Модуль – Фотоелектричні прилади

Тема 13. Тема 14.

 

6.1 Принципи фотопровідності

Зазвичай фотопровідність обумовлена збільшенням концентрації рухливих носіїв заряду під дією світла. Залежно від механізму поглинання світла розрізняють фотопровідність власну, домішкову і внутріньошзонну.

Існує кілька видів поглинання світла:

1.Власне поглинання. Має місце в тому випадку, коли оптичне збудження електронів призводить до переходу з валентної зони в зону провідності. Перехід електрона з валентної зони в зону провідності призводить до зростання концентрації електронів провідності і дірок (концентраційна фотопровідність);

Для напівпровідників при таких переходах енергія фотонів повинна бути не менше ширини забороненої зони . Для сильно легованих напівпровідників n-типу, коли рівень Фермі розташований вище краю зони провідності, нижня межа фотопровідності буде відповідати: . У сильно легованих напівпровідниках р-типу рівень Фермі лежить нижче краю зони провідності. Тому кордон фотопровідності .

2. Домішкове поглинання - при наявності в забороненій зоні напівпровідника локальних домішок можуть виникати переходи електронів між рівнями домішок і зонами, для цього потрібна менша енергія кванта, ніж для власної провідності. Якщо електрони з валентної зони переходять на вільні домішкові рівні, це призводить до зростання числа дірок (діркова домішкова фотопровідність); якщо електрони переходять з домішкових рівнів у зону провідності виникає електронна домішкова фотопровідність.

3.Ексітонне поглинання (утворення екситонних пар дірка-електрон).

4.Поглинення вільними носіями заряду. При цьому, число вільних носіїв заряду не змінюється, але змінюється їхня рухливість.

5.Поглинання кристалічною решіткою - не змінюється ані концентрація носіїв заряду, ані їхня рухливість, тому такий тип поглинання не є фотоактивним.

 

6.2 Фотоперетворючі

Фотоперетворючі – це напівпровідникові прилади, здатні перетворювати енергію світлового потоку в електромагнітну енергію носіїв заряду. Фоторезистивний ефект - зміна електричного опору напівпровідників, що обумовлюється виключно дією електромагнітного випромінювання (це не пов'язане з його нагріванням). При опроміненні напівпровідника світлом, його провідність змінюється на величину «фотопровідності».

Фоторезистор – це напівпровідниковий прилад, провідність якого змінюється під дією опромінення світлом відповідного діапазону (спектру). Використовуються в якості датчиків, тобто як світлочутливий елемент. Для виготовлення фоторезисторів використовують напівпровідники із шириною забороненої зони, оптимальною для обраного спектру. Так, для видимого діапазону світла використовують селеніди та сульфіди кадмія. Для інфрачервоного – кремній, арсенід індію тощо.

Фотодіод – це напівпровідниковий прилад, дія якого ґрунтується на зміні опору р-n переходу або під впливом додавання різниці потенціалів, або при освітленні приладу випромінюванням відповідного діапазону, яке створює додаткові носії заряду в області р-n переходу. Принцип дії фотодіоду заснований на фотогальванічному ефекті; фоточутливий елемент фотодіоду має структуру напівпровідникового діода.

Фототранзистор - оптоелектронний напівпровідниковий прилад, який відрізняється від класичного БТ тим, що область бази доступна для світлового опромінення, за рахунок чого з'являється можливість управляти посиленням електричного струму за допомогою оптичного випромінювання. Біполярний фототранзистор подібний до звичайного біполярного транзистору, між контактами колектора і бази якого включений фотодіод. Таким чином, струм фотодіоду виявляється струмом фототранзистора і створює посилений струм в колі колектора. Таким чином, фототранзистори мають значно більшу, ніж фотодіоди, чутливість - близько сотні міліампер на люмен, що пояснюється внутрішнім посиленням фотоструму. Розвитком ідеї підсилення робочих струмів є розробка фототиристора, який відрізняється малими втратами потужності при підвищеній щільності струму.

Фототранзистори та фототиристори використовуються в якості фотоприймачів і в оптопарах – пристроях, що забезпечують гальванічну роз`вязку силових ланцюгів та драйверів (пристроїв керування) напівпровідниковими пристроями.

