Взаимодействие оптического излучения с твердым телом

Лабораторная работа №4

Изучение опто- и светодиодов. Снятие температурной зависимости ВАХ p-n перехода.

 

Краткая теория работы.

 

Взаимодействие оптического излучения с твердым телом

Фотоэлектрические явления в

Полупроводниках и полупроводниковых приборах.

Основные понятия и параметры

Концентрации электронов и дырок в полупроводниках, в отличие от металлов, могут изменяться во много раз под влиянием внешних воздействий (освещения, электрического поля и т.д.). Это приводит к ряду специфических явлений, которые лежат в основе действия многих полупроводниковых приборов.

При нарушении термодинамического равновесия концентрации электронов и дырок в зонах (n и p) изменяются по сравнению с их равновесными значениями n ₀ и p ₀, т.е. в зонах появляются неравновесные носители заряда с концентрациями δ n = n − n ₀ и δ p = p − p ₀. Установление концентраций в зонах определяется процессами генерации и рекомбинации электронов и дырок. Существует несколько разновидностей процессов генерации (световая, тепловая и т.д.) и рекомбинации (тепловой заброс носителей заряда «зона-зона», тепловой заброс носителей заряда с участием примесного уровня «зона – уровень – зона» и т.д.). Суммарные скорости этих процессов (количество генерируемых или рекомбинирующих частиц в единичном объеме в единицу времени) принято обозначать как g и R, соответственно (см. рис. 3). Это два противоположно направленных процесса, равенство скоростей которых создает термодинамическое равновесие в зонах разрешенных энергий полупроводника.

 

Рисунок 3. Собственные генерация и рекомбинация носителей заряда.

Время жизни неравновесных носителей. Пусть под влиянием внешнего воздействия в каждой единице объема полупроводника в единицу времени возникает g_n электронов проводимости и соответственно g_p дырок в валентной зоне. Скорости генерации g_n и g_p будем считать постоянными по всему объему полупроводника, хотя и не обязательно равными друг другу. Пусть далее R_n и R_p – скорости исчезновения электронов и дырок в результате их рекомбинации. Если в полупроводнике нет электрического тока, то суммарная скорость изменения неравновесных концентраций электронов и дырок в зонах будет определяться скоростями их генерации и рекомбинации (рис. 4):

.

Рисунок 4. Примесные генерация и рекомбинация электронов и дырок.

Напомним, что g_n и g_p описывают генерацию за счет внешнего воздействия и не учитывают переходы, вызванные тепловым движением. Эти переходы учитываются в величинах R_n и R_p.

Для описания кинетики неравновесных электронных процессов (развития процессов во времени) вводят понятие среднего времени жизни неравновесных электронов в зоне проводимости τ _n и дырок в валентной зоне τ _p, которые определяются следующим образом:

где – вероятность исчезновения одного избыточного электрона из зоны проводимости в единицу времени в результате рекомбинации с дыркой. Аналогично, – вероятность рекомбинации одной дырки в единицу времени.

 

Фотоэлектромагнитный эффект

Фотоэдс в магнитном поле. Фотоэлектромагнитный эффект называется эффектом Кикоина-Носкова. Принципиальная схема наблюдения этого эффекта представлена на рис.11.

Рисунок 11. Разделение носителей заряда в полупроводнике во внешнем магнитном поле.

Если на проводник падает излучение, соответствующее собственному поглощению, то в тонком приповерхностном слое образуется высокая концентрация неравновесных носителей заряда. Возникающий при этом градиент концентрации приводит к появлению диффузионного потока в направлении падающего излучения. Приложенное в поперечном направлении магнитное поле отклоняет носители заряда в разные стороны в результате действия силы Лоренца. Это приводит к разделению зарядов вдоль оси х. Значит, на левом конце образца будут скапливаться неравновесные дырки, а на правом - неравновесные электроны. Как следствие этого на концах образца появляется разность потенциалов - V_x. Именно это напряжение соответствует фотоэлектромагнитной эдс.

