Глава 5. Оптоэлектронные приборы и приборы отображения информации

В последнее время в связи с развитием волоконно-оптических систем связи, систем сбора информации и систем автоматики широкое распространение получили различные оптоэлектронные устройства и электронные схемы с оптическими устройствами, а также импульсные и ключевые схемы, управляемые световыми импульсами. Во многих случаях такие устройства превосходят по своим параметрам электронные или обладают рядом преимуществ. В частности, световой луч позволяет «развязать» высоковольтную и низковольтную части аппаратуры, предотвращая разрушение низко­вольтных приборов от случайного попадания высокого напряжения. Световым импульсом можно включать сильноточные высоковольтные выключатели и передавать телеметрическую информацию по волоконным кабелям, прикрепленным к проводу высоковольтной электрической линии.

Сейчас волоконно-оптические линии связи превосходят проводные по дальности передачи, информационно-пропускной способности и широкополосности. По волоконно-оптическим кабелям можно передавать световые управляющие импульсы и принимать информацию от датчиков. Телеметрические системы оптоволоконной связи и передачи информации особенно необходимы для обеспечения электромагнитной совместимости одной аппаратуры с другой, при наличии сильных электромагнитных помех или требовании соблюдения искро- и пожаробез­опасности. Таким образом, оптоэлектроника является одной из наиболее перспективных и бурно развивающихся областей электроники.

Фоточувствительные приборы

Фоточувствительные приборы — это электронные приборы, реагирующие на оптическое излучение в видимой, инфракрасной и ультрафиолетовой областях спектра и преобразующие оптиче­ские сигналы в электрические. На их основе создаются приборы, воспринимающие видимый окружающий мир и невидимые излучения. Современные оптоэлектронные приборы позволяют «видеть» невидимые ультрафиолетовое (УФ) и инфракрасное (ИК) излучения, а также регистрировать быстропротекающие импульсные процессы, которые не воспринимаются глазом.

Фоточувствительные приборы являются важнейшими элементами любого оптико-электронного устройства. Они состоят в основном из фоточувствительного элемента (оптического сенсора) и вспомогательных элементов (корпуса, окна, контактных выводов, встроенных усилителей), позволяющих связать оптическую и радиоэлектронную систе­мы в конкретной аппаратуре.

Фоточувствительные приборы делятся на приборы с внешним и внутренним фотоэффектом. К приборам с внешним фотоэффектом относятся вакуумные фотоэлементы и фотоумножители. Они основаны на «выбивании» фотонами электронов с поверхности металлов или оксидов в вакууме. Существуют фоточувствительные элементы, способные принимать очень слабые сигналы, усиливать их и преобразовывать в видимый свет (электронно-оптиче­ские преобразователи). Для приборов с внешним фотоэффектом требуется значительная энергия фотона, чтобы выбить электрон с поверхности. Поэтому они работают только в ультрафиолетовой и видимой области и применяются в основном в научной аппаратуре.

Большинство современных фоточувствительных элементов основано на внутреннем фотоэффекте, а именно на способности полупроводников изменять сопротивление под действием света (фоторезисторы, фотодиоды) или создавать разность электрических потенциалов (фотоЭДС).

Фоточувствительные приборы и фотоключи успешно применяются в системах автоматического управления станками и механизмами. Оптические устройства включения, переключения и выключения различных исполнительных устройств позволяют легко автоматизировать процессы счета деталей и изделий на конвейере, сортировки их по размерам, форме, цвету, качеству обработки, химическому составу и т.п. Эти приборы весьма успешно применяются в технике для контроля и регулирования различных физических величин: геометрических размеров деталей, температуры, цвета, а также для количественного и качественного анализа параметров твердых, жидких и газообразных сред. Разнообразные датчики с применением фотоприборов пригодны для создания устройств, контролирующих экологическую обстановку, т.е. сигнализирующих о возникновении пожароопасных ситуаций, сильной запыленности атмосферы, а также о загрязненности атмосферы и воды вредными примесями. На основе этих датчиков создают приборы, повышающие безопасность труда, например, предотвращающие случайное попадание человека в опасную зону лазерного излучения, зону работы роботов, зону вредных газов и т.п.

