Добавил:
ivanov666
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз:
Предмет:
Файл:Электроника и схемотехника. Учебное пособие для СПО
.pdf
91
в свою очередь содержит 8 p-n-переходов в одном монокристалле полупроводника. Каждый из сегментов способен излучать
свет при прохождении тока через него в прямом направлении.
С помощью внешних коммутирующих устройств цифровое табло может отобразить целые числа в диапазоне значений
от 0 до 9999.
Рис. 6.3. Знаковый индикатор
Когерентные излучатели — лазеры
Полупроводниковый лазер — излучающий прибор, предна-
значенный для непосредственного преобразования электрической энергии или энергии некогерентного излучения в энергию
когерентного излучения. В полупроводниковых лазерах (ПЛ)
излучение порождается все той же рекомбинацией электронов и
дырок, но в отличие от СИД в лазерах она не самопроизвольная,
а вынужденная. Процесс возникновения вынужденного излучения можно представить следующим образом. Воздействие поля
внешнего фотона на атом, находящийся в возбужденном состоянии, вызывает переход этого атома в основное состояние с испусканием еще одного фотона с энергией, направлением излучения и поляризацией, одинаковыми с теми же параметрами
вынуждающего фотона. Если предварительно создать систему
возбужденных активных атомов (лазерную активную среду) и
воздействовать на нее вынуждающим фотоном, это приведет к
стимулированному излучению сразу нескольких атомов и появлению нескольких новых фотонов с той же энергией и поляризацией. Если создание новых фотонов за счет вынужденного
излучения превосходит потери излучения на поглощение и рассеяние, возникает лазерное усиление, приводящее к излучению.
92
Процесс возникновения лазерного усиления проходит несколько этапов. Первоначально энергией внешнего воздействия
(энергией накачки) Ен часть электронов с нижних равновесных
уровней 1 переходит на более высокие уровни (рис. 6.4), а затем, потеряв часть энергии, оказывается на уровне возбуждения
2. Переход этих электронов на уровень 1 сопровождается излучением фотона с длиной волны, определяемой по формуле (6.1),
в которой
12
−=
g
Е
.
Эти переходы могут быть спонтанными, при этом момент
и направление испускания фотона и ориентация его вектора поляризации случайны, а результирующий поток излучения является некогерентным и описывается среднестатистическими параметрами (переходы 1 … 3 на рис. 6.4).
Рис. 6.4. Энергетическая диаграмма уровней
полупроводникового лазера
Если на среду воздействуют вынуждающие фотоны, то
кроме спонтанных переходов существует вероятность вынужденных переходов с уровня E2 на уровень E1 (переходы 4 и 5 на
рис. 6.4). При этих переходах все активные атомы излучают
практически одновременно, и испускаемые фотоны неотличимы
от вынуждающих. Эти фотоны представляют стимулированное
или вынужденное когерентное излучение.
E
2
E
1
E
k
1 2 3 44 5 6
Переходы без излучения
93
Конструкция и параметры
инжекционных лазеров
Инверсную населенность в инжекционном лазере с
p-n-переходом легче получить, если одна из областей диода вырождена, т.е. содержит большую концентрацию примеси. При
прямом смещении p-n-перехода ток через него состоит из электронной и дырочной составляющих. Чем больше величина тока
через p-n-переход, тем лучше выполняется условие инверсной
населенности. Наименьший ток, при котором преобладает вынужденная рекомбинация, называется пороговым током.
Если ток через переход превышает пороговый, то
p-n-переход становится лазерной активной средой, способной
усиливать свет, распространяющийся в плоскости p-n-перехода.
Чтобы такой лазерный усилитель превратить в генератор излучения необходимо ввести положительную обратную связь. Таким звеном положительной обратной связи в лазере служит оптический резонатор, простейший из которых состоит из двух
зеркал (рис. 6.5), обеспечивающих многократное прохождение
волны излучения через активную среду. Для вывода излучения
из полупроводника зеркала делают прозрачными. Обычно две
противоположные грани монокристалла полупроводника делают строго параллельными и тщательно отполированными. Необходимый коэффициент отражения от торцов можно получить
без их металлизации, поскольку большой коэффициент преломления полупроводников обеспечивает отражение до 35 % квантов света. После многократного отражения от полированных
торцов и многократного прохождения вдоль p-n-перехода свет
выходит из полупроводника.
Кванты света, направленные строго перпендикулярно
торцам кристалла, могут многократно пройти через активную
область и создать большую лавину квантов света. Две другие
грани полупроводника делают скошенными под некоторым углом, чтобы исключить появление генерации света между ними.
Все кванты света, которые начинают движение не перпендикулярно к торцам p–n-перехода выходят из лазерной активной области и не участвуют в создании вынужденной рекомбинации.