В отличие от эффекта Дембера, для возникновения которого необходимы разные подвижности электронов и дырок, в фотомагнитном эффекте это не обязательно. При заданной интенсивности освещения величина и знак V_x зависят от скорости поверхностной рекомбинации и объемного времени жизни, а так же от величины и направления приложенного магнитного поля:

,

где d – расстояние между электронами, t – толщина пластины в направлении падающего излучения, σ₀ - темновая проводимость образца, J_к.з. – ток короткого замыкания фотомагнитного эффекта для толстых образцов:

,

L - длина амбиполярной диффузии; α – параметр, характеризующий рекомбинацию носителей заряда, .

Барьерная фотоэдс

Освещение влияет на электрические свойства p-n -перехода. При освещении p-n -перехода высота барьера понижается на величину, пропорциональную уровню освещения. Изменение высоты барьера на границе раздела двух типов проводимости называют барьерной фотоэдс. Она возникает в том случае, когда свет генерирует носители заряда вблизи p-n -перехода. Здесь следует различать две принципиально различные схемы включения освещаемого перехода. В первой из них p-n -переход замкнут на внешнюю нагрузку без внешнего источника напряжения, и является преобразователем световой энергии в электрическую (рис. 12, а). Такое включение реализует так называемый фото-вентильный режим работы p-n перехода.

Рисунок 12. Фотовентильный и фотодиодный режимы работы фотодиода.

 

Другая схема во внешней цепи содержит источник напряжения, включенный так, чтобы на p-n -переходе было запорное напряжение (рис. 12, б) – это так называемый фотодиодный режим. В схеме б существующий в цепи ток сильно изменяется с освещением. Поэтому изменяется падение напряжения на сопротивлении R. При правильном выборе напряжения источника и внешнего сопротивления величина сигнала в фотодиодном режиме может быть сделана больше, чем в фотовентильном.

 

Вольт-амперные характеристики освещенного идеализированного n-p перехода приведены на рис. 13. Как видно, два режима работы фотоэлектрических приборов с n-р переходом (фотовентильный и фотодиодный) соответствуют прямой и обратной ветви ВАХ.

Рисунок 13. Вольт-амперные характеристики идеализированного n-р перехода при различных интенсивностях падающего света.

Фотодиоды. Простейший фотодиод представляет собой n-р переход, на который подано обратное напряжение, и ток через структуру является функцией интенсивности света. Световые характеристики фотодиодов линейны в широком диапазоне условий, что выгодно отличает их от фоторезисторов. Темновое сопротивление фотодиода может быть больше, чем у фоторезистора, поскольку оно определяется обратным током n-р-перехода, имеющим, особенно для кремния, малую величину.

Спектральная характеристика фотодиодов имеет максимум. Длинноволновая граница спектральной чувствительности определяется шириной запрещенной полосы полупроводника, а коротковолновая зависит от ширины базы и скорости поверхностной рекомбинации и может быть расширена за счет конструкционно-технологических решений. Параметры фотодиодов зависят от эффективности генерации и разделения зарядов, а также от возможности усиления фототока непосредственно в приборе. Простейший фотодиод работает на сплавном или диффузионном n-р-переходе. Существуют также диоды на многослойных структурах (р-i-n), гетероструктурах, поверхностно-барьерных структурах (диоды Шотки), с лавинным умножением фототока и др.

Рассмотрим некоторые из этих диодов подробней. Для увеличения чувствительности фотодиода может быть использован эффект лавинного умножения носителей в области объемного заряда n-р-перехода. При напряжении, близком к пробойному, происходит лавинное умножение носителей заряда. Коэффициент умножения М и составляет 10³ - 10⁴ для кремния и 300-400 для германия и определяется выражением

(8)

К недостаткам лавинных диодов относятся зависимость коэффициента умножения от фототока и жесткие требования к стабильности питающего напряжения (0,01 - 0,02%), так как М сильно зависит от напряжения. Высокое быстродействие достигается в фотодиодах с р-i-n структурой, в которых поглощение света осуществляется в области с собственной проводимостью, а создаваемое в ней электрическое поле обеспечивает высокую эффективность использование генерированных зарядов.

