Светочувствительные устройства

Старейшим из оптоэлектронных устройств явля­ется фоторезистор. Его внутреннее сопротивление изменяется при изменении интенсивности света. Изменение сопротивления не пропорционально ин­тенсивности света. Фоторезисторы изготавливают из светочувствительных материалов, таких как суль­фид кадмия (CdS) или селенид кадмия (CdSe).

Типичный фоторезистор устроен следующим обра­зом. Светочувствительный материал нанесен на изоли­рующую подложку из стекла или керамики в виде S-образной фигуры для увеличения длины фоторезистора. Все это помещено в корпус с окошком, пропускаю­щим свет. Его сопротивление может изменяться от не­скольких сотен МОм до нескольких сотен Ом. Фоторе­зисторы применяются при низких интенсивностях све­та. Они могут выдерживать высокие рабочие напряже­ния до 200-300 В при малом потреблении мощности до 300 мВт. Недостатком фоторезисторов является мед­ленный отклик на изменения света.

На рис. 11.34 показано схематическое обозначе­ние фоторезистора. Стрелки показывают, что это - светочувствительное устройство.

Рис. 11.34

Фоторезисторы используются для измерения ин­тенсивности света в фотографическом оборудовании, в охранных датчиках, в устройствах автоматичес­кого открывания дверей, в различном тестирующем оборудовании для измерения интенсивности света.

Фотогальванический элемент (солнечный эле­мент) преобразует световую энергию непосредствен­но в электрическую энергию. Батареи солнечных элементов применяются главным образом для пре­образования солнечной энергии в электрическую.

Солнечный элемент - это устройство на основе p-n-перехода, сделанное из полупроводниковых ма­териалов. В большинстве случаев их делают их крем­ния. На металлическую подложку, служащую од­ним их контактов, наносятся слои полупроводника р-типа и n-типа, которые образуют p-n-переход. Сверху наносится металлическая пленка, служащая вторым контактом.

Свет, попадая на поверхность солнечного элемен­та, передает большую часть своей энергии атомам полупроводникового материала. Световая энергия выбивает валентные электроны с их орбит, созда­вая свободные электроны- Вблизи обедненного слоя электроны притягиваются материалом n-типа, со­здавая небольшое напряжение вдоль p-n-перехода. При увеличении интенсивности света это напряже­ние увеличивается. Однако не вся световая энергия, попадающая в солнечный элемент, создает свобод­ные электроны. В действительности солнечный эле­мент - это довольно неэффективное устройство с мак­симальной эффективностью порядка 15% .

Солнечные элементы дают низкое выходное на­пряжение порядка 0,45 В при токе 50 мА. Их необ­ходимо соединять в последовательно-параллельные цепи для того, чтобы получить от них желаемое вы­ходное напряжение и ток.

Солнечные элементы применяются для измере­ния интенсивности света в фотографическом обору­довании, для декодирования звуковой дорожки в кинопроекторах и для зарядки батарей на косми­ческих спутниках.

Схематическое обозначение солнечного элемента показано на рис. 11.35. Положительный вывод обо­значается знаком плюс (+).

рис. 11.35

Фотодиод также использует p-n-переход, и его ус­тройство подобно устройству солнечного элемента. Он используется так же, как и фотосопротивление, в качестве резистора, сопротивление которого ме­няется при освещении. Фотодиоды - это полупро­водниковые устройства, которые изготавливаются главным образом из кремния. Их делают двумя спо­собами. Первый способ - это простой p-n-переход. При другом способе между слоями р-типа и n-типа вставляется слой нелегированного полупроводника, образуя p-i-n фотодиод.

Принципы работы фотодиода с p-n-переходом та­кие же, как у солнечного элемента, за исключени­ем того, что он используется для управления током, а не для создания его. К фотодиоду прикладывается обратное напряжение смещения, формирующее ши­рокий обедненный слой. Когда свет попадает в фо­тодиод, он проникает в обедненный слой и создает там свободные электроны. Электроны притягиваются к положительному выводу источника смещения. Че­рез фотодиод в обратном направлении течет малый ток. При увеличении светового потока возрастает число свободных электронов, что приводит к увели­чению тока.

p-i-n фотодиод имеет слой нелегированного мате­риала между областями р и п. Это эффективно рас­ширяет обедненный слой. Более широкий обеднен­ный слой позволяет p-i-n фотодиоду реагировать на свет с более низкими частотами. Свет с более низ­кими частотами имеет меньшую энергию и, следо­вательно, должен глубже проникать в обедненный слой перед созданием свободных электронов. Более широкий обедненный слой дает больше возможнос­тей для создания свободных электронов, p-i-n фото­диоды являются более эффективными во всех отно­шениях.