Фоточувствительные приборы находят применение во многих бытовых радиоэлектронных системах и устройствах (например, в лазерных цифровых проигрывателях с дисков, системах дистанционного управления магнитофонами и телевизорами, системах охранной и пожарной сигнализации, устройствах управления игрушками и моделями). Применение устройств передачи сигналов на инфракрасных лучах значительно упрощает системы связи (по сравнению с системами связи, построенными на основе радиотехнических средств), они более экономичны, имеют меньшие габаритные размеры и стоимость.

Различные типы фотоприборов, выпускаемых промышленно­стью, полностью охватывают оптическую область спектра электро­магнитного излучения, которое включает в себя три части: ультра­фиолетовую, с длинами волн от 0,1 до 0,38 мкм; видимую, с длинами волн 0,38…0,78 мкм; инфракрасную, с длинами волн 0,78…100 мкм.

Фоторезисторы

Фоторезистор — это фотоэлектрический полупроводниковый приемник излучения, принцип действия которого основан на эффекте фотопроводимости пленки полупроводника на диэлектрической поверхности. В отсутствие облучения светом ток, протекающий через прибор (темновой ток), при разности потенциалов 10…20 В обычно не превышает одного микроампера. При попадании на фоточувствительную поверхность фоторезистора оптического излучения его проводимость возрастает в тысячи раз, а ток может возрасти до нескольких сотен миллиампер.

Для видимой области оптического диапазона в качестве материала чувствительного элемента фоторезисторов используют сульфид кадмия (CdS) и селенид кадмия (CdSe). Для длины волны 1…5 мкм (ИК область) применяют сульфид и селенид свинца (PbS и PbSe).

Темновой ток фоторезистора обычно растет с ростом температуры, т.е. повышение температуры увеличивает число носителей зарядов, что приводит к увеличению темнового тока, смещению нуля и ухудшению точности приборов.

Фотодиоды

Фотодиод — это фоточувствительный полупроводниковый диод с р-п-переходом (между двумя типами полупроводника или между полупроводником и металлом). При освещении р-п-перехода в нем возникают электронно-дырочные пары. Направление тока этих носи­телей зарядов совпадает с направлением обратного тока перехода.

Полупроводниковая структура фотодиода с р-п-переходом по­казана на рис. 5.1, а, виды германиевого (ФД-7Г) и кремниевого (ФД-24К) фотодиодов — на рис. 5.1, б, а УГО одиночного фотодиода — на рис. 5.1,. Семейство вольтамперных характеристик (ВАХ) при разной освещенности Ф_i показано на рис. 5.1, г.

Рис. 5.1. Структура фотодиодов (а), виды (б), УГО (в) и семейство ВАХ при разных световых потоках Ф, (г): 1— слой полупроводника с п-проводимостью; 2 — слой полупроводника с р-проводимостью; 3 — металлические контакты; Ф — световой поток

При освещении фоточувствительной поверхности фотодиода свет частично теряется (отражается, рассеивается) и частично распространяется под этой поверхностью. При поглощении оптиче­ского излучения фоточувствительным полупроводниковым материалом в нем возникают носители зарядов — электроны и дырки, что приводит к появлению электропроводности, называемой фотопроводимостью. Значение фотопроводимости зависит от коэффициента поглощения фотонов материалом, а также от квантового выхода числа электрон-дырочных пар (фото­ионизации), образуемых под воздействием одного кванта излучения. Подвижность электрон-дырочных пар определяет скорость генерации носителей зарядов и, следовательно, быстродействие фотодиода.

Семейство ВАХ фотодиода (ФД-24К) при различных световых потоках Фiприведено на рис. 5.1, г. На этом рисунке показано, что наибольшее изменение тока в диоде происходит при встречном включении. При этом без освещения (Ф=0) диод практически не поводит тока, а при увеличении освещенности ток нарастает.

Фотодиоды используются в фотодиодном и фотогальваниче­ском режимах.

В первом случае на диод подается обратное напряжение и фототок, возникающий при освещении, будет функцией мощности светового потока. Этот режим показан на рис. 5.1, г в левом нижнем квадранте при разной освещенности Ф.