Аналогичные эффекты достигаются в р⁺-n-р структурах и фотодиодах на основе гетеропереходов. Высоким быстродействием и высокой (в ряде случаев избирательной) чувствительностью обладают фотодиоды на основе барьера Шоттки. В таком диоде свет проходит через тонкую металлическую пленку и поглощается в слое полупроводника. Образующиеся при этом дырки, попадая в металл, мгновенно рекомбинируют. Используя металлические пленки с резонансным спектром пропускания, можно создавать фотодиоды, чувствительные в узком диапазоне длин волн.

Все рассмотренные фотодиоды (кроме лавинных) обладают сравнительно малой чувствительностью, а лавинные диоды отличаются очень жесткими требованиями к стабильности напряжения питания и температуры.

Этих недостатков лишены инжекционные фотодиоды, разработанные в последние годы. Инжекционный фотодиод представляет собой диод с длинной базовой областью из высокоомного полупроводника. Длина базы в несколько раз превышает диффузионную волну неосновных носителей заряда. Переход р-n типа включается в прямом направлении, при этом проводимость базовой области определяется инжектированными р-n-переходом носителями. Освещение приводит к изменению сопротивления базы как за счет непосредственного увеличения концентрации носителей (фоторезистивный эффект), так и за счет изменения параметров, определяющих распределение неравновесных носителей в базовой области, таких как время жизни и биполярная подвижность носителей заряда. Поскольку n-р -переход включен в прямом направлении последовательно с сопротивлением базы, то изменение последнего приводит к увеличению тока инжекции и дальнейшему снижению сопротивления базы. Таким образом, обеспечивается усиление первичного фототока, причем вклад инжектированных носителей в увеличение интегральной проводимости во много раз превышает вклад носителей, генерируемых световым облучением. В качестве базы используются высокоомные скомпенсированные полупроводники (полуизоляторы), например германий, компенсированный золотом, ртутью, медью или кремний, содержащий глубокие уровни цинка, бора и др. Усиление фототока в инжекционных фотодиодах может достигать нескольких порядков величины, а чувствительность 100 А/лм.

Фототранзисторы и фототиристоры. Фототранзистор – это полупроводниковый фотоприбор с двумя или более n-р -переходами. Области применения фототранзисторов – чувствительные элементы оптопар и фотоприемников, в том числе элементы приемного модуля волоконно-оптических линий связи и т.д. Различают биполярные и полевые фототранзисторы.

Устройство биполярного фототранзистора и его выходные характеристики показаны нa рис. 14.

Рисунок 14. Устройство (а), схема (б) и выходные характеристики (в) биполярного фоторанзистора.

Фототранзистор обычно включается по схеме с общим эмиттером, база свободна. Световое облучение вызывает генерацию носителей заряда в области базы коллекторного перехода. Эти носители разделяются полем коллекторного перехода следующим образом: неосновные носители проходят через переход и создают коллекторный фототок, а основные накапливаются в базе, частично компенсируя заряд неподвижных ионов примесей вблизи эмиттерного перехода. При этом потенциальный барьер эмиттерного перехода снижается и происходит инжекция носителей из эмиттера в базу. Инжектированные носители диффундируют через базу и проходят коллекторный переход, создавая ток, многократно превышающий первичный фототок. Общий ток коллектора – это сумма фототока неосновных носителей заряда и тока, создаваемого инжектированными эмиттером носителями. Общий коэффициент усиления транзистора соответствует статическому коэффициенту передачи по току в схеме с общим эмиттером. Световые характеристики биполярных фототранзисторов линейны только в ограниченной области световых потоков.

К фототранзисторам может быть отнесен и фототиристор – четырехслойная структура, работающая в ключевом режиме и управляемая световым потоком

Существует много различных структур полевых фототранзисторов с n-р -переходом или МДП - типа. Один из вариантов показан на рис.15.

Световой поток генерирует неравновесные носители в области затвора и n-р -перехода канал-затвор. В цепи затвора в результате разделения зарядов появляется фототок, и ток через канал возрастает. При этом уменьшается напряжение на стоке, которое и является выходным сигналом прибора. В общем случае фототранзистор можно представить себе как сочетание фотодиода с усилительным транзистором в одном приборе.

