WWW.PDF.KNIGI-X.RU
БЕСПЛАТНАЯ  ИНТЕРНЕТ  БИБЛИОТЕКА - Разные материалы
 

Pages:   || 2 |

«ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ БЮДЖЕТНОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ ВЫСШЕГО ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ КАЗАНСКИЙ НАЦИОНАЛЬНЫЙ ...»

-- [ Страница 1 ] --

ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ БЮДЖЕТНОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ ВЫСШЕГО ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ

КАЗАНСКИЙ НАЦИОНАЛЬНЫЙ ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ

им. А.Н. ТУПОЛЕВА-КАИ

Кафедра Телевидения и мультимедийных систем

УТВЕРЖДАЮ

Первый проректор-проректор по ОД

__________ Н.Н. Маливанов

« ______ » __________ 201 ___г.

Регистрационный № ________

КОНСПЕКТ ЛЕКЦИЙ

«ОПТИЧЕСКИЕ УСТРОЙСТВА В РАДИОТЕХНИКЕ»

дисциплины индекс по ФГОС ВПО (рабочему учебному плану) Б.3.В.ОД.1 Направление 210400.62 «РАДИОТЕХНИКА»

(наименование направления) Вид профессиональной деятельности: Бакалавр (наименование вида профессиональной подготовки) Профиль подготовки Аудиовизуальная техника (наименование профиля подготовки) Профиль подготовки Радиофизика (наименование профиля подготовки) Казань 2013 г.

Лекция 1

1.1 Общие понятия об оптоэлектронике как о разделе науки Оптоэлектроника - это раздел электроники, связанный главным образом с изучением эффектов взаимодействия между электромагнитными волнами оптического диапазона и электронами вещества (преимущественно твердых тел) и охватывающий проблемы создания оптоэлектронных приборов (в основном методами микроэлектронной технологии), в которых эти эффекты используются для генерации, передачи, хранения и отображения информации.

Физическую основу оптоэлектроники составляют процессы преобразования электрических сигналов в оптические и оптических в электрические; распространения излучения в видимой, инфракрасной и ультрафиолетовой областях спектра в различных средах; взаимодействия электромагнитных излучений оптического диапазона с веществом.

Оптоэлектроника синтезирует достижения ряда областей науки и техники: квантовой электроники, полупроводниковой электроники, микроэлектроники. При разработке оптоэлектронных приборов широко используются возможности технологии производства интегральных микросхем. Основу практически любой оптоэлектронной системы составляют генераторы когерентного и некогерентного излучения. Генераторы когерентного излучения получили название лазеров. Большую группу источников некогерентного излучения составляют светодиоды.

Применение оптоэлектронных приборов позволяют:

- создавать каналы связи с высокой информационной емкостью,

- запоминающие устройства с высокой плотностью записи информации (108 бит/см2),

- близкие к идеальным элементы развязки входов и выходов устройств связи,

- устройства индикации и отображения информации,

- системы распознавания образов,

- перспективные типы интегрально-оптических устройств и систем;

- передавать электромагнитную энергию концентрированно и с малыми потерями;

-обеспечивать параллельную обработку больших объемов информации при использовании временной и пространственной модуляции светового луча. Оптоэлектроника представляет собой перспективное направление микроэлектроники и относится к разделу функциональной электроники. Использование оптоэлектронных приборов облегчает решение проблемы комплексной микроминиатюризации аппаратуры связи путем замены традиционных элементов устройств связи (трансформаторов, реле, контактов и др.) и создания принципиально новых устройств хранения, отображения и обработки информации.

С фундаментальной точки зрения между световыми и другими электромагнитными волнами, например радиоволнами, не существует отличий, за исключением того, что световые волны имеют значительно более высокую частоту. Как показано на рис. I. I, спектр электромагнитных волн простирается от нескольких тысяч километров до космических лучей с длинами волн в триллионную часть метра. В этом спектре нет пробелов, однако существуют наложения или слияния некоторых областей, что означает отсутствие четких границ между смежными областями. Поэтому использование того или иного диапазона данного спектра для передачи информации в первую очередь определяется параметрами среды распространения электромагнитных волн, в частности, показателем затухания, стабильностью постоянных распространения и др.

Диапазоны частот, для которых обеспечиваются наилучшие условия распространения электромагнитных волн, носят название окон прозрачности среды. По этой причине для передачи информации посредством световых волн используется не весь оптический спектр, который располагается между микроволнами и x-лучами и включает длины волн в диапазоне от 10 нм до 1 мм.

Рис. 1.1. Электромагнитный спектр и области его использования в волоконнойоптике

В пределах указанного диапазона находятся ультрафиолетовое излучение, видимый свет и инфракрасное излучение. Термин «видимый свет» кажется избыточным, однако использование его в ряде случаев необходимо, так как в некоторых книгах ультрафиолетовое и инфракрасное излучение называется ультрафиолетовым и инфракрасным светом соответственно. Видимый свет определяется как излучение, которое оказывает влияние на зрительные рецепторы и включает излучение от 390 до 770 нм, т.е. от фиолетового до красного цвета, охватывая тем самым лишь малую часть электромагнитного спектра. Свет сам по себе не имеет цвета, но эти длины волн, возбуждая рецепторы глаза, создают цветовые образы, что позволило, используя это свойство световой волны, реализовать простейшие способы передачи информации на расстояния прямой видимости.

По аналогии с проводной связью для увеличения дальности передачи за счет направленного распространения световой волны были исследованы различные оптически прозрачные материалы, на основе которых разработаны оптические волноводы, названные впоследствии оптическими волокнами. Последние, в свою очередь, открыли возможность успешного применения отработанных к тому времени оптоэлектронных технологий для высокоскоростной передачи большого объема информации на значительные расстояния. Данное направление техники носит название волоконной оптики и интенсивно развивается. Отметим, что в настоящее время в волоконной оптике используются длины волн приблизительно от 820 до 1650 нм, что определяется как инфракрасное излучение (в соответствии с рис. 1.1), хотя иногда оно также называется просто светом, потому что его можно контролировать и измерять при помощи приборов, сходных с приборами для измерений в области видимого света.

Очевидно, что для передачи информации по оптическому волокну недостаточно наличия самого волокна, требуются еще как минимум источник и приемник излучения, а для передачи на дальние и сверхдальние расстояния — ретрансляторы, или оптические усилители. Кроме этого, исходную информацию необходимо представить в виде оптического сигнала, что осуществляется путем модуляции источника оптического излучения, а затем восстановить ее на приемной стороне с помощью оптического приемника, включающего демодулятор. Таким образом, простейшая система передачи должна состоять из модулируемого источника оптического излучения, оптического волокна, оптических ретрансляторов, или усилителей, и оптического приемника.

1.2. Особенности оптической электроники Необходимость дальнейшего освоения оптического диапазона и перенесение на него хорошо развитых в настоящее время методов радиофизики, радиотехники и электроники определяются рядом принципиальных обстоятельств:

- частота электромагнитных колебаний (несущая частота v0) в оптическом диапазоне существенно выше, чем в радиодиапазоне. Например, частота световых колебаний в наиболее освоенной видимой и ближней инфракрасной областях спектра (~1013–1015 Гц) в миллионы раз превышает частоту радиоволн в областях радио- и телевещания. Это определяет высокую информационную емкость оптического канала связи. Так для передачи обычного телевизионного изображения требуется полоса частот = 5МГц. Поэтому в метровом диапазоне (при = 1 м v0 = 300 МГц) можно передать лишь около десятка телевизионных программ. В оптическом диапазоне при том же отношении /0 это число возрастает в миллионы раз;

- длина световых волн существенно меньше, чем длина радиоволн. Это позволяет получить высокую концентрацию оптического излучения в пространстве, поскольку минимальный объем, в котором можно сфокусировать электромагнитное излучение, имеет характерные размеры порядка длины волны. Размеры волноводов, по которым может передаваться излучение с малыми потерями, также должны быть порядка длины волны.

Поэтому оптические волноводы (световоды) при прочих равных условиях обладают существенно меньшими (на несколько порядков) размерами по сравнению с СВЧ-волноводами, что важно с точки зрения микроминиатюризации электронной аппаратуры. И наконец, в оптическом диапазоне нетрудно сформировать узкую диаграмму направленности излучения с углом расходимости 0,1° и менее. Для формирования подобной диаграммы в радиодиапазоне (при = 1 м) потребовалась бы антенна диаметром порядка сотен метров. В оптическом диапазоне функцию такой антенны способно выполнить, например, сферическое зеркало или линза умеренных размеров, поскольку для получения одинаковой диаграммы направленности размер антенны пропорционален длине волны;

- передача информации осуществляется фотонами. В отличие от электронов, которые служат основными носителями информации в обычных электронных приборах, фотоны являются электрически нейтральными частицами, не взаимодействующими между собой и с внешним электрическим, и магнитным полями. Это определяет возможность идеальной гальванической развязки входа и выхода, однонаправленность потока информации, высокую помехозащищенность, исключение взаимных наводок и паразитных связей между различными элементами схемы. Поэтому использование оптических методов в современной микроэлектронике заметно расширяет ее функциональные возможности, позволяя выполнять многоканальные сложные связи и осуществлять «оптический монтаж» исходя лишь из требуемых функциональных задач. Так как фотон в оптоэлектронных системах является основным носителем информации, то по аналогии с электроникой, оптоэлектронику называют также фотоникой.

- применение оптических методов записи, хранения и обработки информации открывает новые возможности для построения ЭВМ. Это обусловлено, с одной стороны, возможностью реализации новых принципов параллельной обработки информации (например, на основе голографических методов), а с другой — возможностью достижения высокой плотности записи информации (~108 бит/см2) в оптических запоминающих устройствах.

На сегодняшний день использована лишь небольшая часть перечисленных преимуществ оптической электроники, которая, по мнению специалистов, будет в значительной мере определять технику завтрашнего дня. Для реализации этих преимуществ необходимо прежде всего понимать физические процессы взаимодействия оптического излучения с веществом, ибо они служат фундаментом всей квантовой и оптической электроники.

Квантовая электроника – область науки и техники, исследующая и применяющая квантовые явления для генерации, усиления и преобразования когерентных электромагнитных волн.

В настоящее время оптоэлектроника возглавляет список полупроводниковых приборов с наибольшим объемом продаж (до 18 млрд. долл. США). Светоизлучающие диоды (СИД) выполняются на основе гетероэпитаксиальных структур и обеспечивают световую отдачу более 25 лм/Вт (лампы накаливания — 15 лм/Вт). На основе суперярких СИД создаются крупноформатные цветные уличные экраны. Крупнейший в мире дисплей размером 36x27 м установлен в Нью-Йорке. Он содержит 19 млн шт. СИД красного, зеленого и синего цветов, воспроизводящих более 1 млрд цветов и оттенков. Экран воспроизводит текстовую, графическую и видеоинформацию, формируя четкие цветные изображения высокого качества, и работает со стандартными видео- и компьютерными источниками сигналов.

Широкое внедрение гигантских уличных экранов ограничивается их высокой стоимостью (55 тыс. долл./м2). Снижение ее величины на порядок сделает этот вид продукции рентабельным. Перспективным является использование для этих целей дешевых СИД на основе органических и полимерных материалов (OLED).

Полноцветные информационные экраны на основе полимерных материалов имеют ряд преимуществ по сравнению с жидкокристаллическими экранами (ЖКЭ):

- относительная дешевизна;

- простота технологии изготовления;

- малое напряжение питания (3...4 В);

- очень высокая скорость переключения;

- широкий выбор цветов и высокая четкость изображения.

Оптоэлектронные приборы являются перспективными элементами сотовых телефонов, а именно, портативных дисплеев. Основные требования к ним:

- снижение стоимости, веса и энергопотребления;

- повышение надежности и долговечности;

- улучшение качества воспроизведения информации;

- повышение быстродействия.

Переход к цветным дисплеям с высоким разрешением и быстродействием, превышающим 100 Кбит/с, возможно при производстве дисплеев на базе органических СИД.

Полупроводниковые излучатели «белого света» успешно заменяют лампы накаливания. В настоящее время эффективность СИД достигнет 50лм/Вт, они постепенно заменяют лампы накаливания, экономия электроэнергии оценивается суммой 40 млрд долл. (это эквивалентно годовому производству энергии 40 атомных станций).

В настоящее время ведется разработка полноцветных («кластерных») ламп, состоящих из нескольких СИД красного, зеленого и синего цветов свечения.

Интенсивно ведется разработка высокоэффективных фотоприемников УФ, ИКдиапазона волн.

Наиболее перспективными направлениями использования фотоприемников и изделий на их основе являются:

– системы цифровой регистрации, обработки и передачи изображений;

– телевизионные системы нового поколения, в частности, высокой четкости изображения;

– системы наземной и инфракрасной (ИК) связи и мониторинга.

Развитие оптоэлектронных интегральных микросхем (ИМС) позволяет повысить быстродействие и надежность функционирования современных волоконнооптических линий передачи информации, электронно-вычислительных машин нового поколения, заменить в электронной технике малонадежные и неэкономичные электромагнитные реле, разработать и создать системы промышленной автоматики и телемеханики, а также охранных систем защиты от несанкционированного доступа.

Электронная промышленность Российской Федерации в настоящее время ориентирована на массовый выпуск лазеров и СИД на основе гетероструктур. За развитие и внедрение работ в этой области Ж.Алферов в 2000 г. удостоен Нобелевской премии.

Использование квантовых эффектов в наноструктурах позволяет создавать компактные, экономичные и долговечные полупроводниковые лазеры, пороговая плотность тока которых находится в пределах 10... 100 А/см2.

Налажено производство суперярких СИД силой света 2 канделы (кд) при токе 20 мА и функционально законченных изделий на их основе. Начат выпуск высокоэффективных гетероструктур, обеспечивающих интенсивность электролюминесценции не менее 70 мкд при токе 20 мА. Проводятся работы по замене ламп накаливания полупроводниковыми излучателями.

