Светоизлучающие приборы

Глава 6

Оптоэлектронные приборы.

Оптоэлектронные приборы предназначены для приема, излучения и преобразования сигналов электромагнитных волн оптического диапазона. Обычно используют следующие диапазоны длинн волн: инфракрасного λ>1мкм; видимого (0,35-0,4)<λ<(0,7-0,75)мкм; ультрафиолетового λ<0,3мкм. Максимальная чувствительность человеческого глаза приходится на длину волны λ=0,55мкм (зеленый цвет). Оптоэлектронные приборы делятся на:

1.светоизлучающие (электросветовые);

2.светопринимающие (фотоэлектрические - фотоприемники);

3.оптроны.

Основные достоинства оптоэлектронных систем передачи информации по сравнению с электронными:

1.полная гальваническая развязка между входом и выходом;

2.широкая полоса пропускания (10¹³ - 10¹⁵)Гц;

3.легкое согласование устройсвами с разным входным и выходным сопротивлением;

4.поскольку носителими света являются электрически нейтральные фотоны, то в таких цепях отсутствуют электромагнитные помехи и наводки.

Фотоприемные устройства

Фотоприемные устройства предназначены для преобразования светового излучения в электрические сигналы. В основу работы фотоприемников положны следующие физические явления:

1. внутренний фотоэффект – изменение электропроводности вещества при его освещении;

2. фотоэффект в запирающем слое – возникновение ЭДС на границе двух материалов под действием света;

3. внешний фотоэффект или фотоэлектрическая эмиссия – испускание веществом электронов под действием света.

Фоторезистор

Фоторезистор - двухполюсный полупроводниковый прибор (фотоприемник) без p-n -перехода, сопротивление которого зависит от светового потока. В затемненном полупроводнике имеется относительно небольшое число свободных носителей заряда. Его сопротивление достаточно велико.

Принцип работы основан на явлении внутреннего фотоэффекта: энергия светового потока передается электронам, что вызывает генерацию пар свободных носителей заряда. При этом электроны из валентной зоны перехода в зону проводимости. Рост концентрации носителей приводит к уменьшению сопротивления полупроводника. При этом длина волны λ (λ=с v) или частота v поглащаемого светового излучения должна соответствовать условию hv > ΔW или λ<=с h/ ΔW, где h - постоянная Планка, ΔW - ширина запрещенной зоны.

В качестве светочувствительного слоя используют сернистый кадмий CdS, сернистый свинец, PbS селенид свинца PbSe, селенид кадмия CdSe.

Условное обозначение и схема включения фоторезистора показаны на рис. 6.1.

Основные характеристики и параметры:

1. семейство вольт-амперная характеристик фоторезистора I=f(U)|_Ф=const. приведено на рис. 6.2. При Ф=0 ток называется темновым I_т, при ф>0 через фотосопротивлении протекает общий ток I_общ. Разность этих токов называется фототоком: I_ф=I_общ-I_т.

2.Передаточная характеристика (рис. 7.2) или энергетическая характеристика фоторезистора 1_ф =f(Ф).

 

 

В области малых Ф она линейная, а при больших Ф скорость нарастания фототока уменьшается, что связано с возрастанием вероятности рекомбинации носителей заряда. Ее параметром является чувствительность к белому (дневному) свету и называется интегральной чувствительностью:

S_Ф=I_ф/Ф, [mA/лм]

Здесь 1ф - фототок, Ф - световой поток, U - напряжение. Обычное значение S_ф от 1 до 20 мА/лм, рабочее напряжение - десятки вольт.

3. R_T – темновое сопротивление фоторезистора, при Ф=0 - единицы МОм, поэтому темновой ток очень мал

4. R_T/R_min – величина, показывающая во сколько раз изменяется сопротивление.

5. Спектральная характеристика - зависимость чувствительности от длины световой волны. Она зависит от материала фоторезистора (рис. 6.4).

6. Частотные характеристики фоторезисторов показаны на рис. 6.5. Основной недостаток: малое быстродействие.

Фоторезисторы - сравнительно низкочастотные приборы.

На данном рисунке f-частота изменений (модуляции) светового потока. Граничная частота, порядка 1 0²-10⁵Гц.