Рисунок 15. МДП-фототранзистор со встроенные затвором.   Основные элементы схемы: Э, С, И – эммитер, сток и исток транзистора, Е э – эдс источника питания, подключенного к эммитеру, Е с эдс источника, подключенного к стоку, R н – нагрузочное сопротивление в цепи эммитера, R н.тр – нагрузочное сопротивление цепи питания стока транзистора.

Оптоэлектронные пары. Оптоэлектронная пара содержит светоизлучатель и фотоприемник, связь между которыми осуществляется оптически, а элементы ее гальванически полностью развязаны. Оптопары используются как элемент электрической развязки в цифровых и импульсных устройствах, системах передачи аналоговой информации, системах автоматики. Они являются составным элементом оптических микросхем. Устройство оптопары показано на рис 16.

Рисунок 16. Схема оптопары. 1 – металлические электроды; 2 – светоизлучатель; 3 – прозрачные электроды (оксид олова); 4 – оптическая среда (стекло или полимер); 5 – фотоприемник.

 

В качестве светоизлучателей в оптопаре могут быть использованы светодиоды или лазерные диоды, а в качестве фотоприемников - фотодиоды, фототранзисторы и другие приборы.

Оптоэлектрические пары обеспечивают почти идеальную гальваническую развязку, невосприимчивы к воздействию электрических помех, хорошо совместимы с интегральными микросхемами и имеют широкие функциональные возможности. Имеется ряд пар источник-фотоприемник, достаточно хорошо согласующихся друг с другом.

В качестве примера можно привести следующие пары:

1. Кремниевый р-i-n фотодиод хорошо согласуется со светодиодами GaAs(Zn), GaAlAs, GaAsР и спектрально, и по быстродействию.

2. Кремниевые фототранзисторы и фототиристоры хорошо согласуются с излучателями на основе GaAlAs.

3. Фоторезисторы на основе CdS, CdSe спектрально хорошо согласуются с излучателями GaР, GaAsР, но имеют сравнительно невысокое быстродействие.

В зависимости от типа фотоприемника оптопары могут быть резисторными, диодными, транзисторными, тиристорными. Наряду с дискретными оптопарами активно разрабатываются цифровые и аналоговые оптоэлектронные интегральные микросхемы. К специальным оптоэлектронным устройствам можно отнести приборы с гибким световодом, многоканальные, с открытым и управляемым оптическим каналом.

В настоящее время p-n- переход – один из наиболее широко используемых фотодатчиков, т.к. он обладает высокой чувствительностью и приемлемым быстродействием, не требует внешних источников напряжения (как фоторезистор) или наличия магнитного поля (как фотоэдс Кикоина-Носкова), технологически совместим со схемой обработки сигналов.

 

Рассмотрим переходы частицы из одного состояния в другое с выделением или поглощением энергии электромагнитного поля. Возбужденная частица в произвольный момент времени может самопроизвольно перейти в более низкое энергетическое состояние, излучив при этом квант света. Такое излучение называется спонтанным.

Другим оптическим процессом является поглощение излучения частицей, переходящей в результате этого в возбужденное состояние.

При взаимодействии возбужденной частицы с фотоном возможен переход частицы в состояние с меньшей энергией - при этом излучается дополнительный фотон. Этот процесс носит название вынужденного или стимулированного излучения.

 

Светодиоды

Светодиод является полупроводниковым излучающим прибором с одним или несколькими n-р- переходами, преобразующий электрическую энергию в энергию некогерентного светового излучения. Излучение возникает в результате рекомбинации инжектированных носителей в одной из областей, прилегающих к n-р- переходу. Рекомбинация происходит при переходе носителей с верхних уровней на нижние. Последние могут быть прямыми (без изменения импульса) и непрямыми (с изменением импульса). Межзонные и энергетические переходы из зоны проводимости в заполненную зону дают эффективное излучение, если переходы прямые. При непрямых переходах излучательная рекомбинация может эффективно осуществляться через примесные центры в два этапа: сначала локализация носителя на примесном центре, а затем его рекомбинация со свободным носителем другого знака.