 

6.3 Фотодіод

Будова фотодіода аналогічна будові звичайного напівпровідникового діода, але він виконаний так, що його р-n перехід одною стороною звернений до прозорого вікна, через яке надходить світло, і захищений від впливів світла з інших сторін. Коли фотон, що має достатню енергію, потрапляє на фотодіод, в останньому відбувається внутрішній фотоефект: фотон збуджує електрон, утворюючи пару носіїв заряду, тобто генеруються вільний електрон і позитивно заряджена дірка, які розділяються полем переходу.

Основні параметри фотодіода:

Інтегральна чутливість S_інт - відношення фотоструму діода до інтенсивності падаючого немонохроматичного випромінювання заданого спектрального складу (S_інт = Iд/Ф_.

Робоча напруга Up - постійна напруга, прикладена до фотодіода, при якій забезпечуються номінальні параметри при тривалій роботі в заданих експлуатаційних умовах.

Темновий струм Iт — струм, що протікає через фотодіод при зазначеній напрузі на ньому під час відсутності потоку випромінювання в діапазоні спектральної чутливості.

Довговічність — мінімальний термін служби фотодіода при нормальних умовах експлуатації.

Спрощена структура фотодіода зображена на рисунку 1, де Ф – потік опромінення, Е_ф – зовнішнє електричне поле, Е₀ – внутрішнє поле р-n переходу, δ – ширина р-n переходу, ω – ширина n-області.

Рисунок 6.1 – Спрощена структура фотодіода

Ширина n-області ω така, що основна доля створених опроміненням носіїв не встигають рекомбінувати в n-області і доходить до границі p-n переходу (х=ω). Електрони і дірки розділяються електричним полем p-n переходу напруженістю Е₀, при цьому дірки переходять в р-область, а електрони не можуть перебороти поле переходу і накопичуються на границі p-n переходу в n-області. Таким чином, струм фотоносіїв через p-n перехід зумовлений дрейфом неосновних носіїв – дірок.

Використовуються наступні види фотодіодів

- Фотодіоди з p-i-n структурою.

Переваги: поєднання високої чутливості і високої швидкодії; можливість забезпечення високої чутливості у довгохвильовій області спектра при збільшенні ширини і-області; мала бар’єрна ємність; малі робочі напруги в фотодіодному режимі, що забезпечує електричну сумісність p-i-n фотодіодів з інтегральними мікросхемами.

До недоліків можна віднести вимоги до високої чистоти і-бази і погану технологічну сумісність з тонкими легованими шарами інтегральних схем.

- Фотодіоди Шотткі.

Фотодіоди зі структурою метал-напівпровідник також дозволяють підвищити швидкодію до 10^-10 с і вище. Оскільки фотодіоди Шотткі мають малий опір бази, інерційність цих приладів визначається в основному часом прольоту фотоносіїв через область об’ємного заряду. До інших переваг можна віднести: малу постійну часу бар’єрної ємності (порядку 10^-12 с); поєднання високої швидкодії і високої чутливості; легкість створення випрямляючих фоточутливих структур на різних напівпровідниках, і як наслідок, можливість управління висотою потенційного бар’єра Шотткі.

- Фотодіоди з гетероструктурою.

В гетероструктурі робоча довжина хвилі визначається різницею ширини заборонених зон і не пов’язана зі спектральною характеристикою глибини поглинання, тому, обравши пари напівпровідників для фотодіодів, можна працювати практично в будь-якій частині оптичного діапазону довжин хвиль. До недоліків можна віднести складність виготовлення гетеро- фотодіодів.

- Лавинні фотодіоди.

Одним з шляхів створення швидкодіючих фотоприймачів з високою чутливістю є використання лавинного пробою. Недоліки в роботі лавинних фотодіодів: в передпробійному режимі коефіцієнт підсилення фотоструму М різко залежить від напруги; є розкид параметрів, отже для надійної роботи потрібна висока стабілізація напруги живлення та. вихідного струму I_ф.