Благодаря слою нелегированного материала, p-i-n фотодиоды имеют более низкую собственную ем­кость. Это обеспечивает более быстрый отклик на изменения интенсивности света. Кроме того, изме­нение их обратного тока в зависимости от интен­сивности является более линейным.

Преимуществом фотодиода является его быстрый отклик на изменения интенсивности света, самый быстрый из всех фоточувствительных устройств. Не­достатком является низкая выходная мощность по сравнению с другими фоточувствительными устрой­ствами.

Схематическое обозначение фотодиода показано на рис. 11.36. Способ включения фотодиода в цепь показан на рис. 11.37.

Рис. 11.36 Рис. 11.37

Фототранзистор устроен подобно другим тран­зисторам с двумя p-n-переходами. Фототранзисторы могут давать больший выходной ток, чем фотодио­ды. Их отклик на изменения интенсивности света не так быстр, как у фотодиодов. В данном случае за увеличение выходного тока приходится жертвовать скоростью отклика.

Фототранзисторы применяются для измерения ско­рости вращения различных устройств (фототахомет­ры), для управления фотографической экспозицией, в противопожарных датчиках, в счетчиках предметов и в механических позиционерах. На рис. 11.38 изоб­ражено схематическое обозначение фототранзистора.

рис. 11.38

Светоизлучающие устройства

Светоизлучающие устройства излучают свет при прохождении через них тока, преобразуя электри­ческую энергию в световую. Светоизлучающий диод (светодиод) - это наиболее распространенное полу­проводниковое светоизлучающее устройство. Буду­чи полупроводниковым устройством, он имеет не­ограниченный срок службы ввиду отсутствия высо­котемпературного нагрева, что служит причиной выхода из строя обычных ламп.

Любой p-n-переход может испускать свет, когда через него проходит ток. Свет возникает, когда сво­бодные электроны рекомбинируют с дырками и лиш­няя энергия освобождается в виде света. Частота испускаемого света определяется типом полупровод­никового материала, использованного при изготовле­нии диода. Обычные диоды не излучают свет потому, что они упакованы в непрозрачные корпуса.

Светодиоды - это просто диоды с p-n-переходом, которые излучают свет при прохождении через них тока. Этот свет виден потому, что светодиоды упа­кованы в полупрозрачный материал. Частота излу­чаемого света зависит от материала, использован­ного при изготовлении светодиода. Арсенид галлия (GaAs) излучает свет в инфракрасном диапазоне, который не воспринимается человеческим глазом. Арсенид-фосфид галлия излучает видимый красный свет. Изменяя содержание фосфора, можно полу­чить светодиоды, излучающие свет различной час­тоты.

На рис. 11.39 показано устройство светодиода. Слой типар сделан тонким для того, чтобы не препятство­вать прохождению света, излучаемого р-п-переходом.

Рис. 11.39

После изготовления светодиод помещается в кор­пус, который рассчитан на максимальное пропус­кание света. Многие светодиоды содержат линзы, которые собирают свет и увеличивают его интен­сивность. Корпус светодиода может также служить светофильтром для того, чтобы обеспечить излуче­ние света определенной частоты.

Для того чтобы светодиод излучал свет, на него должно быть подано прямое смещающее напряже­ние, превышающее 1,2 В., Так как светодиод легко может быть поврежден большим током или напря­жением, последовательно с ним включается резис­тор для ограничения тока.

Схематическое обозначение светодиода показано на рис. 11.40. На рис. 11.41 изображена схема включения светодиода. Включенный последовательно резистор используется для ограничения прямого тока.

Рис. 11.40 Рис. 11.41

Сборки светодиодов применяются для изготовле­ния широко распространенных семисегментных ин­дикаторов, используемых для отображения цифр.

Рис. 11.42

На рис. 11.42 показано схематическое обозначе­ние оптопары. Оптопара состоит из светодиода и фо­тотранзистора. Оба устройства размещены в одном корпусе. Они связаны световым лучом, излучаемым светодиодом. Сигнал, поступающий на светодиод, может меняться, что в свою очередь изменяет ин­тенсивность излучаемого света. Фототранзистор пре­образует изменения света опять в электрическую энергию. Оптопара позволяет передавать сигнал от одной цепи к другой, обеспечивая высокую степень электрической изоляции их друг от друга.

Интегральные микросхемы

Транзисторы и другие полупроводниковые уст­ройства благодаря их малым размерам и энергопотреблению сделали возможным уменьшение разме­ров электронных цепей. Следующим шагом в ми­ниатюризации электронных устройств стали интег­ральные микросхемы, содержащие целые цепи. Целью разработки интегральных микросхем явля­ется получение устройства, выполняющего опреде­ленную функцию (например, усиление или переклю­чение) и устраняющего разрыв между отдельными компонентами и цепями.

