Розділ 7. Оптоелектронні напівпровідникові прилади

7.1. Особливості оптоелектроніки

До оптоелектронних напівпровідникових приладів належать такі напівпровідникові прилади, які випромінюють або перетворюють електромагніт­не випромінювання, чутливі до цього випромінювання у видимій, інфрачервоній та (або) ультрафіолетовій областях спектра, або використовують подібне випромінювання для внутрішньої взаємодії його елементів.

Оптоелектронні напівпровідникові прилади об’єднують такі типи напівпровідникових приладів: напівпровідникові випромінювачі, приймачі випромінювання, оптрони (оптопари), оптоелектронні ІМС.

Випромінювачі (світлодіоди, електролюмінесцентні елементи, лазери) і приймачі випромінювання (фоторезистори, діоди, транзистори, тиристори) знайшли широке використання в дискретній та інтегральній схемотехніці. Їх розвиток став підґрунтям для створення принципово нових приладів – оптронів, які є базовими компонентами оптоелектроніки. Оптоелектроніка належить до одного з напрямів функціональної електроніки, яка об’єднує нетрадиційні напрями подальшого вдосконалення систем передачі, перетворення та відображення інформації.

Оптоелектроніка ґрунтується на використанні електронних пристроїв та систем, в яких разом з традиційними електричними процесами використо­вуються неелектричні – оптичні ефекти. У цій галузі електроніки дослід­жуються та використовуються як оптичні, так і електричні явища в тілах, а також розглядаються процеси перетворення оптичних сигналів в елект­ричні і навпаки. У пристроях оптоелектроніки, як і в інших напрямах функ­ціональної електроніки, реалізується не тільки технологічна інтеграція, яка характерна для напівпровідникових та гібридних мікросхем а і функціональна інтеграція, тобто використовуються в одному пристрої кілька явищ.

Матеріальна база оптоелектроніки значно багатша і різноманітніша за матеріальну базу електроніки. Основними складовими електроніки є напівпровідники, р-п‑переходи, МДН-структури, контакти метал – напів­про­відник. Оптоелектронні пристрої будують з використанням значно шир­шого набору матеріалів, таких як напівпровідники, сегнетоелектрики, феромагнетики, п’єзоелектрики, леговане та халкогенідне стекла, деякі органічні матеріали (сахароза, желатин та ін.). Оптоелектронні пристрої – твердотільні; це дозволяє для їх виготовлення використовувати методи й обладнання сучасної інтегральної технології.

Основними структурними елементами оптоелектроніки є джерела світла, фотоприймачі, індикатори, лінії зв’язку, оптрони, які використовують в оптоелектронних системах оптичної пам’яті, передачі інформації тощо.

Функції керування та перетворення в оптоелектронній системі поряд з електронними процесами виконує світловий промінь. У традиційній елек­тронній системі носії інформації – електрони та керувальне середовище – електричне поле мають однакову природу, що зумовлює низький захист системи від завад. В оптоелектроніці цього недоліку немає, бо носіями інформації є електрично нейтральні фотони. Оскільки між фотонами, які не створюють ні електричних, ні магнітних полів, та електронними струк­турами немає взаємодії, то немає і взаємних паразитних впливів між елементами та з’єднаннями оптоелектронної системи і подальше підвищення ступеня інтеграції, щільності пакування елементів та швидкодії системи не обмежується. Світловий промінь також забезпечує однонаправленість потоку інформації, якщо немає зворотної реакції фотоприймача на джерело, передачу одночасно багатьох оптичних сигналів без взаємодії, ідеаль­ну гальванічну (за постійним струмом) розв’язку між каскадами. Перетворення електричних сигналів в оптичні і навпаки дозволяють узгоджувати високоомні кола з низькоомними,високовольтні з низьковольтними.Стійкість до перенавантажень оптичного каналу зв’язку в 10⁶…10⁹ разів перевищує рівень робочих сигналів електронної системи, що характери­ризує її високу надійність. Все це вигідно відрізняє оптичний зв’язок від гальванічного.

Оптичний діапазон спектра електромагнітних хвиль характеризується довжинами хвиль від 1 мм до 1 нм (рис. 7.1). Він містить три піддіапазони – ультрафіолетовий УФ (УФ-А, УФ-В, УФ-С), видимий та інфрачервоний ІЧ (ІЧ-А, ІЧ-В, ІЧ-С). Ультрафіолетовий спектр випромінювання відповідає довжинам хвиль 1 нм ... 0,38 мкм, видимий – 0,38 ... 0,78 мкм, інфрачервоний – 0,78 мкм ... 1 мм. Робочим діапазоном напівпровідникових приладів є область довжин хвиль 0,2 ... 20 мкм.

Електромагнітне випромінювання оптичного діапазону розглядається двояко. Для однієї групи явищ – це хвильовий процес із частотою коливань ν або довжиною хвилі λ, а для другої – потік елементарних частинок, які називають фотонами, з енергією Е_ф (еВ):

Е_ф = hν = 1236/λ = 4.1·10^–15ν, (7.1)

де h – стала Планка, Дж·с; ν – частота, Гц; с – швидкість світла, см·с^–1; λ – довжина хвилі, мкм.

Характер взаємодії оптичного випромінювання з напівпровідниками може бути різним. Він визначається властивостями матеріалу напівпровід­ника, довжиною хвилі оптичного випромінювання і відповідно енергією фотонів. Взаємодію між випромінюванням та речовиною, яка характеризується поглинанням фотонів, внаслідок чого виникають електричні явища, називають фотоелектричним ефектом (фотоефектом).

