Твердотельная електроника / опанасюк / Конспект

напрямку, що і викликало його випромінювання, в одній і тій же фазі і з однаковою поляризацією. Індуковане випромінювання є когерентним.

•На практиці найбільшого поширення набула електролюмінесценція. На основі цього явища працюють випромінювачі, тобто прилади, що перетворюють електричну енергію збудження в енергію оптичного випромінювання заданого спектрального складу і просторового розподілу. Когерентні - інжекційні лазери і некогерентні -

світловипромінюючі діоди.

•Специфічні вимоги до світловипромінюючих діодів: робота у видимому діапазоні

400 ... 700 нм, висока яскравість, визначають вимоги до напівпровідникових матеріалів для їх виготовлення. Міжзонна рекомбінація найбільш імовірна в прямозонних напівпровідниках, типовими представниками яких є GaAs, InAs, InSb, GaSb, більшість сполук А2В6 (ZnS, ZnSe, ZnTe, CdS, CdTe, CdSe), а також ряд інших бінарних сполук - PbS, PbSe, PbTe.

• Спектральний склад оптичного випромінювання визначається шириною

забороненої зони в прямозонних напівпровідниках і енергетичним рівнем пасток в непрямозонних.

збільшення густини струму, що відбувається електричний пробій напівпровідника.

ФОТОРЕЗИСТИВНИЙ ЕФЕКТ

•Фоторезистивний ефект - це зміна електричного опору напівпровідника,

обумовлене виключно дією оптичного випромінювання і не пов'язане з його нагріванням.

•Для виникнення фоторезистивного ефекту необхідно, щоб у напівпровіднику відбувалося або власне поглинання оптичного випромінювання з утворенням нових пар носіїв заряду, або домішкове поглинання з утворенням носіїв одного знака. В

результаті збільшення концентрації носіїв заряду зменшується опір напівпровідника.

•Надлишкову концентрацію носіїв заряду, наприклад, електронів можна визначити

наступним чином

n = (1-R) αη NФτ,

де R - коефіцієнт відбиття фотонів від напівпровідника, α - показник поглинання, η - квантова ефективність генерації,

NФ - кількість фотонів, що падають на одиничну поверхню в одиницю часу, τ - час життя нерівноважних носіїв заряду.

Розподіл випромінювачів і фотоприймачів в оптичному діапазоні спектру

ОПТОЕЛЕКТРОНІКА

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

оптоелектроніки.

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

•У широкому сенсі оптоелектронний пристрій це прилад, що випромінює або перетворює електромагнітне випромінювання у видимій, інфрачервоної (ІК) або ультрафіолетової (УФ) областях спектру, або використовує подібне випромінювання для внутрішньої взаємодії його елементів.

•Оптоелектронні напівпровідникові прилади (ОПП) ділять на випромінювачі, приймачі випромінювання, оптопари і оптоелектронні ІМС (табл. 1).

Перераховані вище групи приладів здійснюють генерацію, перетворення, передачу і збереження інформації. Носіями

інформації в оптоелектроніці є нейтральні в електричному розумінні частинки - фотони,

які не чуттєві до впливу електричних і електромагнітних полів, не взаємодіють між собою і створюють односпрямовану передачу сигналу, що забезпечує високу перешкодозахищеність і гальванічну розв'язку вхідних і вихідних електричних кіл.

НАПІВПРОВІДНИКИ ДЛЯ ВИГОТОВЛЕННЯ ДЖЕРЕЛ СВІТЛА

СВІТЛОДІОДИ

•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), другим 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/м2;

4– з яскравістю, більшою 500 Кд/м2.

Четвертий, п’ятий і шостий елементи позначення такі самі, як у звичайних діодів.

• Основний фізичний процес, що забезпечує роботу світлодіодів – це випроміню-

вальна рекомбінація у базі, ймовірність якої зростає при підвищенні концентрації неосновних нерівноважних носіїв, тобто при прямому ввімкнені – 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>Uпор, де Uпор UК (порогова напруга дорівнює контактній різниці потенціалів). Будова світлодіоду показана на рис. 1. Для підвищення ККД (зменшення відбиття) випромінювальна поверхня виконується у формі напівсфери. Яскравість свічення майже лінійно залежить від струму через світлодіод (рис. 2).

Будова світлодіода

1- металеві контакти;

2- n-область; 3 – світловипромінюючий р-n- перехід; 4 - р-область;

5- світловий потік

Яскравостна

характеристика

світлодіода

•Колір свічення світлодіоду залежить від матеріалу з якого він виготовлений

(ширини забороненої зони, природи центрів рекомбінації тощо). Чим більша ширина забороненої зони матеріалу, тим менша довжина хвилі світлового випромінювання.

Так, двокомпонентні напівпровідникові матеріали GaAs і GaP дають червоне свічення,

карбід кремнію SiC – червоно-помаранчове або жовте. Суміш GaP та InP – жовте або жовто-зелене свічення. Використовуються світлодіоди з перестроюваним кольором свічення (рис. 1), які мають два – переходи, утворені різними vматеріалами (легуючими домішками). Це забезпечує генерування одним переходом зеленого світла, а іншим – червоного. Регулюванням струмів через переходи можна змінювати інтенсивність кожного з кольорів, а отже і сумарний колір свічення.

