Оптоэлектронные полупроводниковые приборы

 

Оптоэлектроника представляет собой раздел науки и техники, в котором изучаются вопросы приёма, передачи, обработки, запоминания и хранения информации на основе совместного использования электрических и оптических методов.

Оптоэлектроника возникла как этап развития радиоэлектроники и вычислительной техники, тенденцией которых является непрерывное усложнение систем при возрастании их информационных и технико-экономических показателей (увеличение надёжности, быстродействия, уменьшение размеров и веса).

В современной электронике используются преимущественно электронные явления в твёрдых телах (главным образом в полупроводниках) и приборы, основанные на этих явлениях – полупроводниковые приборы.

Электронные явления отличаются большой чувствительностью к управляющему сигналу, функциональной гибкостью, высоким быстродействием и универсальностью. Казалось, что нет таких технических задач, которые нельзя было бы решить с помощью электроники.

Однако по мере развития полупроводниковой электроники выяснились серьёзные ограничения применения электронных явлений и систем на их основе. В частности, электронные системы обладают низкой помехоустойчивостью вследствие сильного взаимного влияния элементов (при непременно возрастающей плотности монтажа), а следовательно низкой надёжностью.

Помехи доставляют много неприятностей также конструкторам систем управления и автоматизации в промышленности, требуя применения чрезвычайно надёжного экранирования электронной аппаратуры и соединительных линий, по которым идут сигналы связи и управления.

Особенно остро проблема гальванической развязки элементов стояла в системах, имеющих значительный перепад мощностей от элемента к элементу.

Современное развитие техники интегральных систем не решило и не могло окончательно решить проблему полной микроминиатюризации электронной аппаратуры.

Решение подобного рода проблем стали искать в оптоэлектронике, изучающую как оптические, так и электронные явления в веществах, их взаимные связи и преобразования, а также приборы, схемы и системы, созданные на основе этих явлений. Идея использования света для обработки и передачи информации уже давно реализована: большая группа фотоприёмников (фотоэлементов, фотоэлектронных умножителей, фоторезисторов, фотодиодов, фототранзисторов и пр.) служит для преобразования световых сигналов в электрические. Существуют также и преобразователи последовательности электрических сигналов в видимое изображение. Вся же обработка информации в электрических трактах радиоэлектронных устройств осуществляласьвакуумными или полупроводниковыми приборами.

Идея использования света для обработки и передачи информации уже давно реализована: большая группа фотоприёмников (фотоэлементов, фотоэлектронных умножителей, фоторезисторов, фотодиодов, фототранзисторов и пр.) служит для преобразования световых сигналов в электрические. Существуют также и преобразователи по Оптоэлектроника отличается от вакуумной и полупроводниковой электроники наличием в цепи сигнала оптического звена или оптической (фотонной) связи. Достоинства оптоэлектроники определяются в первую очередь преимуществами оптической связи по сравнению с электрической, а также теми возможностями которые открываются в результате использования разнообразных физических явлений, обусловленных взаимодействием световых полей с твёрдым телом.

Из-за электрической нейтральности фотонов в оптическом канале связи не возбуждаются электрические и магнитные поля, сопутствующие протеканию электрического тока. Иными словами, фотоны не создают перекрестных помех в линиях связи и обеспечивают полную электрическую развязку между передатчиком и приёмником, что принципиально недостижимо в цепях с электрической связью. Передача информации с помощью светового луча не сопровождается накоплением и рассеиванием электромагнитной энергии в линии. Отсюда — отсутствие существенного запаздывания сигнала в канале связи, высокое быстродействие и минимальный уровень искажения передаваемой информации, переносимой сигналом.
Высокая частота оптических колебаний (10¹⁴—10¹⁵ гц) обусловливает большой объём передаваемой информации и быстродействие. Соответствующая оптической частоте малая длина волны (до 10^–4—10^–5 см) открывает пути для микроминиатюризации передающих и приёмных устройств оптоэлектроники, а также линии связи. Минимальные поперечные размеры светового луча — порядка длины волны. Информационная ёмкость такого канала вследствие его большой широкополосности чрезвычайно высока.
Элементную базу современной оптоэлектроники составляют оптоэлектронные приборы (в основном полупроводниковые).

Оптоэлектронный прибор – это прибор, использующий для своей работы электромагнитное излучение оптического диапазона.

В целом элементная база (современной оптоэлектроники) достаточно разнообразна и включает в себя следующие основные группы приборов:

· оптоизлучатели: лазеры и светоизлучающие диоды.