Перспективним материалом для виготовлення фотоприймачів ближнього інфрачервоного діапазону (ІЧ) є GaInAs оскільки має малі значення темнового струму та лавинного шуму.

В загальному випадку струм фотодіода описують виразом (6.1), який є рівнянням сімейства ВАХ фотодіода:

(6.1)

де I_фд – струм фотодіода;

U – напруга на фотодіоді;

Ф – значення потоку опромінення;

Т – температура вимірювань;

φ_Т – температурний потенціал;

I₀ – тепловий струм p-n переходу.

 

6.3.1 Режими роботи фотодіоду

Для забезпечення високої чутливості до випромінення необхідно, щоб у фотодіоді дифузійна складова струму була мінімальною. Тому фотодіод працює або взагалі без зовнішньої напруги (фотогальванічний режим), або при зворотній зовнішній напрузі (фотодіодний режим). Фотогальванічний режим характеризується відсутністю джерела зовнішньої напруги в ланці фотодіода (рис. 6.2), тобто працює генератором фото-ЕРС. В фотодіодному режимі роботи послідовно з фотодіодом вмикають джерело зворотної напруги Е_обр (рис. 6.2, б). В цьому режимі потенційний бар’єр збільшується і струм через перехід I_p-n визначається струмом I₀, який протікає при відсутності опромінення (темновий струм).

а б

Рисунок 6.2 – Схема включення фотодіода: а) – в фотогальваничному режимі;

б) –в фотодіодному режимі

 

Сімейство ВАХ фотодіода (рис. 6.3) розташоване у квадрантах I, III та IV. Квадрант I – є не робочою областю: в ньому до p-n переходу прикладають пряму напругу і дифузійна складова струму повністю подавляє фотострум (I_pn>> I_фд), отже фотоуправління струмом через діод стає неможливим. Квадрант III – це фотодіодна область роботи фотодіода. До p-n переходу прикладають зворотну напругу. В робочому діапазоні зворотних напруг фотострум практично не залежить від зворотної напруги і опору навантаження. В фотодіодному режимі при заданому потоці випромінювання Ф фотодіод є джерелом струму I_ф по відношенню до зовнішнього кола. Квадрант IV сімейства ВАХ фотодіода відповідає фотогальванічному режиму роботи фотодіода.

Рисунок 6.3 – Сімейство ВАХ фотодіода (Ф₁<Ф₂<Ф₃)

 

По точках перетину ВАХ з віссю напруги можна визначити значення фото-ЕРС (напруга холостого ходу при R=∞) при різних потоках Ф. У кременевих фотодіодів фото-ЕРС дорівнює 0,5-0,55 В. Точка перетину ВАХ з віссю струмів відповідає значенням струмів короткого замикання (при R=0). Проміжні значення опору навантаження визначаються лініями навантаження, які при різних значеннях навантаження виходять з початку координат під різним кутом. При заданому значенні струму по ВАХ можна вибрати оптимальний режим роботи фотодіода в фотогальванічному режимі, при якому в навантаження буде передаватися максимальна електрична потужність.

 

6.3 Світловипромінюючі напівпровідникові прилади

В основі дії напівпровідникових світлодіодов та лазерів лежить електролюмінесценція, яка називається інжекційною.

Світлодіод - це напівпровідниковий прилад, що випромінює некогерентне світло при пропусканні через нього електричного струму. Спектр випромінюваного світла лежить в діапазоні від інфрачервоного (для оптопар) до синього, а його колір залежить від хімічного складу та ширини забороненої зони використаного напівпровідника, тобто світло випромінюється із певною довжиною хвилі і в певному напрямі, однак випромінення некогерентне.

При пропусканні електричного струму в прямому напрямку через p-n перехід, носії заряду - електрони і дірки рекомбінують з випромінюванням фотонів. Гарними випромінювачами є, як правило, прямозоні напівпровідники типу A_IIIB_V (наприклад, GaAs або InP) і A_IIB_VI (наприклад, ZnSe або CdTe), в яких ефективність рекомбінації дуже висока. Варіюючи склад напівпровідників, можна створювати світлодіоди різних довжин хвиль (від 0,32 до 32 мкм), від ультрафіолету (GaN) до середнього інфрачервоного діапазону (PbS). Арсенід галлія-індія InGaAs змінного складу має високі значення рухомості носіїв, тому використовується для приладів СВЧ, светодіодов (ІК діапазону), напівпровідникових лазерів, фотодатчиків, фотогальванічних елементів (в гетероструктурах).

