Тема № 7 Светоизлучающие и фотоэлектрические полупроводниковые приборы

· 7.1. Общие сведения.

· 7.2. Фоторезисторы.

· 7.3. Фотодиоды.

· 7.4. Фотоэлементы.

· 7.5. Фототранзисторы.

· 7.6. Фототиристоры.

· 7.7. Светоизлучающие диоды.

· 7.8. Оптроны.

· 7.9. Светодиодные индикаторы.

· 7.10. Жидкокристаллические приборы.

· 7.11. Применение в устройствах ж/д автоматики.

7.1. Общие сведения.

Электронные приборы, предназначенные для преобразования све­тового излучения в электрический ток, называют фотоэлектрически­ми. Их классифицируют по виду рабочей среды и по функциональному назначению. По виду рабочей среды фотоэлектрические приборы под­разделяют на электровакуумные (электронные и ионные фотоэлемен­ты, фотоумножители) и полупроводниковые с однородными структу­рами — фоторезисторы; с р-n переходами (фотодиоды, фототранзисто­ры, фототиристоры).

По функциональному назначению фотоэлектрические приборы под­разделяют на три группы:

- фотоприемники — преобразователи светового сигнала в электрический, применяемые в аппаратуре связи, устройствах счи­тывания информации, в вычислительной технике и ряде других областей:

- фотодатчики — преобразователи измеряемых величин в элект­рический сигнал: датчики освещенности, координат, деформации, ис­пользуемые в автоматических устройствах железнодорожного транс­порта;

- фотоэлектрические преобразователи световой энергии в элек­трическую в источниках аппаратуры.

Индикаторные (излучающие) приборы — электронные приборы, непосредственно преобразующие электрическую энергию в световое излучение, — относятся к одному из классов электросветовых прибо­ров.

По виду рабочей среды индикаторы подразделяют на электрова­куумные, газоразрядные, полупроводниковые и жидкокристалли­ческие.

По форме представления сигнала различают индикаторы:

светосигнальные, отображающие сигнал свечением индикатора: цветосигнальные, отображающие каждый сигнал из группы буквой, цифрой или другим определённым символом;

экранные, представляющие принятую за определённый интер­вал времени совокупность сигналов в виде черно-белого или цвет­ного изображения;

шкальные, которые отображают поступивший сигнал местопо­ложением светового пятна или границы светящейся линии.

На базе современных фотоприёмников и излучающих приборов развивается оптоэлектроника — научно-техническое направление, использующее для передачи, обработки и хранения информации как электрические, так и оптические средство и методы.

 

7.2. Фоторезисторы.

Полупроводниковый прибор, электрическое сопротивление которо­го изменяется в широких пределах в зависимости от интенсивности и спектрального состава воздействующего на него светового потока, на­зывают фоторезистором (ФР).

Светочувствительным эле­ментом ФР служит слой полу­проводникового материала 1, напылённого на подложку 2 из стекла, слюды или керамики, см.рис. 3.52, а. По краям полу­проводникового слоя располага­ют металлические контакты 3, соединённые с внешними выво­дами. Для защиты от внешних воздействий элемент покрыва­ют лаком и помещают в пласт­массовый или металлический корпус с окном для светового сигнала. Применяют также и бескорпусные ФР. Светочув­ствительными материалами для ФР служат полупроводниковые соединения кадмия. Могут быть и ФР на основе германия и кремния с примесями золота, цинка и других элементов. Иногда ФР имеют три вывода. Такие ФР используют в ка­честве дифференциальных элементов.

Обозначают ФР буквами ФС или СФ, за которым следуют бук­ва и цифра, характеризующие материал полупроводника и конст­руктивное оформление. На рис. 3.52, б, условное графическое обозна­чение ФР.