Свойства электромагнитного излучения широко используются в современной науке и технике, особенно в бесконтактных, дистанционных устройствах контроля, измерения, передачи и преобразования информации, сбора и передачи энергии и др.

Среди приборов, основанных на использовании электромагнитного излучения, особое место занимают оптико-электронные приборы, устройства и системы, которым свойственны высокая точность, быстродействие, возможность обработки многомерных сигналов и другие ценные для практики свойства.

1.3 Фотометрические величины.

Существуют две системы величин, описывающих характеристики оптического излучения это энергетические и световые.

Основным параметром системы энергетических величин является поток излучения Фе – средняя мощность, переносимая оптическим излучением за время, значительно большее периода электромагнитных колебаний. Спектральный состав излучения характеризуется спектральным распределением потока излучения – функцией, описывающей зависимость монохроматического излучения Фе () от длины волны (частоты). Произведение Фе()d определяет мощность, переносимую потоком в интервале длин волн d. Таким образом,

Фе Фе ( )d [ Вт ]

Энергетической освещенностью (облученностью) Ее называется отношение потока излучения dФe, падающего на малый элемент поверхности, к площади этого элемента dA.

[ Вт/м2 ] Ее= dФe/ dA Силой излучения Ie называется отношение потока излучения dФ распространяющегося от источника в определенном направлении внутри малого телесного угла, к этому телесному углу d., т.е.

Ie= dФ/ d [ Вт/ср ] Энергетической яркостью излучающей поверхности в данном направлении Le называется отношение измеренной в этом направлении энергетической силы света к видимой площади излучающей поверхности, т. е.

Le= Ie/ dA [ Вт/м2·ср ] При оценке мощности излучения по производимому им световому ощущению, т.е. по реакции человеческого глаза на воздействие потока излучения, пользуются световым потоком и соответствующими световыми величинами. Определения световых величин аналогичны определениям соответствующих энергетических величин.

Рассмотрим переход от энергетических величин к световым. Человеческий глаз неодинаково чувствителен к излучению различных длин волн. Если для некоторого излучателя измерить поток излучения в бесконечно малом диапазоне длин волн...+ и световой поток, т.е. поток, воспринимаемый глазом в том же диапазоне спектра, то отношение значения светового потока Фv к значению потока излучения Фе будет характеризовать спектральную световую эффективность K=K()= Фv/ Фе

Отношение K для какой-либо длины волны излучения к максимальному значению Km называется относительной спектральной световой эффективностью для дневного зрения:

V=V()= K /Km, где Km = 683 лм/Вт Часто график V называют кривой спектральной чувствительности глаза или кривой видности. Её максимум соответствует max= 0, 555 мкм.

Световой поток равен:

–  –  –

10. Отношение потока излучения dФ распространяющегося от источника в определенном направлении внутри малого телесного угла, к этому телесному углу есть

а) сила излучения;

б) поток излучения;

в) освещённость.

11. Реакцию человеческого глаза на воздействие потока излучения характеризуют

а) световые величины;

б) энергетические величины

Лекция 2.

2.1 Классификация приёмников излучения.

Элемент или устройство, предназначенное для приема и преобразования энергии оптического излучения в какие-либо другие виды энергии, называется приемником оптического излучения (ПИ).

Физические ПИ можно разбить на четыре группы: тепловые; фотоэлектрические (на внутреннем и внешнем фотоэффекте); фотохимические и прочие, не вошедшие в первые три группы. Тепловые ПИ основаны на преобразовании оптического излучения сначала в тепловую энергию, а потом в электрическую и отличаются друг от друга физическими принципами работы. ПИ, основанные на изменении сопротивления чувствительного элемента под действием тепла, возникающего при падении потока оптического излучения, получили название болометров, а ПИ, использующие термоэлектрический эффект, называются термоэлементами.

Болометры и термоэлементы по типам отличаются друг от друга материалом чувствительного элемента, условиями охлаждения, конструкцией приемного элемента, газовым наполнением, изотермичностью и т. д. В настоящее время наряду с металлическими и полупроводниковыми болометрами существуют диэлектрические, основанные на температурной зависимости импеданса сегнетоэлектриков, использующие зависимость диэлектрической постоянной вещества от температуры.

Фотоэлектрические ПИ делятся на две большие группы – фотоэлектрические ПИ на основе внутреннего фотоэффекта и фотоэлектрические ПИ на основе внешнего фотоэффекта. В фотоэлектрических ПИ падающие на ПИ фотоны оптического излучения прямо взаимодействуют с его кристаллической решеткой, в результате чего освобождаются носители тока. Если освобожденные носители тока остаются в полупроводнике, то наблюдается внутренний фотоэффект, который в фоторезисторах проявляется в увеличении их электропроводности (фотопроводимости). Если внутренний фотоэффект возникает в системах, состоящих из двух различных контактирующих веществ (металла и полупроводника, двух полупроводников) при освещении приконтактной области, то возникает фото - э. д. с. Это явление называют вентильным фотоэффектом, а ПИ, основанные на этом явлении, называют вентильными фотоэлементами, или фотоэлементами с запирающим слоем. Если в качестве контактирующих веществ в вентильном фотоэлементе применить полупроводники с n - и р проводимостью, то такой ПИ называют фотодиодом. Фотодиоды с односторонней проводимостью р–n перехода могут работать в фотогальваническом режиме, когда при освещении появляется фото - э. д. с, и в фотодиодном режиме с приложенным обратным напряжением, когда при освещении меняется значение обратного тока.

2.2 Классификация источников излучения.

Искусственные источники оптического некогерентного излучения можно разделить на группы: тепловые; люминесцентные; газоразрядные; светодиоды.

Некогерентным излучением обладают также естественные объекты. К когерентным источникам излучения относятся лазеры.

При тепловом излучении поток излучения и его спектральный состав определяет температура. Световое излучение обусловлено спонтанными переходами электронов с высоких уровней на более низкие, ИК-излучение происходит за счет изменения колебательного и вращательного движений атомов. Тепловое излучение происходит в широком спектральном диапазоне и выходит из излучателя во все стороны. К тепловым источникам светового излучения относятся лампы накаливания.

При люминесцентном излучении атомы и электроны спонтанно переходят с высоких уровней на более низкие. Люминесцентное излучение выходит из излучателя во все стороны, но спектральный диапазон его уже, чем у теплового. Люминесценцией называют излучение вещества сверх его теплового излучения при длительности, большей 10-10 с, за счет подводимой к нему в той или иной форме энергии.

В зависимости от способа возбуждения атомов различают следующие виды люминесценции:

– фотолюминесценцию, при которой атом возбуждается квантами поглощенного излучения оптической части спектра; этот вид широко применяют в источниках света, в которых ультрафиолетовые потоки излучения при помощи люминофора преобразуются в излучение видимой части спектра;

– рентгенолюминесценцию – возбуждение, производимое квантами поглощенных рентгеновских лучей;

– катодолюминесценцию — возбуждение, производимое за счет кинетической энергии электронов, бомбардирующих люминофор или молекулы газов (например, излучение в электронно-лучевых трубках);

– электролюминесценцию — возбуждение, производимое переменным электрическим полем или за счёт протекания электрического тока через p-n переход;

– хемолюминесценцию – для возбуждения используется химическая энергия.

Газоразрядным источником излучения называют прибор, в котором излучение оптического диапазона спектра возникает в результате электрического разряда в атмосфере инертных газов, паров металла или их смесей.

В прошлом к источникам искусственного света для бытового освещения и промышленного оборудования относили электрические лампы накаливания, люминесцентные лампы, газоразрядные источники света, наполненные парами, и неоновые лампы.

Излучение этих источников лежит в широком диапазоне длин волн спектра, значительная часть которого выходит за пределы видимой области. Достижения полупроводниковой электроники за последнее десятилетие позволяют включить в этот перечень новые источники света — светоизлучающие диоды (СИД). Отличительной особенностью этих полупроводниковых приборов является то, что создаваемое ими излучение лежит в весьма узком спектральном диапазоне (рис. 2.1).

Рис. 2.1. Нормализованные спектры некоторых источников излучения: 1,2 – соответственно зеленый, инфракрасный СИД; 3, 4 –лампы накаливания с вольфрамовой нитью, соответственно температуре 2500 К и 3400 К; 5 – неоновая лампа

Во многих ОЭП к источникам излучения предъявляются следующие требования:

– высокая эффективность преобразования энергии возбуждения в энергию излучения;

– узкая спектральная полоса излучения;

– направленность излучения;

– быстродействие;

– совместимость с интегральными микросхемами и другими электронными компонентами;

– высокая технологичность и низкая стоимость;

– высокие эксплуатационные характеристики: устойчивость к механическим воздействиям и температуре, долговечность;

– миниатюрность и твёрдотельность.

В наибольшей степени всем этим требованиям удовлетворяют полупроводниковые излучающие диоды (светодиоды) и полупроводниковые инжекционные лазеры. Они в основном и находят применение в качестве источников излучения в ОЭП. Принцип действия их основан на явлении электролюминесценции при протекании тока в структурах с р—n переходом.

2.2 Физические принципы работы полупроводниковых источников излучения.

Полупроводники – это вещества, которые по величине электропроводности занимают промежуточное значение между металлами и диэлектриками. Полупроводники обладают высокой чувствительностью к внешним воздействиям: к изменению температуры и давления, к свету, а также к содержанию примесей. Эта особенность полупроводников дают возможность управлять их свойствами.

Свойства полупроводников хорошо описывает зонная теория твёрдого тела.

Возможные значения энергий E и энергетические зоны типичных полупроводников приведены на рис. 2.2. Электроны могут находиться только в валентной зоне или в зоне проводимости. Зонная структура полупроводника, не имеющего примесей, представлена на рис. 2.2.а. Такие полупроводники называются собственными полупроводниками или полупроводниками i-типа.

В образовании электрического тока в собственном полупроводнике участвуют как электроны, переведённые из валентной зоны в зону проводимости, так и образовавшиеся дырки в валентной зоне, которые определяют собственную проводимость. Как было отмечено выше, на электропроводность полупроводников большое влияние оказывают примеси, которые обуславливают примесную проводимость. Атомы примеси замещают в узлах кристаллической решётки некоторое количество атомов основного вещества. Независимо от конкретной природы, примеси бывают двух типов: донорные и акцепторные.

–  –  –

Энергетические уровни электронов примеси располагаются внутри запрещённой зоны: донорные ближе к зоне проводимости (рис. 2.2.б), а акцепторные – ближе к валентной зоне (рис. 2.2.в). Основными носителями тока в полупроводнике, имеющем только донорные примеси, являются электроны в зоне проводимости. Такие полупроводники называются полупроводниками n-типа. А при наличии в полупроводнике только акцепторной примеси наиболее вероятным является переход электронов из валентной зоны на уровень акцептора. При этом в валентной зоне образуются дырки, которые и будут являться основными носителями тока в данном полупроводнике. Такие полупроводники называются полупроводниками p-типа. В реальных полупроводниках добавление в германий сурьмы или мышьяка превращает германий в полупроводник n-тип, а добавление индия – в полупроводник p-типа.

Если в полупроводнике имеется область с двумя типами проводимости, то это приводит к существованию особых условий на границе их раздела, называемом p-n переходом (рис. 2.3).

Так как концентрация электронов и дырок по обе стороны p-n перехода различна, то электроны из n-полупроводника будут диффундировать в pполупроводник, а дырки из p-полупроводника – в n-полупроводник. Таким образом, область p-полупроводника вблизи границы раздела зарядится отрицательно, а область n-полупроводника – положительно. Образовавшееся контактное электрическое поле будет удалять электроны и дырки в глубь соответствующих полупроводников.

–  –  –

Рис. 2.3. Движение электронов и дырок в области p-n перехода: а – внешнее электрическое поле отсутствует, б – внешнее электрическое поле приложено в прямом направлении, в – внешнее электрическое поле приложено в обратном направлении.

Этот тонкий слой (несколько десятков микрон) носит название обеднённого слоя или запирающего слоя (рис. 2.3-а). Если направление внешнего электрического поля совпадает с направлением образовавшегося контактного поля, то толщина запирающего слоя значительно увеличивается, и ток через p-n переход не течёт (рис. 2.3-в). Такое направление внешнего электрического поля называется обратным или запирающим. Если к системе приложить внешнее электрическое поле: плюс к p-полупроводнику, а минус к n-полупроводнику, то толщина запирающего слоя уменьшается или становится равной нулю. В этом случае через p-n переход потечёт ток (рис. 2.3-б). Такое направление внешнего электрического поля называется прямым. При этом основные носители р области – дырки начинают двигаться навстречу основным носителям n области – электронам. На границе р и n областей они рекомбинируют. Процесс рекомбинации означает переход электронов с более высоких энергетических уровней зоны проводимости на более низкие энергетические уровни валентной зоны. Такие переходы сопровождаются выделением энергии. Энергия может выделяться в виде светового кванта – фотона или передаваться в виде тепла (фонона) кристаллической решётке, что означает излучательную и безизлучательную рекомбинацию. Выделяющаяся энергия при этом почти равна ширине запрещённой зоны W. Длина волны излучаемого светового кванта при этом равна = hc/ W, где h – постоянная Планка, с – скорость света.

Удобно записать ширину запрещённой зоны в электрон-вольтах, тогда = 1,23/ W [ мкм] Из этого выражения следует, что для получения видимого излучения с длиной волны = 0,38... 0,78 мкм полупроводник должен иметь W 1,7 эв.

Вероятность излучательной или безизлучательной рекомбинации зависит от строения энергетических зон полупроводника. На рис. 2.4 а и b приведены возможные зависимости энергии электронов в полупроводнике от импульса электрона.

.