Вариюванням складу можна змінювати спектри випромінювання і чутливість фотоприймачів в оптоволоконних технологіях передачі даних, які використовують ІК-випромінювання із довжиною хвилі 1300, 1550 нм.

Ширина забороненої зони напівпровідника повинна бути близькою до енергії кванта світла, крім того кристал повинен бути по-можливості бездефектним, щоб вірогідність «успішних» актів рекомбінації, при яких випромінюється кванти світла, була високою. Для виконання цих двох критеріїв використовують багатошарові конструкції із гетеропереходами [].

В таблиці 6.1 наведені значення ширина забороненої зони при абсолютному нулі і кімнатній температурі для різних напівпровідників (i - в напівпровідниках з непрямими переходами, d - в напівпровідниках з прямими переходами).

Таблиця 6.1 – Значення ширин забороненої зони для напівпровідників

напівпровідник	Eg 0 K	Eg 300 K	Вид перехода	напівпровідник	Eg 0 K	Eg 300 K	Вид перехода
Алмаз	5,48	5,47	i	PbS	0,286	0,41	d
Si	1,16	1,12	i	PbSe	0,145	0,27	d
Ge	0,741	0,66	i	PbTe	0,187	0,31	d
a-Sn	0,0	0,08	d	CdS	2,58	2,42	d
InP	1,42	1,35	d	CdSe	1,85	1,70	d
InAs	0,42	0,36	d	CdTe	1,61	1,56	d
InSb	0,24	0,17	d	ZnO	2,436	3,2	d
GaP	2,35	2,26	i	ZnS	3,85	3,68	d
GaAs	1,522	1,42	d	ZnSe	2,82	2,68	d
GaSb	0,81	0,72	d	ZnTe	2,39	2,25	d
GaN	3,50	3,44	d	ZnSb	0,56	0,56
AlAs	2,228	2,15	i	SnTe	0,3	0,18	d
AlP	2,5	2,45	i	AgCl	3,25	3,2	i
AlSb	1,7	1,6	i	AgI	3,02	2,8

 

Світлодіодні лампи споживають від 3% до 60% потужності, необхідної для звичайних ламп розжарювання, аналогічної яскравості. Удароміцна конструкція твердотілих випромінювачів (світлодіодів), дозволяє використовувати світлодіодні лампи при підвищених вібраціях. Світлодіоди витримують часті перемикання, їх впромінювання - в означеному спектральному діапазоні (без ультрафіолетової та інфракрасної складової). Термін служби світлодіодної лампи - більше 100 000 годин (більше 11 років), що в 100 разів більше, ніж в лампі розжарювання та в 10 разів більше, ніж в люмінесцентній лампі.

На рисунку 6.4 зображено конструкцію світлодіоду.

Рисунок 6.4 – Конструкція світлодіоду

 

Внутрішній квантовий вихід випромінювання світлодіода (або його внутрішня ефективність) визначається відношенням кількості народжених у його активній області фотонів до кількості інжектованих у неї електронів в одиницю часу (секунду). Але у реальних світлодіодах частина фотонів все ж залишається всередині напівпровідника з таких причин:

• вони можуть поглинатися підкладкою світлодіода;

• вони можуть зіткнутися з металевою поверхнею контакту та також поглинутись нею, що неминуче призведе до зниження квантового виходу.

Окрім того, існує повне внутрішнє відбиття, яке полягає у локалізації світла всередині структури, що також знижує імовірність виходу фотонів за межі напівпровідника. Тому для оцінки ефективності випромінювання вводиться коефіцієнт оптичного виходу, що визначається як відношення кількості фотонів, які випромінені світлодіодом, до кількості створених у активній області в одиницю часу. Цей параметр відображає якість світлодіода. З овнішній квантовий вихід випромінювання світлодіода визначається відношенням кількості фотонів, які випромінені світлодіодом, до кількості інжектованих в активній області в одиницю часу (секунду) електронів. Вольтамперні характеристики світлодіода часто задають чотирма точками: прямою напругою при трьох значеннях струму та зворотним струмом насичення I_S при зворотній напрузі (-5 В).