94
Материалом для инжекционных лазеров служат арсенид галлия,
твердые растворы арсенид — фосфид галлия, арсенид индия,
фосфид индия и другие полупроводники.
Рис. 6.5. Конструкция инжекционного полупроводникового
лазера: 1 — отражающие поверхности полупроводника;
2 — активная среда с инверсной населенностью
Использование гетероструктур позволяют улучшить характеристики инжекционных полупроводниковых лазеров — снизить пороговую плотность тока, улучшить КПД и долговечность.
На рис. 6.6 приведена лазерная структура, в которой активный
слой p-GaAs ограничен двумя широкозонными областями.
Рис. 6.6. Зонная диаграмма полупроводникового лазера
В такой структуре нет необходимости легировать полупроводник до вырождения, так как высокая концентрация носителей в активной области достигается благодаря суперинжек-
p-
GaAs
p-GaAlAs
n-GaAlAs
электроны
дырки
уровень Ферми
E
v
g
E
1 1 2 p n
95
ции. Снижение уровня легирования способствует уменьшению
потерь на безызлучательную рекомбинацию и повышению
квантовой эффективности. Гетеропереход препятствует проникновению избыточных носителей в широкозонные области, и они
практически все сосредотачиваются в активной средней области. Поскольку носители удерживаются в активном слое и эффективно взаимодействуют, можно обеспечить малую плотность тока (J 10
3
А/см
2
) и малое значение прямого тока.
Полупроводниковые инжекционные лазеры широко используются в различных системах связи, системах ночного видения и целеуказания, устройствах охранной сигнализации,
проигрывателях компакт-дисков и др.
К параметрам полупроводникового лазера относятся:
1. Мощность лазерного излучения (Р
изл
).
На рис. 6.7 приведена типичная ватт-амперная характеристика инжекционного лазера, положение которой зависит от
температуры (Т).
Рис. 6.7. Ватт-амперная характеристика
полупроводникового лазера
Инжекционный лазер является пороговым прибором. Как
видно из рис. 6.7, если увеличивать ток через прибор, то при
превышении некоторого I
пор
возникает режим генерации излу-
чения, и происходит резкое увеличение оптической мощности.
2. Пороговая плотность тока (I
пор
).
3. Спектральная характеристика.
P
изл
0
I
пор
I
T1 T2 T2>T
1
96
Спектральная характеристика имеет вид, показанный на
рис. 6.8. При превышении пороговых токов происходит резкое
сужение спектральной характеристики.
Рис. 6.8. Спектральная характеристика
полупроводникового лазера
Так как излучательная рекомбинация в инжекционных лазерах происходит между зонами энергетических уровней, спектр
излучения будет квазимонохроматичным. У инжекционных лазеров ширина спектра
05
2 10
.
... нм =
. Возможность генерации
излучения с требуемой длиной волны достигается выбором или
синтезом прямозонных полупроводников. Экспериментальная
лазерная генерация наблюдается более чем в трех десятках полупроводниковых материалов с перекрытием
изл
от 0,2
до 32 мкм.
4. Расходимость лазерного излучения.
Диаграмма направленности излучения лазера имеет вид,
показанный на рис. 6.9. Так как длина резонатора инжекционного лазера мала, углы расходимости большие. Угол расходимости
лазерного пучка в направлении перпендикулярном поверхности
перехода 300 … 600, а угол расходимости в направлении параллельном поверхности перехода 100 … 30
0
.
P
I>I
пор
I<I
пор
р
0
97
Рис. 6.9. Диаграмма направленности
излучения лазера
6.3. Фотоприемники
Фотоприемники — это оптоэлектронные полупроводни-
ковые приборы, предназначенные для преобразования энергии
оптического излучения в электрическую.
Внутренний фоторезистивный эффект используется в фоторезисторах, фотогальванический эффект применятся в фотодиодах, фототранзисторах и фототиристорах.
Фоторезисторы
Фоторезисторами называют полупроводниковые рези-
сторы, работа которых основана на фоторезистивном эффекте.
При облучении полупроводника фоторезистора фотонами
в его светочувствительном слое возникает избыточная концентрация носителей заряда. Если к фоторезистору приложено
напряжение, то через него проходит дополнительный ток — фототок, обусловленный избыточной концентрацией носителей.
Основная часть фоторезистора — полупроводниковый
фоточувствительный слой, выполненный в виде моно- или поликристаллической пластинки или пленки полупроводника
нанесенной на диэлектрическую подложку. Материалом для фоторезисторов служат сульфид кадмия, селенид кадмия, сульфид
свинца. На поверхность фоточувствительного слоя наносят металлические электроды. Поверхность полупроводникового фоточувствительного слоя между электродами называют рабочей
площадкой. Площадь рабочей площадки различных фоторезисторов может составлять от десятых долей до десятков квадрат-
J<J
пор
J>J
пор
98
ных миллиметров. Подложку вместе с фоточувствительным
слоем и электродами помещают в пластмассовый или металлический корпус.