Во втором случае прибор работает в режиме генерации фотоЭДС, т.е. при освещении р-п-перехода на выходе фотодиода возникает напряжение, пропорциональное мощности светового потока. В этом случае фотодиод работает как солнечная батарея. Этот фотогальванический режим показан рис. 5.1, г в правом нижнем квадранте.

Фотодиодный режим обеспечивает ряд преимуществ по сравнению с фотогальваническим: повышенные быстродействие и чувствительность фотодиода к длинноволновой части оптического спектра, а также более широкий динамический диапазон с линейной характеристикой.

Схемы включения фотодиодов в фотодиодном режиме приведены на рис. 5.2.

Рис. 5.2.Схемы включения фотодиодов в фотодиодном режиме: а, б — в качестве фоторезисторов; в — в усилительном транзисторном каскаде

Основной недостаток фотодиодного режима — наличие шумового тока, протекающего через нагрузку, поэтому в ряде случаев при необходимости обеспечения низкого уровня шума фотоприемника фотогальванический режим может оказаться более выгодным, чем фотодиодный. Для снижения шумового тока используют охлаждение фотодиода до -30°С с помощью полупроводниковых холодильников Пельтье.

Люксамперные характеристики (ЛАХ) кремниевых фотодиодов линейны до значений интенсивности освещенности, превышающих несколько Ватт (сотни тысяч люкс). Насыщение фотодиода и выход на нелинейный участок ЛАХ в фотогальваническом режиме наступают при меньших уровнях освещенности, чем в фотодиодном. Насыщение германиевого фотодиода в фотодиодном режиме происходит при мощности облучения в несколько Ватт.

Фоточувствительность и нижний порог возможного обнаружения света фотодиода уменьшаются с увеличением температуры прибора, а уровень собственных шумов увеличивается из-за увеличения темнового тока. Понижение температуры окружающей среды приводит к противоположным изменениям: повышению чувствительности, снижению шумов, расширению спектрального диапазона. Поэтому для улучшения работы применяют охлаждение фотодиодов полупроводниковым холодильником на основе эффекта Пельтье.

В паспорте фотодиодов приводятся следующие основные параметры: токовая чувствительность Sт, постоянные времени нараста­ния Тни спада Тспимпульса фототока (или граничные частоты модуляции светово­го потока), рабочая длина волны или рабочий интервал длины волны.

Спектральные характеристики выходных токов I(l) кремниевых и германиевых фотодиодов, нормированные относительно максимального значения чувствительности для кремниевого диода на длине волны lmax (Imax), приведены на рис. 5.3.

Рис. 5.3. Спектральные характеристики выходных токов кремниевого и германиевого фотодиодов

Максимум чувствительности кремниевого фотодиода находится в пределах длины волны 0,80…0,95 мкм, а длинноволновый край его чувствитель­ности — 1,1 мкм. У германиевых фотодиодов максимум чувствительности сдвинут в сторону более длинных волн (1,3…1,4 мкм), а длинноволновый край его чувствительности — 1,7 мкм.

На рис. 5.4 показаны схемы включения фотодиодов в транзисторные каскады усиления при обратном включении и управлении током базы транзистора.

Рис. 5.4. Различные (а...в) схемы включения фотодиодов в транзисторные каскады усиления

Фотодиоды могут использоваться для построения ключевых каскадов так же, как и фоторезисторы. Ключевые каскады, приведенные на рис. 5.4, могут работать при сильных световых потоках и малых мощностях нагрузки. Специальные сильноточные фотодиоды используют и как самостоятельные фотоключи, и как ключи в составе оптопары светодиод—фотодиод. При слабых световых потоках и значительных нагрузках необходимо применять дополнительные ключевые или усилительные каскады.

В цифровых системах передачи информации требуются фотодиоды с высоким быстродействием и малой инерционностью. Инерционность их зависит от временных характеристик процесса фотогенерации носителей, условий разделения электронно-дырочных пар, емкости р-п-перехода, а также от сопротивления нагрузки. Быстродействие конкретного фотодиода можно охаракте­ризовать граничной частотой fгр, соответствующей максимальной частоте модуляции светового потока, на которой чувствительность уменьшается до уровня 0,7 от чувствительности, соответствующей низкой частоте модуляции. Для кремниевых и германиевых фотодиодов с малой с рабочей площадкой (S » 1 мм2)граничная частота fгр » 1 ГГц.