Рис 2.4 Зависимости энергии электронов в полупроводнике от импульса электрона для прямозонного полупроводника (а) и для не прямозонного полупроводника (b).

Верхняя ветвь отражает зависимость энергии электрона от импульса в зоне проводимости, нижняя - в валентной зоне. Интервал между максимумом энергии валентной зоны и минимумом зоны проводимости представляет собой запрещенную зону. При рекомбинации происходит переход электрона из нижнего состояния зоны проводимости (точка А) в наиболее высокое состояние валентной зоны (точка В). При переходе выполняются законы сохранения энергии и импульса. В первом случае (рис. 2.4а), импульс электрона в начальном и конечном состояниях практически один и тот же. Импульс фотона пренебрежимо мал по сравнению с импульсом электрона. В этом взаимодействии им можно пренебречь. Следовательно, импульс электрона в начальном и конечном состояниях один и тот же, что соответствует закону сохранения импульса. В непрямозонных полупроводниковых материалах, структура зон которых отображена на рис. 2.4b, рекомбинационный переход сопровождается существенным изменением импульса электрона (непрямой переход). Это изменение не может быть скомпенсировано импульсом, возникающего фотона. Поэтому для осуществления таких переходов необходимо участие третьей частицы. Такой третьей частицей, которая участвует во взаимодействии, является фонон (квант упругих колебаний решетки). Поэтому вероятность излучательных переходов для непрямозонных полупроводников мала. Для построения полупроводниковых светодиодов и лазеров в основном используют прямозонные полупроводники, имеющие большую вероятность излучательных переходов.

К полупроводникам с прямозонной энергетической структурой относятся GaAs, GaP, GaN, InGaAsP. К полупроводникам с непрямозонной энергетической структурой относятся Ge и Si.

2.3 Физические принципы работы полупроводниковых приёмников излучения.

ПИ на основе использования внутреннего фотоэффекта базируется на взаимодействии падающих квантов излучения с кристаллической решеткой полупроводников различного типа, в результате которого происходит ионизация атомов кристаллической решетки с образованием свободных носителей зарядов – электронов и дырок. Это приводит к изменению электропроводности (проводимости) полупроводника.

Рис. 2.5 Энергетическая диаграмма полупроводника Рассмотрим внутренний фотоэффект с точки зрения зонной теории. В полупроводниках энергетические состояния свободных и связанных электронов различны, что можно охарактеризовать с помощью энергетической диаграммы. EV максимальная энергия, которой могут обладать электроны чистого полупроводника в связанном состоянии. Все электроны, энергия которых ниже EV связаны с атомами и находятся в так называемой валентной зоне (ВЗ). Ес – минимальная энергия, которую может иметь свободный электрон. Выше Ес лежат возможные значения энергии свободных электронов, образующих свободную зону, или зону проводимости (ЗП). Для того чтобы перевести электрон из связанного состояния в свободное, падающие кванты должны сообщить ему энергии больше, чем ЕЗ = Ес

- EV. Энергия ЕЗ называется шириной запрещенной зоны полупроводника и определяется природой его химических связей (ЕЗ для германия 0,63 эВ, для кремния 1,12 эВ). В чистом (собственном) полупроводнике падающие кванты освобождают пару электрон–дырка. При этом часть энергии переходит в тепло в виде тепловых квантов–фононов. Проводимость собственного полупроводника электронно-дырочная. Полупроводник, имеющий примеси, называется примесным, а проводимость, создаваемая введенной примесью при ее освещении, носит название примесной. Примесь, отдающую электроны в зону проводимости, называют донорной, а полупроводник – электронным или n-типа. В этом случае доминирующую роль в проводимости играют электроны – основные носители (они в основном составляют электронный ток). Примесь, захватывающая электроны, называется акцепторной а полупроводник –дырочным или р-типа. У него доминирующую роль в проводимости играют дырки – основные носители. На энергетической диаграмме наличие примеси в решетке полупроводника будет характеризоваться появлением локального уровня примеси, лежащего в запрещенной зоне (рис.

2.5 б, в).

Переходы электронов из связанного состояния в свободное могут происходить из-за их теплового движения, что обусловливает темновую проводимость полупроводника, или из-за поглощения квантов потока излучения, что сопровождается появлением фотопроводимости.

Фотопроводимость может возникнуть, если энергия падающего кванта (h) достаточна для сообщения электрону энергии для преодоления запрещенной зоны:

h ЕЗ. 2.1 Для примесных полупроводников (рис. 2.6, б, в) h Еа или h Еd.

Из этих выражений следует, что длинноволновая граница спектральной чувствительности полупроводниковых приемников на внутреннем фотоэффекте (мкм) " = hc/ ЕЗ =1,242/ ЕЗ, 2.2 где h — постоянная Планка; с — скорость распространения электромагнитных колебаний; " — предельная длина волны монохроматического излучения, при которой возникает внутренний фотоэффект; ЕЗ — ширина запрещенной зоны, эВ.

Чтобы определить длинноволновую границу чувствительности примесных полупроводников, в выражение (2.2) вместо ЕЗ подставляют Еа или Еd. Однако здесь следует отметить, что энергия активации многих примесей в полупроводнике меньше средней энергии тепловых колебаний решетки полупроводника при комнатной температуре (0,026 эВ), поэтому примесные атомы уже при комнатной температуре ионизированы термически, существует проводимость проводника и, чтобы это устранить, полупроводник приходится охлаждать.

В таблице 2.1 приведены значения ширины запрещенной зоны для различных полупроводников и граничная длина волны, рассчитанная по соотношениям (2.1).

Таблица 2.1.

Длина волны гр, соответствующая началу межзонного поглощения, для различных полупроводников

Контрольные вопросы

1. К тепловым приёмникам излучения относятся

а) болометры;

б) фотодиоды;

в) пироэлектрические приёмники.

2. К фотоприёмникам на внутреннем фотоэффекте относятся

а) болометры;

б) фотоумножители;

в) фоторезисторы.

3. В каких фотоприёмниках возникает фото- ЭДС

а) в фоторезисторах;

б) в фотодиодах;

в) в болометрах.

4. Как влияют примеси на электропроводность полупроводника

а) увеличивают;

б) не изменяют;

в) уменьшают.

Фотопроводимость в чистом полупроводнике может возникнуть, если 5.

энергия падающего кванта

а) меньше ширины запрещённой зоны;

б) не зависит от ширины запрещённой зоны;

в) больше ширины запрещённой зоны.

6. Длинноволновая граница чувствительности полупроводникового фотопримника зависит от

а) температуры;

б) ширины запрещённой зоны;

в) конструкции фотоприёмника.

7. При расширении запрещенной зоны полупроводникового фотоприемника длинноволновая граница спектральной чувствительности смещается

а) в коротковолновую область;

б) в длинноволновую область;

в) остается без изменений.

8. Светодиоды относятся к

а) тепловым источникам излучения;

б) газоразрядным источникам излучения;

в) люминесцентным источникам излучения.

9. Излучение в светодиодах происходит за счёт

а) электролюминесценции;

б) катодолюминесценции;

в) фотолюминесценции;

г) рентгенолюминесценцию.

10. Длина волны излучения светодиода зависит от

а) температуры;

б) ширины запрещённой зоны;

в) конструкции светодиода.

11. Прямозонный полупроводник по сравнению с не прямозонным имеет

а) более высокую рабочую температуру;

б) меньшие размеры;

в) большую вероятность излучательных переходов;

г) меньшую вероятность излучательных переходов.

12. К полупроводникам с прямозонной энергетической структурой не относятся:

а) GaAs; б) GaP; в) Ge; г) GaN

13. Чтобы полупроводник излучал в видимом диапазоне длин волн ширина запрещённой зоны должна быть:

а) 1.7 эВ; б) 3 эВ; в) 1.5 эВ; г) 0.5 эВ.

14. Энергия кванта излучения при электролюминисценции в p-n переходе по сравнению с шириной запрещённой зоны полупроводника

а) чем ширина запрещенной зоны;

б)чем ширина запрещенной зоны;

в) = ширине запрещенной зоны Лекция 3

3.1 Параметры приемников излучения.

Важнейшим параметром фотоприёмника является чувствительность. Чувствительностью ПИ называют отношение изменения измеряемой электрической величины, вызванного падающим на ПИ излучением, к количественной характеристике этого излучения в заданных эксплуатационных условиях. В зависимости от того, в какой системе фотометрических величин характеризуют падающее излучение, различают чувствительности к потоку излучения SФ,е, к световому потоку SФ,V, к облученности SE,е или освещенности SE,V. По спектральному составу регистрируемого ПИ излучения различают интегральную Sинт и монохроматическую S чувствительность.

Интегральной чувствительностью ПИ называют его чувствительность к немонохроматическому (сложному) потоку излучения заданного спектрального состава.

В зависимости от измеряемого электрического параметра на выходе фотоприемника различают токовую и вольтовою чувствительности фотоприемника. Если измеряемой величиной является фототок, то имеем токовую чувствительность (Si). Чувствительность фотоприемника, у которого измеряемой величиной является напряжение фотосигнала, называется вольтовой чувствительностью (Sv)

Примеры определения чувствительности фотоприемника приведены в выражениях ниже:

Si ФV = IФ/ФV ; Si EV = IФ/ЕV ; Sv Фe = UФ/Фe ; Sv Ee = UФ/Ee, где Si ФV – токовая чувствительность к световому потоку; Si EV – токовая чувствительность к освещенности; Sv Фe – вольтовая чувствительность к потоку излучения; Sv Ee – вольтовая чувствительность к облученности.

Основными характеристиками фотоприемников являются вольт-амперная, спектральная и энергетическая характеристики.

ВАХ – зависимость напряжения на выходе фотоприемника от выходного тока (фототока) при заданном потоке излучения. Спектральная характеристика – зависимость чувствительности фотоприемника от длины волны падающего на фотоприемник монохроматического излучения. Энергетическая характеристика выражает зависимость фототока от потока излучения, падающего на фотоприемник. Энергетическая характеристика описывается, как правило, степенной функцией вида Показатель степени n характеризует линейность энергетической характеристики.

При n 1 характеристика линейна; область значений Ф (от Фмин до Фмах), в которой это условие выполняется, определяет динамический диапазон Ф линейности фотоприемника.

Динамический диапазон выражается в децибелах:

Длинноволновая граница спектра гр определяет максимальную длину волны падающего на фотоприемник излучения; коротковолновая граница к обусловлена возрастанием поглощения излучения в пассивных областях структуры при уменьшении длины волны.

3.2 Пороговые и шумовые параметры приемников излучения. Чувствительность фотоприемных устройств ограничивается внутренними шумами, а также тепловыми шумами нагрузочного сопротивления и входной цепи последующего усилителя. На рис. 3.1 фотоприемник представлен независимыми генераторами шумового и сигнального токов Iш и Ic, а также динамического rД и последовательного rп резисторов, которые не оказывают существенного влияния на анализ схемы, так как rп rн rД

Рис. 3.1. Шумовая модель фотоприемника

Помимо полезного регулярного сигнала в выходной цепи ПИ наблюдается хаотический сигнал со случайной амплитудой и частотой – шум ПИ. На фоне шума становятся неразличимыми малые полезные сигналы, т. е. шум ограничивает возможности ПИ. Причины возникновения тока шума (напряжения шума) ПИ могут быть внешними и внутренними – это воздействие тепла, тока ПИ, фотонный характер излучения и т. д. Так как шумы (флуктуации) являются процессами случайными, их описывают такими характеристиками, как математическое ожидание (средний уровень шума), среднее квадратическое значение или дисперсия. Распределение шума по спектру определяется спектральной плотностью шума – дисперсией, приходящейся на единицу полосы частот.

В ПИ имеются следующие виды шумов.

Радиационный (фотонный) шум возникает из-за флуктуации потока квантов, падающих на фотоприемную площадку, от фона и флуктуации потока квантов, излучаемых самим ПИ в пространство, так как его температура отлична от абсолютного нуля.

Тепловой шум называется хаотическим тепловым движением свободных электронов в самом ПИ и имеет равномерный спектр.

Дробовый шум определяется тем, что электрический ток представляет собой поток частиц, флуктуирующих во времени, и имеет равномерный спектр.

Генерационно-рекомбинационный шум наблюдается у полупроводниковых ПИ и вызывается случайным характером генерации носителей тока, а также случайным характером рекомбинации этих носителей, т. е. флуктуацией числа и времени их жизни.

Токовый шум (избыточный, 1/f - шум) объединяет несколько видов шума, которые отдельно рассчитать трудно. Он зависит от состояния поверхности и технологии изготовления фоточувствительного слоя, от качества контактов и токов утечки.

3.3 Пороговые значения принимаемого сигнала.

Наличие шумового напряжения на фотоприемнике является физической границей регистрации внешнего сигнала. Параметр, описывающий этот эффект, получил название пороговой чувствительности. Пороговая чувствительность – это минимальная энергия оптического излучения Pm, которая вызовет на выходе фотоприемника сигнал, находящийся в заданном отношении (m) к шуму.

При m = 1 мощность оптического излучения Pm = Pmin называется минимальной пороговой чувствительностью. Поскольку шумовая ЭДС пропорциональна полосе частот, то пороговую чувствительность рассматривают для единичной полосы частот f = 1, при этом

Величина, обратная пороговой чувствительности, называется обнаружительной способностью:

Удельная обнаружительная способность D* — величина, нормированная на единицу площади фотоприемника и на полосу частот:

Таким образом, удельная обнаружительная способность D* – это величина, обратная мощности оптического излучения, которая при полосе частот f = 1 и площади фотоприемник A = 1, вызывает на выходе фотоприемника сигнал, равный шуму.

На рисунке 3.2 приведена зависимость обнаружительной способности D* от длины волны излучения для различных фоторезисторов и фотодиодов.

