Электролюминесцентные источники света.

 

В настоящее время считаются наиболее перспективными.

Люминесценция – это световое излучение, превышающее тепловое излучение при той же температуре и имеющие длительность, значительно превышающую периоды излучений в оптическом диапазоне спектра (более сек).

Для возникновения люминесценции в каком-либо теле, в том числе и полупроводнике, необходимо привести его с помощью внешних источников энергии в возбуждённое состояние, т.е. в состояние, при котором его внутренняя энергия превышает равновесную при данной температуре.

Если источником внешней энергии является свет, то наблюдается фотолюминесценция. При возбуждении тела быстрыми электронами (или другими частицами) возникает катодолюминесценция. При воздействии электрического поля или тока появляется электролюминесценция.

Люминесценция характеризуется достаточно длительным свечением после того, как действие возбуждающего фактора прекратилось. Это обусловлено тем, что акты поглощения квантов возбуждающей энергии отделены по времени от актов излучения. В итоге излучение при люминесценции является некогерентным и имеет достаточно широкий спектр. Дело в том, что если сильно выполняется неравенство:

,

где:

Т – кинетическая энергия бомбардирующего электрона (m – его масса, V – его скорость);

E_в и E_н – полная энергия атома соответственно в ближайшем возбуждённом состоянии и нормальном состоянии,

 

то атом может возвращаться в нормальное состояние не сразу, а в несколько этапов через всё менее возбуждённые состояния при этом испускать не один квант света (фотон) частоты ν

hν=E_в – E_н,

а несколько фотонов различных частот, причём суммарная их энергия будет равна энергии начального возбуждения.

В элементах оптоэлектроники часто используют электролюминесцентные конденсаторы, структура которых имеет вид:

 

1, 3 – прозрачные электроды, выполненные из оксидов различных металлов SnO₂, In₂O₃,GdOи др.

4 – подложка (стекло, слюда, кварц)

2 – слой люминофора

 

В качестве электролюминофоров используют соединения элементов третьей и пятой групп периодической системы элементов (соединения типа А^ΙΙΙВ^V) с примесями из элементов шестой и четвёртой групп. В первую очередь (фосфоры) это соединения цинка и кадмия с серой и селеном: ZnS, ZnSe, ZnSSe,GaAs – GaP,GaAs – AlAs и др. используют электролюминифор двух типов:

– порошковый (мелкодисперсный порошок фосфора взвешенный в диэлектрике);

– плёночный, тонкая однородная поликристаллическая плёнка, полученная испарением в вакууме (сублимат фосфора).

В первом случае из-за наличия диэлектрика электролюминесцентный конденсатор может работать только на переменном напряжении. Предполагается, что при скачкообразном воздействии напряжения в микрокристаллах за счёт ударной ионизации полем создаются свободные носители заряда. Одна часть из них успевает рекомбинировать, вызвав при этом излучение, другая (в основном электроны) уносится полем к концу кристалла. В результате при неизменном приложенном напряжении ионизированные центры излучательной рекомбинации и свободные электроны оказываются разнесёнными в пространстве и излучение отсутствует. Если напряжение выключить, то свободные электроны возвратятся к ионизированным центрам, произойдёт рекомбинация и вновь появится излучение. Так как размеры зёрен не позволяют получить толщину слоя 2 меньше 40 ÷ 100 мкм, то необходимо достаточно высокое рабочее напряжение: 50 ÷ 300в.

В случае сублимата фосфора возможна работа на постоянном токе. Из-за малой толщины плёнок рабочие напряжения лежат в пределах 2 ÷ 2,5в. В зависимости от типа фосфора и примесей свечение лежит в видимой области спектра в диапазоне от 450нм (голубое свечение) до 600нм (жёлто-оранжевое свечение).

Электролюминесцентным конденсаторам присуще явление старения, при постоянном напряжении возбуждения яркость свечения со временем уменьшается вдвое у порошковых фосфоров за 10⁴ час., а у сублимата фосфора за 500 час. Кроме того у этих конденсаторов довольно значительна инерционность, время разгорания и затухания составляет 10^-4сек.

 

 

Светодиоды.