Виділяють дві групи оптоелектронних приладів.

Прилади першої групи сприймають променеву енергію і змінюють під її дією свої параметри; їх називають приймачами оптичного випромінювання.

Рис. 7.1. Шкала електромагнітних хвиль

Залежно від характеру взаємодії оптичного випромінювання з напівпровідником приймачі поділяють на теплові та фотоелектричні. У теплових приймачах енергія, яка поглинається речовиною під час опромінювання, збільшує теплову енергію кристала, внаслідок чого змінюються фізичні властивості кристала (наприклад, підвищується температура приладу). До таких приймачів належать болометри, терморезистори, піроелектричні приймачі, термоелементи.

У фотоелектричних приймачах поглинання оптичної енергії сприяє безпосередній генерації вільних носіїв заряду – електронів та дірок і (чи) переходу їх на більш високі рівні енергії (світлова генерація).

Напівпровідниковий прилад, чутливий до електромагнітного випромінювання у видимій, інфрачервоній і (чи) ультрафіолетовій ділянках спектра, називають фоточутливим напівпровідниковим приладом. Робота таких приймачів ґрунтується на внутрішньому фотоефекті – перерозподілі електронів у твердих тілах за енергетичними станами у результаті поглинання фотонів. Це сприяє утворенню нерівноважних носіїв заряду всередині напівпровідникової структури під дією оптичного випромінювання. Фоточутливий напівпровідниковий прилад, принцип дії якого ґрун­тується на внутрішньому фотоефекті у напівпровіднику, називають фотоелектричним напівпровідниковим приймачем випромінювання. Його реакцією на оптичне випромінювання є поява фотосигналу, який форму­ється фотострумом І_ф – струмом створених нерівноважних носіїв заряду.

Іншу характерну групу оптоелектронних приладів складають випромінювачі світла (джерела світла). Вони перетворюють електричну енергію в енергію електромагнітного випромінювання у видимій, інфрачервоній та ультрафіолетовій областях спектра.

Переважна більшість напівпровідникових випромінювачів може випромінювати лише некогерентні коливання. До таких приладів належать напівпровідникові випромінювачі видимої частини спектра – напівпровід­никові прилади відображення інформації (світлодіоди, електролюмінесцентні індикатори), а також напівпровідникові випромінювачі інфрачервоної області спектра (інфрачервоні випромінювальні діоди). Нагадаємо, що когерентні електромагнітні хвилі характеризуються амплітудою, частотою, фазою, напрямом розповсюдження та полярізацією. Джерелом таких коливань є напівпровідникові лазери з різними видами збудження.

Оптичні випромінювання оцінюють фотометричними параметрами. Виділяють енергетичні та світлові фотометричні параметри. Ці параметри однакові за змістом, але характеризують випромінювання залежно від типу приймача.

Аналізуючи пристрої із фотометричними напівпровідниковими прий­мачами випромінювання, оптичне випромінювання розглядають як потік фотонів, який переносить енергію. При цьому випромінювання характеризують за допомогою енергетичних параметрів.

У системах відображення інформації приймачем випромінювання є людське око, а тому випромінювання оцінюють за допомогою світлових параметрів.

Одним з важливих (опорних) світлових параметрів є яскравість. Одиниця яскравості – кандела на квадратний метр (кд/м²) – яскравість джерела випромінювання, кожний квадратний метр випромінювальної поверхні якого має в даному напрямі силу світла, що дорівнює одній канделі. Кандела – це одиниця сили світла, випромінюваного спеціальним стандартним джерелом. Світлові вимірювання є суб’єктивними, оскільки основним «приладом», за допомогою якого можна виміряти світлотехнічні величини, є око людини. Ефективність дії світла на око людини визначають спеціальною величиною, яка одержала назву видності (світлової ефективності ока).

Чутливість ока до світла з різними довжинами хвиль неоднакова. Вона має максимум при λ = 0,555 мкм і швидко зменшується з віддаленням від цього максимуму. На межах видимого діапазону (λ₁ = 0,38 та λ₂ = 0,78 мкм) чутливість ока практично зменшується до нуля. Око й інші приймачі випромінювання характеризуються різною чутливістю до енергії різних дов­жин хвиль, тобто є селективними, їм властива вибіркова здатність. Для стандартного (типового) фотометричного спостерігача 1 Вт променевої енергії в максимумі чутливості ока відповідає світловому потоку 680 лм.

Таким чином, випромінювач, який всю свою енергію віддає винятково у вигляді випромінювання з довжиною хвилі 0,555 мкм, має най­біль­шу яскравість і економічність з точки зору людського ока.

Практично джерела світла генерують випромінювання в діапазоні частот, а тому для визначення видності необхідно враховувати особливості випромінювачів.

Енергетичні і світлові параметри випромінювання однакові за змістом, але характеризують випромінювання в різних діапазонах хвиль і мають різні одиниці виміру. Кількісно характеристики видимого світла пов’язують із зоровою відчутністю. В інфрачервоному та ультрафіолетовому піддіапазонах оптичне випромінювання не сприймається оком, а тому використовують параметри, що характеризують безпосередньо енергію, яка переноситься випромінюванням. У довідниках з напівпровідникових приладів для діодів, які випромінюють у видимій області спектра, як параметр наводиться яскравість. Так, для світлодіода АЛ102Д яскравість становить 400 кд/м², але для діода АЛ103А, який випромінює в інфрачервоній області спектра, як параметр наводиться потужність випромінювання 1 мВт.