Рис. 3.2. Зависимость обнаружительной способности D* от длины волны излучения для различных фоторезисторов и фотодиодов (ФД). Штрихованными кривыми представлена теоретическая идеальная D* при 77 и 300 К. В скобках указана температура фотоприёмника.

Контрольные вопросы:

1. Шум возникающий из-за флуктуации потока квантов, падающих на фотоприемную площадку называется

а) дробовым;

б) радиационным;

в) тепловым;

г) токовым.

2. Минимальная энергия оптического излучения, которая вызовет на выходе фотоприемника сигнал, находящийся в заданном отношении к шуму есть

а) интегральная чувствительность;

б) пороговая чувствительность;

в) токовая чувствительность;

г) вольтовая чувствительность

3. Зависимость чувствительности фотоприемника от длины волны падающего на фотоприемник монохроматического излучения есть

а) спектральная характеристика;

б) энергетическая характеристика;

в) вольт - амперная характеристика.

4. Шум связанный с тем, что электрический ток представляет собой поток частиц, флуктуирующих во времени

а) дробовым;

б) радиационным;

в) тепловым;

г) токовым.

5. На величину площадки фотоприёмника нормируется

а) пороговая чувствительность;

б) обнаружительная способность;

в) удельная обнаружительная способность.

Лекция 4.

Фоторезистором (ФР) называется ПИ, принцип действия которого основан на эффекте фотопроводимости. Под действием потока излучения вследствие внутреннего фотоэффекта у ФР меняется сопротивление.

Фоторезисторы представляют собой пленки или пластинки фоточувствительного полупроводникового материала, снабженные двумя Ф б) а)

–  –  –

1.1.1.1 Е Рис.4.1. Принцип устройства и схема включения фоторезистора невыпрямляющими контактами для включения их в электрическую цепь. ФР неполярны, они одинаково проводят ток в любом направлении, поэтому их можно питать постоянным и переменным током. ФР создают на базе собственного и примесного (для ИК-области спектра) поглощения. Наиболее распространены неохлаждаемые ФР на базе полупроводников без примесей с собственным поглощением.

Помимо полезного сигнала, поступающего обычно на фоторезистор в виде модулированного потока, часто имеется и посторонний мешающий фон. Наличие последнего вызывает уменьшение сопротивления Rф слоя и при отсутствии сигнала, что необходимо учитывать при выборе значения RH.

Задача оптимального выбора параметров цепи включения облегчается, если известны энергетические и фоновые характеристики приемника. Иногда более целесообразно использовать зависимость изменения сопротивления приемника от освещенности, т.е. Rф = f(Е). Эта характеристика позволяет выбрать сопротивление нагрузки RH, находящееся в оптимальном соотношении с сопротивлением приемника Rф при различных освещенностях чувствительного слоя.

Значения интегральной и вольтовой чувствительности, измеренные при отсутствии постоянного фона, будут отличаться от значений, полученных при наличии фона.

При этом меняется и уровень шума на выходе фоторезистора. В этих условиях пороговый поток также изменяется.

У многих типов фоторезисторов при достижении определенного значения U наступает резкое увеличение уровня шума при сравнительно небольшом нарастании сигнала. Это значение обычно не превышает нескольких десятков вольт, в редких случаях (например, для некоторых сернисто-кадмиевых фоторезисторов) – нескольких сотен вольт.

Нужно отметить, что наиболее чувствительные фоторезисторы оказываются и наиболее инерционными. Для ряда ПИ установлена прямая связь между порогом чувствительности Фп и постоянной времени вида Фп · ~ const.

Фоторезисторы характеризуются интегральной чувствительностью S, т.е. отношением фототока Iф к световому потоку Ф при номинальном значении наряжения:

S Iф / Ф

А также удельной чувствительностью, т. е. интегральной чувствительностью отнесенной к 1 В приложенного напряжения:

I S уд, ( ФU ) где Ф – световой поток.

Обычно удельная чувствительность составляет несколько сотен или тысяч микроампер на вольт-люмен.

Фоторезисторы имеют линейную вольт-амперную и нелинейную энергетическую характеристику (рис. 4.2).

–  –  –

Рис.4.3 Характеристики некоторых фоторезисторов: а – частотные; б – световая и люкс-омическая; в – зависимость сопротивления от потока излучения Спектральная характеристика фоторезистора - зависимость фототока от длины волны падающего света (рис. 3.4). Для каждого фоторезистора существует свой мак

–  –  –

зисторов имеет очень высокую интегральную чувствительность, мощность их рассеяния достаточна для управления электрической цепью мощностью в несколько ватт.

К недостаткам фотоприемников этого класса можно отнести повышенную инерционность, значительную зависимость характеристик и параметров от температуры, малую линейную зону энергетической характеристики, зависимость выходного сигнала от площади засветки чувствительного слоя.

–  –  –

Лекция 5 Конструктивно фоторезистор представляет собой пластину полупроводника, на поверхности которой нанесены электропроводные электроды Э. Принципиально возможны две конструкции фоторезисторов: поперечная (рис. 5.1, а) и продольная (рис.

5.1, б).

В первом случае электрическое поле, прикладываемое к фоторезистору, и возбуждающий свет действуют во взаимно перпендикулярных плоскостях, во втором — в одной плоскости. Очевидно, что в продольном фоторезисторе возбуждение осуществляется через электрод, прозрачный для этого излучения. Поперечный фоторезистор представляет собой почти омическое сопротивление до частот порядка десятков и сотен мегагерц. Продольный фоторезистор из-за конструктивных особенностей имеет значительную геометрическую емкость, которая не позволяет считать фоторезистор чисто омическим сопротивлением на частотах уже в сотни — тысячи герц.

В качестве исходного материала фоторезисторов чаще всего используют сернистый таллий, селенистый теллур, сернистый висмут, сернистый свинец, теллуристый свинец, сернистый кадмий и т.д.

–  –  –

Рис.5.2 Схемы включения фоторезисторов Схемы включения ФР разнообразны, но можно выделить основные: схему деления напряжения рис. 5.2, а), мостовую (рис. 5.2, б, в, г), дифференциальную рис.

5.2, д), трансформаторную (рис. 5.2, е), импульсную тис. 5.2, ж). В схеме деления напряжения ФР является одним из плеч делителя напряжения, и схему используют для непосредственного отсчета сигнала (рис. 5.2, а).

Мостовые схемы включения ПИ, в частности и ФР, широко распространены в измерительной технике (рис. 5.2, б, в, г, ж). Иx используют для непосредственного отсчета и как схемы сравнения. В неосвещенном состоянии ФР мост должен быть уравновешен с учетом постоянной фоновой засветки. При подаче измеряемого потока излучения от объекта наблюдения на ФР через диагональ моста Rн потечет фототок, пропорциональный освещенности ФР. Фототок (или напряжение на нагрузке) можно замерить непосредственно в диагонали моста или изменением одного из сопротивлений схемы добиться нового равновесия моста, а о величине потока излучения судить по разности сопротивлений в начале и в конце измерения, что дает более высокую точность по сравнению с непосредственным измерением.

Мостовая схема позволяет измерять малые сигналы от объекта при относительно большом фоне, при этом в диагональ моста можно включить высокочувствительные измерительные приборы, что не допускается при прямых измерениях из-за большого начального тока, обусловленного фоновой засветкой.

Чтобы устранить зависимость градуировки измерительной шкалы от потока излучения фона, включают в разные плечи моста одновременно два ФР (рис. 5.2, в, г). В этом случае возможно освещение одного ФР только фоном (он играет роль сопротивления, которое зависит от фона), а второго — излучением фона и объекта вместе. Если же оба ФР освещать одновременно излучением фона л объекта, то излучение объекта должно поступать на ФР в противофазе, что дает двойное увеличение чувствительности схемы. При идентичности параметров и характеристик обоих ФР при изменении фона равновесие моста не нарушается и ток в диагонали поста равен нулю.

Разбалансировка моста, которую и измеряют, появляется только при наличии излучения объекта наблюдения.

При включении ФР по схеме, изображенной на рис. 5.2,г, в противоположные плечи моста чувствительность не увеличивается, и излучение объекта надо подавать на ФР в фазе.

Для компенсации действия потока фона на ФР применяют дифференциальную схему их включения (рис. 5.2, д) с неизменным питающим напряжением каждого контура. Дифференциальную схему используют как непосредственную, а также как схему сравнения. В дифференциальной схеме фототоки от фона от обоих ФР текут в противоположных направлениях и при идентичности контуров постоянный ток от фона в Rн будет равен нулю. Фототок в Rн возникает от излучения объекта, которое поступает на один ФР или на оба в противофазе.

В случае применения трансформаторной схемы включения ФР (рис. 5.2, е) получают определенный выигрыш в чувствительности по напряжению за счет того, что к ФР подводят почти все напряжение источника питания (за исключением небольшого падения напряжения на активном сопротивлении первичной обмотки). Сопротивление Rн разобщено с цепью питания ФР, и его изменение не сказывается на режиме работы ФР. Кроме того, постоянный фототок от фона не дает падения напряжения на Rн, а оно возникает при наличии модулированного излучения объекта. Кроме рассмотренных выше схем, питаемых постоянным напряжением, применяют схемы питания на переменном или импульсном напряжении. На рис. 5.2,ж приведена схема питания моста от сети переменного тока с удвоенной частотой. Она имеет емкостные сопротивления в плечах моста. Схема должна работать таким образом, чтобы в выходном сигнале не было составляющей фона, изменяющейся с удвоенной частотой сети. Иногда мост питают переменным напряжением с частотой до тысяч герц, и сигнал усиливается на частоте питающего напряжения, а затем после детектирования— на частоте модуляции потока излучения объекта.

Конструкция неохлаждаемых ФР состоит из тонкого слоя фоточувствительного полупроводникового материала с электродами в виде пленок, которые не подвергаются коррозии, наносимых испарением в вакууме из золота, платины или серебра. Фоточувствительный слой ФР из CdS и CdSe наносят пульверизацией на стеклянную или керамическую подложку, реже испарением в вакууме и спеканием порошкообразной массы. ФР на основе PbS и PbSe изготавливают химическим осаждением фоторезистивного слоя на подложку из стекла или кварца. Для защиты резистивного слоя от действия атмосферы его покрывают лаком или заделывают в герметичный корпус.

Охлаждение ФР. Уменьшение температуры чувствительного слоя ФР расширяет спектральный диапазон его работы в ИК-области и увеличивает его абсолютную спектральную чувствительность. Кроме того, охлаждение ПИ уменьшает его шумы, следовательно, увеличивает его обнаружительную способность.

Рис. 5.3 Устройство ФР, охлаждаемых жидким азотом (а), жидким гелием (б), сжатым азотом (в), брикетом охлажденного хладагента (г):

1 – входное окно (или фильтр): 2 – фоточувствительный элемент, 3 – сосуд Дьюара; 4 – жидкий азот. 5 – электрический вывод; 6 – жидкий гелий; 7 – змеевик; 8 – охлаждаемая диафрагма, образующая апертуркнй угол, 9 – внутренний сосуд; 10 – наружный сосуд; 11 – брикет отвержденного хладагента; 12 – вкладыш; 13 – пружина.

14 – крышка; 15 – предварительный усилитель В зависимости от требуемой температуры охлаждения используют различные типы систем охлаждения. Наиболее распространены криостатные устройства охлаждения, работающие за счет непосредственного контакта хладагента с фоточувствительным слоем ФР, который находится в сосуде Дьюара (рис. 5.3, а, б). Сосуд Дьюара представляет собой два тонкостенных стеклянных стакана с отражающим покрытием, вставленных один в другой, с заваренными торцами. В промежутке между ними создается вакуум. Во внутренний объем криостата помещают хладагент – сжиженный или отвержденный газ, охлаждающий ФР до собственной температуры. Применение отвержденного хладагента позволяет располагать криостат в горизонтальном положении.

Адиабатические системы на эффекте Джоуля–Томпсона основаны на поглощении тепла резко расширяющимся газом, который и охлаждает ФР. Достижимая температура до 78 К. Применять компрессорные холодильные установки можно только в лабораторных условиях, так как установки имеют большие габаритные размеры.

В последние годы для охлаждения ФР используют газовые микрокриогенные машины, работающие на основе различных циклов с ресурсом работы до 20 тыс. ч при температуре охлаждения до 4 К и хладопроизводительности более 2 Вт, однако при их работе возникают вибрации и помехи, которые ухудшают параметры ПИ.

Широкое распространение имеют термоэлектрические холодильники на эффекте Пельтье, в которых охлаждение достигается за счет протекания электрического тока через термопарные спаи, при этом один из спаев нагревается, а другой охлаждается.

Самым распространенным материалом для термоэлектрических холодильников служит теллурит висмута (Bi2Te3). При использовании одного каскада такого микрохолодильника достигают перепада температур холодного и горячего спаев 70. При использовании нескольких каскадов термоспаев достигают температуры 140–160 К, что бывает часто недостаточно. Тем не менее в диапазоне охлаждения 200–273 К указанные термоэлектрические микрохолодильники широко применяют, так как они имеют большой ресурс работы и малые размеры, бесшумны в работе, у них отсутствует вибрация.

В настоящее время нет ни одной отрасли науки и техники, где не применяли бы ФР. Их широко используют в тепловизорах, радиометрах, теплопеленгаторах, в приборах спектрального анализа, в системах световой сигнализации и защиты. ФР применяют в системах контроля и измерения геометрических размеров, скоростей движения объектов, температуры, управления различными механизмами, для определения качественного и количественного состава твердых, жидких и газообразных сред и т. д. ФР сегодня – один из самых распространенных ПИ.

Контрольные вопросы

1. Мостовая схема включения фоторезистора позволяет

а) измерять малые сигналы от объекта при относительно большом фоне;

б) повысить максимальную рассеиваемую мощность на фоторезисторе;

в) изменить спектральную характеристику фоторезистора.