Длина волны излучаемого света зависит от ширины запрещенной полосы полупроводника, поэтому для получения излучения в видимой области используются широкозонные полупроводники. К ним относятся арсенид галлия, фосфид галлия, карбид кремния, многокомпонентные полупроводниковые соединения, например GaAlAs и другие.

Основным параметром светодиодов является внутренняя квантовая эффективность (отношение числа фотонов к количеству инжектированных в базу носителей) и внешняя эффективность (отношение потока фотонов из светодиода к потоку носителей заряда в нем). Внешняя эффективность в значительной мере определяется технологией и с ростом ее уровня может быть значительно увеличена. Мощность оптического излучения светодиода может быть найдена из уравнения:

,

где Р - излучаемая мощность, I/e - поток инжектированных носителей через переход, η _e - КПД вывода излучения, η _s - КПД светового излучения. Произведение η _e η _s представляет собой внешнюю квантовую эффективность. Для светодиодов с поверхностными излучателями она составляет около 3%, а для приборов с торцевыми излучателями 0,5-1%.

Наибольшие сложности возникают при получении коротковолнового излучения из-за технологических проблем создания n-р- переходов в соответствующих полупроводниках. Поэтому излучатели с синим цветом свечения часто выполняются в виде МДП-структур на основе нитрида галлия, карбида кремния, сульфидов и селенидов цинка и кадмия. Некоторые данные по внешней эффективности светодиодов на различных материалах сведены в таблице 4.

Одним из способов получения коротковолнового излучения может быть включение диода Шотки в обратном направлении. В начальном участке лавинного пробоя происходит ударная ионизация с образованием электронов и дырок, рекомбинация которых может давать излучение в синей области спектра.

 

Таблица 4. Материалы и параметры светодиодов Материал Примесь или состав Цвет свечения Максимум, нм hвн GaAs Si ИК   12 -50 GaAs Zn ИК   12 -50 GaP ZnO красный     GaP N зеленый   0.7 GaAs1-ХРx x = 0.39 красный   0.5 GaAs1-ХРx x = 0.5 - 0.75 янтарный   0.04 Ga1-ХAlxAs x = 0.05 - 0.1 ИК     Ga1-ХAlxAs x = 0.3 красный   1.3 In1-ХGaxР x = 0.58 красный   0.2     янтарный   0.1 In1-ХGaxР x = 0.6 желто-     GaN   зеленый синий   0.03

 

Создание эффективного светодиода для синей области позволяет получать любые цвета излучения путем нанесения на поверхность соответствующих люминофоров. Коротковолновое излучение может быть получено и при использовании антистоксовых люминофоров, хотя КПД преобразования длинноволнового излучения в коротковолновое мал (порядка 1%), а прибор имеет низкое быстродействие. Весьма важным является вопрос создания излучателей для области 1,1 - 1,3 мкм. Дело в том, что именно при длине волны 1,3 мкм имеют место минимальные потери в световодах.

Основные характеристики светодиодов – вольтамперные, яркостные и спектральные.

ВАХ светодиодов аналогичны ВАХ обычных диодов. Яркостные (рис.18а) характеризуются некоторым пороговым током и участком насыщения при больших токах из-за усиления вклада безизлучательной рекомбинации.

Спектральные характеристики (рис. 18б) имеют максимум, положение и ширина которого зависят от состава и энергетической структуры материала.

Рисунок 18. Спектральные (а) и световая (б) характеристики светодиодов.

 

Основными параметрами светоизлучающих диодов являются длина волны, полуширина спектра излучения, мощность излучения, рабочая частота и диаграмма направленности излучения. Ширина спектральной полосы излучения светодиода может быть найдена из уравнения:

Светодиоды находят широкое применение в цифровых индикаторах, световых табло, устройствах оптоэлектроники. Принципиально возможно формирование на их основе экрана цветного телевидения.

 

ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ ЧАСТЬ

Задание 1. Снятие ВАХ светодиода.