 

Если приложить к p – n переходу прямое напряжение, через него начинают двигаться основные носители – электроны из n – области и дырки из p – области.

 

 

Попав в область перехода (заштрихована), эти носители становятся не основными и рекомбинируют с основными носителями. Процесс рекомбинации означает переход электронов с более высоких энергетических уровней зоны проводимости на более низкие энергетические уровни валентной зоны. Такие переходы сопровождаются выделением квантов света, т.е. фотонов.

Это явление, называемое излучательной рекомбинацией, лежит в основе работы светодиода. Энергия выделяющихся фотонов почти равна ширине запрещённой зоны ΔW, т.е.

 

подставляя в это выражение значение постояннойПланка

 

h = 6,63∙ Дж ∙ с

 

и скорость света

 

а также помня, что один электрон-вольт равен 1,6 Дж, определит ширину запрещённой зоны ΔW в электрон-вольтах, необходимую для получения излучения с длиной волны λ в микрометрах:

Из этого выражения следует, что для получения видимого излучения с длиной волны от 0,38 до 0,78 мкм полупроводник должен иметь ΔW>1,7 эВ.

Германий и кремний непригодны для изготовления светодиодов, так как у них ширина запрещённой зоны слишком мала. Светодиоды изготавливаются главным образом из фосфида галлия GaP и карбида кремния SiC, а также из некоторых тройных соединений – галлия, алюминия, мышьяка и фосфора GaAlAs или галлия, мышьяка и фосфора GaAsP.

Перспективен для изготовления светодиодов нитрид галлия GaN, который имеет большую ширину запрещённой зоны (ΔW=3,4 эВ), и поэтому энергия квантов света, возникающих в этом материале при рекомбинации носителей заряда, может перекрывать всю видимую область спектра. В настоящее время светодиоды различных типов позволяют перекрыть диапазон длин волн излучения от 366 до 950 нм и более.

Светодиоды относятся к классу инжекционных приборов. Ширина слоя, прилегающего к p – n переходу, в котором происходит рекомбинация определяется диффузионными длинами L_n и L_p. Процесс рекомбинации в большинстве полупроводников осуществляется через примесные центры (ловушки), расположенные вблизи середины запрещённой зоны и является безызлучательным.

Однако в названных выше материалах, а также GaAs, GaSb (сурьма), InAs, InSb и др. переход из зоны проводимости в валентную зону относится к числу переходов типа зона-зона. При этом примесные центры не играют существенной роли, и при рекомбинации происходит выделение фотонов и возникает некогерентное свечение люминесценции.

Яркость свечения светодиода примерно пропорциональна числу зарядов, инжектированных p – n переходом. При этом для получения приемлемых значений необходимо обеспечить значительную плотность тока, протекающего через переход (не менее 0,3 А/мм²). При обычно используемых размерах это приводит к необходимости пропускать через переход ток порядка 5-100 мА, что требует значительных затрат электрической мощности на питание инжекционного диода. При малых токах инжекции (1 – 2 мА) пропорциональность между током и светом нарушается, т.к. начинают сказываться конкурирующие безызлучательные рекомбинационные процессы.

Так как полупроводник покидает только часть фотонов, остальные же сначала отражаются от поверхности, а затем поглощаются в объёме полупроводника, то вводят понятие квантовой эффективности излучения. Внешней квантовой эффективностью излучения или квантовым выходом называется отношение числа излучённых во внешнее пространство фотонов к числу неосновных зарядов, инжектированных через p-n переход. Обычно значение квантового выхода составляет до 30%.

Внесение в полупроводник различных примесей позволяет получать свечение различного цвета.

Существуют светодиоды, которые в зависимости от их включения или режима работы излучают в различных областях спектра. Для управления цветом свечения используют два механизма:

а) зависимость интенсивности отдельных частот излучения от тока p – n перехода;

б) смешение излучений двух светодиодов, имеющих свечение разного цвета.

В первом случае изменение цвета происходит из-за того, что в составе излучения p-n перехода имеется несколько световых полос, яркость которых неодинаково изменяется при изменениях протекающего тока. При их смешивании получается результирующее излучение, цвет которого зависит от значений яркости отдельных полос.