Фотодиоды
Фотодиодом называется фотоприемник, который работа-
ет на основе фотогальванического эффекта и фоточувствительный элемент которого имеет обратносмещенный p-n-переход
(рис. 6.10, а).
При поглощении квантов света в p-n-переходе или в прилегающих к нему областях образуются электронно-дырочные
пары носителей. Неосновные носители в каждой из областей
p-n-структуры диффундируют к p-n-переходу и проходят через
него, если они возникли на расстоянии, меньшем диффузионной
длины пробега от перехода, поэтому обратный ток через фотодиод возрастает при освещении. Аналогичный процесс происходит при поглощении света в самом p–n-переходе. Приращение
обратного тока диода при его освещении называют фототоком
(Iф). Он имеет две составляющие: дырки, возникшие в
n-области, пройдя p-n-переход попадают в p-область и «заряжа-
ют» ее положительно относительно n-области, и электроны из
p-области аналогично «заряжают» n-область отрицательно от-
носительно p-области (рис. 6.10, б).
а) б)
Рис. 6.10. Фотодиод: а — условное обозначение;
б — проявление фото ЭДС
+
+ + -
-
-
p
n
E
ф
E
о
Ф
99
Именно поэтому на первоначально созданное поле запертого p–n-перехода Е0 накладывается поле избыточных фотоносителей Е
ф
, которое называют также фото-ЭДС. При этом Еф
должно быть меньше Е0, так как разделение носителей возможно только при наличии потенциального барьера Е = Е0 – Е
ф
.
Уменьшение высоты потенциального барьера ухудшает «разделительные свойства» p-n-перехода.
Различают два режима работы фотодиода- фотогальванический и режим фотопреобразования (фотодиодный режим).
В фотогальваническом режиме фотодиод является генератором
ЭДС, при этом источник внешнего напряжения не используется
(рис. 6.11, а).
а) б) в)
Рис. 6.11. Схемы включения фотодиода:
а — фотогальванический режим; б — эквивалентная схема;
в — режим фотопреобразования
Выражение для тока фотодиода можно получить из схемы
замещения фотодиода в фотогальваническом режиме (рис. 6.11, б):
( ) ( 1)
S
U
ф
д
IIФ I e
= − −
,
(6.3)
где
ф
i
S ФI =
— фототок,
i
S
— интегральная чувствительность,
Ф — световой поток, IS — обратный ток насыщения
p-n-перехода, Т — температурный потенциал.
При разомкнутой внешней цепи (Iд = 0) из выражения (6.3)
можно получить напряжение на переходе при холостом ходе,
равное значению фото ЭДС:
E
П
RН U
Iф RН rБ U
Iф I
p-n
U
R
Н
100
ln(1 )
T sхх ф
U I I
= +
.
(6.4)
Для кремниевых фотодиодов реальные значения напряжения фото-ЭДС составляют 0,5 … 0,55 В.
При замкнутой внешней цепи (U = 0) из соотношения (6.3)
можно получить ток короткого замыкания фотодиода:
кз sфф
I I I I= +
.
(6.5)
Для кремниевых фотодиодов значения тока короткого замыкания составляют 20 … 25 мА.
В режиме фотопреобразования (рис. 6.11, в) к фотодиоду
подключают источник обратного напряжения. Потенциальный
барьер при этом возрастает и ток через переход p-n-переход будет равен значению тока короткого замыкания. В режиме фотопреобразования фотодиод выполняет функцию датчика света,
необходимого во многих практических ситуациях.
Фототранзисторы и фототиристоры
К фотоприемникам с внутренним усилением, в которых
оптическое излучение не только преобразуется в электрический
сигнал, но и усиливается, относятся фототранзисторы, составной фототранзистор и фототиристоры.
Биполярный фототранзистор (например, p-n-p-типа)
включается обычно по схеме с общим эмиттером. Базовый вывод при этом может не подключаться к схеме, при этом базовый
ток будет равен 0. При облучении транзистора начинается генерация носителей в базе, которые разделяются обратносмещенным коллекторным переходом. Дырки уходят в коллектор, а
электроны накапливаются в базе. Для восстановления электронейтральности в базе эмиттер инжектирует дополнительное количество дырок. Фототок в этом случае играет роль тока базы.
Выходные характеристики фототранзистора аналогичны характеристикам обычного биполярного транзистора, только вместо
тока базы параметром в них является световой поток Ф. Ток
коллектора, как и в обычном транзисторе, в раз больше тока
базы, равного фототоку Iф.
Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]