Світлодіоди були удосконалені до лазерних діодів, які працюють на тому ж принципі, але можуть напрямлено випромінювати когерентне світло. Механізм світіння напівпровідникових світлодіодів полягає у випромінюванні фотонів внаслідок спонтанної рекомбінації електронно-діркових пар. Спонтанні процеси випромінювання світла принципово відрізняються від процесів вимушеного (індукованого) випромінювання, що характерні для напівпровідникових лазерів та суперлюмінісцентних діодів.

Лазерами (від англійської абревіатури слів lіgcht amplіfіcatіon by stіmulated emіssіon of radіatіon) називають системи когерентного випромінювання в оптичному видимому, інфрачервоному та ближньому ультрафіолетовому діапазоні. Напівпровідникові лазери виділяються в окрему групу, оскільки мають відмінні від інших лазерів механізми «накачування» (інжекція надмірних носіїв заряду через p-n перехід або гетероперехід, електричний пробій в сильному полі, бомбардування швидкими електронами), а квантові переходи відбуваються між дозволеними енергетичними зонами, а не між дискретними рівнями енергії.

Лазерний діод - це лазер, в якому активним середовищем виступає електронно-дірковий газ, а робочою областю - p-n перехід, як у світлодіода. Вимушене випромінювання, яке лежить в основі функціонування лазерів на основі p-n переходу, може реалізуватися в так званому активному підсилюючому середовищі з метастабільними енергетичними рівнями, наприклад, при проходженні через нього квантів світла, при чому інтенсивність випромінювання може різко збільшуватися без суттєвої зміни частоти та напрямку випромінювання за рахунок згенерованих фотонів тотожних тим фотонам, що викликають їх народження. В лазерах застосовують наступні методи накачки: 1) інжекція носіїв через р-n перехід, гетероперехід або контакт метал-напівпровідник; 2) накачка пучком швидких електронів; 3) оптична накачка; 4) накачка шляхом лавинного пробою.

Інжекційні лазери на основі гетероструктур мають активний шар (GaAs), який знаходиться між двома гетеропереходами, один з них (типа р-n) інжектує електрони, а другий (типа р—р) відбиває електрони (електроне обмеження), чим досягається висока концентрація носіїв, і як слідство, значне оптическне підсилення (більше, ніж в лазерах на основі р-n переходу), фактично, активний шар є оптичним волноводом.

Структура лазерів отримується пошаровою комбінацією наступних основних напівпровідникових матеріалів: арсеніди, нітриди та фосфіди галлія та індія: GaAs, GaN, GaP, InP, та їхніх композицій, наприклад, AlGaAs (арсенід алюмінію-галію) лазеров, работающих на длинах волн 905 нм, 980 нм, 1060 нм и 1300 нм. Доля ефективних рекомбінацій (які супроводжуються випромінюванням в таких матеріалах сягає 100%.

На рисунку 6.5 наведено схематична ілюстрація роботи та конструкція (структура) [] напівпровідникового лазеру.

а) б)

Рисунок 6.5 – Напівпровідниковий лазер: а) - ілюстрація роботи; б) - структура

Лазерні діоди знаходять широке застосування як керовані джерела світла в оптоволоконних лініях зв'язку, використовуються в різному вимірювальному устаткуванні, наприклад лазерних далекомірах, для зчитування штрих-кодів, в медиціні тощо. Інфрачервоні та червоні лазери використовуються в програвачах CD- і DVD-дисків. Сині лазери - в пристроях HD-DVD і Blu-Ray [].

Переваги напівпровідникових лазерів:

малі розміри і компактність (об’єм кристала ~10^-6—10^-2см³);

висока ефективність перетворення електричної енергії в енергію когерентного випромінювання (до 30—50%);

мала інерційність, що обумовлює широку смугу частот модуляції (верхня меж - більше 10⁹ ГГц);

простота конструкції;

можливість перестройки довжини хвилі.