Рис. 3.52. Фоторезистор: а – структур; б – графическое обозначения

Вольт-амперная характеристика I_ф(U) при Ф = const у фоторезистора линейна (рис. 3.53, а). Полярность напряжения на характеристику не

влияет. При Ф=0 наклон вольт-амперной характеристики зависит от темнового сопротивления R_T, С увеличением светового потока крутиз­на вольт-амперной характеристики растёт, а сопротивление уменьша­ется в 10⁵-10⁶ раз.

Световая характеристика I_ф (Ф) при U=const (рис. 3.53. б) линейна лишь в области небольших значений потока Ф. С увеличением Ф воз­растает концентрация свободных носителей и вероятность их рекомби­нации, подвижность носителей снижается и поэтому рост тока умень­шается.

Рис. 3.53. Характеристики фоторезистора: а – вольт-амперные; б - световые

 

Ток фоторезистора

I_ф=kФ^1/2+I_T, (3.28)

где k - коэффициент; I_T- темновой ток, обусловленный наличи­ем в полупроводнике при световом потоке Ф = 0 свободных носите­лей заряда.

Нелинейность зависимости I_ф(Ф) - существенный недостаток ФР, ограничивающий их использование.

Сернисто-кадмиевые ФР имеют максимальную чувствительность в видимой части спектра, селенисто-кадмиевые — в красной и инфракрас­ной; сернисто-свинцовые — только в инфракрасной. С изменением тем­пературы спектральная характеристика, в зависимости от вида полупро­водникового материала, смешается влево или вправо.

Свойства ФР, как и любого другого полупроводникового фотоприёмника, характеризуют параметры чувствительности, а также электрические и временные параметры. Основной параметр чув­ствительности фотоприемника — интегральный коэффициент чув­ствительности мА/лм:

K_ф=I_ф/Ф, (3.29)

Однако ток ФР зависит от приложенного напряжения U, поэтому свойство ФР оценивают удельной интегральной чувствительностью, отнесенной к 1 В. мА/ (В•лм):

K _ИНТ.УД= I_ф/(ФU)= K _ф/U (3.30)

Значение K _ИНТ.УД составляет десятые доли миллиампер на вольт на люмен.

Основные электрические параметры ФР:

рабочее напряжение U_р. которое составляет от нескольких де­сятков до нескольких сотен вольт;

—темновой ток I_T,

—фототок I_f. протекающий через ФР при указанном напряжении и обусловленный только воздействием потока излучения заданного спектра;

—общий ток

I_ОБЩ.= I_ф + I_T (3.31)

—темповое сопротивление R_Т≈10⁵÷10⁷ Ом

Основной параметр временных характеристик ФР — граничная частота ƒ_ГР синусоидального сигнала, модулирующего световой по­ток, при которой чувствительность прибора падает до значения 1/√2по сравнению с чувствительностью при немодулированном из­лучении ƒ_ГР мало и составляет 10²-10⁴ Гц. Это обусловлено значи­тельным временем жизни неосновных носителей заряда в полупро­водник. Наиболее инерционны сернисто-кадмиевые ФР. С увеличением температуры и освещенности инерционность уменьшается.

К максимально допустимым параметрам ФР относят:

-U_max- максимальное рабочее напряжение ФР, при котором от­клонение его параметров не превышает указанных пределов,

-максимальную мощность рассеяния Р_max. С ростом темпера­туры окружающей среды Р_max снижается.

ФР свойственно старение — постепенное уменьшение сопротивле­ния, изменение фототока и чувствительности в течение нескольких со­тен часов эксплуатации.

По сравнению с электронными фотоприемниками ФР имеют следующие преимущества:

−понижение напряжения питания.

−значительно большая интегральная чувствительность,

−возможность работы в более широком спектральном диапазоне.

−большие допустимые фототоки.

−большая стабильность характеристик,

−меньшие габаритные размеры и масса,

−простота конструкций.

−устойчивость к механическим воздействиям.

−большой срок службы.

Недостатки ФР:

−повышенная инерционность,

−значительная зависимость характеристик и параметров от температуры,

−нелинейность энергетической характеристики при больших световых потоках.

