Управляемые источники излучения

1. Тепловые источники. Это источники электромагнитного излучения, испускаемого нагретым телом за счет повышения его внутренней энергии. К ним относятся лампы накаливания. Они имеют широкий спектр излучения (0,4¸4) мкм, высокий уровень освещенности. Недостатками являются большая инерционность, низкая надежность, невозможность применения в интегральной схемотехнике. В настоящее время используют миниатюрные лампы накаливания типа НСМ-9, НСМ-25 и др.

2. Газоразрядные источники излучения. В них излучающей средой являются газы или пары металлов, в которых при прохождении тока возникает газовый разряд. Газоразрядные источники более быстродействующие, но остальные недостатки такие же, как и у ламп накаливания. В основном используются в составе устройств отображения информации.

3. Электролюминесцентные источники света. Люминесценция – это светоизлучение при той же температуре. Физически происходит возбуждение атомов – запасается светосумма, а затем возбужденные атомы отдают запасенную энергию в виде фотонов. В зависимости от того, каким образом производится возбуждение, различают следующие виды люминесценции: фотолюминесценция, катодолюминесценция, рентгенолюминесценция, электролюминесценция, инжекционная люминесценция. Последняя осуществляется в p-n-переходе.

Светодиоды

При прямом смещении р-n-перехода основные носители слоя
п-электроны в огромных количествах переходят в слой р. Часть этих электронов рекомбинирует с дырками слоя р. Физически рекомбинация означает исчезновение пары свободных носителей: электрон из зоны проводимости «падает» в валентную зону, теряя при этом полученную ранее энергию. В зависимости от ширины запрещенной зоны эта энергия выделяется или в виде тепловой (фононы), или в виде световой (фотоны). В последнем случае р-n-переход начинает излучать свет определенной длины волны, т. е. становится преобразователем электрического тока в световой поток (рис. 4.45).

Рис. 4.45. Р-n-переход как источник света

Длина волны l связана с шириной запрещенной зоны (Dε) следующим соотношением: . Отсюда следует, что для получения излучения видимого спектра (0,38¸0,78) мкм полупроводник должен иметь ширину запрещенной зоны De > 1,7 эВ. В связи с этим светодиоды изготавливаются не из германия или кремния, а из других полупроводниковых материалов, например: фосфид галлия, карбид кремния и др.

Внесение в полупроводник различных примесей позволяет получить свечение различного цвета. Существуют светодиоды, цвет свечения которых можно менять. В таких светодиодах два светоизлучающих перехода, один из которых имеет максимум излучения в красной части спектра, а другой – в зеленой. Цвет свечения зависит от соотношения токов через переходы.

Характеристикой светодиода как источника света является зависимость яркости от прямого тока, т. е. (яркостная характеристика), или зависимость силы света от прямого тока, т. е. (световая характеристика). На рис. 4.46 приведен вид световой характеристики. При больших токах характеристика почти линейна. Эта часть определяет оптимальный режим работы светодиода. На рис. 4.47 приведена спектральная характеристика, которая показывает зависимость интенсивности излучения от длины волны излучаемого света.

Вольт-амперная характеристика светодиода аналогична характеристике обычного выпрямительного диода, но т. к. для его изготовления используются материалы с большой шириной защищенной зоны, то нижний предел рабочего напряжения – (1,0¸3,5) В. Допустимые обратные напряжения значительно ниже, чем у выпрямительных диодов, – (4¸12) В.

Светодиоды обладают высоким быстродействием. Если задать импульс прямого тока (см. рис. 4.48), излучение нарастает (t_вкл) за время не более 10^–8 с. Время выключения больше, т. к. происходит рассасывание избыточного заряда. Со временем происходит уменьшение мощности излучения:

,

где t_дегр – постоянная времени, характеризующая скорость процесса деградации (t_дегр » 10⁴ ч).

При увеличении температуры уменьшается световой поток Ф (примерно 1 % на 1°) и увеличивается длина волны.

Фотоприемники

Фотоприемники предназначены для преобразования оптического излучения в электрическое. Фотоприемники строятся с использованием внутреннего и внешнего фотоэффекта. В первом случае используется либо изменение электропроводности полупроводника при его освещении, либо возникновение фотоЭДС на границе p-n-перехода (испускание веществом электронов под воздействием света).

Фоторезисторы

В фоторезисторах используется эффект изменения концентрации свободных носителей под воздействием светового потока. Для этого необходимо, чтобы энергия фотона e_Ф была больше ширины запрещенной зоны e_З, т. е. собственный фотоэффект возможен при длине волны падающего света

l < .