· фотоэлектрические приёмники излучения (фотоприёмники): фоторезисторы и фотоприёмники с p-n переходом.

· приборы, управляющие излучением.

· приборы для отображения информации – индикаторы, индикаторные панели.

· приборы для электрической изоляции – оптроны.

· оптические каналы связи и оптические запоминающие устройства: волоконно-оптические световоды, запоминающие среды.

ФОТОПРИемники

Фотоприемники – это полупроводниковые приборы, которые управляются оптическими излучениями.

Работа различных полупроводниковых приёмников оптического излучения основана на использовании внутреннего фотоэффекта, который состоит в том, что под действием излучения в полупроводниках происходит генерация пар носителей заряда – электронов и дырок. Эти дополнительные носители увеличивают электрическую проводимость полупроводника. Такая дополнительная проводимость, обусловленная действием оптического излучения, получила название фотопроводимости.

В полупроводниках используются две формы фотоэффекта:

· фотогальванический эффект.

· эффект фотопроводимости.

Фотогальванический эффект возникает в полупроводниках с внутренним потенциальным барьером (в частности с p-n переходом).

Эффект фотопроводимости состоит только в создании фотоносителей; результатом изменения концентрации носителей в полупроводнике является увеличение проводимости полупроводника.

Оба эффекта используются в практике конструирования фотоприёмников: фотогальванический эффект – в фотодиодах, фототранзисторах и фототиристорах, эффект фотопроводимости – в фоторезисторах.

Рассмотрим процесс образования фотоносителей в полупроводнике. Энергия фотонов может быть передана электронам валентной зоны с переводом этих электронов в зону проводимости, то есть энергия фотонов идёт на ионизацию атомов полупроводника. Этот процесс называется эффектом собственной проводимости. Возможно примесное поглощение, при котором энергия фотонов излучения идёт на ионизацию или возбуждение примесных атомов. Концентрация примесных атомов мала, и они в основном ионизированы уже при относительно низких температурах. В результате собственная фотопроводимость существенно выше примесной и основная доля фотоносителей – это собственные фотоносители.

 

ФОТОРЕЗИСТОР

Приёмники, в которых используется явление изменения электрической проводимости вещества под действием падающего света, называются фоторезисторами. Они изготавливаются из беспримесных и примесных полупроводников и работают в различных областях спектра – от рентгеновской и ультразвуковой до инфракрасной. Устройство фоторезистора показано на рис.1.1, а. На диэлектрическую пластину 1 нанесён тонкий слой полупроводника 2 с контактами 3 на концах. Схема включения фоторезистора показана на рис. 1.1. б. Здесь R_н – нагрузочное сопротивление, U_вых – снимаемое с него напряжение, U – напряжение источника питания.

Рис. 1.1. Устройство (а) и схема включения (б) фоторезистора

Фоторезисторы могут иметь в качестве чувствительного элемента монокристалл полупроводника, пленку полупроводника на диэлектрике или таблетку прессованного порошкового материала. Последний способ применяют, например, при изготовлении промышленных фоторезисторов из сульфида или селенида кадмия. Фоторезисторы на основе селенида кадмия (типа ФСД) имеют темновое сопротивление ~10⁶ Ом, максимум спектральной характеристики в области 0,7 мкм, работают при напряжении 20 В.

Фоторезистор обладает начальной проводимостью σ₀, которую называют темновой:

σ₀ = q(n₀μ_n + p₀μ_p),

 

где q – заряд электрона; n₀, p₀ – концентрация подвижных носителей заряда в полупроводнике в равновесном состоянии; μ_n, μ_p – подвижность электронов и дырок соответственно.

Под действием света в полупроводнике генерируются избыточные подвижные носители заряда, концентрация которых увеличивается на величину ∆n и ∆p, а проводимость полупроводника изменяется на величину σ_ф = q(∆nμ_n + ∆pμ_p), называемую фотопроводимостью. При изменении яркости освещения изменяется фотопроводимость полупроводника. Увеличение фотопроводимости полупроводника при освещении фоторезистора приводит к возрастанию тока в цепи. Разность токов при наличии и отсутствии освещения называют световым током или фототоком.

Основными характеристиками фоторезистора являются:

Световая характеристика-зависимость тока от светового потока при постоянном напряжении (рис. 1.2)

 

I = f(Ф) при U = const

 

Световые характеристики фоторезистора нелинейны.