2. Дифференциальную схему их включения фоторезистора применяют для

а) повышения чувствительности;

б) компенсации действия потока фона;

в) изменить спектральную характеристику фоторезистора.

3. Трансформаторной схемы включения ФР

а) даёт выигрыш в чувствительности;

б) позволяет компенсировать действие фона;

в) позволяет повысить максимальную рассеиваемую мощность на фоторезисторе.

4. Охлаждение применяется для фоторезисторов, работающих

а) в видимом диапазоне длин волн;

б) инфракрасном диапазоне длин волн;

в) ультрафиолетовом диапазоне длин волн.

5. Для чего применяют охлаждение фоторезистора

а) чтобы увеличить допустимую мощность рассеяния;

б) чтобы увеличить его абсолютную спектральную чувствительность;

в) чтобы уменьшить нагрев фоторезистора в процессе работы.

6. При использовании одного каскада термоэлектрического холодильника на эффекте Пельтье перепада температур холодного и горячего спаев достигают а) 70 б) 100 в) 150 г) 30

7. Какой фоторезистор имеет значительную геометрическую емкость

а) продольный;

б) поперечный;

в) геометрическую емкость одинаковая.

8. Фоторезистор может иметь

а) один n-p переход;

б) много n-p переходов;

в) не имеет n-p переходов.

Лекция 6.

Фотодиодом принято называть полупроводниковый ПИ, основанный на использовании односторонней проводимости р - n перехода, при освещении которого или образуется ЭДС (фотогальванический, или вентильный режим – рис. 6.1, а), или при наличии источника питания в цепи фотодиода изменяется его обратный ток (фотодиодный режим – рис. 6.1, б).

Рис.6.1 Схемы включения фотодиодов в фотогальваническом (а) и фотодиодном (6) режимах.

Упрощенная структура фотодиода на основе р-n-перехода приведена на рис.

6.2. Такой прибор по существу представляет собой обратно-смещенный р-nпереход. Важными свойствами такого перехода является наличие обедненной носителями области перехода, концентрирующей относительно сильное поле, и области поглощения, где поглощается падающий свет (захватываются фотоны).

Обедненная область образуется неподвижными положительно заряженными атомами доноров в n-области и неподвижными отрицательно заряженными атомами акцепторов в p-области. Ширина обедненной области зависит от концентрации легирующих примесей. Чем меньше примесей, тем шире обедненный слой.

Положение и ширина поглощающей области зависят от длины волны падающего света и от материала, из которого сделан диод.

Рис. 6.2. Структура р-n-перехода:

1 — обедненная область; 2—диффузионная область; 3 — область поглощения; Е— напряженность электрического поля; х — расстояние Чем сильней поглощается свет, тем тоньше поглощающая область. Эта область может распространяться полностью на весь диод, если свет поглощается слабо. Когда поглощаются фотоны, электроны переходят из валентной зоны в зону проводимости. Так создается электронно-дырочная пара. Если такая пара создается в обедненной области, то носители будут разделяться (дрейфовать) под влиянием поля в обедненной области. В результате в цепи нагрузки потечет ток.

Если электронно-дырочная пара образуется вне обедненной области, то дырка будет диффундировать в сторону обедненной области. Так как диффузия по сравнению с дрейфом происходит очень медленно, желательно, чтобы большая часть света поглощалась в обедненной области. Таким образом, желательно сделать обедненную область протяженной, уменьшая концентрацию легирующей примеси в n-слое. Это требует такого слабого легирования n-слоя, что его можно считать собственным.

Под воздействием светового потока на электронно-дырочный переход и прилегающие к нему области происходит генерация пар носителей заряда, проводимость диода возрастает и обратный ток увеличивается. Добавка к обратному току, связанная с освещением, называется фототоком Iф. Полная величина обратного тока Iобр = IT + IФT, где IT - темновой ток (при нулевом световом потоке Ф = 0), т.е. это обратный ток обычного диода.

Фототок обычно представляют выражением Iф = SiинтФ, а коэффициент пропорциональности Siинт называют интегральной токовой чувствительностью фотодиода.

Интегральная чувствительность обычно составляет десятки миллиампер на люмен.

Она зависит от длины волны световых лучей и имеет максимум при некоторой длине волны, различной для разных полупроводников.

–  –  –

Участок I соответствует фотодиффузионной области. Здесь p-nпереходу прикладывается прямое напряжение и диффузионная составляющая тока полностью подавляет фототок, что делает невозможным управление фототоком. Подобный режим работы, как правило не используется.

Участок III соответствует фотодиодному режиму работы. При отсутствии засветки фотодиода (Ф=0) через него протекает темновой ток, который описывается уравнением I т I 0 [exp(U / Т ) 1]; U 0, где kT Т

-температурный (тепловой) потенциал, q где k – постоянная Больцмана, Т – абсолютная температура, q – заряд электрона При засветке фотодиода (Ф 0) получаем семейство вольт-амперных характеристик, которое описывается уравнением I обр IТ I ф I 0 [exp(U / Т ) 1] S Iинт Ф, В рабочем диапазоне обратных напряжений фототок практически не зависит от сопротивления нагрузки, сопротивление диода постоянному току изменяется в больших пределах при изменениях светового потока, поэтому иногда вместо термина «фотодиодный режим» используется термин «фоторезисторный режим».

Сопротивление фотодиода переменному току на рассматриваемом участке велико и имеет тенденцию к уменьшению при больших значениях светового потока.

Участок IV соответствует фотогальваническому режиму работы. В этом режиме фотодиод является генератором тока и на сопротивлении нагрузки возникает напряжение. Если Rн = 0 (режим короткого замыкания), то в цепи течет так называемый фототок короткого замыкания Iкз, соответствующий на рис. 6.3 значению при U = 0. Данный режим работы фотодиодов широко применяется при включении фотодиода совместно с трансимпедансным усилителем, выполненном на операционном усилителе. При неизменяющимся напряжении на фотодиоде отсутствует перезаряд его ёмкости, что повышает быстродействие.

Если Rн - ) то реализуется режим холостого хода.

Из приведенного выражения можно определить максимальное значение фотоЭДС при определенном световом потоке:

У кремниевых фотодиодов значение фотоЭДС составляет 0,5...0,55В.

Будем теперь освещать фотодиод монохроматическим светом с некоторой длиной волны. Величину светового потока Ф будем поддерживать постоянной при любой длине волны света. Зависимость фототока IФ() будет определяться зависимостью квантового выхода () и коэффициента поглощения () от длины волны IФ()~ ()· () Зависимость спектральной чувствительности от длины волны является сложной. Эта зависимость имеет максимум при некоторой длине волны, причем спад в области длинных волн связан с зависимостью квантового выхода () от длины волны, а в области коротких длин волн - с зависимостью коэффициента межзонного поглощения () от длины волны. Обе зависимости имеют красную границу, поскольку при энергии квантов hн меньше ширины запрещенной зоны Е межзонное поглощение света не происходит. На рис. 6.4. приведена зависимость спектральной чувствительности для германиевого и кремниевого фотодиодов.

Рис. 6.4. Кривые спектральной чувствительности: 1) германиевого, 2) кремниевого фотодиодов Влияние неоднородного поглощения по глубине фотодиода на спектральную чувствительность показано на рисунке 6.5 ниже. Коротковолновое излучение имеет высокое значение коэффициента поглощения, поэтому поглощается в основном в приповерхностной области эмиттера фотодиода. Очевидно, что в этом случае фототок будет мал, поскольку область поглощения света удалена от p-n перехода. В случае длинных волн поглощение происходит по всей глубине фотодиода на расстояниях равных или больших диффузионной длины. В этом случае эффективность преобразования будет максимальной. Наконец, при очень больших значениях фототок уменьшается из-за приближения к красной границе фотоэффекта.

Рис. 6.5. Зависимость скорости генерации электронно-дырочных пар от расстояния от поверхности для длинноволнового и коротковолнового света (а), размеры фотодиода и характерные длины диффузии неосновных носителей (б)

–  –  –

Наибольшее влияние на обнаружительную способность фотодиодов оказывают дробовый, тепловой (электрического сопротивления базы), а также токовый шумы.

Контрольные вопросы

1.Чтобы реализовать фотодиодный режим работы необходимо подать

а) прямое напряжение на фотодиод;

б) обратное напряжение на фотодиод;

в) не подавать ни какого напряжения.

2. Чтобы реализовать фотогальванический режим работы необходимо подать

а) прямое напряжение на фотодиод;

б) обратное напряжение на фотодиод;

в) не подавать ни какого напряжения.

3. В каком режиме включения фотодиоды имеют минимальный уровень шума

а) в фотодиодном;

б) в фотогальваническом;

в) в обоих включениях.

4. В каком режиме включения фотодиоды имеют линейную световую характеристику

а) в фотодиодном;

б) в фотогальваническом;

в) в обоих включениях.

5. Быстродействие фотодиодов

а) больше чем фоторезисторов;

б) меньше чем фоторезисторов;

в) примерно одинаковые.

6. При подаче на фотодиод обратного напряжения

а) увеличивается быстродействие;

б) увеличивается чувствительность;

в) изменяется спектральная характеристика.

7. Германиевый фотодиод имеет максимальную чувствительность на длине волны а) 0.5 мкм; б) 0.9 мкм; в) 1.5 мкм; г) 2.0 мкм;

8. Кремниевый фотодиод имеет максимальную чувствительность на длине волны а) 0.5 мкм; б) 0.9 мкм; в) 1.5 мкм; г) 2.0 мкм;

Лекция 7

Фотодиоды изготовляют на основе:

– одного p-n-перехода, сформированного на границе двух областей из одного материала с соответствующими примесями противоположного типа;

– гетероперехода, образующегося на границе двух областей различных материалов с примесями противоположного типа;

– контактного барьера, возникающего на границе металл – n - полупроводник и металл – р - полупроводник;

– различных МДП-структур (барьера Шоттки) и ряда других схем В настоящее время основными материалами для изготовления фотодиодов служат германий, кремний, а также сурьмянистый индий и арсенид галлия.

Очень важной характеристикой фотодиода является стабильность его параметров при изменении температуры, влажности, давления окружающей среды. В этом отношении кремниевые фотодиоды имеют существенные преимущества перед германиевыми. Темновой ток кремниевых приемников почти постоянен, а темновой ток германиевых фотодиодов при изменении температуры от 20 до 50°С может изменяться в 3...5 раз.

Другим достоинством кремниевых фотодиодов является возможность работы с большими обратными напряжениями (до 100 В), что недопустимо для германиевых фотодиодов.

Постоянная времени фотодиода в значительной степени зависит от способа его изготовления, от размеров площадки. Для сплавных фотодиодов значение обычно близко к 10-5 с; для диффузионных фотодиодов при маленьких площадках может достигать 10-6 с. В специальных фотодиодах с малой толщиной базы можно достигнуть =10-10 с.

Стремление увеличить чувствительность фотодиодов и уменьшить их постоянную времени привело к разработке p-i-n-фотодиодов. Типичный p-i-n -фотодиод состоит из трех последовательных областей: из тонкой сильно легированной n-области, более толстого слоя с очень малой концентрацией примеси (i-область) и сильно легированной р-области.

–  –  –

В результате освобождения i-области от носителей под воздействием обратного смещения в ней устанавливается сильное и почти постоянное поле. Падающее излучение поглощается в i- и n-областях и образует электронно-дырочные пары. Электроны и дырки разделяются полем и покидают i-область, а пары, возникающие в nобласти, диффундируют к переходу, где дырки захватываются сильным ускоряющим электрическим полем и проходят через переход, а электроны остаются в n-области.

Рис. 7.2. Конструкция p-i-n фотодиода Рис. 7.3. Принцип действия p-i-n фотодиода Квантовая эффективность таких диодов обычно достигает 80 %. Для диодов, сконструированных для применения в оптоволоконных линиях емкость перехода равна 0,2 пФ, при рабочей поверхности диода 200 мкм. Итак, основное преимущество p-i-n фотодиода заключается в высоких скоростях переключения, так как поглощение излучения происходит в i-слое, где за счет дрейфового переноса реализуются высокие скорости для носителей заряда.

Другим преимуществом является высокая квантовая эффективность, поскольку толщина i-слоя обычно больше обратного коэффициента поглощения и все фотоны поглощаются в i-слое.

Использование гетеропереходов для p-i-n фотодиодов позволяет избежать поглощения света в базе фотодиода.

Таблица 7.1.

Параметры отечественных фотодиодов с p-i-n -структурой

–  –  –

Контрольные вопросы

1. Усиление фототока происходит

а) в лавинном фотодиоде;

б) в p-i-n фотодиоде;

в) в обычном фотодиоде;

г) во всех перечисленных диодах.

2. Особенностью лавинного фотодиодов является

а) малое быстродействие;

б) большое быстродействие;

в) усиление фототока;

г) большой размер приёмной площадки.

3. Особенностью p-i-n фотодиодов является

а) малое быстродействие;

б) большое быстродействие;

в) усиление фототока;

г) большой размер приёмной площадки.

4. В лавинном режиме работы большой темновой ток имеют

а) германиевые фотодиоды;

б) кремниевые фотодиоды;

в) оба фотодиода.

5. Минимальное значение постоянной времени p-i-n фотодиодов а) 0.5 нс; б) 2нс; в) 5нс; г) 20нс

6. Для регистрации излучения на длине волны =1.5 мкм применяют

а) германиевые фотодиоды;

б) кремниевые фотодиоды;

в) оба фотодиода.

7. Максимальное рабочее напряжение лавинных фотодиодов а) 10 В; б) 50 В; в) 100 В; г) 200 В

8. Какой фотодиод имеет более высокую температурную стабильность работы

а) германиевые фотодиоды;

б) кремниевые фотодиоды;

в) оба фотодиода.