•Світлодіоди широко використовуються ї в різноманітних електронних пристроях. Перевагою інжекційних світлодіодів є – яскраве і чисте свічення, зручність керування, економність, довговічність тощо.

•Крім точкових світлодіодів, у напівпровідникових індикаторах застосовують дві основні конфігурації висвічуваних елементів: семисегментну та матричну (рис.2). Сегментна конфігурація складається із 7 прямокутних напівпровідникових пластин, елементарні ділянки яких являють собою світлодіоди. Така конфігурація дозволяє відтворювати усі десять цифр і кілька букв. Матрична конфігурація складається з

комірок, кожна з яких має 36 (7 5+1) точок і дозволяє відтворювати усі цифри, букви, знаки стандартного коду для обміну інформацією.

Структура світлодіода з кольором свічення, що перелаштовується

Варіанти елементів, що висвічуються за допомогою світлодіодів:

а) семисегментна конфігурація; б) – матрична конфігурація

ПАРАМЕТРИ СВІТЛОДІОДІВ

•Світлодіод - низьковольтний прилад. Звичайний світлодіоди, що застосовуються для індикації, споживають від 2 до 4 В постійної напруги при струмі до 50 мА. Світлодіоди, які використовуються для освітлення, споживають таку ж напругу, але струм є вищим - від декількох сотень мА до 1 А. В світлодіодному модулі окремі світлодіоди можуть бути включені послідовно і сумарна напруга виявляється більш високою (зазвичай 12 або 24 В). При підключенні світлодіода необхідно дотримуватись полярності, інакше прилад може вийти з ладу. Напруга пробою вказується виробником і звичайно становить більше 5 В для одного світлодіода. Яскравість світлодіода характеризується світловим потоком і осьовою силою світла, а також діаграмою спрямованості. Існують світлодіоди різних конструкцій, що випромінюють в тілесному вуглі від 40-1400. Колір, світла, що випромінюється, визначається координатами кольоровості і колірною температурою, а також довжиною хвилі випромінювання. Для порівняння ефективності світлодіодів між собою та з іншими джерелами світла використовується світловіддача: величина світлового потоку на один ват електричної потужності. Також цікавою маркетингової характеристикою виявляється ціна одного люмена.

•В робочих режимах струм світлодіода експоненціально залежить від напруги і незначні зміни напруги приводять до великих змін струму. Оскільки світловий вихід прямо пропорційний струму, то і яскравість світлодіода виявляється нестабільною. Тому струм необхідно стабілізувати. Крім того, якщо струм перевищить допустиму межу, то перегрів світлодіода може привести до його прискореного старіння. Саме тому

послідовно з світлодіодом включають конвертор (driver). Для світлодіода він те саме,

що баласт для лампи. Він стабілізує струм, що протікає через світлодіод.

випромінювання обмежене у відносно невеликому просторі. Верхній шар кристала легується для створення n-області, а в нижньому шарі створюють p-область. В результаті утворюється плоский p-n перехід великої площі. Дві бокові сторони (торці) кристала поліруються для створення гладких паралельних площин, які утворюють оптичний резонатор, названий резонатором Фабрі-Перо. Випадковий фотон спонтанного випромінювання, що випромінюється перпендикулярно цим площинам, проходить через оптичний хвилевід і кілька разів відбивається від торців, перш ніж вийде назовні.

Проходячи вздовж резонатора, він буде викликати вимушену рекомбінацію, створюючи нові і нові фотони з тими ж параметрами, і випромінювання посилюватиметься (механізм вимушеного випромінювання). Як тільки посилення перевищить втрати, почнеться лазерна генерація. Це відповідає пороговому струму інжекції. Одномодові лазери застосовуються в оптичних запам'ятовуючих пристроях, лазерними вказівками, а також в волоконної техніці.

•Лазерні діоди можуть бути декількох типів. В основної їх частини робочі шари зроблені дуже тонкими, і така структура може генерувати випромінювання тільки в напрямку, паралельному до них. З іншого боку, якщо хвилевід зробити досить

широким в порівнянні з довжиною хвилі, він зможе працювати вже в декількох поперечних режимах. Такий діод називається багатомодовим. Застосування таких лазерів можливо в тих випадках, коли від пристрою потрібна висока потужність випромінювання, і не ставиться умова гарної збіжності променя (тобто допускається його значне розсіювання). Такими областями застосувань є: друкуючі устрою, хімічна промисловість, накачування інших лазерів.

•Довжина хвилі випромінювання лазерного діода залежить від ширини забороненої зони між енергетичними рівнями p- і n-областей напівпровідника.

•У зв'язку з тим, що випромінюючий елемент достатньо тонкий, промінь на виході

діода, внаслідок дифракції, практично відразу розходиться. Для компенсації цього ефекту і отримання тонкого променя необхідно застосовувати лінзи, що фокусують.

