20-03-2013_10-45-00 / 12Оптоэлектронные приборы
.doc«Оптоэлектронные приборы»
Оптоэлектроника - раздел электроники, изучающий эффекты взаимодействия оптического излучения с электронами в веществах (главным образом в твердых телах) и методы создания приборов и устройств, использующих эти эффекты для получения, преобразования, передачи, хранения и отображения информации. Оптоэлектронные полупроводниковые приборы (ОПП) делят на излучатели, приемники излучения, оптопары и оптоэлектронные ИМС.
Основными параметрами ОПП являются: частота колебаний [Герц], световой поток Ф [люмен], освещенность E [люкс], сила света [кандела], яркость излучения (кандела/м2), максимум спектрального распределения - длина волны, соответствующая максимуму спектральной характеристики излучения [мкм, нанометр или Ангстрем (1Å=0,1 нм)], мощность излучения (Вт), минимальное рабочее прямое U (пороговое), время нарастания и спада импульса (инерционные св-вадля ИКД важнее ) Максимально допустимый прямой ток, КПД (зависит от внутреннего квантового выхода и конструкции СИД), Внутренний квантовый выход – отношение излученных фотонов к числу рекомбинировавших пар носителей.
Полупроводниковые излучатели – ОПП, преобразующие электрическую энергию в энергию электромагнитного излучения (ЭМИ). Многие излучатели могут излучать только некогерентные электромагнитные колебания (светоизлучающий диод (СИД) , ИК-диоды, знаковые индикаторы, шкалы, экраны).
Когерентные излучатели – полупроводниковые лазеры с различными видами возбуждения. Они могут излучать электромагнитные волны (ЭМВ) с определенной амплитудой, частотой, фазой, направлением распространения и поляризацией, что и соответствует понятию когерентности (рис.2). Мощность излучения лазера сосредоточена в узком интервале длин волн по сравнению с обычными ИД. Излучение в лазерах вызвано вынужденной рекомбинацией носителей при прохождении прямого тока. Для усиления света и получения когерентного излучения необходимо, чтобы число возбужденных атомов было больше невозбужденных. Т.е. должна быть так называемая инверсия населенности энергетических уровней. Чтобы усиление света происходило в течение необходимого промежутка времени, надо сохранять инвертированное состояние вещества, т. е. все время должно быть большое количество возбужденных атомов. Для этого и надо к полупроводнику, подводить тем или иным способом энергию, вызывающую возбуждение атомов. Такой процесс называется накачкой. Существует два типа полупроводниковых лазеров. Первый: имеет пластину беспримесного полупроводника (арсенид галлия GaAs, сульфид кадмия CdS или селенид кадмия CdSe), в котором накачка производится пучком быстрых электронов с энергией 50-100 кэВ. Возможна также оптическая накачка. Накачка электронным пучком вызывает сильный нагрев п/п, отчего лазерное излучение ухудшается. Поэтому такие лазеры нуждаются в хорошем охлаждении. Например, лазер на GaAS принято охлаждать до температуры 80 К. Накачка электронным пучком может быть поперечной или продольной. При поперечной накачке две противоположные грани полупроводникового кристалла отполированы и играют роль зеркал оптического резонатора. В случае продольной накачки применяются внешние зеркала. При продольной накачке значительно улучшается охлаждение полупроводника. Пример такого лазера - лазер на СdS, генерирующий излучение с длиной волны 0,49 мкм и имеющий КПД около 25%. Второй тип п/п лазера –инжекционный лазер. В нем имеется p-n-переход, одна из областей которого образована вырожденным полупроводником (Na и Nд= 1024-1025 м-3). Грани, перпендикулярные плоскости p-n-перехода, отполированы и служат в качестве зеркал оптического резонатора. На такой лазер подается Uпр, под действием которого понижается φк в p-n-переходе и происходит инжекция электронов и дырок. В области перехода начинается интенсивная рекомбинация носителей заряда, при которой электроны переходят из ЗП в ВЗ и возникает лазерное излучение. Для инжекционных лазеров применяют главным образом GaAs. Излучение имеет длину волны 0,8-0,9 мкм, КПД - 50-60%.