 

6.4 Оптрони

Оптрон (або оптопара) конструктивно складається з випромінювача (частіше за все - інфракрасного світлодіода із довжиною хвилі 0,9...1,2 мкм) та фотоприймача. Між вхідним та вихідним колом існує гальванічний розвязок, конструктивно між ними - діелектрик із опором 10⁹...10¹² Ом.

Умовні графічні позначки, статичні характеристики та конструкція оптронів зображена на рисунку 6.6.

 

а) б) в) г)

Рисунок 6.6 – Оптрони: а – умовні графічні позначки; б – статичні

характеристики; в – конструкція; г – внутрішній зв’язок виводів

 

Назва оптрону вказує на тип фотоприймача: резисторні, діодні, транзисторні, тиристорні. Принципи дії: вхідний електричний сигнал перетворюється в светловий поток, який змінює фотопровідність фотоприймача. Наприклад, в фоторезисторі опір зменшується в тисячі разів порівняно із темновим станом, а при освітленні бази фототранзистора, він відкривається, підсилючивихідний сигнал, форма вихідного сигналу може відрізняться від вхідного.

Оптрони використовуються в системах керування, наприклад, для узгодження мікроелектронних пристроїв із елементами силової електроніки (для драйверов IGBT та IPM [], в оптотиристорах) та електротехніки (для керування реле від датчиків), для модуляції та перетворення форм сигналів [].

 

Контрольні питання

1. Структура фотодіоду та принцип дії.

2. Загальні відомості про фотоперетворювачі.

3. Режими роботи та ВАХ фотодіоду.

4. Використаннята особливості фототранзисторів та фототиристорів.

5. Параметри та характеристики фотодіодів.

6. Фізичні процеси в світлодіоді.

7. Фізичні процеси в діодному лазері.

8. Види поглинання світла.

9. Матеріали для фотоперетворювачів.

10. Розвиток світловипромінювачів: тенденції та обмеження.

 

 

Питання до самостійної роботи

1. Еволюція когерентних випромінювачів.

2. Види фотодіодів.

3. Особливості потужних світлодіодів.

4. Основні схеми включення фотодіодів.

5. Світлодіод та діодний лазер – загальне та відмінності.

6. Оптронні пари.

7. Фотобатареї.

8. Вплив температури на роботу фотоперетворювачів.

9. Зонні діаграми для фотоперетворювачів.

10. Спектральні характеристики фотоперетворювачів.

11. Області застосування фотоперетворювачів.

12. Як отримати білий колір випромінювання світлодіоду?

13. В якому квадранті ВАХ працює світлодіод?

14. Конструкціялазерів інжекційного типу.

15. Визначити по табл. 6.1, для яких довжин хвилі можна використовувати наведені напівпровідники.

ТЕСТИ

1. В якому квадранті ВАХ працює фотодіод в фотогальванічному режимі?

а) в ІІІ;

б) в IV;

в) в ІІІ та IV;

г) в І;

д) в І, ІІІ та IV;

 

2. В якому квадранті ВАХ працює фотодіод в фотодіодному режимі?

а) в ІІІ;

б) в IV;

в) в ІІІ та IV;

г) в І;

д) в І, ІІІ та IV;

 

3. Струм фотоносіїв через p-n перехід зумовлений:

а) струмом основних носіїв;

б) дифузією;

в) дрейфом неосновних носіїв;

г) фотострумом;

д) тепловим струмом;

 

4. Від чого залежить спектр випромінюваного світлодіодом світла?

а) від поданої напруги;

б) від використаного матеріалу;

в) від концентрації носіїв;

г) від хімічного складу та ширини забороненої зони напівпровідника;

д) від значення теплового струму;

 

5. Яке явище лежить в основі випромінення світлодіодом світла?

а) дифузія;

б) рекомбінація;

в) ударна іонізація;

г) тунельний пробій;

д) великі значення теплового струму;

 

6. Яка робоча область інжекційного лазеру?

а) шар між гетеропереходами;

б) перехід метал - напівпровідник;

в) приповерхневий шар;

г) база діоду;

д) p-n перехід;