Твердотельная електроника / Tverdotila_elektronika

6 ОПТОЕЛЕКТРОННІ НАПІВПРОВІДНИКОВІ ПРИЛАДИ

6.1 Загальні відомості

Електронні пристрої та системи, в яких використовують разом із традиційними електричними ефектами неелектричні, лежать в основі нового напряму в електроніці – оптоелектроніки.

Оптоелектроніка – це ґалузь електроніки, в якій вивчаються як оптичні, так і електронні явища в кристалах, а також розглядаються питання перетворення оптичних сигналів у електричні й навпаки.

Практичним завданням оптоелектроніки є створення оптоелектронних приладів, до яких належать різноманітні джерела світла, фотоприймачі, індикатори, лінії зв’язку, оптрони тощо. Усі ці прилади широко застосовуютьcя в ґалузі промислової електроніки.

Розглянемо деякі приклади оптоелектронних напівпровідникових приладів.

6.2 Випромінювальні діоди

Напівпровідниковий випромінювальний діод (світлодіод) – це напівпровідниковий прилад з одним або кількома електричними переходами, призначений для безпосереднього перетворення електричної енергії в енергію некогерентного світлового випромінювання.

Відповідно до ГОСТ 10862-72 першим елементом позначення світлодіодів є буква або цифра, що означає матеріал виготовлення (А(1) - арсенід галію), іншим елементом є буква “Л”. Значення третього елемента позначення світлодіодів такі: 1 – діод інфрачервоного діапазону; 2 – оптичного діапазону; 3 – діод з яскравістю

свічення менше 500 Кд/м 2 ; 4 – з яскравістю, більшою

219

500 Кд/м 2 . Четвертий, п’ятий і шостий елементи позначення такі самі, як у звичайних діодів.

Основний фізичний процес світлодіодів – це випромінювальна рекомбінація у базі, ймовірність якої зростає при підвищенні концентрації неосновних нерівноважних носіїв, тобто при прямому ввімкнення p-n – переходу. Ця рекомбі-

нація, на відміну від невипромінювальної, супроводжується виділенням енергії у вигляді квантів світла. Для виготовлення світлодіодів застосовують матеріали з малою ймовірністю невипромінювальної рекомбінації (наприклад,

сполуки InSb, GaSb, GaAs, GaP, InP, SiC тощо). Свічення збуджується в інфрачервоному і видимому діапазонах за допомогою змінного або постійного струму при напрузі U Uï î ð , де Uï î ð UK (порогова напруга дорівнює

контактній різниці потенціалів). Будова світлодіода показана на рис. 6.1.

Рисунок 6.1 – Будова світлодіода

Для підвищення ККД (зменшення відбиття) випромінювальна поверхня виконується у формі напівсфери. Яскравість свічення майже лінійно залежить від струму через світлодіод (рис. 6.2).

220

являють собою світлодіоди. Така конфігурація дозволяє відтворювати усі десять цифр і кілька букв. Матрична конфігурація складається з комірок, кожна з яких має 36 (7х5+1) точок і дозволяє відтворювати усі цифри, букви, знаки стандартного коду для обміну інформацією.

Рисунок 6.3 – Структура світлодіода з перестроюваним кольором свічення

а) б)

Рисунок 6.4 – Варіанти висвічуваних за допомогою світлодіодів елементів:

а) семисегментна конфігурація; б) – матрична конфігурація

222

6.3 Напівпровідникові фотоприймачі

Фотоприймачі призначені для перетворення світлових сигналів в електричні. У напівпровідникових фотоприладах використовується внутрішній фотоефект, який полягає в тому, що при опроміненні електрони напівпровідникового кристала набирають додаткової енергії, що необхідна для вивільнення їх з ковалентних зв’язків. Тому в напівпровідниках з’являються додаткові носії електричного заряду, які збільшують електропровідність.

6.3.1 Фоторезистори

Фоторезисторами називають напівпровідникові прилади, електричний опір яких змінюється під дією світла. Конструктивно фоторезистор складається з діелектрика 3, на який нанесено світлочутливий шар напівпровідника 1, і зовнішніх електродів 2 (рис. 6.5 а).

Рисунок 6.5 – Будова (а), схема вмикання (б) та статична характеристика (в) фоторезистора

Схема вмикання фоторезистора до електричного кола показана на рис. 6.5 б. Увімкнення джерела Е не залежить від полярності, оскільки фоторезистор не має вентильних властивостей.

Вихідним матеріалом виготовлення світлочутливого шару фоторезистора є PbS, CdSe або CdS.