Несмотря на указанные недостатки. ФР применяют в схемах автоматики и вычислительной техники, в том числе на железнодо­рожном транспорте.

 

Фотодиоды.

Двухэлектродный полупроводниковый прибор с одним р-n пе­реходом, вольт-амперная характеристика которого зависит от воз­действующего на него светового потока, называют фотодиодом (ФД). Он представляет собой пластину полупроводникового мате­риала (германия или кремния) с областями электронной и дыроч­ной проводимости, разделенными р-n переходом. Пластина поме­шена в герметичный корпус, имеющий окно из прозрачного мате­риала для проникновения к ней света. Иногда в этом окне располагают собирательную стеклянную линзу. В зависимости от конструкции ФД световой поток направлен параллельно и перпен­дикулярно плоскости р-n перехода. ФД включают в обратном на­правлении (рис. 3.54, а). Если нет освещения (Ф = 0). ФД анало­гичен обычному диоду, включённому в обратном направлении. При освещении прибора (Ф > 0) в его р и n областях начинается разрыв ковалентных связей и образование пар носителей заряда — электро­нов и дырок. Наиболее интенсивен процесс генерации носителей у внешней поверхности кристалла. В областях ФД возрастает число как основных, так и неосновных носи­телей. Относительное увеличение концентрации основных носителей невелико, и се можно считать прак­тически неизменной. Относитель­ный прирост концентрации не­основных носителей оказывается значительно больше. Это ведёт к существенному увеличению обрат­ного тока. Чем сильнее световой поток, тем выше концентрации неосновных носителей вблизи пе­рехода и тем больше ток.

Рис. 3.54. Фотодиод: а – структура и включение; б – графическое обозначение

Вид семейства вольт-амперных характеристик фотодиода (рис. 3.55, а) при Ф > 0 похож на выходные характеристики биполяр­ного транзистора в схеме ОБ. Обычно за положительное направление тока ФД принимают направление обратного тока перехода.

Световая характеристика I(Ф) при U =const линейна в доста­точно широком интервале светового потока (рис. 3.55, б). Это выгодно отличает ФД от фоторезистора. В случае увеличения обратного напря­жения расширяется р-n переход и уменьшаются объёмы р-п областей, меньшая часть неосновных носителей успевает в них рекомбинировать, в результате этого фототок ФД возрастает.

Рис. 3.55. Характеристики фотодиода: а – вольт-амперные; б – световые

 

Фотоэлементы.

Полупроводниковый фотоэлемент (ФЭ) представляет собой фотодиод, предназначенный для непосредственного преобразования энергии оптического излучения в электрическую энергию.

Принцип действия. Полупроводниковый ФЭ (в отличие от ФД) работает в фотогальваническом режиме (без внешнего источника питания, а сам является источником электрической энергии). При освещении ФЭ (рис. 8.6, а) за счет поглощения квантов света в р-n-переходе иприлегающих областях полупроводника происхо­дит генерация избыточных носителей заряда. Электрическое поле, существующее в р-n-переходе, разделяет неравновесные носители (приводит к накоплению избыточных зарядов в р- и- n-об­ластях).

В результате перемещения неосновных носителей р- область ока­зывается заряженной положительно, а n-область — отрицательно. Между электродами возникает разность потенциалов (возникает фото- э.д.с.). Если замкнуть ФЭ на внешнюю цепь, в ней появится ток I=I_ф, определяемый разностью встречных потоков носителей через р-n-переход. Фото- э.д.с. не может превышать ширины за­прещенной зоны полупроводника∆ω₃.У кремниевых ФЭ она со­ставляет 0,5—0,6 В.

Накопление неравновесных носителей в областях не беспре­дельно. Одновременно с накоплением дырок в р- области иэлек­тронов в n-области происходит снижение высоты потенциального перехода на величину возникающей фото- э.д.с. Уменьшение сум­марной напряженности электрического поля в переходе ухудшает разделительные свойства перехода.