Светом называют видимое человеческим глазом электромагнитное изучение с длинами волн от 380 до 780 нм, являющееся частью диапазона оптического излучения (рис.8 в). Оптическим диапазоном спектра электромагнитных колебаний принято считать диапазон колебаний с диной волны от 1 мм до 1 нм. Оптический диапазон замечателен тем, что именно в нем наиболее отчетливо проявляется корпускулярно-волновой дуализм.
Излучение светодиодов (СИД, LED) и инфракрасных диодов (ИКД) (рис.1а-г) вызвано самопроизвольной рекомбинацией носителей заряда при прохождении прямого тока через выпрямляющий переход (p-n или гетеропереход). Рекомбинация носителей заряда может происходить как в самом переходе, так и в прилегающих к переходу областях структуры. Чтобы кванты энергии – фотоны, освободившиеся при рекомбинации, соответствовали квантам видимого света, ширина запрещенной зоны исходного полупроводника должна быть более 1,7 эВ. При меньшей ширине запрещенной зоны кванты энергии, освобождающихся при рекомбинации носителей заряда, соответствуют ИК- области излучения. Таким образом, разница между СИД и ИКД заключается только в отличии исходного полупроводникового материала (рис. 1е), ВАХ1 GaAs-инфракрасного диода, т.к. ∆W=1,43 эВ). ВАХ 2 –для СИД из GaP(фосфида галлия). Его цвет (красный, зеленый, желтый) зависит от вида примесей: N – зелено-желтый, Ве и О2- оранжев. Zn и O2- красн. ВАХ3 для СИД из SiC. (УФ, фиол., синий, зелен. желто-зел.) Особенностью карбида кремния отметим его политипизм, т.е. существование нескольких кристаллических модификаций, отличающихся шириной запрещенной зоны (от 2,39 до 3,33 эВ). В последние годы для изготовления синих, белых, цветных и др. СИД используют гетероструктуры на нитриде галлия GaN (∆W=3,5эВ)- с добавлением Мg, Zn. или тв. соед. InGaN (зеленые, синие, белые).
Основной материал для изготовления подложек СИД высокой яркости (HB LED) и твердотельных лазеров (синий, белый, зеленый) – сапфир.
Белые СИД получают: 1)красный, голубой и зеленый СИД на одной матрице, излучение смешивается при помощи линзы (RGB-технология); 2)На поверхность УФ-ИД наносится 3 люминофора: гол. зел.кр.; 3)На голубой СИД наносят желто-зеленый или зеленый и красный люминофоры. Спектральная характеристика – зависимость интенсивности светового потока (мощности, яркости, силы света) от длины волны (1а-г). Яркостная характеристика – зависимость яркости от тока через переход.
Красный и зеленый СИД, объединенные в один корпус, имеют 3 вывода. Путём изменения яркости (тока) или количества импульсов на каждом из кристаллов можно добиваться разных цветов свечения.
Полупроводниковый знаковый индикатор (рис. 6)– прибор отображения информации, состоящий из полупроводниковых излучающих элементов, предназначенный для представления информации в виде знаков, организованный в один или несколько разрядов (рис. 6г). Используются две основные конфигурации высвечиваемых элементов:
1) Семисегментная (рис. 6а-г); структура знакового индикатора состоит из семи излучающих элементов и децимальной точки, т.е. 8 переходов в одном монокристалле полупроводника, излучающих свет при прохождении тока в прямом направлении. Различные комбинации излучающих элементов, обеспечиваемые внешней коммутацией, позволяют воспроизвести цифры от 0 до 9 и некоторые буквы.