 

6.1.2. Фотодиоды

Фотодиоды (ФД) это фотоприемники на основе р-п перехода. ФД может работать в двух режимах – фотодиодном и фотогальваническом.

 

А) Фотодиод, в фотодиодном режиме - это полупроводниковый диод, смещенный внешним источником напряжения в обратном направлении. Принцип его работы основан на внутреннем фотоэффекте. Конструкция (рис. 6.6) предусматривает окно для попадания света на р-п переход. Условное обозначение и схема включения приведены на рис. 6.8, семейство ВАХ на рис. 6.9.

При Ф=0, через р-п переход протекает обратный ток I_обр=I₀, связанный с неосновными носителями заряда возникающими за счет термогенерации. Это темновой ток.

При освещении р-п перехода (Ф>0) концентрация неосновных носителей заряда растет и соответственно растет обратный ток. Появляется добавочная составляющая –

 

 

фототок I_ф, который зависит от светового потока I_ф=S_фФ. Общий ток равен

I_общ=I_ф - I₀(e^U/φт – 1)

Это уравнение ВАХ фотодиода.

Основные параметры и характеристики.

1. Передаточная или энергетическая характеристика I_ф=f(Ф)|_U=cosnt (рис.6.9). Это практически линейные зависимости. С увеличением напряжения U на диоде фототок возрастает, что связано с расширением р-п перехода и уменьшением толщины базы, в результате чего в ней рекомбинирует меньшая часть неосновных носителей при движении к р-п переходу.

2. S_ф=I_ф/Ф – интегральная чувствительность. Она составляет 15 -20 мА/лм.

3. Спектральная характеристика- S=f(λ), аналогична соответствующим характеристикам фоторезистора и зависят от материала и примесей. Максимум спектральной характеристики кремниевых фотодиодов приходится на длину волны около 1 мкм, для германиевых 1.4 мкм. Спектральные характеристики захватывают всю видимую и инфракрасную области спектра.

4. Частотная характеристика S=f(ω). Граничная частота быстродействующих кремниевых диодов достигает 10⁷Гц. Она ограничена скоростью диффузии неосновных носителей заряда через базу.

Повышение быстродействия и увеличения чувствительности достигают в диодах: со встроенным электрическим полем, на основе p-i-n-структуры, с барьером Шотки, с лавинным пробоем.

Гораздо, большую чувствительность имеют фототранзисторы и фототиристоры, в которых световой поток проникает к базе и коллекторному переходу.

Б) Фотодиод, в фотогальваническом режиме - это р-п переход, используемый для прямого преобразования световой энергии в электрическую. Фотодиод в фотогальваническом режиме называют фотогальваническимэлементом.Он работает без внешнего источника э.д.с., сам, являясь источником э.д.с.

При отсутствии освещения (Ф=0) р-п переход находится в равновесном состоянии напряжение Е_ф на выводах фотодиода равно нулю (Е_ф=0).

При освещении светом (Ф>0) непосредственно р-п перехода в нем происходит генерация пар носителей заряда. Под действием существующей в переходе контактной разности потенциалов этипары разделяются: электроны переходят в n-область, а дырки - в р-область (рис. 6.10). В результате такого разделения р- область приобретает положительный потенциал, а n-область отрицательный. Это уменьшает высоту

 

 

потенциального барьера и приво

•- электрон о- дырка + -ион донорной примеси - - ион акцепторной примеси

 

 

дит к образованию на выводах фотодиода напряжения - фото э.д.с., а при подключении резистора (рис.6.11) – тока во внешней цепи. Вольтамперная характеристика фотодиода с учетом фототока запишется в виде:

I_общ=I_ф - I₀(e^U/φт – 1).

При коротком замыкании, когда Rн=0 (U=U_вых=0), из ВАХ следует, что I_общ=I_ф=S_фФ т.е. зависимость фототока от потока линейная (рис.6.12).

При произвольном сопротивлении нагрузки, когда напряжении на р-п переходе равно напряжению на выходе, т. е. U=U_вых =I_общR_н общий ток определяется из выражения

I_общ=I_ф - I₀(e^Uвых/φт – 1),

а напряжение на выходе

U_вых=φ_тln(1+(I_ф-I_общ)/I₀)

В режиме холостого хода, когда Rн= (Iобр=0), выходное напряжение есть фото-ЭДС (U_вых=Е_ф). Оно определяется из выражения:

где S_ф=I_ф/Ф - интегральная чувствительность. Зависимость Е_ф=f(Ф) приведена на рис.6.13.