1) Соберите схему согласно рис. 1. (Для этого задания достаточно лишь левой части схемы, G4-R15-R5-mA-V1-VD1).

Прежде чем подавать питание (тумблер «Сеть» на стенде), пригласите преподавателя для проверки правильности собранной схемы.

 

Рисунок 1. Принципиальная схема установки для изучения оптопары.

2) Изменяя при помощи потенциометра R15 напряжение на светодиоде VD1, снимите его вольтамперную характеристику (ВАХ).

Для этого определите диапазон изменения силы тока (т.е. самое малое измеряемое значение силы тока и самое большое её значение). И далее, разделив полученный диапазон на примерно равные промежутки, запишите не менее 10 пар значений тока, выдаваемых миллиамперметром, и соответствующих напряжений, выдаваемых вольтметром V1. Постарайтесь покрыть измерениями весь доступный диапазон.

Результаты измерений занесите в таблицу 1.

Таблица 1.

V, В
I, мА

 

3) Постройте ВАХ светодиода в виде графика. По оси абсцисс (аргумент, x) откладывайте напряжение, по оси ординат (функция, y) – силу тока.

 

Задание 2. Снятие зависимости тока фотодиода (фототока) от тока светодиода (т.е. от освещённости фототодиода).

1) Соберите схему, представленную на рис. 1 полностью.

2) Изменяя при помощи потенциометра R15 напряжение (V1) и силу тока (mA) на светодиоде VD1, снимите зависимость силы фототока () светодиода VD2. Запишите не менее 10 пар значений тока, выдаваемых миллиамперметром (mA), и соответствующих величин сил тока, выдаваемых микроамперметром (). С выбором интервала проводимых измерений определитесь аналогично первому заданию.

Результаты измерений занесите в таблицу 2.

Таблица 2.

, mA

 

3) Полученную зависимость отобразите графически. По оси абсцисс (аргумент) откладывайте силу тока светодиода, по оси ординат (функция) – силу тока фотодиода.

 

Задание 3. Снятие зависимости сопротивления p-n перехода фотодиода от тока светодиода оптопары.

1) Соберите (если разобрали) схему согласно рис. 1.

2) Изменяя при помощи потенциометра R15 напряжение (V1) и силу тока (mA) на светодиоде VD1, снимите зависимость сопротивления (R) p-n перехода VD2. Используйте выданный преподавателем омметр либо мультиметр. Запишите не менее 10 пар значений тока, выдаваемых миллиамперметром (mA), и соответствующих значений сопротивления, измеряемого при помощи омметра (R). С выбором интервала проводимых измерений определитесь аналогично первому заданию.

Результаты измерений занесите в таблицу 3.

 

Таблица 3.

, mA

 

Задание 4. Определение зависимости вида ВАХ полупроводникового диода от температуры p-n перехода.

1) Соберите схему согласно рис. 2. Прежде чем подключать схему к цепям питания (тумблер «Сеть» на стенде), пригласите преподавателя для проверки правильности собранной схемы.

Рисунок 2. Принципиальная схема установки для снятия ВАХ p-n перехода от температуры.

 

2) Диод VD в данном задании расположен на корпусе вакуумного триода VL (см. рис. 2). Изменяя силу тока накала при помощи потенциометра R14, мы тем самым изменяем (с некоторым запаздыванием по времени) и температуру корпуса лампы и, соответственно, температуру полупроводникового диода.

 

2.1 Снятие ВАХ диода при комнатной температуре, прямое включение.

 

Соберите схему, изображённую на Рисунке 2, без вакуумной лампы. Изменяя при помощи потенциометра R15 напряжение на диоде VD, снимите не менее 10 пар значений напряжений и сил тока диода. С выбором интервала проводимых измерений определитесь аналогично первому заданию. Заполните измерениями таблицу 4.

Таблица 4. ВАХ диода при комнатной температуре при прямом включении.

, мA

 

 

Лабораторная работа №4

Изучение опто- и светодиодов. Снятие температурной зависимости ВАХ p-n перехода.

 

Краткая теория работы.

 

Взаимодействие оптического излучения с твердым телом