Во втором случае, который получил преимущественное распространение, используются двух переходные структуры GaP:

На кристалле фосфида галлия созданы два p – n перехода. Примеси подобраны так, что один p – n переход излучает свет красного, а другой – зелёного цвета. При их смешивании получается жёлтый цвет. В структуре имеются три вывода (1,2,3) что позволяет через каждый p – n переход пропускать своё значение тока. Изменяя токи переходов, удаётся менять цвет излучения от жёлто-зелёного до красно-жёлтого оттенка, а также получать чистые красный и зелёный цвета.

Существенным достоинством светодиодов является их быстродействие, что позволяет реализовать импульсный режим работы и получить короткие световые импульсы длительностью не более 10 нс с частотой повторения более Гц.

Для получения повышенной мощности излучения применяют суперлюминесцентные диоды, занимающие промежуточное положение между инжекционными диодами и полупроводниковыми лазерами. Они работают в режиме оптического усиления, т.е. стимулированного излучения, который характеризуется тем, что внешний квантовый выход существенно больше, чем у обычного светодиода. Суперлюминесцентные диоды имеют уменьшенную спектральную ширину полосы излучения и требуют для работы больших плотностей тока, около 30 А/мм². Их применяют при работе с волоконно-оптическими линиями связи.

 

 

Лазеры.

В качестве управляемых источников света часто применяют инжекционные лазеры. Они отличаются от светодиодов тем, что излучение сконцентрировано в узкой спектральной области и является когерентным. Лазеры имеют относительно высокий КПД и большое быстродействие.

При когерентном излучении все частицы излучают согласованно (вынужденное стимулированное излучение) и синфазно с колебаниями, установившимися в резонатор.

Для обычных светодиодов характерны спонтанное излучение, складывающееся из волн, посылаемых различными частицами независимо друг от друга, и хаотическое изменение амплитуды и фазы суммарной электромагнитной волны.

Механизм стимулированного излучения состоит в следующем. Частица, находящаяся в возбужденном состоянии взаимодействуя с фотоном переходит в состояние с меньшей энергией и при этом излучается дополнительный фотон. Фотон, вынуждающий (стимулирующий) переход, и фотон, испускаемый в результате перехода, неотличимы друг от друга. Они имеют одинаковую частоту, направление распространения и фазу. Для того чтобы такой механизм работал необходима высокая концентрация частиц с большими энергиями. Состояние квантовой системы, при котором “населённость” верхнего энергетического уровня выше “населённости” нижнего энергетического уровня, называется состоянием с инверсной населённостью. Среда, в которой может быть полученосостояние с инверсной населённостью является активной средой лазера.

Перевод квантовой системы в инверсное состояние осуществляется подведением энергии, которую принято называть энергией накачки. Инициатором процесса вынужденного излучения может быть внешний сигнал или один из квантов спонтанного излучения в самой активной среде. Для существенного усиления излучения среду помещают в систему двух зеркал – оптический резонатор. Одно из зеркал резонатора частично прозрачное, что необходимо для вывода излучения. В резонаторе излучение, распространяясь почти строго в направлении его оси, многократно отражается от зеркал и проходит среду, что вызывает значительное усиление излучения.

Таким образом, для получения вынужденного (лазерного) излучения необходимо иметь:

а) активную среду лазера, в которой в процессе накачки может быть создано инверсное состояние;

б) систему накачки, обеспечивающую достижение инверсной населённости;

в) оптический резонатор, предназначенный для усиления и формирования направленного излучения.

Однако неверно представлять свет в лазере как поток частиц – фотонов, мечущихся между зеркалами резонатора. Гораздо точнее будет представление о существовании в объёме рабочего тела макроскопического квантового объекта – макроскопической волновой функции фотона. После начала работы лазера между зеркалами в объёме рабочего тела образуется стоячая волна – стационарное распределение максимума электрического и магнитного полей световой волны. В этих максимумах произойдёт изменение коэффициента преломления среды и сформируется объёмная периодическая структура неоднородностей среды, которая способна выполнять функции зеркал резонатора (вообще-то любая неоднородность среды всегда порождает отражённую волну, а в данном случае отражённые волны оказываются синфазными, они не “гасят” друг друга). Энергия поля и коэффициент нелинейности среды определяют порог геометрических размеров, когда генерация способна поддерживаться за счёт обратной связи, образуемой только динамическими неоднородностями среды. В этом случае зеркала можно убрать, а лазер будет работать. Это лазер с распределённым резонатором или с распределённой обратной связью.