Фото-эдс кремниевых фотоэлементов составляет 0,5В при токе короткого замыкания 25мА, при освещаемой площади 1см². К сожалению, КПД фотогальванических элементов не превышает 15...20% при удельной мощности порядка 1...2 кВт/м². Тем не менее, фотогальванические элементы, соединенные в последовательные и параллельные цепи изготавливают в виде плоских конструкций, называемых солнечными батареями. Солнечные батареи широко применяют для питания аппаратуры на космических объектах.

7.1.2. Фототранзисторы:

По своей структуре фототранзистор (ФТ) аналогичен биполярному, в котором переход коллектор – база представляет собой фотодиод.

На рис. приведены условное обозначение, эквивалентная схема, схема включения и семейство ВАХ фототранзистора.

Конструктивно ФТ выполнен так, что световой поток освещает область базы. В результате поглощения световой энергии, в ней генерируются электронно-дырочные пары. При этом неосновные носители втягиваются в коллекторный переход, увеличивая ток коллектора, а в базе остаются основные носители заряда. Это создает их избыточный заряд, что увеличивает прямое смещение на эмиттерном переходе. Это приводит к росту инжекции неосновных носителей заряда в базе из области эмиттера. Сравнивая, вольтамперные характеристики фотодиода видим, что они ничем не отличаются от выходных характеристик биполярного транзистора в схеме с общей базой. Это не случайно. Характеристики фотодиода при Ф = 0 и характеристики транзистора при Iэ= 0 - это характеристики запертого р-п перехода (в транзисторе - коллекторного перехода).

При Iэ≠0 в базе биполярного транзистора растет концентрация неосновных носителей и соответственно растет ток коллектора (обратный ток коллекторного перехода). Разница же только в том, что в транзисторе концентрация неосновных носителей в базе растет за счет инжекции их из эмиттера, а в фотодиоде - за счет генерации носителей под действием света.

При включении ФТ по схеме с ОБ уравнение для токов имеет вид

I^б_{общ к}=h_21бI^б_э+I_к0+I^б_фк

При включении ФТ по схеме с ОЭ уравнение для токов имеет вид

I^б_{общ к}=h_21эI^э_б+I^*_к0+(1+h_21э)I^б_фк.

Так как, h_21э-десятки, сотни единиц, то ток фотодиода I^б_фк увеличивается в соответствующее число раз.

Основные параметры и характеристики ФТ и фотодиода аналогичны.

Основные достоинства фототранзисторов – высокая световая чувствительность, электрическая и технологическая совместимость с биполярными транзисторами.

Недостатки фототранзисторов:

1.Малое быстродействие, граничная частота f_гр=10³-10⁵Гц.

2.Высокая зависимость от температуры темнового тока.

Фототиристоры

Это полупроводниковые приборы используемые для коммутации световым сигналом электрических цепей большой мощности.

Условное обозначение, схема включения и ВАХ приведены на рис..

Конструктивно выполнено так, что свет попадает на обе области базы тиристора. При этом с ростом освещенности возрастают эмиттерные токи, что приводит к возрастанию коэффициентов α и включению тиристора.

Темновое сопротивление – 10⁸ Ом (запертое состояние), сопротивление во включенном, открытом состоянии до 10^-1 Ом. Время переключения 10^-5 – 10^-6 сек.

 

Светоизлучающие приборы

Светоизлучающие приборы используются как управляемые источники света или как индикаторные устройства отображения информации.

Все источники света можно разделить на активные и пассивные. Активные - сами создают световой поток, а пассивные можно использовать только в режиме внешней подсветки.

В основе работы всех излучателей света лежат следующие физические явления:

1. температурное свечение – свечение нагретого тела (накальные индикаторы);

2. излучение, сопровождающее газовый разряд в газах (газоразрядные индикаторы);

3. электролюминесценция – это световое излучение, возникающее при воздействии электрического поля или тока;

4. индуцированное излучение.