Для большинства приборов эта характеристика может быть представлена в виде:

 

I = I_т + I_ф = I_т + bФⁿ,

 

где I_т = U/R_т – тепловой ток, зависящий от напряжения; R_т, – темновое или собственное сопротивление прибора; b и n – постоянные коэффициенты зависящие от типа фоторезистора (для большинства типов n»0,5).

Рис. 1.2 Световая характеристика фоторезистора.

Нелинейность световой характеристики объясняется следующим образом. С увеличение светового потока увеличивается избыточная концентрация электронов и дырок, а следовательно и вероятность рекомбинации, а это приводит к сокращению среднего времени жизни носителей в полупроводнике. Второй причиной, приводящей к сублинейности световой характеристики фоторезистора, является уменьшение подвижности носителей зарядов при увеличении освещённости.

В результате концентрация электронов и дырок, а следовательно и проводимость возрастает непрямопропорционально световому потоку, что является существенным недостатком фоторезистора.

ВАХ фоторезистора представляет собой зависимость тока от приложенного напряжения при постоянном световом потоке (рис. 1.3)

 

I = f(U) при Ф = const

 

Рис. 1.3 ВАХ фоторезистора.

ВАХ сохраняют линейность в очень широких приделах; линейность нарушается только при больших напряжениях. Наклон нулевой характеристики (Ф = 0) определяется темновым сопротивлением.

Спектральная характеристика фоторезистора – это зависимость фототока от длины волны падающего на фоторезистор света

 

I_ф = f(λ).

 

Область спектральной чувствительности фоторезистора определяется материалом, из которого он изготовлен. Так, например, сернистый свинец чувствителен к инфракрасным лучам, а сернистый кадмий – к видимым.

Параметры фоторезистора:

Основными параметрами фоторезистора являются интегральная и спектральная чувствительность. Интегральная чувствительность это отношение фототока к световому потоку сложного спектрального состава (белый свет), падающему на фоторезистор при номинальном значении напряжения.

К_ф = I_ф/Ф = (I – I_т)/Ф

Интегральная чувствительность фоторезистора зависит от температуры. С увеличением температуры К_ф резко снижается, так как увеличивается равновесная концентрация носителей заряда и вероятность рекомбинации избыточных носителей заряда, возникающая при освещении, что приводит к уменьшению фототока.

С увеличением температуры увеличивается темновой ток. Так как фототок определяется не только световым потоком, но и приложенным напряжением, то вводят понятие удельной чувствительности, относя интегральную чувствительность к единице напряжения:

К_{ф уд} = I_ф/Ф·U

 

Спектральная чувствительность определяется значением фототока при освещении фоторезистора единицей светового потока определенной длины волны.

Темновое сопротивление — сопротивление фоторезистора при отсутст­вии освещения. Температурный коэффициент фототока - коэффициент, показывающий изменение фототока при изменении температуры и постоянном световом потоке.

α_Т= ; Ф=const; α_Т=10^-3…10^-4 град^-1.

К максимально допустимым параметрам фоторезистора относятся:

· U_max – максимальное рабочее напряжение, которое может быть приложено к фоторезистору без повреждения светочувствительного слоя.

· P_max – допустимая мощность рассеяния, при которой не происходит тепловое повреждение фоторезистора.

Фоторезисторы обладают большей, чем другие фотоприёмники, инерционностью. Это обстоятельство и температурная зависимость параметров резисторов ограничивают их использование.

 

ФОТОдиод

Фотодиод ( ФД ) – это фотоприбор, принцип действия которого основан на фотогальваническом эффекте и чувствительный элемент которого содержит структуру полупроводникового диода (Рис. 1.4.). Основными материалами для фотодиодов являются германий и кремний. Кремниевые фотодиоды обычно чувствительны в узкой области спектра (от l= 0,6 — 0,8 мкм до l = 1,1 мкм) с максимумом при l = 0,85 мкм, а германиевые фотодиоды имеют границы чувствительности l = 0,4 — 1,8 мкм с максимумом при. l = 1,5 мкм. В фотодиодном режиме при напряжении питания 20 В темновой ток кремниевых фотодиодов обычно не превышает 3 мкА, в то время как у германиевых фотодиодов при напряжении питания 10В он достигает 15—20 мкА. Освещаемая область обычно слабо легирована и имеет большое время жизни носителей.

