ОПТОЭЛЕКТРОННЫЕ ПРИБОРЫ

Оптоэлектронные приборы включают фотоэлектрические приборы, предназначенные для преобразования оптического излучения в электрический ток, светоизлучающие, преобразующие электрическую энергию в оптическое излучение, и оптроны, содержащие излучатель и приемник излучения, связанные оптическим каналом.

Оптический диапазон занимает область длин электромагнитных волн l от 1мм до 1 нм. Эти границы довольно условны. Часто область l=1¼0,1 мм относят к радиоволнам СВЧ диапазона, а область l=80¼1 нм – к мягкому рентгеновскому излучению. Оптический диапазон разбивается на три поддиапазона: инфракрасный (l=0,78¼1000 мкм), видимый (l=0,38¼0,78 мкм) и ультрафиолетовый (l=0,001¼0,78 мкм).

Световой поток Ф может измеряться в люменах (лм) или определяться мощностью P в ваттах (Вт), т.е. количеством энергии, протекающем через данную поверхность за 1 с. Единица измерения люмен ориентирована на восприятие света человеческим глазом на каждой длине волны излучения. Обе величины связаны между собой коэффициентом, называемым спектральной видностью: s^*_l=F/P.

Взаимодействие света с веществом можно характеризовать коэффициентами отражения R, поглощения a и пропускания T. Интенсивность света, проникшего внутрь тела, уменьшается с глубиной по экспоненциальному закону:

F=(1-R)×F₀×e^-ax,

где F₀ – интенсивность падающего света. Зависимость коэффициента поглощения от энергии кванта света a(hn) или от длины волны a(l) называется спектром поглощения. Поглощение кванта света (фотона) определяется квантовыми переходами частиц из одного энергетического состояния в другое и приводит к изменению энергетического состояния свободных и связанных электронов или изменению колебательной энергии атомов.

Существует несколько механизмов поглощения света, в полупроводниковых фотоэлектрических приборах используется в основном собственное, или фундаментальное, поглощение.

Собственное (фундаментальное) поглощение связано с разрывом валентной связи, в результате которого образуется электронно-дырочная пара. Этот процесс возможен лишь в случае, когда энергия фотона превышает ширину запрещенной зоны: hn>DW. Поэтому спектр фундаментального поглощения ограничен минимальной частотой n_кр=DW/h, или максимальной длиной волны l_кр=hc/DW, которая называется «красной границей». Процесс генерации характеризуется квантовым выходом (квантовой эффективностью) h – отношением числа генерированных электронно-дырочных пар к общему числу падающих фотонов. При собственном поглощении возрастает концентрация носителей в полупроводнике и, соответственно, уменьшается его сопротивление, возникает фотопроводимость. Это, так называемый, фоторезистивный эффект.

В полупроводниковых структурах, содержащих p-n-переход, неравновесные носители, возникшие в p-n-переходе и прилегающих к нему областях, толщиной порядка диффузионной длины, разделяются электрическим полем перехода – дырки выбрасываются в p-область, электроны – в n-область, возникает фототок I_Ф, текущий из n-области в p-область. В результате p-область приобретает положительный заряд, n-область – отрицательный, p-n-переход смещается в прямом направлении, возникает фото э.д.с. Это явление называется фотогальваническим эффектом. Снижение потенциального барьера p-n-перехода приводит к возникновению диффузионного тока I_дф, текущего навстречу фототоку. При разомкнутой внешней цепи эти два тока уравновешивают друг друга. В общем случае внешний ток равен разности этих токов:

I=I_дф+I_ф=I₀×[exp(U/j_T) – 1] – I_Ф (7.1)

На рис.7.1 приведена вольтамперная характеристика p-n-перехода при облучении. Обратный ток растет пропорционально световому потоку, ток короткого замыкания I_кз (при U=0) и напряжение холостого хода U_хх (при I=0), согласно (1), определяются выражениями:

I_кз= -I_ф, U_хх=j_T×ln(1+I_ф /I₀ )

Третий квадрант ВАХ используется в фотодиодах для регистрации светового потока. В четвертом квадранте протекает отрицательный ток при положительном напряжении, т.е. p-n-переход является источником энергии, он преобразует энергию излучения в электрическую энергию.

Фотогальванический эффект возникает и в других выпрямляющих переходах.

ФОТОЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ ПРИБОРЫ

Фотоэлектрические приборы разделяются на фотоприемники, преобразующие световой сигнал в электрический, и фотоэлементы, преобразующие энергию излучения в электрическую энергию (это, главным образом, солнечные преобразователи).

Фоторезисторы.

