. Окрім перетворення світлової енергії в електричну зі створенням фотоструму, як у фотодіоді, фототранзистор цей створений фотострум ще й підсилює.

Підключення фототранзистора за схемою із загальним емітером в режимі з відключеною базою (І_б=0) показано на рисунку 1.67.

Якщо зовнішній світловий потік Ф дорівнює нулю, то через фототранзистор протікає невеликий наскрізний струм колектора І_КЕ0, який називають темновим струмом. Визначається цей струм за формулою

,

де І_КБО — струм від колектора до бази при відсутності світлового потоку; h_21Е — коефіцієнт передачі струму від бази до емітера. При освітленні області бази (Ф>0) в ній генеруються нерівновісні пари носіїв електричного заряду — електрони та дірки, які дифундують до емітерного і колекторного переходів. При цьому електричне поле колекторного переходу втягує в колектор електрони, які є неосновними носіями електричного заряду для області бази, але затримує в базі дірки розділяючи таким чином парні заряди. Електрони, що надійшли в колекторне коло і створюють фотострум І_ф, збільшують зворотний струм колектора на величину І_К=І_ф (режим фотодіода), а дірки, що залишилися при відключеній базі, створюють в ній позитивний просторовий заряд, який зміщує емітерний перехід у прямому напрямку.

Це створює умови для інжектування із емітера в базу додаткової кількості електронів, які, як і в звичайному біполярному транзисторі, дифундують через базу до колекторного переходу і захвачуються його полем, викликаючи приріст колекторного струму І_К. Оскільки дірки, що виникли в базі в результаті внутрішнього фотоефекту, виконують по суті роль керувального струму бази звичайного транзистора, то цей приріст колекторного струму дорівнює добутку коефіцієнта передачі від бази до емітера h_21Е на фотострум І_ф (h_21ЕІ_ф).

Загальний колекторний струм фототранзистора, який протікає у зовнішньому електричному колі, визначається як

. (1.7)

Сімейство вольт-амперних характеристик, яке визначає собою залежності струму колектора І_К від напруги на колекторі U_КЕ, має вигляд, який показано на рисунку 1.68. На цій діаграмі збільшення освітленості фототранзистора, що викликає пропорційне збільшення фотоструму, приводить до зростання струму колектора у відповідності з рівнянням (1.7).

Інтегральна чутливість фототранзистора К_т в (1+h_21Е) разів більша, ніж у фотодіода. Це пояснюється тим, що у фототранзисторі поряд з утворенням струму І_ф здійснюється його підсилення в (1+h_21Е) разів.