Рис. 1.4. Устройство фотодиода

Пусть излучение воздействует в направлении перпендикулярном плоскости p-n-перехода. В результате поглощения фотонов с энергией большей, чем ширина запрещённой зоны, в n-базе возникают электронно-дырочные пары (фотоносители). Фотоносители диффундируют вглубь n-области. Ширина n-области меньше диффузионной длины носителей, поэтому основная доля фотоносителей не успевает рекомбинировать в n-области и доходит до границы p-n-перехода. Электроны и дырки разделяются электрическим полем перехода. При этом дырки переносятся полем в p-область, а электроны не могут преодолеть потенциальный барьер перехода и скапливаются у границы в n-области. Таким образом ток фотоносителей через p-n-переход обусловлен дрейфом неосновных носителей – дырок и называется фототоком.

Дырки заряжают p-область положительно, а электроны n-область отрицательно. Возникшая разность потенциалов называется фото-ЭДС Е_ф. Фото-ЭДС снижает внутренний потенциальный барьер (аналогично приложению прямого напряжения в обычном диоде). Важно подчеркнуть, что в фотодиоде равновесие под действием излучения нарушается в «пользу» дрейфовой составляющей тока через p-n-переход, т.е. для эффективного управления током с помощью излучения диффузионную составляющую в фотодиоде необходимо подавлять. В фотодиоде она – паразитная составляющая тока через p-n-переход.

Накопление фотоносителей, в соответствующих областях имеет ограничение: одновременно с накоплением дырок в p-области и электронов в n-области происходит понижение потенциального барьера Е_о на значение, возникшей фото-ЭДС Е_ф. Очевидно, что Е_ф должно быть меньше Е_о, так как разделение фотоносителей возможно только при наличии потенциального барьера. Уменьшение высоты потенциального барьера и соответственно напряженности электрического поля в p-n-переходе ухудшает разделительные свойства p-n-перехода.

Для получения высокой чувствительности к излучению необходимо, чтобы в фотодиоде диффузионная составляющая тока была минимальная. Поэтому фотодиод работает или вообще без внешнего напряжения (фотогальванический, генераторный, вентильный режим) или при обратном внешнем напряжении (фотодиодный, фотопреобразовательный режим).

 

ФОтогальванический режим

Фотогальванический режим характеризуется отсутствием источника внешнего напряжения в цепи фотодиода (Рис. 1.5.), т. е. фотодиод работает генератором фото-ЭДС.

 

Iф

 

 

Rн

 

 

Рис. 1.5. Схема включения ФД в фотогальваническом режиме.

При этом выражение для тока фотодиода I_фд в фотогальваническом режиме:

 

I_фд = I_ф – I_p-n = I_ф(Ф) – 1), (1)

 

где I_ф – ток фотоносителей (фототок); R_н – сопротивление нагрузки; I_p-n – ток p-n перехода; U – напряжение на диоде; I₀ – тепловой ток p-n перехода; φ_т – температурный потенциал; 1) – уравнение вольтамперной характеристики p-n перехода. При разомкнутой внешней цепи (R = ∞) имеем I_ф = I_p-n. Тогда из выражения (1) легко получить напряжение на переходе при холостом ходе, которое равно фото-ЭДС:

 

U_xx = φ_т ln(1+ I_ф / I₀)

При коротком замыкании в нагрузке (R = 0) напряжение на фотодиоде U = 0, а ток фотодиода I_кз = I_ф т.е. создан потоком фотоносителей.

ФОтодиодный режим

В фотодиодном режиме работы последовательно с фотодиодом включается источник обратного напряжения (Рис.1.6.).

 

E

 

Rн

 

 

Рис.1.6. Схема включения ФД фотодиодном режиме

При подаче на фотодиод обратного напряжения и отсутствии светового потока (Ф = 0) через фотодиод проходит небольшой обратный ток p-n перехода, который является темновым током I_т. Фототок, возникающий при освещении диода, вызывает увеличение обратного тока. В фотодиодном режиме диод работает как фоторезистор, сопротивление которого зависит от светового потока.

 

ХАРАКТЕРИСТИКИ ФОТОДИОДА

 

Основными характеристиками фотодиода являются: ВАХ, световая и спектральная.

Вольт-амперная характеристика. В общем случае (при любой полярности U) ток фотодиода описывается выражением (1). Это выражение представляет собой зависимость тока фотодиода I_ф от напряжения на фотодиоде U при разных значениях потока излучения Ф, т.е. является уравнением семейства вольт-амперных характеристик фотодиода. Графики вольт-амперных характеристик приведены на рис. 1.7.

 

Рис. 1.7 ВАХ фотодиода.

Семейство вольт-амперных характеристик фотодиода расположено в квадрантах I, III и IV. Квадрант I – это нерабочая область для фотодиода: в этом квадранте к p-n переходу прикладывается прямое напряжение и диффузионная составляющая тока полностью подавляет фототок (I_p-n >> I_ф). Фотоуправление через диод становится невозможным.