Интегральная микросхема (ИС) - это закончен­ная электронная цепь в корпусе, не большем, чем стандартный маломощный транзистор. Цепь состо­ит из диодов, транзисторов, резисторов и конденса­торов. ИС производятся по такой же технологии и из таких же материалов, которые используются при производстве транзисторов и других полупроводни­ковых устройств.

Наиболее очевидным преимуществом ИС являет­ся ее малый размер. Она состоит из кристалла по­лупроводникового материала, размером примерно в один квадратный сантиметр. Благодаря малым раз­мерам ИС находят широкое применение в военных и космических программах. Использование ИС пре­вратило калькулятор из настольного в ручной инст­румент, а компьютерные системы, которые раньше занимали целые комнаты, превратились в портатив­ные модели.

Вследствие малых размеров ИС потребляют мень­шую мощность и работают с более высокой скорос­тью, чем стандартные транзисторные цепи, так как благодаря прямой связи внутренних компонент уменьшается время перемещения электронов.

ИС более надежны, чем непосредственно связан­ные транзисторные цепи, поскольку в них все внут­ренние компоненты соединены непрерывно. Все эти компоненты сформированы одновременно, что

уменьшает вероятность ошибки. После того как ИС сформирована, она проходит предварительное тес­тирование перед окончательной сборкой.

Производство многих типов ИС унифицировано, что приводит к существенному снижению их сто­имости. Производители предлагают полные и стан­дартные линии микросхем.

ИС уменьшают количество деталей, необходимых для конструирования электронного оборудования. Это уменьшает накладные расходы производителя, что в дальнейшем снижает цену электронного обо­рудования.

ИС имеют также некоторые недостатки. Они не могут работать при больших значениях токов и на­пряжений. Большие токи создают избыточное теп­ло, повреждающее устройство. Высокие напряже­ния пробивают изоляцию между различными внут­ренними компонентами. Большинство ИС являют­ся маломощными устройствами, питающимися на­пряжением от 5 до 15 В и потребляющими ток, из­меряющийся миллиамперами. Это приводит к по­треблению мощности, меньшей, чем 1 Вт.

ИС содержат компоненты только четырех типов: диоды, транзисторы, резисторы и конденсаторы. Ди­оды и транзисторы - самые легкие для изготовле­ния компоненты и самые миниатюрные. Резисторы более трудны в изготовлении, к тому же чем боль­ше сопротивление резистора, тем больше он по раз­мерам. Конденсаторы занимают больше места, чем резисторы, и также увеличиваются в размере по мере увеличения емкости.

ИС не могут быть отремонтированы. Это обуслов­лено тем, что внутренние компоненты не могут быть отделены друг от друга. Следовательно, проблема решается заменой микросхемы, а не заменой отдель­ных компонентов. Преимущество этого "недостатка" состоит в том, что он сильно упрощает эксплуа­тацию систем высокой сложности и уменьшает вре­мя, необходимое персоналу для сервисного обслу­живания оборудования.

Если все факторы собрать вместе, то преимуще­ства перевесят недостатки. ИС уменьшают разме­ры, вес и стоимость электронного оборудования, од­новременно увеличивая его надежность. По мере ус­ложнения микросхем они стали способны выпол­нять более широкий круг операций.

ИС классифицируются согласно способу их изго­товления. Наиболее широко используются следую­щие способы изготовления: монолитный, тонкопле­ночный, толстопленочный и гибридный.

Монолитные ИС изготавливаются так же, как и транзисторы, но включают несколько дополнитель­ных шагов. Изготовление ИС начинается с круглой кремниевой пластины диаметром 8-10 см и около 0,25 мм толщиной. Эта пластина служит основой (подложкой), на которой формируется ИС. На од­ной подложке одновременно формируется до не­скольких сотен ИС. Обычно все микросхемы на под­ложке одинаковы.

После изготовления ИС тестируются прямо на подложке. После тестирования подложка разреза­ется на отдельные чипы. Каждый чип представляет собой одну ИС, содержащую все компоненты и со­единения между ними. Каждый чип, который про­ходит тест контроля качества, монтируется в кор­пус. Несмотря на то, что одновременно изготовля­ется большое количество ИС, далеко не все из них оказываются пригодными для использования. Эф­фективность производства характеризуют таким параметром, как выход. Выход - максимальное чис­ло пригодных ИС по сравнению с полным числом изготовленных.