За відсутності світла (світловий потік Ô 0 ) фоторезистор має великий темновий опір, і при прикладенні

223

зовнішньої напруги через нього протікає малий темновий струм IÒ . Під дією світла опір фоторезистора зменшується, і через нього проходить струм

де Ñ - коефіцієнт пропорціональності; Ô - світловий потік;

IÒ - темновий струм (темновий опір фото резистора – сотні кілоомів).

де Sô - інтегральна чутливість фоторезистора.

Недоліками фоторезисторів є нелінійність характеристики I f (Ô) та мала швидкодія (граничні частоти приладу

не перевищують 1 кГц). Фоторезистори застосовують як оптоелектронні датчики, а також як фотоприймачі в оптронах.

6.3.2Фотодіоди

Уфотодіодах кристал НП обернений до скляного вікна, через яке надходить світловий потік. Під дією світла на p-n – перехід фотодіода внаслідок явища внутрішнього

фотоефекту в областях біля переходу відбувається додаткова генерація пар “електрон-дірка”. Під дією дифузійного поля p-n – переходу фотодірки переміщуються до області

p , а фотоелектрони – до області n . При цьому створюється фотоЕРС Eô = (0,1 1) В, залежність якої від світлового потоку показана на рис. 6.6.

224

Eф ,mB

400

200

0 0,25 0,5 0,75 Ф, лм

Рисунок 6.6 – Залежність фотоЕРС від світлового потоку

Під дією цієї фотоЕРС у зовнішньому колі фотодіода протікає фотострум Iô , що збігається за напрямком зі

зворотним струмом p-n – переходу (рис. 6.7).

Рисунок 6.7 – До пояснення принципу дії фотодіода

Оскільки фотострум протікає незалежно від струму, який викликається зовнішнім джерелом напруги, то вираз для повного струму може бути записаний у вигляді

IÔ - фотострум.

Дія фотоЕРС на p-n – перехід еквівалентна додатковому зворотному зміщенню переходу, наслідком чого є збільшення зворотного струму фотодіода на величину IÔ .

225

Сім’я ВАХ фотодіода показана на рис. 6.8.

Рисунок 6.8 – Сім’я ВАХ фотодіода

Оскільки фотоЕРС і пряма напруга ввімкнені назустріч одна одній, то при їх рівності струм діода дорівнює нулю, що відповідає режимові холостого ходу. ЕРС холостого ходу при I 0 можна визначити за формулою (6.3):

Цю фотоЕРС знаходять також з ВАХ рис. 6.8.

Фотодіоди використовують у двох режимах: вентильного фотоелемента (рис. 6.9) та фотодіодному (рис. 6.10).

IФ

RH

Рисунок 6.9 – Режим вентильного фотоелемента

У першому режимі фотодіод використовують як джерело струму, датчик, що генерує ЕРС EÔ , у чутливому індикаторі випромінювання або сонячній батареї. ФотоЕРС

226

може досягати 1 В. У цьому режимі робоча точка пересувається вздовж осі IÇÂ на ВАХ рис. 6.8 залежно від

інтенсивності світла.

У другому режимі (рис. 6.10) фотодіод працює на зворотній гілці ВАХ як фоторезистор, опір якого залежить від світлового потоку. Робоча точка може займати будь-яке положення між осями U ÇÂ , IÇÂ залежно від напруги джерела

U і світлового потоку Ô .

U

+

RH

IФ+IТ

Рисунок 6.10 – Фотодіодний режим

Фотострум залежить не тільки від потоку Ô , але й від довжини хвилі світлового випромінювання, яке діє на p-n –

перехід. Цей факт ілюструє спектральна характеристика рис. 6.11.

Рисунок 6.11 – Спектральна характеристика германієвого фотодіода

Параметрами фотодіода є:

- темновий струм IÒ струм, що проходить через діод при робочій напрузі і відсутності світла;

227

- робоча напруга U ðî á напруга на діоді у

фотодіодному режимі;

Sô Iô / Ô інтегральна чутливість.

6.3.3 Фотоприймачі з внутрішнім підсиленням

До таких фотоприймачів належать фоторезистори та фототиристори.

Крім перетворення світлової енергії в електричну з утворенням фотоструму, як у фотодіодах, фототранзистор ще й підсилює цей фотострум.

Розглянемо роботу фототранзистора у ССЕ в режимі з вимкненою базою ( IÁ 0 ) (рис. 6.12).

a) б)

Рисунок 6.12 – Структура і схема вмикання фототранзистора (а), статичні вихідні характеристики (б)

При освітленні області бази через вікно ( Ô 0 ) в ній генеруються нерівноважні пари носіїв заряду – фотоелектрони та фотодірки, які дифундують до ЕП та КП. При цьому поле КП розділяє заряди: електрони рухаються до n - колектора, дірки – до p- бази. У колі колектора під

228