Квадрант III – это фотодиодная область работы фотодиода. К p-n переходу прикладывается обратное напряжение. Следует подчеркнуть, что в рабочем диапазоне обратных напряжений фототок практически не зависит от обратного напряжения и сопротивления нагрузки. Вольт-амперная характеристика нагрузочного резистора R представляет собой прямую линию, уравнение которой имеет вид:

 

E_обр - I_{ф ·} R = U,

 

где U_обр – напряжение источника обратного напряжения; U – обратное напряжение на фотодиоде; I_ф– фототок (ток нагрузки).

Фотодиод и нагрузочный фоторезистор соединены последовательно, т.е. через них протекает один и тот же ток I_ф. Этот ток I_ф можно определить по точке пересечения вольт-амперных характеристик фотодиода и нагрузочного резистора (рис 1.7 квадрант III) Таким образом, в фотодиодном режиме при заданном потоке излучения фотодиод является источником тока I_ф по отношению к внешней цепи. Значение тока I_ф от параметров внешней цепи (U_обр, R) практически не зависит (Рис 1.7.).

Квадрант IV семейства вольт-амперных характеристик фотодиода соответствует фотогальваническому режиму работы фотодиода. Точки пересечения вольт-амперных характеристик с осью напряжения соответствуют значениям фото-ЭДС E_ф или напряжениям холостого хода U_хх (R_н = ∞) при разных потоках Ф. У кремниевых фотодиодов фото-ЭДС 0,5-0,55 В. Точки пересечения вольт-амперных характеристик с осью токов соответствуют значениям токов короткого замыкания I_кз (R_н = 0). Промежуточные значения сопротивления нагрузки определяются линиями нагрузки, которые для разных значений R_н выходят из начала координат под разным углом. При заданном значении тока по вольт-амперным характеристикам фотодиода можно выбрать оптимальный режим работы фотодиода в фотогальваническом режиме (Рис. 1.8). Под оптимальным режимом в данном случае понимают выбор такого сопротивления нагрузки, при котором в R_н будет передаваться наибольшая электрическая мощность.

 

Рис.1.8. ВАХ фотодиода в фотогальваническом режиме.

 

Отимальному режиму соответствует для потока Ф1 линия нагрузки R₁ (площадь заштрихованногопрямоугольника с вершиной в точке А, где пересекаются линии Ф₁ и R₁, будет наибольшей – рис.1.8). Для кремниевых фотодиодов при оптимальной нагрузке напряжение на фотодиоде U=0,35-0,4 В.

 

Световые (энергетические) характеристики фотодиода – это зависимость тока от светового потока I = f(Ф):

Рис. 1.9. Световая характеристика ФД.

В фотодиодном режиме энергетическая характеристика в рабочем диапазоне потоков излучений линейна.

Это говорит о том, что практически все фотоносители доходят до p-n перехода и принимают участие в образовании фототока, потери неосновных носителей на рекомбинацию не зависят от потока излучения.

В фотогальваническом режиме энергетические характеристики представляются зависимостями либо тока короткого замыкания I_кз, либо фото-ЭДС E_ф от потока излучения Ф. При больших потоках Ф закон изменения этих зависимостей существенно отклоняется от линейного (рис. 1.10).

 

Фотодиодный режим

 

 

Рис.1.10.Световые характеристики ФД

 

Для функции I_кз = f(Ф) появление нелинейности связанно с ростом падения напряжения на объемном сопротивлении базы полупроводника. Снижение фото-ЭДС объясняется уменьшением высоты потенциального барьера при накоплении избыточного заряда электронов в n-области и дырок p-области.

Диодный режим имеет по сравнению с генераторным следующие преимущества:

· выходной ток в фотодиодном режиме не зависит от сопротивления нагрузки, в генераторном режиме максимальный входной ток может быть получен только при коротком замыкании в нагрузке.

· фотодиодный режим характеризуется высокой чувствительностью, большим динамическим диапазоном преобразования оптического излучения, высоким быстродействием (барьерная емкость p-n перехода уменьшается).

Недостатком фотодиодного режима работы является зависимость темнового тока (обратного тока p-n перехода) от температуры.

Основными параметрами являются:

· темновой ток I_т.

· рабочее напряжение U_раб – напряжение, прикладываемое к диоду в фотопреобразовательном режиме.

· Интегральная чувствительность K_ф.