Тонкопленочные ИС формируются на поверхнос­ти изолирующей подложки из стекла или керами­ки, обычно размером около 5 см². Компоненты (ре­зисторы и конденсаторы) формируются с помощью очень тонких пленок металлов и окислов, наноси­мых на подложку. После этого наносятся тонкие полоски металла для соединения компонентов. Ди­оды и транзисторы формируются как отдельные полупроводниковые устройства и подсоединяются в соответствующих местах. Резисторы формируются нанесением тантала или нихрома на поверхность подложки в виде тонкой пленки толщиной 0,0025 мм. Величина резистора определяется длиной, ши­риной и толщиной каждой полоски. Проводники формируются из металла с низким сопротивлени­ем, такого как золото, платина или алюминий. С помощью этого процесса можно создать резистор с точностью ±0,1%.

Тонкопленочные конденсаторы состоят из двух тонких слоев металла, разделенных тонким слоем диэлектрика. Металлический слой нанесен на под­ложку. После этого на металл наносится слой окис­ла, образуя диэлектрическую прокладку конденса­тора. Она формируется обычно такими изолирую­щими материалами, как окись тантала, окись крем­ния или окись алюминия. Верхняя часть конденса­тора создается из золота, тантала или платины, на­несенных на диэлектрик. Полученное значение ем­кости конденсатора зависит от площади электродов, а также от толщины и типа диэлектрика.

Чипы диодов и транзисторов формируются с по­мощью монолитной техники и устанавливаются на подложке. После этого они электрически соединя­ются с тонкопленочной цепью с помощью очень тон­ких проводников.

Материалы, используемые для компонентов и про­водников, наносятся на подложку методом испаре­ния в вакууме или методом напыления. В процессе испарения в вакууме материал достигает предвари­тельно нагретой подложки, помещенной в вакуум, и конденсируются на ней, образуя тонкую пленку.

Процесс напыления происходит в газонаполнен­ной камере при высоком напряжении. Высокое на­пряжение ионизирует газ, и материал, который дол­жен быть напылен, бомбардируется ионами. Ионы выбивают атомы из напыляемого материала, кото­рые затем дрейфуют по направлению к подложке, где и осаждаются в виде тонкой пленки. Для осаж­дения пленки нужной формы и в нужном месте ис­пользуется маска. Другой метод состоит в покры­тии всей подложки полностью и вырезании или вытравливании ненужных участков.

При толстопленочном методе резисторы, конден­саторы и проводники формируются на подложке методом трафаретной печати: над подложкой раз­мещается экран из тонкой проволоки, и металлизи­рованные чернила делают сквозь него отпечаток. Экран действует как маска. Подложка и чернила пос­ле того нагреваются до температуры свыше 600 "С для затвердевания чернил.

Толстопленочные конденсаторы имеют неболь­шие значения емкости (порядка нескольких пФ). В тех случаях, когда требуются более высокие зна­чения емкости, используются дискретные конден­саторы. Толстопленочные компоненты имеют тол­щину 0,025 мм. Толстопленочные компоненты по­хожи на соответствующие дискретные компоненты.

Гибридные ИС формируются с использованием монолитных, тонкопленочных, толстопленочных и дискретных компонентов. Это позволяет получать цепи высокой степени сложности, используя монолитные цепи, и в то же самое время использовать преимущества высокой точности и малых допусков, которые дает пленочная техника. Дискретные ком­поненты используются потому, что они могут рабо­тать при относительно высокой мощности.

ИС упаковываются в корпуса, рассчитанные на защиту их от влаги, пыли и других загрязнений. Наиболее популярным является корпус с двухряд­ным расположением выводов (DIP). Он производит­ся нескольких размеров для того, чтобы соответство­вать различным размерам ИС: микросхемам малой и средней степени интеграции, микросхемам боль­шой степени интеграции (БИС) и сверхбольшим интегральным микросхемам (СБИС). Корпуса изго­товляются либо из керамики, либо из пластмассы. Пластмассовые корпуса дешевле и пригодны для большинства применений при рабочей температуре от О °С до 70 °С. Микросхемы в керамических кор­пусах дороже, но обеспечивают лучшую защиту от влаги и загрязнений. Кроме того, они работают в более широком диапазоне температур (от -55 "С до -125 'С). Микросхемы в керамических корпусах ре­комендуются для использования в военной и аэро­космической технике, а также в некоторых отрас­лях промышленности.

Маленький 8-выводный корпус типа DIP исполь­зуется для устройств с минимальным количеством входов и выходов. В нем располагаются главным образом монолитные интегральные микросхемы.

Плоские корпуса меньше и тоньше, чем корпуса типа DIP, и они используются в случаях, когда пространство ограничено. Они изготовляются из ме­талла или керамики и работают в диапазоне темпе­ратур от -55 'С до +125 'С.

После того как интегральная микросхема заклю­чена в корпус, ее тестируют, чтобы проверить, удовлетворяет ли она всем требуемым параметрам. Тес­тирование проводится в широком диапазоне темпе­ратур.