2) Матричная (рис. 6д) с числом точек 36 (7 рядов по 5 точек, в каждом ряду плюс 1 точка), воспроизводящая все цифры, буквы и знаки (универсальный цифробуквенный индикатор). Иногда их называют полупроводниковыми экранами.
Параметры излучателей как элементов электрической схемы определяются вольтамперной характеристикой (ВАХ) рис. 1е. Кроме полупроводниковых еще встречаются накальные, газоразрядные и катодлюминесцентные вакуумные индикаторы (рис.6 внизу)
Полупроводниковый приемник излучения– ОПП, чувствительный к ЭМИ видимой, инфракрасной и (или) ультрафиолетовой области спектра или преобразующий энергию ЭМИ непосредственно в электрическую энергию. К приемникам относятся фоторезисторы, фотодиоды, фотоэлементы, фототранзисторы и фототиристоры, фотоумножители, приборы с зарядовой связью, приемники проникающей радиации и корпускулярно-преобразовательные приборы.
Фоторезистор (рис. 9) – п/п элемент, изменяющий свое R под действием внешнего излучения. Его принцип действия основан на внутреннем фотоэффекте в полупроводниках. Под действием потока излучения, падающего на рабочую поверхность фоторезистора, его внутреннее сопротивление уменьшается вследствие генерации пар свободных носителей заряда (электронов и дырок), за счет чего увеличивается электропроводность полупроводника. В качестве фоточувствительного материала используются сульфиды и селениды кадмия и свинца (CdS, PbS, CdSe, PbSe). Материалы на основе кадмия чувствительны к излучениям в видимой и ближней инфракрасной областях, а на основе свинца - на длинах волн 1-5 мкм (дальней ИК). Темновое сопротивление – это сопротивление ФР в отсутствии освещения. Его принято определять через 30 с после затемнения ФР, предварительно находившегося под освещенностью 200 лк. ВАХ, частотная и спектральная характеристика ФР приведены на рис.9.
Фотодиод (рис.4)- фоточувствительный п/п диод с р-n-переходом. При освещении р-n-перехода в нем возникают электронно-дырочные пары. Направление тока носителей совпадает с направлением обратного тока перехода, т.е. с ростом светового потока возрастает обратный ток фотодиода. Обратные токи практически не зависят от приложенного напряжения. Фотодиод может работать в двух режимах - фотодиодном и фотогенераторном (ф/гальваническом). В фотодиодном режиме прибор подключается к источнику питания в обратном включении. Этому режиму соответствуют зависимости в III квадранте вольт-амперной характеристики. Зависимости, приведенные в IV квадранте (рис. 4), отражают фотогенераторный режим работы, когда фотодиод может использоваться без ИП, так как сам становится источником фотоЭДС, генерируя (под действием света) носители зарядов - свободные электроны. Фотоэлемент - полупроводниковый фотодиод, оптимизированный для прямого преобразования излучения Солнца в электрическую энергию. Для их обозначения часто используются также термины «солнечные элементы», «солнечные батареи». Солнечные элементы работают только в фотогенераторном режиме, функционально выступая в качестве ИП. Рабочая площадка отдельного ФЭ может достигать площади в несколько см2, а множество ФЭ, объединенных в батареи или панели, могут иметь (как, например, на космических станциях) S, измеряемую в м2, вырабатывать U в десятки вольт и давать I в сотни А.