Для багатомодових широких лазерів найбільш часто застосовуються циліндричні лінзи. Для одномодових лазерів, при використанні симетричних лінз, перетин променя буде еліптичних, оскільки розбіжність у вертикальній площині перевищує розбіжність в горизонтальній. Багатомодові лазерні діоди можуть мати вихідну оптичну потужність в безперервному режимі від 500 мВт до 8 Вт, а квазінеперервні лазерні лінійки - до 150 Вт.

Вигляд типового твердотільного лазера та лазерної указки

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 їх електропровідність.

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.

а).

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

•Вихідним матеріалом для виготовлення світлочутливого шару фоторезистора є

PbS, CdSe або CdS

НАПІВПРОВІДНИКОВІ ФОТОПРИЙМАЧІ

• За відсутності світла (світловий потік Ф=0) фоторезистор має великий темновий опір, і при прикладенні зовнішньої напруги через нього протікає малий темновий струм

IТ. Під дією світла опір фоторезистора зменшується, і через нього проходить струм

I=C + IТ,

де С - коефіцієнт пропорціональності; Ф - світловий потік;

IТ - темновий струм (темновий опір фото резистора – сотні кілоомів). Залежність I= f(Ф) при Е=const відповідно до формули показана на рис. в. При низьких рівнях освітлення залежність I= f(Ф) можна вважати лінійною:

I=CФФ + IТ,,

де CФ- інтегральна чутливість фоторезистора.

• Недоліками фоторезисторів є нелінійність характеристики I= f(Ф) та мала швидкодія (граничні частоти приладу не перевищують 1 кГц).

• Фоторезистори застосовують як оптоелектронні датчики, а також як фотоприймачі в оптронах.

ФОТОДІОДИ

• У фотодіодах кристал напівпровідника 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 p-області, а фотоелектрони – до n області. При цьому створюється фото ЕРС EФ= (0,1 − 1,0) В, залежність якої від світлового потоку показана на рис. 1.

•Під дією цієї фото ЕРС у зовнішньому колі фотодіода протікає фотострум IФ, що збігається за напрямком зі зворотним струмом p-n – переходу (рис. 2).

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

I=IS(- 1)

де IS - струм насичення (екстракції) – переходу; U - зовнішня напруга; IФ - фотострум.

•Дія фото ЕРС на p–n перехід еквівалентна додатковому зворотному зміщенню переходу, наслідком чого є збільшення зворотного струму фотодіода на величину IФ .

•Сім’я ВАХ фотодіода показана на рис. 3.

• Оскільки фото ЕРС 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: EФ= Тln()

•Цю фото ЕРС знаходять також з ВАХ.

•Фотодіоди використовують у двох режимах: вентильного фотоелемента (рис. 1) та фотодіодному (рис. б). У першому режимі фотодіод використовують як

джерело струму, датчик, що генерує ЕРС EФ, у чутливому індикаторі випромінювання або сонячній батареї. Фото ЕРС може досягати 1 В. У цьому режимі робоча точка пересувається вздовж осі на ВАХ залежно від інтенсивності світла.

•У другому режимі (рис. 2) фотодіод працює на зворотній гілці ВАХ як фоторезистор, опір якого залежить від світлового потоку. Робоча точка може займати

будь-яке положення між осями UЗВ, IЗВ, залежно від напруги джерела U і світлового потоку Ф.

•Фотострум залежить не тільки від потоку Ф, але і від довжини хвилі світлового випромінювання, яке діє на p–n перехід. Цей факт ілюструє спектральна характеристика рис. 3.

• Параметрами фотодіода є: темновий струм IТ − струм, що проходить через діод при робочій напрузі і відсутності світла; Uроб - робоча напруга − напруга на діоді у фотодіодному режимі; SФ=IФ/Ф − інтегральна чутливість.

ФОТОПРИЙМАЧІ З ВНУТРІШНІМ ПІДСИЛЕННЯМ

•До таких фотоприймачів належать фототранзистори 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 (IБ=0)

(рис. ).

Якщо Ф=0, то через фототранзистор проходить невеликий темновий струм

IТ=IКБ0(h21Е+1).

При освітленні області бази через вікно (Ф>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 дією цих електронів зростає струм на величину IФ. Дірки створюють у базі позитивний заряд, який зміщує ЕП у прямому напрямі і викликає інжекцію електронів. Унаслідок інжекції електронів через ЕП, їх дифузії через базу та екстракції через КП струм колектора додатково зростає на величину h21Е IФ. Тобто фотодірки у базі відіграють роль вхідного струму бази.

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

•Загальний колекторний струм фототранзистора

IК=IФ+h21ЕIФ+IТ= (1+h21Е)IФ+IТ

•Сім’я ВАХ фототранзистора IК = f(UКБ) Ф = const показана на рис. Збільшення

освітлення фототранзистора приводить, згідно з формулою, до зростання колекторного струму. Інтегральна чутливість фототранзистора SФ в (1+h21Е) раз більша,

ніж у фотодіода. Це пояснюється тим, що у фототранзистора струм IФ підсилюється в

(1+h21Е) раз.

• Фототиристори (рис.) є фотоприймачами з ключовою пороговою характеристикою, вони застосовуються для перемикання великих струмів і напруги. ВАХ з відкриваючою дією світлового потоку показана на рис.