В этом случае электроны получают дополнительную энергию – переходят в зону проводимости и образуется дополнительная пара свободных носителей (электрон-дырка), электропроводность полупроводника возрастает:

,

где q – заряд электрона; m_n, m_p – подвижности электронов и дырок; n₀, p₀ – начальные концентрации электронов и дырок при отсутствии светового потока (определяют темновое сопротивление фоторезистора); Dn(Ф), Dp(Ф) – приращение носителей под воздействием светового потока.

Зависимость фототока от светового потока нелинейная (рис. 4.49), но можно выделить линейный участок (Ф_min¸Ф_max), на котором фоторезистор характеризуют интегральной чувствительностью .

Фоторезисторы имеют практически линейную вольт-амперную характеристику при одном и том же световом потоке (рис. 4.49).

Спектральная характеристика определяет зависимость чувствительности от длины волны падающего света (рис. 4.50) и имеет избирательный характер. Это надо учитывать при использовании фоторезистора. Фоторезисторы обладают довольно большой инерционностью. Их граничные частоты при модулировании светового потока гармоническим сигналом составляют десятки – сотни килогерц. Параметры фоторезистора, как и всех полупроводниковых элементов, зависят от температуры.

Фотодиоды

Если обеспечить доступ оптического излучения Ф на область p-n-перехода (рис. 4.51), то за счет энергии квантов света, значение которой зависит от длины волны воздействующего светового потока в области p-n-перехода, возникнут дополнительные пары свободных носителей заряда (электрон-дырки). Под действием собственного поля p-n-перехода эти носители перейдут в соседние области (дырки – в р-слой, электроны – в n-слой), т. е. заряды, образовавшиеся в результате светового воздействия, ведут себя как неосновные носители. В результате обратный ток p-n-перехода возрастает на величину фототока I_ф=F(Ф). Появление дополнительных зарядов на границе раздела (дырок – в р-области, электронов – в n-области) приведет к понижению потенциального барьера и соответственно к увеличению диффузионной составляющей тока. Уравнение вольт-амперной характеристики такого p-n-перехода примет вид

Рис. 4.53. Вольт-амперная характеристика p-n-перехода при оптическом воздействии

Рис. 4.52. Воздействие оптического излучения на p-n-переход: 1 – светопроницаемое окошко; 2 – герметичный непрозрачный корпус

(4.17)

График зависимости (4.17.) изображен на рис. 4.53.

Из рис. 4.53 хорошо видно, что при обратном смещении такой p-n-переход может выполнять функцию оптически управляемого элемента:

I_ф=F(Ф, U_обр),

что широко используется на практике, когда информация передается по оптическим каналам (оптоэлектроника). С другой стороны, если разомкнуть выводы p-n-перехода (I = 0), то согласно (4.17) на разомкнутых концах при воздействии светового потока появляется разность потенциалов (рис. 4.54):

(4.18)

Рис. 4.54. Генерация разности потенциалов под воздействием оптического излучения

Это означает, что p-n-переход в данном случае выполняет функцию преобразователя энергии светового потока в электрическую энергию.

Если к зажимам освещенного p-n-перехода присоединить нагрузку, то в ней выделится мощность за счет протекания тока (рис. 4.54) Р_н=e_фi_ф.

а б

Рис. 4.55. Графическое определение фотоЭДС е_ф
и вызванного тока i_ф освещенного p-n-перехода:
а – схема подключения нагрузки; б – графическое
определение фотоЭДС е_ф

На основе рассмотренного явления преобразования в p-n-переходе световой энергии в электрическую строятся элементы солнечных батарей, являющихся основными источниками электроэнергии на борту космических аппаратов. К сожалению, низкий КПД таких элементов не позволяет пока широко использовать их в земных условиях*.

Эффективность реакции p-n-перехода на оптическое воздействие зависит от длины волны (спектра). Поэтому одной из важнейших характеристик таких приборов является спектральная. Например, зависимость фототока от длины волны (l) оптического воздействия (рис. 4.56).

Подбором материала полупроводника можно обеспечить максимум оптической чувствительности в области видимого или инфракрасного излучения.

Рис. 4.57. Инерционность p-n-перехода при оптическом воздействии

Рис. 4.56. Спектральная характеристика светочувствительного p-n-перехода

Естественно, что реакция p-n-перехода на оптическое воздействие является инерционной (рис. 4.57). Характеристики степени инерционности также являются важным параметром фотодиодов.

Фототранзисторы

В качестве фотоприемников получили распространение структуры с несколькими p-n-переходами: биполярные и полевые транзисторы, тиристоры.

В биполярных транзисторах освещается область базы. Возникшие пары носителей разделяются, неосновные для базы уходят к коллекторному переходу и увеличивают ток коллектора. Основные уходят к эмиттерному переходу и понижают его потенциальный барьер, что приводит к дополнительной инжекции носителей из эмиттера в базу и соответственно к возрастанию тока коллектора. Таким образом, в фототранзисторах происходит усиление фототока. По сравнению с фотодиодами фототранзисторы обладают большей чувствительностью. На рис. 4.58 приведены графическое изображение фототранзисторов и их вольт-амперные характеристики.