Энергия лазерного излучения сосредоточена в узком спектральном интервале, который достигает в предельном случае 10^-5нм (в газовых лазерах). Расходимость излучения у некоторых лазеров не превышает 20¹¹. По виду активного вещества лазеры делят натвёрдотельные, газовые, полупроводниковые и жидкостные. Накачка в лазерах может осуществляться оптическим излучением, электрическим током, электронным пучком, за счёт химических реакций и другими способами.

В полупроводниковых лазерах стимулированное излучение возникает при высокой концентрации инжектированных в полупроводник носителей заряда и наличии оптического резонатора. Поэтому объём зоны, где происходит излучательная рекомбинация, в полупроводниковых лазерах ограничивают с помощью конструктивных и технологических мер.

Обычно поперечное сечение зоны 0,5÷2 мкм², а её протяжённость 300÷500 мкм, и эту активную область выполняют из материала с другим показателем преломления чем у окружающей среды. В итоге получается световод, торцы которого ограничены с обеих сторон зеркальными гранями (полупрозрачными зеркалами, получающимися при сколе кристалла). Он выполняет роль резонатора.

При токе инжекции меньшем порогового значения Iпор= 50 ÷ 150 mА наблюдается спонтанное излучение как и в обычном светодиоде, выходная оптическая мощность которого не велика, около 5 мкВт/mА. Если величина тока превысит Iпор возникает стимулированное излучение и резкое увеличение выходной оптической мощности до 200 мкВт/mА. Благодаря тому, что фотоны, появившиеся в процессе рекомбинаций, многократно проходят через световод, отражаясь от зеркальных граней, прежде чем им удаётся выйти за пределы кристалла через полупрозрачное зеркало, наблюдается монохроматичность и когерентность излучения.

В полупроводниковых лазерах из-за дифракционных явлений в резонаторе сечение светового луча имеет эллипсоидную форму и угол расходимости светового пучка велик, 20÷50°. Полупроводниковые лазеры широко применяются при создании световодных линий связи большой протяжённости.

 

 

Приемники излучения.

Задача приемника заключается в преобразовании оптического излучения в другие виды излучения, удобные для регистрации с помощью различных электронных систем. По виду энергии, в которую преобразуется оптическое излучение, приемники делятся на фотоэлектрические, тепловые, люминесцентные и фотохимические.

К фотоэлектрическим относятся приемники, в которых энергия оптического излучения преобразуется в энергию свободных электронов. Последние могут покинуть вещество (внешний фотоэффект) или остаться в веществе (внутренний фотоэффект).

Внешний фотоэффект, или фотоэлектронная эмиссия заключается в испускании электронов с поверхности твердого тела под действием энергии оптического излучения. Известно, что энергия фотона равна:

то есть он обладает импульсом

где: h – постоянная Планка;

ν –частота;

λ – длина волны;

с – скорость света.

Электроны, вылетающие из вещества под действием энергии фотонов при внешнем фотоэффекте, называются фотоэлектронами. Если между облучаемым телом (катодом) и некоторым проводником (анодом) создать электрическое поле с разностью потенциалов ускоряющее фотоэлектроны, то возникает упорядоченное движение этих электронов, называемое фотоэлектрическим током (фототоком). Фотоэлемент с внешним фотоэффектом имеет вид:

 

Непрозрачный катод нанесен на внутреннюю поверхность колбы, а анод выполнен в виде кольца, расположенного в центре колбы.

Если спектральный состав излучения не изменен, то в соответствии с законом Столетова фотоэлектрический ток насыщения для данного катода равен:

 

I_н =K· Ф

где: К – фоточувствительность катода;

Ф – мощность излучения, поглощаемого катодом.