–  –  –

8.1. Фотодиоды Шоттки Среди других полупроводниковых ПИ, созданных за последнее время, можно отметить фотодиоды с барьером Шоттки, характеризующиеся сравнительно простой технологией изготовления, параметры которых близки к параметрам р-i-n - фотодиодов, а также гетерофотодиоды.

Сравнительно большие темновые токи при включении обычных фотодиодов в фотодиодном режиме делают невозможным их использование для измерения малых потоков. В этом случае необходимо работать в фотогальваническом режиме, при котором обнаружительная способность системы определяется практически не весьма малыми шумами приемника, а шумами схемы его включения или последующих электронных звеньев.

Упрощенная структура фотодиода с барьером Шоттки показана на рис. 8.1.

На подложке сильно легированного кремния n+ выращивается тонкая эпитаксиальная пленка высокоомного полупроводника n-типа. Затем на тщательно очищенную поверхность материала n-типа напыляют тонкую ( 0,1 мкм) полупрозрачную пленку, а поверх нее — антиотражающее покрытие.

Рис. 8.1. Фотодиод с барьером Шоттки: а — структура; б—распределение поля в структуре Структура и свойства контакта «металл - полупроводник» зависят от взаимного расположения уровней Ферми в металле (UФм) и полупроводнике (UФnn). На рис. 8.2 показаны зонные диаграммы контакта «металл-полупроводник» для случая UФм UФnn. При образовании контакта электроны переходят из полупроводника n-типа в металл. При этом вблизи границы «металл-полупроводник» создается объемный заряд положительных ионов доноров и, следовательно, электрическое поле. Энергетические уровни вблизи поверхности полупроводника искривляются. Степень искривления уровней характеризуется поверхностным потенциалом Uпов. Его можно определить разностью потенциалов между объемом и поверхностью полупроводника.

Рис. 8.2. Зонные диаграммы контакта «металл-полупроводник»

При отсутствии внешнего напряжения и оптического излучения переход находится в равновесном состоянии. Это состояние характеризуется равновесным поверхностным потенциалом Uпов0. Потенциальный барьер в приконтактном слое называют барьером Шоттки. Его высота Uпов0 является аналогом внутреннего потенциального барьера в p - n -переходе. В зависимости от полярности приложенного внешнего напряжения высота барьера Шоттки и сопротивление приконтактного слоя будут меняться.

При приложении прямого напряжения Uпp (положительный полюс к металлу, отрицательный — к полупроводнику n-типа) потенциальный барьер понижается, приконтактный слой обогащается основными носителями — электронами, и сопротивление перехода «металл-полупроводник» будет меньше равновесного. Если изменить полярность внешнего напряжения, т.е. приложить к переходу обратное напряжение Uобр, то потенциальный барьер в контакте повышается. В этом случае приконтактный слой еще сильнее обедняется основными носителями — электронами и повышается его сопротивление по сравнению с равновесным состоянием. Таким образом, контакт «металл-полупроводник» обладает выпрямляющими свойствами и может быть основой приборов, называемых диодами Шоттки.

Отличительной особенностью диодов Шоттки по сравнению с диодами на p - n - переходе является отсутствие инжекции неосновных носителей. Диоды Шоттки используют движение основных носителей. В них отсутствуют медленные процессы, связанные с накоплением и рассасыванием неосновных носителей в базе диода.

В фотодиодах с барьером Шоттки имеется возможность поглощения квантов излучения в металле контакта (если энергия квантов излучения меньше ширины запрещенной зоны). Если энергия кванта излучения больше высоты потенциального барьера, то возбужденные электроны из металла могут перейти в полупроводник через потенциальный барьер. В результате длинноволновая граница спектральной характеристики фотодиода сдвигается в сторону более длинных волн.

В фотодиоде Шоттки с ростом энергии квантов область поглощения излучения сдвигается в слой объемного заряда, где существует поле, разделяющее фотоносители. В фотодиоде с р-n-переходом при малой глубине поглощения фототок практически равен нулю. Следовательно, коротковолновая граница спектральной характеристики фотодиода Шоттки расположена в области более коротких волн.

Перспективность применения фотодиодов Шоттки в оптоэлектронике объясняется их следующими достоинствами:

- малым сопротивлением базы фотодиода rб; поэтому постоянная времени барьерной емкости Сбарrб у фотодиодов Шоттки примерно равна 10-12 с, а инерционность определяется только временем пролета фотоносителей через область объемного заряда (10-11...10-12)с;

- сочетанием высокого быстродействия и высокой чувствительности (Sф = 0,5 А/Вт);

- простотой создания выпрямляющих фоточувствительных структур на самых разнообразных металлах и полупроводниках и, следовательно, возможностью управления высотой потенциального барьера Шоттки; в частности, кремневые фотодиоды с барьером Шоттки работают при = 0,63 мкм, имеют быстродействие 10-10 с и фоточувствительность So = 0,5 А/Вт;

- хорошей совместимостью с оптическими интегральными микросхемами.

Для продвижения в длинноволновую область повышают удельное сопротивление базовой области и одновременно увеличивают ее толщину, т.е. переходят к структуре m-i-n+, где m — означает «металл».

8.2. Фотодиоды с гетероструктурой.

Гетерофотодиодом называют прибор, имеющий переходной слой, образованный полупроводниковыми материалами с разной шириной запрещенной зоны.

Устройство и принцип действия этих приборов рассмотрим на примере гетероструктуры GaAs-GaAlAs (рис. 8.3).

На подложке арсенида галлия n+ типа методом жидкофазной эпитаксии последовательно наращивают сначала слой чистого нелегированного арсенида галлия n-типа, а затем слой р+ типа твердого раствора Ga1-xAlxAs. Обеспечение в растворе значения X= 0,4 приводит к различию ширин запрещенной зоны по разные стороны гетероперехода 0,4 эВ.

Слой GaAlAs играет роль широкозонного окна, пропускающего излучение, поглощаемое в средней n-области. Структура зонной диаграммы (рис. 8.3, б) обеспечивает беспрепятственный перенос генерируемых в n-области дырок в p-область.

Толщина средней области h выбирается так, чтобы обеспечить поглощение всей падающей мощности. При 0,85 мкм достаточно иметь h 20 мкм. Высокая степень чистоты этой области обеспечивает малые рекомбинационные потери генерирумых светом носителей. Фоточувствительность гетерофотодиодов определяется эффективным временем жизни носителей в среднем слое, а время переключения — толщиной этого слоя и напряженностью электрического поля. Применение совершенных гетероструктур (с низкой плотностью поверхностных состояний) открывает возможности создания фотодиодов с кпд, близким к 100%. Сочетание малого времени рассасывания неравновесных носителей заряда и малого значения барьерной емкости обеспечивает высокое быстродействие гетерофотодиодов. Такие приборы могут эффективно работать при малых обратных напряжениях. Подбирая пары полупроводниковых материалов можно получать фотодиоды, работающие в любой части оптического диапазона длин волн. Это преимущество обусловлено тем, что в гетерофотодиоде рабочая длина волны определяется разницей ширин запрещенных зон и не связана со спектральной характеристикой глубины поглощения. Вследствие хороших возможностей выбора материала базы достигаемое значение фотоЭДС у гетерофотодиодов составляет (0,8... 1,1) В, что в два-три раза выше, чем у кремниевых фотодиодов. Основной недостаток гетерофотодиодов присущая гетероструктурам — сложность изготовления.

Рис. 8.3. Фотодиод с гетероструктурой: а — структура; б — энергетическая диа-грамма

Контрольные вопросы В диоде Шоттки используется переход между 1.

а) двумя полупроводниками;

б) полупроводником и металлом;

в) двумя металлами.

2. Диоды Шоттки отличаются

а) высоким быстродействием;

б) большой мощностью рассеяния;

в) сложной конструкцией.

3. Коротковолновая граница спектральной характеристики фотодиода Шоттки расположена по сравнению с обычным фотодиодом в области

а) более коротких волн;

б) более длинных волн.

4. Гетерофотодиодом называют прибор имеющий переходной слой, образованный

а) полупроводниковыми материалами с разной шириной запрещенной зоны;

б) полупроводниковыми материалами с одинаковой шириной запрещенной зоны;

в) полупроводником и металлом.

5. Особенностью гетерофотодиодов является

а) более высокое быстродействие;

б) более низкое быстродействие.

6. Основной недостаток гетерофотодиодов

а) низкая чувствительность;

б) сложность изготовления;

в) низкое быстродействие.

7. Гетерофотодиоды могут работать

а) любой части оптического диапазона длин волн;

б) в области ИК длин волн;

в) в видимой области длин волн.

8. Квантовый выход гетерофотодиода по сравнению с обычным фотодиодом

а) больше;

б) меньше;

в) примерно одинаковые.

Лекция 9

Фототранзистором (ФТ) называют полупроводниковый ПИ на основе использования внутреннего фотоэффекта, совмещающий в себе свойства ФД и усилительного триода. Различают униполярные и биполярные ФТ. Униполярные ФТ создаются на основе МДП-структур. Различают два их типа: в первом ток обусловлен электронами, и его называют n-канальным; во втором — дырками, и его называют р-канальным. Наиболее распространены р-канальные униполярные ФТ.

Чаще всего используют биполярные ФТ, поэтому рассмотрим их более подробно, называя их просто ФТ.

Биполярным ФТ называют полупроводниковый ПИ на основе использования внутреннего фотоэффекта с двумя р–n–переходами и с дополнительным усилением фототока на втором р— n -переходе. Такой ФТ состоит из монокристалла германия n –типа — базы, — в котором с двух сторон созданы сплавные р— n переходы — коллекторный и эмиттерный. Значительный эффект усиления фототока ФТ наблюдается при его включении с «оборванной» базой (рис. 9.1,), при этом на эмиттерный переход подается напряжение в прямом, а на коллекторный — в запирающем направлении.

Входным сигналом для ФТ (в отличие от обычного транзистора) служит падающий поток излучения Ф, который и управляет током в цепи. Когда ФТ не освещен, через него протекает ток, определяемый неосновными носителями, инжектированными из эмиттера, прошедшими базу и достигшими коллектора. Несмотря на то что переход база — эмиттер включен в прямом направлении, число дырок, инжектированных эмиттером на базу, невелико, а сам ток фактически мал.

Объясняется это тем, что дырки накапливаются в базе вследствие отсутствия контактирующих отрицательных зарядов, которые не могут туда поступать изза ее обрыва.

При облучении образующиеся дырки диффундируют к эмиттеру и коллектору. Дырки, пришедшие к коллектору, увеличивают его ток, а электроны создают избыточный нескомпенсированный отрицательный объемный заряд, уменьшающий потенциальный барьер перехода эмиттер—база и резко увеличивающий поток дырок из эмиттера в область базы. Эти дырки, пройдя базовую область, попадают на коллектор и еще больше увеличивают ток ФТ, причем ток за счет дырок, вызванных отрицательным объемным зарядом в области базы, превосходит значение тока, определяемого дырками, генерированными в базе первоначально под действием света. Таким образом, усиливается фототок. Если есть базовый вывод, его можно использовать для выбора начального режима и стабилизации рабочей точки ФТ при изменении окружающей температуры.

Благодаря усилению фототока интегральная чувствительность ФТ выше, чем у ФД, и достигает 0,2—0,5 А/млм. Вольтовая чувствительность ФТ немного выше, чем у ФД (а иногда и ниже), так как темновой ток ФД больше, а рабочее напряжение питания меньше (3 В). Вольт-амперные характеристики ФТ аналогичны ФД (рис. 9.1, б). Они имеют меньшее внутреннее сопротивление, и их характеристики обладают большей крутизной, чем у ФД. Световые характеристики ФТ линейны в широком диапазоне.

По постоянной времени и частотным характеристикам ФТ уступают ФД, так как эмиттерный переход имеет большую емкость (примерно 105 пФ/см2), что увеличивает постоянную времени схемной релаксации (постоянная времени ФТ 10с).

Фототранзистор является приемником излучения и одновременно усилителем фототока. Значительно выше по сравнению с фотодиодами интегральная чувствительность у фототранзисторов.

Биполярный фототранзистор представляет собой обычный транзистор, но в корпусе его сделано прозрачное "окно", через которое световой поток может воздействовать на область базы. Схема включения биполярного фототранзистора типа р-п-р со "свободной", т.е. никуда не включенной, базой, приведена на рис.9.1,а. Как обычно, на эмиттерном переходе напряжение прямое, а на коллекторном - обратное.

–  –  –

Фотоны вызывают в базе генерацию пар носителей заряда – электронов и дырок. Они диффундируют к коллекторному переходу, в котором происходит их разделение, так же как в фотодиоде.

Рис 9.2. Эквивалентная схема фототранзистора Дырки под действием поля коллекторного перехода идут из базы в коллектор и увеличивают ток коллектора. А электроны остаются в базе и повышают прямое напряжение эмиттерного перехода, что усиливает инжекцию дырок в этом переходе. За счет этого дополнительно увеличивается ток коллектора. В транзисторе типа п-р-п все происходит аналогично.

Интегральная чувствительность у фототранзистора в десятки раз больше, чем у фотодиода, и может достигать сотен миллиампер на люмен. Фототранзистор со «свободной» базой имеет низкую температурную стабильность. Для устранения этого недостатка применяют схемы стабилизации. При этом, конечно, должен быть использован выход базы. На этот вывод можно также подавать постоянное напряжение смещения или электрические сигналы и осуществлять совместное действие этих сигналов и световых.

Выходные характеристики фототранзистора показаны на рис.9.1,б. Они аналогичны выходным характеристикам для включения транзистора по схеме с общим эмиттером, но различные кривые соответствуют различным значениям светового потока, а не тока базы.

