Оптоэлектронные приборы

Оптические свойства полупроводников. По своим оптическим свойствам все полупроводниковые материалы подразделяются на два класса. В полупроводниках первого класса энергетические экстремумы в валентной зоне и зоне проводимости совпадают в пространстве квазиимпульса. В этих полупроводниках преобладает прямая оптическая рекомбинация электронов и дырок с излучением фотонов, а время жизни неосновных носителей сравнительно мало (10^-6¸10^-7 с). К этому классу относятся арсенид галлия и многие другие соединения группы А₃В₅. В полупроводниках второго класса энергетические экстремумы не совпадают в пространстве квазиимпульса. Рекомбинация неосновных носителей требует передачи разности квазиимпульса третьему квантовому объекту – электрону или фонону. Вместе с квазиимпульсом передается и энергия, а фотоны появляются крайне редко. Время жизни неосновных носителей во много раз больше (10^-2¸10^-4 с). К этому классу относятся кремний и германий. Полупроводники первого класса преимущественно используются для светоизлучающих приборов, а полупроводники второго класса – для светочувствительных приборов.

Светодиод. При протекании тока через любой p – n - переход в полупроводнике первого класса происходит спонтанная излучательная рекомбинация электронов и дырок. Энергия фотонов и соответствующая длина волны излучения определяются шириной запрещенной зоны полупроводника. Так, светодиоды на основе арсенида галлия излучают красный свет. Излучение происходит изотропно и некогерентно. В конструкции светодиода кроме полупроводникового кристалла присутствуют отражатель света и линза – коллиматор, концентрирующие излучение в заданном направлении. Недостаток светодиодов – относительно низкий коэффициент преобразования энергии. Основное достоинство – большой динамический диапазон излучаемой мощности (от единиц микроватт до сотен милливатт).

Полупроводниковый лазер. Принцип действия полупроводникового лазера основан на эффекте индуцированного излучения, при котором излучательная рекомбинация стимулируется оптическим излучением той же длины волны, причем вторичное и первичное излучения когерентны. Для того чтобы процесс излучения-рекомбинации самоподдерживался, требуется достаточно высокая концентрация неосновных носителей и их общее число на пути светового луча. Повышение концентрации неосновных носителей в полупроводниковом лазере достигается использованием гетероструктур, в которых совмещенные                     p – n - переход и гетеропереход создают тонкий слой с меньшей шириной запрещенной зоны. Неосновные носители концентрируются в этом тонком слое. Кристалл лазера имеет продолговатую форму. Излучение направлено параллельно поверхности кристалла вдоль длинной стороны и выходит с грани, образовавшейся при разделении пластины на кристаллы. Противоположная грань кристалла покрывается отражающей пленкой.

Достоинство лазера – высокий коэффициент преобразования энергии и концентрация света в узкий луч. Недостатки лазера – стоимость выше, чем светодиода, когерентное излучение начинается с порогового тока достаточно большой величины, диапазон интенсивности излучения меньше, чем у светодиода.

Фотодиоды и фототранзисторы. Фотоприемные устройства наиболее эффективно всего реализуются в кремнии. Весь диапазон видимого света и ближний диапазон инфракрасного света хорошо поглощаются в кремнии с образованием электрон-дырочных пар. Диффузионная длина неосновных носителей в кремнии в несколько раз больше глубины проникновения света в полупроводник. Следовательно, если в полупроводнике присутствует                 p – n - переход, то он собирает большую часть носителей. Один облучаемый светом диод может служить источником электропитания с напряжением 0,6¸0,7 В. Если на диод подать обратное смещение, то он превратится в фотодиод – детектор излучения, ток которого пропорционален освещенности кристалла. В полупроводниковой структуре фотодиоды легко совмещаются с биполярными транзисторами. Если фотодиод включить между коллектором и базой биполярного транзистора параллельно коллекторному p – n - переходу, то ток коллектора будет в В_N раз больше тока фотодиода, где В_N – коэффициент усиления по току биполярного транзистора.

Оптроны и волоконно-оптические линии связи. Оптрон – это устройство передачи электрических сигналов между цепями, не имеющими гальванической связи. Оптрон состоит из светодиода и фотодиода (фототранзистора), наклеенных на тонкое стекло активными поверхностями друг к другу. Ток фотодиода пропорционален току светодиода в очень широких пределах. Коэффициент передачи тока – несколько процентов.

Логичным развитием технологии оптронов стали системы связи на основе оптических волокон. На один торцевой контакт волокна приклеивается полупроводниковый лазер, а на другой - чувствительный фотоприемник. В современных системах удается передать по оптическому волокну световой сигнал на 100 км без его регенерации.

Фотоприемные матрицы. Коэффициент поглощения света в полупроводнике сильно зависит от длины волны. Коротковолновое излучение поглощается вблизи поверхности, а инфракрасное проникает на несколько микрон в подложку. На этом эффекте основано цветоделение в современных матричных фотоприемниках изображения.

Цветной фотоприемник включает несколько p – n - переходов один под другим, образующих стопку включенных последовательно фотодиодов. Обычно используется четыре p – n - перехода для разделения спектральных составляющих: синей, зеленой, красной и инфракрасной (рис. 16.1). Инфракрасная составляющая спектра в формировании изображения не участвует. Фоточувствительные ячейки с размерами порядка 4´4 мкм² объединяются в матрицы с числом фоточувствительных элементов (пикселей) до нескольких миллионов. Каждая ячейка содержит усилители фототока и схемы адресации и считывания.