Фотодиодные линейки и матрицы (рис.8 а.б) используются в современных спектрофотометрах, сканерах и других устройствах ввода оптической информации. В линейках фотодиоды расположены в ряд (строку, линию) с равномерным небольшим шагом. Аноды ФД, объединены в одну шину, а катоды, выведены на коммутатор, который подключает каждый ФД к цепи. Матрицы представляют собой набор ФД-линеек. ФД подключаются одним электродом к горизонтальной шине (те же аноды), а другим - к вертикальной (катоды). Шины, в свою очередь, также подключены к коммутаторам (мультиплексорам), которые включают последовательно каждый из фотодиодов в цепь. Многоэлементные ФД-приемники предназначены для преобразования двумерной (распределенной по площади) оптической информации от изображения в одномерную временную последовательность электрических сигналов. Развертка изображения осуществляется последовательным считыванием сигналов каждого из фотодиодов линейки. Режим последовательного опроса состояний большого числа элементов и передачи их на один вход называется мультиплексным (а устройство, организующее такой опрос, - мультиплексором). Развертка изображения осуществляется поочередным опросом каждой линейки и каждого ФД в линейке. В результате организованного мультиплексирования последовательное подключение вертикальных шин образует развертку по строке (линии, ряду), а переход с одного горизонтального ряда на следующий - развертку по кадру. Так, на выходе схемы образуется последовательность импульсов (видеосигнал), амплитуда которых соответствует освещенности того или иного элемента матрицы.
Фототранзисторы (ФТ) (рис. 5) представляют собой тип дискретных оптоэлектронных фотоприемников, наиболее характерными чертами которого являются наличие механизма встроенного усиления (отсюда высокая фоточувствительность) и схемотехническая гибкость, обусловленная наличием третьего (правда, не всегда выводимого), управляющего электрода.
В корпусе имеется прозрачное окно, через которое свет попадает в область базы. Обычно его включают по схеме с ОЭ. Питающее напряжение включается таким образом, что коллекторный переход закрыт, а эмиттерный – открыт. Под воздействием света в базе генерируются электроны и дырки. Накопление в базе неравновесных основных носителей заряда понижает высоту потенциальных барьеров эмиттерного и коллекторного переходов, в связи с чем, увеличивается инжекция дырок из эмиттера в базу. Соответственно возрастает и ток коллектора. ФТ уступают ФД по быстродействию, но за счет усиления сигнала имеют высокую чувствительность. Фототранзисторы применяют в качестве приемников излучения, а также в оптопарах (рис.7 л, м)
Фототиристор (рис. 3)- это тиристор, который включается воздействием светового потока. При освещении фототиристора в полупроводнике генерируются носители заряда обоих знаков (электроны и дырки), что приводит к увеличению тока через тиристор на величину фототока. Он имеет четырехслойную р-n-р-n-структуру. Переход фототиристора под действием светового управляющего сигнала из закрытого состояния в открытое осуществляется при достижении уровня тока срабатывания Iср скачком после преодоления определенного потенциального барьера. Напряжение включения уменьшается с увеличением освещенности.
Основное достоинство фототиристоров - способность переключать значительные токи и напряжения слабыми световыми сигналами - используется в устройствах оптоэлектроники.
Оптопара (рис. 7) представляет собой оптоэлектронный прибор, состоящий из излучающего и фотоприемного элементов, между которыми имеется оптическая связь, т.е. связь входа с выходом осуществляется с помощью световых сигналов, и обеспечена электрическая изоляция - (гальваническая) развязка входа и выхода. В качестве – излучателя (ИС) могут быть использованы ИКД, СИД, электролюминесцентный излучатель, а также п/п лазер. Обычно применяют ИКД, который отличается от СИД и ЭЛИ большим КПД, а также простотой структуры и управления. На рис. 7а показано включение ИС и ФП с внутренней оптической связью. Оптической средой распространения сигнала применяют волоконные световоды (рис.7в). Длина волокна должна быть больше длины волны излучения. На рис.7 б – с внешней оптической связью.
Классифицировать оптопары принято по типу фотоприемников – резисторные (рис.7з), диодные (рис.7д,е), транзисторные (рис.7 г, л, м (БПТ) и , к (ПТ)), тиристорные (рис. 7ж) и т.д. Спектральные характеристики приемника и излучателя должны, по возможности, совпадать. Входной характеристикой оптрона является ВАХ излучателя (например, СИД или ИКД), а выходной – ВАХ фотоприемника.