Из теории транзисторов известно, что коллекторный ток Iк при Iб = 0 (база отключена) в 1 раз больше, чем Iкб 0 (при Iэ=0). В этом случае через транзистор идет сквозной коллекторный ток I кэ0 I кб0. Следовательно, ток фототранзистора при Iб = 0 и обратном включении коллекторного перехода будет равен I кэ0 ( I кб 0 I Ф ) где I кб0 - темновой ток фототранзистора;

I ф K фФ - световой ток фототранзистора;

Кф - интегральная фоточувствительность фототранзистора, которая в раз больше, чем у фотодиода, при прочих равных условиях.

Параметры фототранзисторов – интегральная чувствительность, рабочее напряжение (10–15 В), темновой ток (до сотен микроампер), рабочий ток (до десятков миллиампер), максимальная допустимая рассеиваемая мощность (до десятков милливатт), граничная частота. Фототранзисторы, изготовленные сплавным методом, имеют граничные частоты до нескольких килогерц, а изготовленные диффузионным методом (планарные) могут работать на частотах до нескольких мегагерц. Недостаток фототранзисторов – сравнительно высокий уровень собственных шумов и невысокое быстродействие по сравнению с фотодиодами.

Необходимо отметить, что у фототранзистора можно дополнительно использовать вывод базы для электрического управления фототранзистором, например для компенсации посторонних внешних воздействий.

Кроме схемы включения с оборванной базой, рассмотренной выше, для ФТ разработаны специальные схемы включения, учитывающие необходимую стабильность его работы при изменении температуры окружающей среды. Повышения стабильности работы ФТ добиваются применением компенсирующих элементов и отрицательной обратной связи по переменному току.

Для того чтобы достичь наибольшей чувствительности схемы включения ФТ с автоматическим смещением (рис. 9.3, а), сопротивление резистора R1 выбирают около 100 кОм, R2 — таким, чтобы напряжение на эмиттере в прямом направлении равнялось нулю. Термостабильность этой схемы не слишком высока, так как напряжение на коллекторе в силу больших значений Rt и R2 зависит от температуры.

Рис. 9.3. Схема включения фототранзисторов с автоматическим смещением (а), высокостабильная схема с избирательной связью (б) и ее чувствительность (в), схема с избирательной связью (г).

Наибольшей термостабильностью обладает схема включения ФТ с избирательной связью между эмиттером и базой (рис. 9.3, б). Дроссель в схеме создает короткое замыкание по постоянному току и определенную, зависящую от частоты, связь между эмиттером и базой по переменному току. Рис. 9.3, в показывает зависимость чувствительности схемы от частоты. Для наибольшей чувствительности необходимо, чтобы сопротивление дросселя на частоте модуляции потока излучения f*, было равно где Rэ — сопротивление эмиттерного перехода по постоянному току в схеме с общей базой; LДР —• индуктивность дросселя.

Схема, показанная на рис. 9.3, б, имеет малую чувствительность к фоновой засветке, так как при fм = 0 чувствительность (рис. 9.3, в) близка к нулю. Исследования показали, что нормальная работоспособность схемы сохраняется до фоновых засветок 2200 лк и температуры 70 °С. Достоинство схемы — относительно большее значение выходного сопротивления где RK — сопротивление коллекторного перехода; — коэффициент передачи по току в схеме с общим эмиттером.

Выходное сопротивление будет в 6—8 раз выше, чем в схеме с «оборванной» базой.

При низких частотах модуляции потока излучения дроссель в схеме, изображенной на рис. 9.3, б, может быть чрезмерно большим. В этом случае используют схему включения, показанную на рис. 9.3, г. Схема обладает меньшим выходным сопротивлением (Rвых обратно пропорционально постоянному току эмиттера).

Она больше чувствительна к фоновым засветкам и обладает худшей стабильностью, чем предыдущая, из-за отличной от нуля связи между базой и эмиттером по постоянному току. Однако индуктивность дросселя выбирается в этой схеме намного ниже, чем в предыдущей. ФТ имеют следующие недостатки: нестабильность параметров при изменении температуры; неравномерность чувствительности по полю из-за экранирования освещаемой базы коллектором (при освещении базы со стороны коллектора) или эмиттером (при освещении базы со стороны эмиттера); увеличенный по сравнению с ФД порог чувствительности из-за значительных шумов (у ФТ-1 напряжение шума достигает 5·10-3 мкВ); большую постоянную времени (10-4–10-6 с).

Учитывая названные недостатки, вероятно, целесообразно проектировать и изготавливать интегральные ФТ, представляющие собой соединение ФД и обычного транзистора в едином технологическом процессе на одном кристалле, что позволит получить эффективный и малоинерционный ФД и ВЧ транзистор: их соединение дает качественный ФТ.

Расширение р—п-перехода уменьшает сечение канала и увеличивает его сопротивление, и наоборот.

Контрольные вопросы.

1.Фототранзисторы по сравнению с фотодиодами обладают

а) повышенным быстродействием;

б) усилением фототока.

2. Подключение вывода базы фототранзистора позволяет

а) повысить температурную стабильность;

б) повысить коэффициент передачи фототока;

в) повысить максимальный рабочий ток.

3. Постоянная времени фототранзистора по сравнению с фотодиодом

а) меньше;

б) больше;

в) примерно одинаковые.

4. Интегральная чувствительность фототранзистора по сравнению с фотодиодом

а) меньше;

б) больше;

в) примерно одинаковые.

5. Уровень шума фототранзистора по сравнению с фотодиодом

а) меньше;

б) больше;

в) примерно одинаковый.

6. Ток нагрузки фототранзистора по сравнению с фотодиодом

а) меньше;

б) больше;

в) примерно одинаковый.

7. Схема включения фототранзистора с автоматическим смещением позваляет

а) повысить чувствительность;

б) повысить температурную стабильность;

в) повысить чувствительность и температурную стабильность.

Лекция 10

10.1. Полевые фототранзисторы В качестве приемников излучения используются полевые транзисторы с управляющим р-n -переходом или МДП-транзисторы. Рассмотрим полевой транзистор с управляющим р-n-переходом и каналом n-типа (рис. 10.1).

Рис.10.1 Такие ФТ по сравнению с обычными имеют три электрода: исток, сток и затвор (рис. 10.1,).

Между истоком и стоком образуется фоторезистивный проводящий канал, сопротивление которого изменяется при его облучении и зависит также от потенциала затвора. Управление током стока в этом транзисторе осуществляется с помощью света. Световой поток генерирует носители заряда в области затвора и перехода затвор - канал. Электрическое поле этого перехода разделяет носители заряда.

Концентрация электронов в канале увеличивается, сопротивление канала уменьшается, ток стока возрастает. Концентрация дырок в области затвора также возрастает. Возникает фототок в цепи затвора, который создает падение напряжения на сопротивлении. Обратное напряжение на переходе канал - затвор уменьшается, ширина его также уменьшается, что приводит к увеличению ширины канала и дополнительному увеличению тока стока.

При освещении полевого ФТ переход канал—затвор можно рассматривать как обычный ФД, в цепь которого включено сопротивление нагрузки Rн, причем фототок Iф на Rн пропорционален потоку излучения. Падение напряжения на нагрузке изменит потенциал затвора, что приведет к изменению тока стока

Iс:

где S — крутизна характеристики передачи dIc/dVн при напряжении сток— истоки Vс-и = const.

Токовая чувствительность полевого ФТ где SRн —увеличение чувствительности полевого ФТ относительно ФД (более чем на три порядка); S, — токовая чувствительность обычного ФД.

К недостаткам полевого ФТ относят нелинейность его энергетических характеристик, так как при больших уровнях потока излучения потенциал затвора становится столь малым, что его изменение уже не влияет на ток стока, который близок к максимальному значению. Полевые ФТ имеют постоянную времени ~10-7 с, определяемую инерционностью цепи затвора и временем пролета носителей через канал.

В фототранзисторах типа МДП с индуцированным каналом за счет теплового воздействия удается изменять значение порогового напряжения и крутизну транзистора.

10.2. Фототиристоры Фототиристором называют фотоэлектрический полупроводниковый прибор р—п—р—n-структуры с тремя р—n-переходами, при освещении которого прибор переводится из закрытого состояния в открытое в прямом направлении. Схема работы фототиристора аналогична схеме работы обычного тиристора с той лишь разницей, что управляющей величиной является не ток, а световой поток.

Фототиристор представляет собой аналог управляемого тиристора, но переключение его в открытое состояние производится световым импульсом. Структура фототиристора показана на рис. 10.2, a

Рис.10.2

Переключение фототиристора из закрытого состояния в открытое происходит, так же как у обычного тиристора.

При действии света на область базы р1 в этой области генерируются электроны и дырки, которые диффундируют к p-n -переходам. Электроны, попадая в область перехода П2 находящегося под обратным напряжением, уменьшают его сопротивление. За счет этого происходит перераспределение напряжения, приложенного к тиристору; напряжение на переходе П2 несколько уменьшается, а напряжения на переходах П1 и П3 несколько увеличиваются. Но тогда усиливается инжекция в переходах П1 и П3. К переходу П2 приходят инжектированные носители, его сопротивление снова уменьшается и происходит дополнительное перераспределение напряжения, еще больше усиливается инжекция в переходах П1 и П3 ток лавинообразно нарастает, т.е. тиристор отпирается.

Рис 10.3 Транзисторный эквивалент фототиристора Чем больше световой поток, действующий на фототиристор, тем при меньшем напряжении он включается. Это наглядно показывают вольт-амперные характеристики фототиристора, приведенные на рис. 10.2 б. После включения на тиристоре устанавливается, как обычно, небольшое напряжение и почти все напряжение источника Е падает на нагрузке. Иногда у фототиристора бывает сделан вывод от одной из базовых областей. Если через этот вывод подавать на соответствующий эмиттерный переход прямое напряжение, то можно понижать напряжение включения. Само включение по-прежнему будет осуществляться действием светового потока.

Вольт-амперные характеристики фототиристора при различных световых потоках показаны на рис. 10.2,б. Увеличение светового потока Ф приводит к уменьшению напряжения переключения. Фототиристор остается во включенном состоянии после окончания светового импульса.

Одним из основных параметров фототиристора является пороговый поток или мощность излучения, обеспечивающие гарантированное включение фототиристора при заданном напряжении источника питания. Значение порогового светового потока можно изменять за счет тока управляющего электрода.

Характеристикой управления фототиристора называют зависимость напряжения включения фототиристора от управляющего светового потока или освещенности Vвкл = f(Ф). Напряжение включения Vвкл определяет переход прибора из закрытого состояния в открытое, и с увеличением освещенности фототиристора оно уменьшается (рис. 10.2, б). Кривую Vвкл = f(Ф) можно аппроксимировать выражением где Ф "и Vвкл —текущие значения потока и напряжения включения; Vвкл0 — напряжение включения при Ф = 0, равное максимальному напряжению включения Vвкл мах; В — постоянный для данного типа тиристора коэффициент; Фспр — максимальный управляющий световой поток, при котором спрямляется выходная вольт-амперная характеристика в характеристику неуправляемого фототиристора, когда Фспр = Фмах; Фпор — пороговый световой поток, определяющий область начальной чувствительности фототиристора Параметры Фпор, Фспр. Vвкл0 имеют весьма значительный технологический и температурный разбросы.

Дифференциальной чувствительностью фототиристора по напряжению называют отношение приращения напряжения включения фототиристора к приращению светового потока Интегральную чувствительность фототиристора по току определяют как отношение среднего значения номинального тока, протекающего через открытый фототиристор, к световому потоку источника типа А — Фпуск при заданном анодном напряжении, которое указывается в паспорте.

Фототиристорам присущи дробовый (белый) и низкочастотный токовый шумы (1/f), однако определять их нет необходимости, так как на практике определяют минимальный световой поток Фпуск, обеспечивающий четкое управление прибором. При использовании фототиристоров следует учитывать зависимость Vвкл от рабочей температуры, Vвкл = f(Т), Сумма температуры среды Т и нагрева протекающим током не должна превышать допустимой температуры для фототиристора. Благодаря особенностям р –n-р-n-структуры фототиристоры имеют некоторые преимущества перед ФД и ФТ в схемах, преобразующих падающий поток излучения в электрический сигнал (в фотореле, логических схемах и т. д.): область рабочих напряжений фототиристоров на порядок выше ФД и ФТ; предельно допустимый ток фототиристора и его интегральная чувствительность в 3–4 раза выше, чем у ФТ; постоянная времени фототиристора сравнима с ФД и меньше, чем у ФТ; диапазон рабочих температур сравним с кремниевым ФД, а наличие управляющего электрода позволяет осуществлять температурную компенсацию.

Контрольные вопросы

1. При увеличении светового потока, падающего на полевой фототранзистор ток стока

а) уменьшается;

б) не изменяется;

в) увеличивается.

2. Энергетические характеристики полевого фототранзистора

а) линейны

б) нелинейны

3. Постоянная времени полевого фототранзистора

а) больше чем у фотодиода;

б) меньше чем у фотодиода;

в) одинаковые.

4. Управляющей величиной фототиристора является

а) напряжение на управляющем электроде;

б) световой поток;

в) напряжение на нагрузке.

5 При увеличении светового потока, падающего на фототиристор наряжение его включения

а) увеличивается;

б) не изменяется;

в) уменьшается.

6. Область рабочих напряжений фототиристоров по сравнению с фототранзисторами

а) выше;

б) ниже;

в) одинаковые.

7. После прекращения засветки включенного фототиристора он

а) выключается;

б) остаётся включённым.

8. Постоянная времени фототиристоров по сравнению с фототранзисторами

а) больше;

б) меньше;

в) одинаковые.

Лекция 11

11.1 Светодиод является полупроводниковым излучающим прибором с одним или несколькими n-p переходами, преобразующий электрическую энергию в энергию некогерентного светового излучения. Излучение возникает в результате рекомбинации инжектированных носителей в одной из областей, прилегающих к n-p переходу.

По характеристике излучения светодиоды можно разделить на две группы:

– светодиоды с излучением в видимой части спектра;

– светодиоды с излучением в инфракрасной части диапазона.