Фоторезистор (рис.7.2) представляет собой тонкую пластинку или пленку полупроводника 1, нанесенную на диэлектрическую (обычно стеклянную) подложку 3 с двумя омическими контактами 2, к которым подключается электрический источник питания. Принцип действия фоторезистора основан на фоторезистивном эффекте. Падающее на поверхность излучение генерирует в нем свободные носители и с ростом их концентрации увеличивается проводимость фоторезистора s:

s=s₀+Ds, s₀=e(m_nn+m_pp), Ds=e(m_nDn+m_pDp),

где s₀ – темновая проводимость, Dn иDp – приращение концентрации электронов и дырок, m_n и m_p – подвижности электронов и дырок, Ds – приращение проводимости.

Вольтамперная характеристика фоторезисторов – линейна при заданном световом потоке в ограниченной области напряжений, с наклоном, зависящим от интенсивности светового потока (рис.7.3).

Передаточная характеристика – зависимость тока от светового потока при постоянном напряжении – приведена на рис.7.4. Под действием света непрерывно идет генерация носителей, их концентрация возрастает до тех пор, пока скорость генерации не сравняется со скоростью рекомбинации:

V_ген=a×F, V_рек=b×Dn×Dp,

В установившемся режиме V_ген=V_рек, отсюда и, соответственно, ток возрастает пропорционально .

Спектральная характеристика – зависимость чувствительности от частоты или длины волны излучения – приведена на рис.7.5 для фоторезисторов на основе CdS, CdSe, PbS и PbSe. Чувствительность растет с уменьшением длины волны, начиная с красной границы, достигает максимального значения, затем падает. Это объясняется тем, что с увеличением энергии фотонов резко увеличивается коэффициент поглощения и световой поток поглощается в основном в тонком слое вблизи поверхности, где велика скорость рекомбинации, и, соответственно, уменьшается избыточная концентрация носителей.

Фоторезисторы характеризуются следующими параметрами:

– Темновое сопротивление – R_тем.

– Монохроматическая токовая чувствительность – S_Il=I_Ф /P_l, где P_l - мощность монохроматического излучения с длиной волны l.

– Интегральная токовая чувствительность по всему спектру излучения S_IS=I_Ф/P. Поскольку ток зависит от приложенного напряжения, чаще используется более удобный параметр, называемый удельная интегральная чувствительность – S_Sуд=I_Ф /(P×U).

– Время нарастания t_нр и спада t_сп фототока при воздействии на фоторезистор прямоугольным импульсом излучения. Эти параметры обычно определяются по уровням 0,9 и 0,1 амплитуды импульса фототока.

– Граничная частота f_гр, соответствующая частоте модуляции светового потока, при котором чувствительность уменьшается до уровня 0,707 от статического значения.

Высокая чувствительность фоторезисторов достигается за счет достаточно длительного накопления неравновесных носителей, поэтому, чем больше время жизни, тем выше чувствительность и тем ниже граничная частота. Ток фоторезистора может во много раз превышать ток генерации за счет излучения.

Наиболее распространены фоторезисторы на основе сульфида и селенида кадмия (CdS и CdSe), спектральные характеристики которых располагаются на красном краю видимой области спектра. В инфракрасном диапазоне работают фоторезисторы на основе сульфида и селенида свинца (PbS и PbSe), а также изготовленные из Ge, Si, GaAs, InSb и ряд других.

Фоторезисторы на основе CdS и CdSe имеют R_тем=10⁷¼10¹⁴, S_IS=0,5¼20мСм/лм и f_гр»100 Гц.

Фотодиоды.

Фотодиод (ФД) – полупроводниковый диод, обратный ток которого может управляться излучением. В ФД имеется специальное окно, через которое свет попадает на выпрямляющий контакт. Принцип действия ФД основан на фотогальваническом эффекте при обратном смещении выпрямляющего перехода, используется третий квадрант ВАХ. В семейство фотодиодов входят приборы с p-n-переходом, с p-i-n-структурой, с контактом металл-полупроводник и с гетеропереходом.

На рис.7.6 приведены схема включения (а), семейство ВАХ при заданных световых потоках (б) и характеристика передачи (в) ФД. Фототок линейно зависит от светового потока.

Германиевый ФД имеет узкую спектральную характеристику, лежащую в ИК-области с максимумом чувствительности при l=1,55 мкм. Спектральная характеристика кремниевых ФД шире, максимумом чувствительности лежит в области l=0,6¸1 мкм.

Основные параметры ФД – такие же как и фоторезисторов: монохроматическая токовая чувствительность S_Il=I_Ф /P_l, интегральная токовая чувствительность S_IS=I_Ф /P, время фотоотклика (t_нр и t_сп), граничная частота f_гр.

Инерционность фотодиодов определяется временем диффузии к обедненной области t_дф, временем дрейфа t_др через обедненную область и емкостью обедненной области C_бар. Типичные времена переключения для фотодиодов ~10^-8с.