 

Вытекающий из закона сохранения энергии закон Эйнштейна утверждает, что максимальная кинетическая энергия фотоэлектронов линейно возрастает с увеличением частоты падающего излучения и не зависит от его интенсивности:

 

W_к.mak= h·ν 9 – A _min,

 

где: А - работа выхода для электронов вещества, находящихся на наиболее высоком энергетическом уровне в зоне проводимости (уровне ферми).

Отношение числа фотоэлектронов, вышедших из облучаемой поверхности, к числу поглощенных за это же время фотонов называется квантовым выходом (квантовой чувствительностью) фотоэффекта. Соответствующее отношение суммарных энергий фотоэлектронов и фотонов называется энергетическим выходом фотоэффекта. Квантовый выход фотоэффекта для металлов возрастает с увеличением ν вплоть до значений

где W₁ – значение энергии электрона на самом нижнем уровне зоны проводимости.

При h > 2 A_min становится возможным явление каскадного фотоэффекта (выбивание одним фотоном двух и более фотоэлектронов), вызывающее увеличение квантового выхода фотоэффекта.

Для повышения чувствительности фотоэлементов с внешним фотоэффектом и усиления фототоков используется явление вторичной электронной эмиссии. Этот принцип усиления применяется в фотоэлектронных умножителях (ФЭУ), которые обладают чрезвычайно высокой чувствительностью и служат для регистрации предельно малых световых потоков.

 

 

 

Световой поток Ф вызывает фотоэмиссию с фотокатода ФК. Фотоэлектроны под действием ускоряющего электрического поля направляются на электрод Д₁, называемый динодом. Он имеетположительный потенциал относительно катода и является вторично-электронным эмиттером. Ток первичных электронов I_фвыбивает из динода Д₁ вторичные электроны. Число их в s раз больше числа первичных электронов ( – коэффициент вторичной эмиссии). Далее ток вторичных электронов с динода Д₁ направляется на второй динод Д₂и т.д.. С последнего,n –го диода ток I_nнаправляется ()на анод А. В итоге ток анода:

Теоретически коэффициент усиления тока равен sⁿ и может достигать 10⁸.

Реальное значение этого коэффициента несколько меньше, так как некоторая часть вторичных электронов не попадает на последующие диноды.

Кроме высокой чувствительности ФЭУ обладают высоким быстродействием. Их недостаток – необходимость источника высокого стабилизированного напряжения (1 ÷ 2)кВ.

К фотоэлектронным приемникам относятся также электронно-оптические преобразователи (ЭОП) и некоторые передающие телевизионные трубки. ЭОП содержит нанесенный на стеклянную пластину фотокатод ФК.

 

 

 

Под действием излучения, несущего изображение объекта с фотокатода вылетают электроны. Причем число электронов, выбиваемых с различных участков катода, изменяется в соответствии с распределением интенсивности в спроецированном на катод изображении объекта, фотоэлектроны ускоряются электрическим полем на участке между фотокатодом и флюоресцирующим экраном Э, собираются фокусирующей системой ФС и бомбардируют экран, что вызывает свечение экрана. Входное излучение может быть невидимым (инфракрасным, ультрафиолетовым или рентгеновским). Благодаря длительному послесвечению экрана (до нескольких секунд), ЭОП сегодня является единственным средством визуального наблюдения быстропротекающих процессов, в частности, позволяют наблюдать лазерные импульсы с чрезвычайно малой длительностью 10^-12 ÷ 10^-13 с.

Широкое распространение получили фотоприемники с внутренним фотоэффектом (изменение электропроводимости вещества при его освещении), а также с фотоэффектом в запирающем слое (возникновение ЭДС на границе двух материалов под действием света) который используется в полупроводниковых элементах.

 

Фоторезисторы.