Характеристики и параметры. ВАХ, соответствующая работе ФЭ,в режиме генерации фото- э.д.с. располагается в четвертом квадранте (рис. 8.6,б).Точки пересечения ВАХс осью напряже­ния соответствуют значениям фото- э.д.с. (напряжению холостого хода при различной освещенности)., На оси токов точки пересече­ния соответствуют значениям токов короткого замыкания. Значе­ния этих токов зависят от площади р-n-перехода ФЭ.Оценивают ФЭпо плотности тока короткого замыкания. При средней осве­щенности солнечным светом плотность тока короткого замыкания укремниевых ФЭ 20—25мА/см². По ВАХвыбирают оптимальное сопротивление, при котором в нем выделяется наибольшая мощ­ность.

Оптимальный режим работы ФЭ получают при наибольшей площади прямоугольника с вершиной на ВАХ при выбранной освещенности. В этой точке произведение координат максимально IU = Р _макс.. У кремниевых ФЭ напряжение на оптимальной нагруз­ке примерно 0,4 В, а плотность тока через ФЭ 15—20 мА/см².

Световые характеристики выражают зависимость тока корот­кого замыкания I_K3 и фото- э.д.с. от светового потока или от осве­щенности ФЭ (рис. 8.6, в) при различных сопротивлениях нагруз­ки. Нелинейность характеристик обусловлена уменьшением высоты потенциального барьера при накоплении избыточных зарядов (электронов в n- и дырок в р-областях полупроводника).

Спектральные характеристики ФЭ выражают зависимость тока короткого замыкания от длины волны излучения (рис. 8.6,г). Эти характеристики ФЭ аналогичны спектральным характеристикам ФД. ФЭ изготовляют из кремния, германия, арсенида галлия, сульфида кадмия и др. Максимум спектральной чувствительности кремниевых ФЭ близок к максимуму спектрального распределения энергии солнечного света, поэтому кремниевые ФЭ близки к идеальному приемнику солнечного излучения и используются для создания солнечных батарей. Спектральная характеристика селе­нового ФЭ близка к спектральной чувствительности человеческого глаза.

К. п. д. ФЭ равен отношению максимальной мощности электри­ческого тока, которую можно получить от ФЭ, к полной мощности излучения, падающего на рабочую, поверхность ФЭ η = Р_макс/Р.К. п. д. тем больше, чем шире кривая спектральной чувствитель­ности ФЭ, т. е. чем большая часть спектра солнечного света уча­ствует в генерации фотоносителей. К. п. д. кремниевых солнечных батарей около 12%, а из арсенида галлия — алюминия — до 20%. Уменьшение к. п. д. обусловлено отражением части излучения от поверхности полупроводника и поглощением, которое не вызывает генерацию носителей, рекомбинацией части неравновесных носите­лей и др.

Устройство. Основой кремниевого солнечного ФЭ (рис. 8.6, д) служит кремниевая пластина большой площади с малой проводи­мостью, в которой методом диффузии формируется р-n-переход на глубине около 0,3 мкм. Рабочая поверхность покрывается защитным материалом, прозрачным в данной области спектра.

Солнечные батареи используются в качестве источников элек­тропитания аппаратуры космических кораблей, орбитальных стан­ций, искусственных спутников Земли.

 

 

 

 

Фототранзисторы.

Фототранзистор представляет собой фотогальванический прием­ник излучения, фоточувствительный элемент которого содержит структуру транзистора, обеспечивающую внутреннее усиление.

Конструктивное оформление одного из типичных фототранзи­сторов (типа ФТ-1) показано на рис. 7.27. Прибор состоит из гер­маниевой пластины 5, в которую с обеих сторон соосно впаяны навески индия, образующие коллектор 6 и эмиттер 8. Пластина германия припаяна оловянным кольцом к кристаллодержателю 7, который в свою очередь приварен к ножке 10. Коллектор и эмит­тер при помощи тонких выводов 9 соединены с проводниками 1, изолированными от ножки стеклянными изоляторами 2. Базовый вывод 11 приварен к ножке. Весь фототранзистор помещен в герме­тичный корпус 3, в котором имеется круглое отверстие, закрытое стеклом 4.