Высокое быстродействие достигается в p-i-n-фотодиоде. В этом диоде сильно легированные p⁺- и n⁺-области разделены слоем полупроводника с собственной проводимостью (i-слой). При обратном смещении обедненная область распространяется на весь i-слой, и генерация носителей происходит именно в этом слое. Тем самым исключается t_дф. Толщина i-слоя существенно больше, чем толщина p-n-перехода в обычных ФД, поэтому C_бар мало. Граничная частота p-i-n-фотодиодов может достигать 10 ГГц.

В фотодиодах с барьером Шоттки выпрямляющий контакт образуется между полупроводником и тонкой полупрозрачной пленкой металла, пропускающей большую часть падающего излучения. Эти диоды обладают высокой эффективностью в видимой и ультрафиолетовой областях спектра. В этих областях коэффициент поглощения в полупроводниках очень велик
(>10⁵см^-1) и эффективная глубина поглощения мала (1/a<0,1мкм), поэтому падающее излучение в основном поглощается вблизи поверхности полупроводника. Квантовая эффективность может достигать 70%, инерционность этих приборов определяется временем пролета носителей через область объемного заряда (10^-10÷10^-11с).

Фотодиоды на гетероструктурах позволяют получить квантовую эффективность, близкую к 100%.

Если к p-n-переходу приложить напряжение, близкое к напряжению лавинного пробоя, можно получить усиление фототока за счет лавинного умножения генерированных светом носителей. Лавинные фотодиоды применяются при обнаружении слабых оптических сигналов.

Фототранзисторы.

Фототранзисторы отличаются от обычных транзисторов наличием фотоприемного окна, через которое оптическое излучение проникает сначала в базовый слой, а затем в коллекторную область. Устройство и схема включения биполярного фототранзистора показано на рис.7.7а. Фототранзистор состоит из эмиттерной области, области базы, большая часть которой пассивна и открыта световому потоку, и широкой коллекторной области Роль фоточувствительного элемента выполняет переход база-коллектор, поэтому он имеет большую площадь.

Фототранзистор обычно включается по схеме с общим эмиттером (рис.7.7б). При разомкнутой цепи базы (плавающая база) в отсутствие облучения протекает темновой ток, равный I_кэ0. При освещении транзистора в его базовой и коллекторной области генерируются электронно-дырочные пары, которые разделяются полем коллекторного перехода. Неосновные носители экстрагируются из базы коллектором, основные носители, генерированные в базе и те, которые приходят в базу из коллектора, понижают потенциальный барьер на эмиттерном переходе, что вызывает дополнительную инжекцию неосновных носителей в базу. Эквивалентная схема фототранзистора приведена на рис.7.7в, где ток фототок моделируется фотодиодом, включенным между базой и коллектором. Фототок, протекающий через коллекторный переход, эквивалентен отпирающему току базы, который усиливается транзистором в β раз. Общий коллекторный ток

I_кэ=I_ф+βI_ф+I_кэ0=(β+1)I_ф+I_кэ0

Таким образом, фототок усиливается транзистором в (β+1)раз.

Времена переключения фототранзистора определяются эквивалентной постоянной времени τ_ое=τ+(β+1)R_кC_к, они на 2-3 порядка больше, чем у фотодиодов.

Фототиристоры

Это полупроводниковые приборы, используемые для коммутации световым сигналом электрических цепей большой мощности.

Структура фототиристора аналогична структуре обычного тиристора, отличаясь наличием окна, через которое свет попадает на обе области базы тиристора. При этом с ростом освещенности возрастают эмиттерные токи, что приводит к возрастанию коэффициентов α и включению тиристора. Таким образом, фототок выполняет функцию тока управляющего электрода. Условное обозначение и эквивалентная схема приведены на рис.7.8. ВАХ фототиристора аналогична ВАХ обычного тиристора с тем отличием, что параметром характеристики является световой поток.

Фототиристор остается во включенном состоянии после окончания импульса светового потока. Для его выключения необходимо уменьшить напряжение или ток до значений, меньших напряжения или тока удержания.

Параметры фототиристора: пороговый световой поток или пороговая мощность излучения при заданном напряжении источника питания; минимальная длительность импульса светового потока, обеспечивающего включение при заданном световом потоке; время включения и выключения; рабочая длина волны. Кроме этого фототиристор характеризуется максимально допустимыми значениями выходного тока, рабочего напряжения и скорости нарастания выходного напряжения.

Темновое сопротивление – 10⁸ Ом (запертое состояние), сопротивление во включенном, открытом состоянии до 10^-1 Ом. Время переключения 10^-5 – 10^-6 сек.