 

В них используется явление изменения сопротивления вещества под действием излучения. Возможны две конструкции фоторезисторов:

Продольная

L t1UKDXHTtVBSKC5JzEtJzMnPS7VVqkwtVrK34+UCAAAA//8DAFBLAwQUAAYACAAAACEAth372McA AADcAAAADwAAAGRycy9kb3ducmV2LnhtbESPT2vCQBTE74V+h+UJvZS60aC1qauItCremvQPvT2y zyQ0+zZkt0n89q5Q6HGYmd8wy/VgatFR6yrLCibjCARxbnXFhYL37PVhAcJ5ZI21ZVJwJgfr1e3N EhNte36jLvWFCBB2CSoovW8SKV1ekkE3tg1x8E62NeiDbAupW+wD3NRyGkVzabDisFBiQ9uS8p/0 1yj4vi++jm7YffTxLG5e9l32+Kkzpe5Gw+YZhKfB/4f/2getIF48wfVMOAJydQEAAP//AwBQSwEC LQAUAAYACAAAACEA8PeKu/0AAADiAQAAEwAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAW0NvbnRlbnRfVHlwZXNd LnhtbFBLAQItABQABgAIAAAAIQAx3V9h0gAAAI8BAAALAAAAAAAAAAAAAAAAAC4BAABfcmVscy8u cmVsc1BLAQItABQABgAIAAAAIQAzLwWeQQAAADkAAAAQAAAAAAAAAAAAAAAAACkCAABkcnMvc2hh cGV4bWwueG1sUEsBAi0AFAAGAAgAAAAhALYd+9jHAAAA3AAAAA8AAAAAAAAAAAAAAAAAmAIAAGRy cy9kb3ducmV2LnhtbFBLBQYAAAAABAAEAPUAAACMAwAAAAA= " stroked="f" strokeweight=".5pt">

Поперечная

Между двумя электродами 1 и 2 (в продольной конструкции электрод 1 прозрачный для излучения В) помещается активный слой 3 (сернистый галлий, селенистый теллур, сернистый висмут, сернистый свинец, теллуристый свинец, сернистый кадмий и т. д.). В затемненном полупроводнике в результате воздействия тепловой энергии имеется небольшое количество подвижных носителей заряда (электронов и дырок). Полупроводник обладает начальной проводимостью s_0, которая называется темновой:

s₀ = q (n ₀ m_n+p ₀ m_p),

где q – заряд электрона;

n₀, p₀- концентрация подвижных носителей заряда в полупроводнике в равновесном состоянии;

m_n, m_p - подвижность электронов и дырок в данном полупроводнике.

Под действием света концентрация подвижных носителей заряда увеличивается, причем возможны различные механизмы их генерации. Возрастание концентрации дырок и электронов может происходить за счет того, что кванты электромагнитного излучения возбуждают электроны и переводят их из валентной зоны в зону проводимости. Кроме того, они могут вызвать переход электронов из валентной зоны на примесные уровни и увеличение только дырочной электропроводимости или переход электронов с примесных уровней в зону проводимости и увеличение электронной электропроводимости.

Таким образом, в полупроводнике при облучении светом концентрация подвижных носителей заряда увеличивается на величину Dnи Dp и проводимость его резко возрастает:

s = q[ (n₀ + Dn)m_n + (p₀ + Dp) m_p].

Изменение электропроводности полупроводника под действием света и есть его фотопроводимость:

s_ф = s –s₀=q (Dnm_n + Dpm_p).

Меняя яркость освещения, изменяют фотопроводимость полупроводника. При включении потока облучающего света интенсивность процесса генерации носителей заряда не сразу достигает стационарного значения, соответствующего интенсивности падающего излучения, а нарастает со временем по экспоненциальному закону:

),

где: N – число фотонов, падающих в секунду на единицу площади;

a – коэффициент поглощения, характеризующий энергию, поглощенную полупроводником;

b – квантовый выход, определяющий число носителей заряда, образующихся при поглощении одного фотона;

t – время жизни неравновесных носителей заряда.

Если время облучения достаточно велико: t³ (3 ¸ 5) t – то концентрация неравновесных носителей заряда достигает своего стационарного значения, причём когда электроны и дырки образуются парами при переходе электронов из валентной зоны в зону проводимости (собственное поглощение энергии полупроводником) то число неравновесных дырок равно числу неравновесных электронов:

DN_cт =Dp_ст = abtN

При примесном поглощении, когда генерируются в основном носители заряда одного знака, имеет место или электронная или дырочная фотопроводимость, причем в переходных режимах она также изменяется по экспоненциальному закону. Если выключить облучающий поток света, то изменение концентрации неравновесных носителей заряда при Dn<<(n₀ + p₀)описывается выражением:

Явление постепенного измененияs_фпри включении облучающего потока называют релаксациейфотопроводимости.