Двухполюсная схема включения фототранзистора показана на рис. 7.28. При таком включении вывод базы фототранзистора остается свободным, т. е. ток базы, I_б =0. При освещении базы в ней появляются свободные электроны и дырки. Для базы фототранзистора типа рnр дырки являются неосновными носителями зарядов, поэтому они втягиваются полем коллекторного перехода в коллектор, увеличивая ток в его цепи. Оставшиеся в базе основные носители зарядов (электроны) создают пространственный заряд, снижающий высоту потенциального барьера эмиттерного перехода. При этом облегчается переход дырок из эмиттера в базу, а затем в коллектор, что приводит к еще большему росту коллекторного тока, проходящего через нагрузочное сопротивление. Таким образом, даже при небольшом световом по­токе, падающем на базу, ток коллектора оказывается достаточно большим, что свидетельствует о высокой чувствительности фототранзистора.

Первоначально фототранзисторы применялись исключительно в рассмотренной выше двухполюсной схеме включения. Поэтому в некоторых конструкциях фототранзисторов базовый вывод отсут­ствует. Такой фототранзистор по своим параметрам отличается от фотодиода только большей интегральной чувствительностью. Фото­транзистор, снабженный тремя выводами, представляет дополни­тельные возможности его использования, основанные на том, что, помимо светового сигнала, на его вход можно подать сигнал электрический.

Поскольку конструкция фототранзистора в основном не отлича­ется от конструкции обычного биполярного транзистора, характеристики этих двух приборов также одинаковы, если на вход фото­транзистора подается только электрический сигнал.

Основными параметрами фототранзисторов являются:

Темповой ток I_т—ток через затемненный фототранзистор при приложенном рабочем напряжении.

Ток при освещении I₀ — ток через освещенный фототранзистор при приложенном рабочем напряжении.

Интегральная чувствительность S_инт —отношение тока через фототранзистор при приложенном рабочем напряжении к пада­ющему на него световому потоку.

Наибольшая мощность рассеивания Р_рас.max—допустимая мощ­ность, выделяющаяся на приборе и допускающая его эксплуата­цию в течение длительного времени.

Фототранзисторы используются в качестве чувствительны элементов в разнообразных автоматических устройствах, фототелеграфии, кинофотоаппаратуре, в устройствах ввода и вывода информации в вычислительной технике, для регистрации ультрафиолетового и инфракрасного излучения и т.д. Кроме того, они с успехом используются в оптоэлектроники.

Рис. 7.27. Конструкция фототранзистора

Рис. 7.28. Двухполюсная схема включения фототранзистора

 

7.6. Фототиристоры.

Фототиристор представляет собой фотогальванический приёмник излучения, в фоточувствительном элементе которого сформирована структура тиристора. Из закрытого в открытое состояние фототиристор переключается световым сигналом. При освещении одной из баз или эммитеров за счет поглощения квантов света наступает генерация носителей заряда, что приводит к созданию их избыточной концентрации и снижению потенциального барьера в коллекторном переходе. В итоге, фототиристор открывается.

На рис. 8.8представлены ВАХ фототиристора при различных световых потоках. Воздействие освещения на фототиристор анало­гично воздействию управляющего тока. С увеличением светового потока (Ф₂>Ф₁>Ф_о) фототиристор отпирается при меньшем анодном напряжении. В отличие от управления током фототиристор нельзя возвратить в закрытое состояние, не отключив анод­ное напряжение.

Фототиристоры используются в качестве управляемых реле в схемах автоматического управления, в устройствах вычислительной и импульсной техники.

Рис. 8.8. Вольт-амперные характеристики фототиристора