Параметрами быстродействия (или инерционности) фотодиодов являются также постоянные времени нарастания Тни спада Тспфототока, определяющие интервалы времени, в течение кото­рых фототок изменяется в е» 2,7 раз от установившегося значения при Ф = const соответственно после включения или выключения светового потока. Для кремниевых и германиевых малогабарит­ных фотодиодов значения этих величин составляют 1…2 нс.

Пин- и лавинные фотодиоды.Особую группу фотодиодов, отличающихся очень малой инерционностью и высокой чувствительностью, составляют p-i-n-фотодиоды (пин-фотодиоды) и лавинные.

В волоконно-оптических линиях связи от фотодиода требуются высокие чувствительность и быстродействие (время переключения менее наносекунды). Такие фотодиоды необходимы также в цифровых телевизионных системах, системах записи и воспроизведения звука с компакт-дисков и др. В подобных устройствах применяют p-i-n-фотодиоды и лавинные.

Структура p-i-n-фото­диода отличается от обычного диода (рис. 4.5). На подложке с повышенной проводимостью n(+) сформированы i-слой чистого (нелегированного) полупроводника с очень малой собственной проводимостью и слой с повышенной проводимо­стью р(+) толщиной до 0,3 мкм. При подаче обратного напря­же­ния смещения обедненным оказывается весь i-слой. В результате емкость перехода уменьшается, расширяется область поглощения падающего светового потока и повышается чувствительность прибора. Пин-фотодиоды могут регистрировать излучение мощностью »10 нВт. Сопротивление нагрузки для них выбирают равным 50 Ом, что позволяет получить постоянную времени q = 0,05..0,1 нс и обеспечить прием сигналов с частотой соответственно 20 и 10 ГГц.

Рис. 5.5. Структуры p-i-n фотодиода (а) и лавинного фотодиода (б); в – распределение напряжения в лавинном фотодиоде

В лавинном фотодиоде (рис. 5.5) излучение поглощается в обедненном слое р^(-). Для создания ударной ионизации фотовозбужденными носителями зарядов рядом с р-п-переходом формируют слаболегированную область р^(-) с высокой напряженностью электрического поля (более 105В/см). Под воздействием света в ней возникают возбужденные электроны и дырки. Электроны ускоряются электрическим полем, соударяются с атомами полупроводника, и происходит лавинное умножение носителей зарядов. Коэффициент умножения при напряжении смещения, близком к напряжению пробоя, может достигать 1000, благодаря чему лавинный фотодиод позволяет регистрировать сигналы мощностью »1 нВт. Значения коэффициента умножения и напряжение пробоя зависят от температуры. Постоянная времени лавинного фотодиода при рабочем напряжении 100...150 В оказывается равной примерно 0,03 нс, что позволяет работать с частотами до 20 ГГц.

Для уменьшения отражения света поверхность окна в фотодиодах покрывают просветляющей пленкой. По периметру рабочей поверхности формируют металлическое кольцо, создающее равномерное распределение электрического поля.

Недостатком лавинного фотодиода является необходимость работы при большом напряжении ( ≈100 В), что требует наличия специального источника питания.

Фототранзисторы

Фототранзистор — это полупроводниковый приемник излучения, по структуре подобный транзистору (биполярному или полевому) и обеспечивающий внутреннее усиление сигнала.

Полупроводниковая структура биполярного фототранзистора показана на рис. 5.6, а, а его ВАХ зависимости от светового потока Ф приведены на рис. 5.6, б.

Рис. 5.6. Структура фототранзистора (а) и его ВАХ при разных световых потоках (б)

В корпусе прибора предусмотрено прозрачное окно, через которое световой поток попадает на область базы транзистора. База при этом может быть отключенной.

При освещении в базе возникают носители зарядов (электронно-дырочные пары). Так же, как в фотодиоде, пары, достигшие в результате диффузии коллекторного перехода, разделяются полем перехода: дырки (в р-п-р-транзисторе) движутся в коллек­тор, увеличивая его ток, а электроны остаются в базе, понижая ее потенциал. На эмиттерном переходе создается дополнительное прямое напряжение, вызывающее дополнительную инжекцию дырок из эмиттера в базу и соответствующее увеличение тока коллектора.