 

 

Фотодиоды.

Фотодиоды имеют структуру обычного р – n перехода:

 

1 – стеклянная подложка;

2 – полупроводник (германий, кремний, селен, сернистый галлий, сернистое серебро);

Ф – световой поток;Е_ф– фото-ЭДС.

Пусть р – n переход находится в равновесии, т.е. в исходном состоянии к нему не приложена внешняя разность потенциалов. Вследствие оптического возбуждения в р– и n– областях возникает неравновесная концентрация носителей заряда. Так как в области объемного заряда концентрация носителей меньше, чем в р– иn– областях, то под влиянием градиента концентрации электронно-дырочные пары диффундируют к р –n переходу. На границе перехода они разделяются, и неосновные носители заряда под влиянием электрического поля, значение которого однозначно связано с контактной разностью потенциалов, перебрасываются через переход в область, где являются основными носителями заряда. Электрический ток, созданный ими, есть полный фототок. Дырки тормозятся электрическим полем иостаются в р– областях. Таким образом, а результате освещения полупроводника, по обе стороны от р – nпереходаувеличиваются концентрации основных носителей заряда. При этом электронно-дырочные пары, генерируемые на расстоянии от перехода, большем диффузионной длины, успевают рекомбинировать, не достигнув перехода. Поэтому они не вносят вклада в фототок.

Если р –nпереход разомкнут, то перенос носителей заряда, генерируемых светом, приводит к накоплению отрицательного в n– области и положительного в р – области зарядов. Объемный заряд этих основных носителей заряда частично компенсирует заряды ионов запирающего слоя, сужая ширину р – nперехода и снижая потенциальный барьер, что приводит к нарушению условия равновесия и возникновению диффузионного движения через переход основных носителей заряда. Новое равновесное состояние соответствует меньшей высоте потенциального барьера, равной (U_к – Е_ф), где U_к – контактная разность потенциалов. При этом поток неосновных носителей заряда через переход, вызванный световым облучением, полностью уравновешен встречным диффузионным потоком основных носителей заряда.

ЭДС, возникающую при этих процессах называют фотоэлектродвижущейсилой или фото–ЭДС, Е_ф. Она зависит от светового потока, облучающего р – n переход, и ряда других факторов, но ее максимальное значение не может превысить контактную разность потенциалов. Фото–ЭДС может быть использована для создания тока в нагрузочном сопротивлении, включенном во внешнюю цепь прибора. При этом фотодиод работает в режиме фотогенератора без постороннего источника напряжения, непосредственно преобразуя световую энергию в электрическую. Фотодиод может работать и совместно с внешним источником электрической энергии U_вн, положительный полюс которого подключается к n – слою, а отрицательный к р – слою.

 

 

Под действием напряжения источника в цепи фотодиода, включенного в непроводящем направлении, при отсутствии освещения протекает небольшой темновой ток I_т. В этом случае фотодиод ничем не отличается от обычного диода. При освещении фотодиода поток неосновных носителей заряда через р – n переход возрастает. Увеличивается ток во внешней цепи, определяемый в этом случае напряжением внешнего источника и световым потоком.

Значение фототока в первом приближении можно найти из выражения:

,

где: S_инт - интегральная чувствительность.

Спектральные характеристики фотодиодов практически захватывают всю видимую инфракрасную область спектра (300 – 750 нм). Инерционные свойства фотодиодов характеризуют граничной частотой, на которой интегральная чувствительность уменьшается в раз по сравнению со своим статическим значением. Граничная частота быстродействующих кремниевых фотодиодов – порядка 10⁷ Гц. Для повышения быстродействия и увеличения чувствительности в последние годы разработан ряд фотодиодов: на основе р – i – n – структур, с барьером Шотки, лавинные фотодиоды и др.