Основные параметры светодиодов следующие:

Постоянное прямое напряжение. Оно зависит от длины волны излучения светодиода и составляет ~1.4В для 0.9 мкм, ~ 1.7В для красного излучения, ~

2.3В для зелёного, ~ 3.3-3.6В для белого, синего и не зависит от протекающего тока.

Цвет свечения и длина волны, соответствующие максимальному световому потоку.

Максимальный допустимый постоянный прямой ток. Обычно он составляет от десятков до сотен миллиампер. При токе более 100 миллиампер светодиод необходимо устанавливать на радиатор.

Максимальный допустимый импульсный прямой ток. Обычно он составляет сотни миллиампер и более. Импульсный режим работы применяется для светодиодов инфракрасного диапазона спектра, применяемых для передачи информации.

Поток излучения (общая мощность, излучаемая источником) Фе (Вт), от единиц до десятков милливатт и более (для инфракрасного диапазона). Для видимого диапазона длин волн поток излучения приводится в люменах.

Сила излучения (мощность излучения на единицу телесного угла) I e Ф0 2( 1 cos 0,5 ), где - угол раскрыва диаграммы направленности излучения при половинной силе излучения (ватт на стерадиан).

Максимальное допустимое постоянное обратное напряжение Uобр (единицы вольт).

Диапазон температур окружающей среды при которых светодиод может нормально работать, например от – 60 до +85 С.

Кроме того для СИД излучающих в видимом диапазоне представляют интерес параметры:

1. Сила света, измеряемая в канделах и указываемая для определенного значения прямого тока. У светодиодов сила света обычно составляет десятые доли или единицы милликандел.

2. Яркость, равная отношению силы света к площади светящейся поверхности. Единицей яркости в системе СИ служит кандела на квадратный метр (кд/м2) для инфракрасных излучательных диодов основным параметром является полная мощность излучения в ваттах или милливаттах при определенном прямом токе.

3.Видность V- это отношение светового потока Ф (т.е. оцениваемой нашим глазом мощности) к соответствующей полной мощности лучистой энергии Ф0 : V = Ф / Ф0.

Чувствительность глаза максимальна на длине волны 0,555 мкм. Для стандартного фотометрического наблюдателя 1 Вт лучистой энергии в максимуме чувствительности глаза соответствует 680 лм. Отношение видности света данной длины волны V к максимальной видности Vmax называют относительной видностью: K V Vmax.

11.2 Характеристики светодиодов Одной из основных характеристик светодиодов является спектральная характеристика. Спектральная характеристика показывает зависимость мощности излучения от длины волны. В настоящее время применяются светодиоды способные работать в участках спектра от ультрафиолетового до инфракрасного. В таблице приведены материалы для наиболее широко используемого спектрального диапазона от ультрафиолетового до ближнего инфракрасного излучения. В этом спектральном диапазоне светодиоды имеют высокую эффективность, технология их производства хорошо отработана. Длина волны излучения, как было сказано, зависит от ширины запрещённой зоны полупроводника. Ширина спектра излучения светодиодов составляет ~30нм.

–  –  –

Яр костная ха- рактеРис.11.1.Спектры излучения светодиодов ристив скобках указан квантовый выход в люменах на ватт) ка является основной характеристикой светодиода как источника излучения. Яркостная характеристика дает зависимость яркости от прямого тока, а световая характеристика – зависимость силы света от прямого тока. Желательно иметь прямую пропорциональность яркости излучения от проходящего тока, что будет соответствовать неизменности квантового выхода или неизменности отношения излучательных и безызлучательных актов рекомбинации при изменении тока. Аналогом яркостной характеристики для инфракрасных излучающих диодов является зависимость мощности излучения от проходящего тока. Яркостная характеристика светодиода нелинейная в начальном участке. В средней части характеристики имеет хорошую линейность.

Одной из основных характеристик светодиодов как источника излучения является внешний квантовый выход (внешняя квантовая эффективность).

внешн =внутр 0, Это есть произведение внутреннего квантового выхода внутр на коэффициент вывода излучения 0.

Коэффициент полезного действия светодиода:

е=Pe/IU, где Pe – интегральная мощность внешнего излучения светодиода, U– напряжение на светодиоде, I– ток, протекающий через светодиод.

Внутренняя квантовая эффективность p-n-перехода определяется отношением числа генерируемых в p-n-переходе фотонов Nфот к общему числу носителей

Nобщ, пересекающих переход:

внутр = Nфот/ Nобщ.

Внутренняя квантовая эффективность зависит от относительной вероятности излучательных и безызлучательных переходов. В общем смысле внутренняя квантовая эффективность может быть определена как отношение скорости генерации фотонов в полупроводнике к скорости, с которой носители инжектируются в переход. Внутренняя квантовая эффективность зависит от структуры перехода, примесных уровней в полупроводнике и от типа полупроводника. Кроме того она зависит от условий применения светодиода: температуры и протекающего тока.

Даже при высоком внутреннем квантовом выходе внешний квантовый выход полупроводниковых излучателей оказывается значительно меньшим из-за поглощения фотонов в полупроводнике до выхода их в окружающее пространство и изза потерь при полном внутреннем отражении фотонов, падающих на границу раздела полупроводника и окружающей атмосферы под углом превышающим критический угол полного внутреннего отражения

–  –  –

В полупроводниковых излучателях с полусферической структурой для всей поверхности угол падения фотонов оказывается меньше критического угла полного внутреннего отражения при большом отношении радиусов R и r, т. е. при R r nr nrср где nr и nrср – коэффициенты преломления электромагнитного излучения в полупроводнике и среде, окружающей полупроводниковый излучатель (nrср=1 для воздуха).

Однако в полупроводниковых излучателях с полусферической структурой несколько возрастают потери фотонов в результате поглощения, так как увеличивается длина их пути от места возникновения до поверхности кристалла. Все полупроводниковые излучатели с полусферической структурой имеют внешний квантовый выход на порядок выше, чем у излучателей с плоской конструкцией.

Значительно проще технология изготовления полупроводниковых излучателей с прозрачным полусферическим (или параболическим) покрытием из различных пластических материалов с высоким коэффициентом преломления для увеличения критического угла полного внутреннего отражения в полупроводнике.

Температурная характеристика светодиодов (зависимость яркости свечения светодиода от температуры).

Величина и характер изменения интенсивности СИД при изменении температуры окружающей среды определяется их физико-химическими свойствами. В случае линейного характера изменения интенсивности излучения СИД в заданном диапазоне температур температурная нестабильность излучения обусловлена температурным коэффициентом Кт, значение которого находится из выражения где Ф — величина изменения интенсивности излучения СИД; Фмах — максимальная интенсивность излучения; T — изменение температуры светодиода.

Значение температурного коэффициента обычно выражено в процентах на градус.

Типовая температурная зависимость потока излучения приведена на рис.11.4 С изменением температуры изменяется также спектральная характеристика светодиода рис11.5.

Рис. 11.4. Типовая температурная зависимость потока излучения

–  –  –

С ростом температуры прямое падение напряжения на СИД падает, соответствующий коэффициент составляет от (-1,3) до (-2,5) мВ/°С. Длина волны максимальной интенсивности излучения увеличивается с ростом температуры, коэффициент равен приблизительно 0,2 нм/°С или менее в зависимости от материала СИД. Кроме того, излучение СИД ослабевает с ростом температуры, типичное значение отрицательного температурного коэффициента приблизительно равно 1%/°С.

Рис.11.6 Вольт-амперные характеристики полупроводниковых излучателей, изготовленных из различных материалов Параметры полупроводниковых излучателей как элементов электрической схемы определяются вольт-амперной характеристикой. Различия прямых ветвей ВАХ полупроводниковых излучателей из разных материалов вызваны прежде всего различием в ширине запрещенной зоны и соответственно в высоте потенциального барьера на р-п-переходе (рис. 11.6). Обратные ветви ВАХ не представляют практического интереса, так как полупроводниковые излучатели с выпрямляющим электрическим переходом должны работать только при включении в прямом направлении. Следует, однако, иметь в виду, что пробивные напряжения полупроводниковых излучателей с выпрямляющим электрическим переходом не превышают нескольких вольт.

Контрольные вопросы.

Какая характеристика является основной характеристикой светодиода 1.

как источника излучения ?

а) температурная;

б) яркостная;

в) вольт-амперная.

2. В какой части яркостной характеристики светодиод имеет нелинейный участок ?

а) в начале;

б) в середине;

в) вся характеристика линейная;

г) вся характеристика нелинейная.

3 От какого источника необходимо питать светодиоды ?

а) от источника напряжения;

б) от источника тока;

в) от любого источника.

4. Как изменяется яркость светодиода с ростом температуры ?

а) не изменяется;

б) увеличивается;

в) уменьшается.

5. Прямое падение напряжения у светодиодов, имеющих меньшую длину волны излучения

а) больше;

б) меньше;

в) не зависит от длины волны.

6. Диаграмма направленности светодиода зависит от

а) температуры;

б) конструкции светодиода;

в) протекающего тока.

7. Ширина спектра излучения светодиодов составляет а) 1 нм; б) 30нм; в) 100нм; г) 500нм.

8. Светодиоды излучают при подаче на них

а) прямого напряжения;

б) обратного напряжения;

в) прямого и обратного напряжения.

Лекция 12



Pages:   || 2 |
Похожие работы:

«Федеральное агентство по образованию Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования Ухтинский государственный технический университет (УГТУ) Я. В. Зубова С...»

«БЕЛОЛИПЕЦКИХ НАТАЛЬЯ ВИКТОРОВНА СТИМУЛИРОВАНИЕ ПОЛОРОЛЕВОЙ СОЦИАЛИЗАЦИИ СТУДЕНЧЕСКОЙ МОЛОДЁЖИ (на примере строительного колледжа) 13.00.02 – Теория и методика обучения и воспитания (социальное воспитание в разных образовательных областях и на всех уровнях системы образования) ДИССЕРТАЦИЯ на соискание ученой степени...»

«УДК 004.9 ПРОКОПЧУК Юрий Александрович МЕТОДОЛОГИЯ СОЗДАНИЯ ИНФОРМАЦИОННЫХ ТЕХНОЛОГИЙ И СИСТЕМ НА ОСНОВЕ ПАРАДИГМЫ ПРЕДЕЛЬНЫХ ОБОБЩЕНИЙ Специальность 05.13.06 – Информационные технологии Диссертация на соискание ученой степени доктора технических наук Научный консультант Алпатов Анатолий Петрович д-р техн. наук...»

«2014-2015 учебный год Абрашкин Дмитрий Анатольевич Радиофизический факультет Лидер студенческого самоуправления 1. Председатель студенческого совета радиофизического факультета Авагян Элизабет Армановна Механико-математическ...»

«Федеральное агентство по образованию Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования Ухтинский государственный технический университет (УГТУ) О. М. Кудряшова, Р. А. Нейдорф, В. Н. Пушкин Вычислительная математика Учебное пособие 2-е...»

«МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ УХТИНСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ В.В. Каюков ПРАКТИКУМ ПО МИКРОЭКОНОМИКЕ Учебное пособие Ухта ББК 65.01.Я 7 К 31 Каюков В.В. Практикум по микроэкономике: Учебное пособие. – Ухта: УГТУ, 2003. – 68 с. ISBN 5-88179-318-8 Практикум по микроэкономике предназначен для сту...»

«Кудрявцев Андрей Владимирович НЕЛИНЕЙНО-ОПТИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА МИКРОКРИСТАЛЛОВ ГЛИЦИНА И ФЕНИЛАЛАНИНОВ 01.04.07 – Физика конденсированного состояния АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук Воронеж-2015 Работа выполнена в ФГБОУ ВПО «Московский государственный технический университет радиотехники, электроники и авто...»

«МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ УХТИНСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ Н.К. Климушев, О.М. Прудникова Моделирование технологических процессов лесопромышленного производства Учебное пособие Допущено Учебно-методическим объединением вузов по...»

«Шутов Владимир Дмитриевич ЛИНЕАРИЗАЦИЯ СВЧ УСИЛИТЕЛЕЙ МОЩНОСТИ МЕТОДОМ ЦИФРОВЫХ ПРЕДЫСКАЖЕНИЙ Специальности 01.04.03 – Радиофизика, 05.13.01 – Системный анализ, управление и обработка информации Диссертация на соискание ученой степени кандидата физико-математически...»

«Общая техническая часть для изданий КО-ИНВЕСТ серии «Справочник оценщика» Оборот титула Представленная в справочнике информация предназначается для использования при определении стоимости воспроизводства (замещения) оцен...»

«Шутов Владимир Дмитриевич ЛИНЕАРИЗАЦИЯ СВЧ УСИЛИТЕЛЕЙ МОЩНОСТИ МЕТОДОМ ЦИФРОВЫХ ПРЕДЫСКАЖЕНИЙ Специальности 01.04.03 – Радиофизика, 05.13.01 – Системный анализ, управление и обработка информации АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой...»

«Министерство образования Российской Федерации Ухтинский государственный технический университет Н.И. АВЕРЬЯНОВА, И.А. ШИПУЛИНА, А.Е. ЖУЙКОВ, Н.Ю. ЗАРНИЦЫНА, Л.А. КИЧИГИНА, Е.А.ВЕЛЬДЕР ПИЕЛОНЕФРИТ И...»

«Jack K. Hutson Джек К. Хатсон Метод Вайкоффа (Wyckoff) Часть 1 Любой кто покупает или продает акции, облигации или товары ради прибыли спекулянт, но только, если он пользуется интеллектуальным предвидением. Если он этого не делает, он просто играет в азартные игр. Ричард Д. Вайкофф (Wyckoff), американский пионер техническ...»





















 
2017 www.pdf.knigi-x.ru - «Бесплатная электронная библиотека - разные матриалы»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.