Фототранзисторы могут быть и на полевых МДП (или МОП)-структурах. На рис. 5.7 показаны два вида МДП-структур фототранзисторов: с встроенным и индуцированным каналами.

Рис. 5.7. Структуры МДП- фототранзисторов с встроенным (а) и индуцированным (б) каналами проводимости

(1 — металл; 2 — диэлектрик; 3 — полупроводник)

МДП-транзистор с встроенным каналом (см. рис. 5.7, а) создается на подложке из полупроводникового материала с р-проводимостью, в которой формируются канал п и две области п⁽⁺⁾, выполняющие функции его токосъемов. Одна из этих областей является истоком, другая — стоком. Затем структуру покрывают слоем диэлектрика. Над n-каналом на диэлектрик наносят металлический электрод — затвор.

При подаче на затвор отрицательного напряжения п-канал обедняется электронами и сопротивление его растет. При подаче на затвор положительного напряжения п-канал обогащается электро­нами и его сопротивление уменьшается; соответственно изменяется ток между истоком и стоком.

В МДП-фототранзисторе второго вида (см. рис. 5.7, б) канал проводимости не встраивают. При нулевом напряжении на за­творе токосъемы из материала с проводимостью п(+) разъединены обедненной областью с проводимостью р и ток между ними не протекает. При положительном напряжении на затворе концентра­ция дырок у поверхности уменьшается, и количество электронов в при­поверхностном слое становится больше, чем количество дырок. При этом полупроводник приобретает проводимость, т.е. об­ра­зуется индуцированный проводящий канал проводимости п-ти­­­­па. В отличие от транзистора с встроенным каналом такой транзистор работает только при положительном напряжении на затворе.

Освещение канала также приводит к увеличению его проводимости за счет фотоиндуцированных носителей зарядов. При освещении зависимость тока от напряжения на затворе максимальна, после чего ток падает.

Фототранзисторы используют в качестве ключей для видимой и ближней ИК областей спектра, а также в оптопарах (узлах запуска тиристоров, мультивибраторах, генераторах колебаний сложной формы и т.п.). Необходимо отметить, что фототранзисторы имеют, как правило, слаботочное исполнение, так как от них требуются высокое быстродействие и регистрация слабых световых потоков. Следовательно, используются они совместно с усилительными или ключевыми каскадами.

Фототранзисторы хорошо сочетаются с логическими элементами. Некоторые особенности имеет сопряжение фототранзисторов с полевыми транзисторами, входное сопротивление которых очень велико. В этом случае усилитель практически не потребляет ток и реагирует на изменение напряжения на фотоприемнике.

Фототиристоры

Фототиристор — это полупроводниковый приемник излучения, содержащий четырехслойную р-п-р-п-структуру тири­стора, которая обеспечивает переключающие свойства прибора.

Полупроводниковая четырехслойная р-п-р-п-структура фо­тотиристора (см. гл. 1) имеет два р-п-перехо­да, один из которых смещен в прямом направлении, а другой — в обратном. При таком включении переходов фототиристор можно представить как два последовательно включенных транзистора р-п-р и п-р-п с положительной обратной связью через общий коллектор. Сильная положительная обратная связь приводит к появлению на ВАХ фототиристора участка с отрицательным динамическим сопротивлением.

Фототиристор может находиться в одном из двух устойчивых состояний соответствующих положению рабочей точки: либо ниже прямой тока срыва Iср(фототиристор закрыт), либо выше ее (фото­тиристор открыт). Переход из одного устойчивого состояния в другое происходит скачком, когда напряжение на управляющем электро­де (УЭ) или освещенность превышают некоторое пороговое значение. При этом переходе сопротивление фототиристора и ток через него изменя­ются в 106…107раз. При темновом сопротивлении примерно от 107Ом, ток в закрытом состоянии фототиристора составляет около 10-6А. В открытом состоянии ток фототиристора равен 0,1…1,0 А. Таким образом, фототиристор, имея очень высокие ко­эффициенты усиления по току и мощности, может быть хорошим ключевым устройством.

Фототиристоры используют для прямого оптического управления мощными электрическими устройствами в цепях постоянного и переменного токов как оптоэлектронные ключи.