Фотодиоды, выполненные на основе р – i – n – структур, имеют значительно большую толщину области, обедневшую основными носителями заряда, так как между р– и n– областями имеетсяi –область с собственной электропроводностью. К переходу без риска пробить его можно приложить значительные напряжения. В результате возникает ситуация, когда световое излучение поглощается непосредственно в области, обедненной основными носителями заряда, в которой создано электрическое поле высокой напряженности. Электроны и дырки, возникающие в области перехода при световом облучении, мгновенно перекидываются в соответствующие области. В результате быстродействие резко возрастает и ƒ_гр достигает 10¹⁰ Гц.

Аналогичными по быстродействию являются фотодиоды на основе барьера Шотки. Они выполняются из кремния, на поверхность которого нанесено прозрачное металлическое покрытие из пленок золота (0,01 мкм) и сернистого цинка (0,05 мкм), создающее барьер Шотки. Благодаря отсутствию процессов накопления и рассасывания избыточных зарядов быстродействие получается достаточно высоким, ƒ_гр >10¹⁰ Гц.

В лавинных фотодиодах используется лавинный пробой р – nперехода или барьера Шотки. От обычных фотодиодов они отличаются тем, что возникшие в результате светового облучения носители заряда лавинно размножаются в области р – n – перехода вследствие ударной ионизации. Выбором внешнего напряжения и параметров цепи обеспечивается возникновение лавинного пробоя только при световом облучении. Коэффициент лавинного умножения описывается зависимостью:

М =

 

где: U_пер. – напряжение на переходе;

U_проб.л. –напряжение лавинного пробоя перехода, при котором ;

b – коэффициент, зависящий от материала (b = 3,4¸4 для Sin – типа,b =1,5¸2 для Ji р – типа).

Коэффициент лавинного умножения может достигать от нескольких десятков до десятков тысяч единиц.Использование лавинного режима позволяет существенно увеличить чувствительность фотодиодов и повысить их быстродействие до ƒ_гр= 10¹² Гц. Эти фотодиоды считаются одними из наиболее перспективных элементов оптоэлектроники.

 

 

Фототранзисторы.

Фототранзистор можно рассматривать как комбинацию фотодиода и транзистора. Его характеристики аналогичны характеристикам фотодиода, но соответствующие токи оказываются усиленными. Напряжения питания на фоторезистор подают так же, как и на обычный биполярный транзистор, т.е. эммитерный переход смещают в прямом направлении, а коллекторный – в обратном. Часто применяют включение, когда напряжение прикладывается только между коллектором и эмиттером, а вывод базы остается оторванным. Такое включение называется включением с плавающей базой и характерно только для фототранзисторов. При включении с плавающей базой фототранзистор всегда находится в активном режиме, однако при Ф = 0 протекающий через него ток невелик.

Конструктивно фототранзистор выполнен так, что световой поток облучает область базы. В результате собственного поглощения энергии (структура р – n – р) в ней генерируются электронно-дырочные пары.

Неосновные носители заряда в базе дырки диффундируют к коллекторному переходу и перебрасываются электрическим полем перехода в коллектор, увеличивая его ток. Этот процесс аналогичен процессу в фотодиоде. Если база разомкнута, то основные носители заряда электроны, образовавшиеся в результате облучения, не могут покинуть базу, и накапливаются в ней. Объемный заряд этих электронов снижает потенциальный барьер эмиттерного перехода, в результате чего увеличивается диффузионное движение дырок через эмиттерный переход. Интектированные дырки, попав в базу, движутся, как и в обычном транзисторе, к коллекторному переходу и, переходя в область коллектора, увеличивают его ток. Таким образом, носители заряда, генерируемые в результате облучения светом, непосредственно участвуют в создании фототока.

Такие же процессы происходят и при подаче тока от внешнего источника в цепь базы. В этом случае появляется дополнительная возможность управлять током фототранзистора. Ширина полосы пропускания у биполярных фототранзисторов достигает 10⁵ Гц. Кроме фототранзисторов р – n – р и n – p – n типов в качестве высокочувствительных фотоприемников используют полевые фототранзисторы. Они имеют высокую фоточувтвительность (до нескольких ампер на люмен), широкую полосу пропускания (до 10⁸ Гц), значительную мощность рассеивания. По своим выходным характеристикам они ближе к фоторезисторам, чем к биполярным транзисторам. Полевой фотот