Оптроны

Сочетание фотоизлучателя и фотоприемника получило название оптоэлектронной пары, а впоследствии – оптрон. На рис. 4.59 представлена структурная схема оптрона, в состав которой входит: 1 – элемент, преобразующий электрическую энергию в световую; 2 – световод и 3 – элемент, преобразующий световую энергию в электрическую. Важным преимуществом оптронов является то, что в них входная и выходная цепь оптически связаны, а электрически изолированы между собой, имеют однонаправленную передачу информации, высокую помехоустойчивость канала передачи сигналов. Изготовление оптронов совместимо с интегральной технологией.

Наибольшее распространение получили пары: светодиод – фоторезистор, светодиод – фотодиод, светодиод – фототранзистор, светодиод – фототиристор. Их условные графические изображения даны на рис. 4.60.

Оптроны выпускаются в интегральном исполнении в виде отдельных микросхем: ОЭП – резисторные оптопары, АОД – диодные, АОТ – транзисторные. В диодном оптроне в качестве фотоприемного элемента используется фотодиод на основе кремния, а излучателем служит инфракрасный светодиод. Такой оптрон может работать в генераторном режиме [на выходе фотоЭДС не более (0,7÷0,8) В] и фотодиодном режиме при обратном смещении p-n-перехода фотодиода. При этом значение фототока практически линейно возрастает при увеличении силы света излучающего диода. Одной из основных характеристик является статический коэффициент передачи

,

где I_вых – выходной ток фотодиода; I_вх – входной ток светодиода.

а б

в г

Рис. 4.60. Условные изображения оптронов:

а – резисторного; б – диодного; в – транзисторного; г – тиристорного

Вид типовой статической передаточной характеристики приведен на рис. 4.61, а и зависимость K_I = f(U_обр), рис. 4.61, б.

а б

Рис. 4.61. Статические характеристики диодного оптрона

Транзисторная оптопара имеет кремниевый фототранзистор n-p-n-типа и излучатель в инфракрасной области. Для уменьшения темнового тока между выводами базы и эмиттера фототранзистора включается внешний резистор с сопротивлением (0,1÷1) МОм. Соотношение между током базы и коллектором

,

где h_21Э – коэффициент передачи тока базы транзистора; I_БФ – генерируемый излучением фототок в базе транзистора.

Усредненная статическая передаточная характеристика транзисторного оптрона приведена на рис. 4.62:

,

где I_{вых Т} – темновой ток на выходе.

На рис. 4.63 приведены условные графические обозначения элементов, описанных в гл. 4.

	биполярный транзистор р-n-р-типа;		биполярный транзистор n-p-n-типа;
	полевой транзистор с управляющим p-n-переходом и каналом n-типа;		полевой транзистор с управляющим p-n-переходом и каналом р-типа;
	полевой транзистор с изолированным затвором: каналом n-типа с обеднением;		полевой транзистор с изолированным затвором: каналом р-типа с обеднением;
	полевой транзистор с изолированным затвором: каналом n-типа с обогащением;		полевой транзистор с изолированным затвором: каналом р-типа с обогащением;
	динистор;		симистор;
	тиристор с управлением по аноду;		тиристор с управлением по катоду;
	светодиод;		фотодиод.
	фототранзистор;

Рис. 4.63. Примеры условных графических изображений
электронных элементов

Контрольные вопросы и задания

1. Какие основные свойства определяют применение транзисторов?

2. Какие параметры определяют усилительные свойства транзистора и его быстродействие?

3. Выберите из справочника биполярный транзистор и определите (по справочнику) эти параметры.

4. Чем отличается полевой транзистор от биполярного? Пользуясь справочником, найдите параметры, по которым отличаются эти транзисторы.

5. Какие способы включения транзисторов вы знаете? Сравните их между собой.

Рис. 4.64

6. Для приведенных на рис. 4.64 транзисторов проставьте полярности подключения напряжений U_зи и U_си, соответствующие усилительному режиму работы.

7. Чем отличается тиристор от биполярного транзистора, работающего в ключевом режиме?

8. Какие физические принципы используются в преобразователях электрической энергии в световую?

9. Сравните по своим свойствам лампу накаливания, неоновую лампу и светодиод.

10. Что такое внутренний и внешний фотоэффект? Где он используется?

11. Какими параметрами определяется чувствительность и быстродействие фотодиодов и фототранзисторов?

12. Найдите по справочнику полупроводниковый прибор А.О.Т.128. Что это за прибор? Приведите пример его применения.