2.7. Излучающие оптоэлектронные приборы
К оптоэлектронным относятся полупроводниковые приборы, способные работать в качестве источников (светоизлучающие диоды) и приёмников (фоторезисторы, фотодиоды, фототранзисторы, фототиристоры) электромагнитного излучения в оптическом диапазоне длин волн λ = 0,2 – 50 мкм.
Работа светодиода основана на излучении квантов света – фотонов при самопроизвольной рекомбинации носителей зарядов в p-n-переходе, смещённом в прямом направлении (рис. 2.7).
Рекомбинация инжектированных через p-n-переход носителей заряда сопровождается их переходом с высокого энергетического уровня на более низкий. При этом избыточная энергия выделяется путём излучения кванта света с энергией примерно равной энергетической ширине запрещённой зоны φз. Длина волны излучаемого света λ зависит от ширины запрещённой зоны полупроводника, из которого изготовлен p-n-переход и равна:
λ = h/φз, (2.4)
где h – постоянная Планка.
Диапазон волн видимого глазом света составляет 0,45 – 0,68 мкм. В светоизлучающих диодах применяются ПП материалы: фосфат галлия (GaP), арсенид галлия (GaAs), карбид кремния (SiC) и др. Добавление активаторов может изменить цвет свечения. Например, на основе фосфата галлия, легированного цинком, кислородом или азотом, получают диоды зелёного, жёлтого и красного цветов свечения.
Рис. 2.7. Зонная диаграмма p-n-перехода светодиода
Инфракрасный излучающий диод в отличие от светоизлучающего диода излучает электромагнитную энергию в инфракрасной, невидимой области спектра.
Работа фоторезисторов, фотодиодов, фототранзисторов и фототиристоров основана на явлении внутреннего фотоэффекта, т. е. на явлении генерации в полупроводниках избыточных пар носителей заряда (электронов и дырок) под действием излучения.
В фоторезисторах это приводит к изменению электрической проводимости полупроводника при их освещении.
В фотодиодах избыточные свободные электроны и дырки разделяются электрическим полем p-n-перехода и заряжает p-область положительным, а n-область отрицательным зарядами. В результате между выводами разомкнутой цепи фотодиода появляется напряжение, равное фото-ЭДС (0,7 – 0,8 В). Различают генераторный и фотодиодный режимы работы фотодиода. В генераторном режиме фотодиод работает как элемент солнечной батареи; фото-ЭДС используется в качестве источника электрической энергии в цепи фотодиода.
В фотодиодном режиме к фотодиоду прикладывается напряжение, обратное фото-ЭДС. При этом электроны и дырки, генерируемые излучением, увеличивают обратный ток, значение которого увеличивается пропорционально интенсивности излучения.
Фототранзистор имеет структуру обычного биполярного транзистора n-p-n-типа на основе кремния. Ток в цепи фототранзистора зависит не только от напряжения между выводами коллектора и эмиттера, но и от его освещённости. Роль управляющего тока базы выполняет заряд фотоэлектронов, генерируемых при освещении базы сквозь прозрачное окно. При напряжении между коллектором и эмиттером 5 В типовое значение тока коллектора при отсутствии освещенности составляет 0,1 мкА (до 1 мА). Диапазон рабочих температур – 40 0С .… + 85 0С. Более подробно см. главу 3 данного пособия.
Фототиристор с тремя p-n-переходами также имеет два вывода – анод и катод. Его ВАХ подобна ВАХ триодного тиристора с той особенностью, что напряжение включения зависит от освещённости фототиристора. Более подробно см. главу 5 данного пособия.
Оптопары представляют собой оптоэлектронные приборы, содержащие в одном корпусе электрически изолированные, но взаимодействующие друг с другом светоизлучающий диод и фотоприёмник.
Их основные достоинства заключаются в отсутствии гальванической прямой и обратной связей между электрическими цепями излучателя и фотоприёмника и помехозащищённости оптических каналов. Оптопары с открытым оптическим каналом щелевого или отражательного типов используются в качестве позиционно-чувствительных датчиков.