Полупроводниковые оптоэлектронные приборы

Оптоэлектронным называют полупроводниковый прибор, излучающий или преобразующий электромагнит­ное излучение или чувствительный к этому излучению в видимой, инфракрасной и ультрафиолетовой областях спектра, либо использующий подобное излучение для внутреннего взаимодействия его элементов.

По принципу действия и выходному эффекту опто-электронные полупроводниковые приборы подразделяют­ся на излучающие, приемники излучения и оптопары, или оптроны.

Излучающие полупроводниковые приборы.Излу­чающим называют полупроводниковый прибор, пред­назначенный для непосредственного преобразования электрической (или световой) энергии в энергию свето­вого излучения. Излучающие полупроводниковые приборы подразделяются на четыре группы: светоизлучающие диоды, лазеры, электролюминесцентные порошковые и пленочные излучатели.

Наиболее характерным представителем излучающих полупроводниковых приборов является светоизлу-чающий диод (СИД), который преобразует электри­ческую энергию в энергию некогерентного светового из­лучения. Если ЭДП светоизлучающего диода включить в прямом направлении, то в результате инжекции под­вижных носителей заряда начнется их интенсивная ре­комбинация в прилегающих к ЭДП областях полупро­водника и в самом ЭДП.При рекомбинации зарядов происходит переход электронов с более высоких энерге­тических уровней, лежащих в зоне проводимости, на более низкие, расположенные в валентной зоне. Этот переход сопровождается выделением части энергии в виде тепла (фононная рекомбинация) или электромагнит­ного излучения (фотонная рекомбинация). В СИД ис­пользуется фотонная рекомбинация, которая является преобладающей в полупроводниках из арсенида (GaAs) ифосфида (GaP) галлия, карбида кремния (SiC) и со­провождается излучением видимого света в диапазоне от красного до голубого.

Если в одном кристалле полупроводника создать не­сколько излучающих ЭДП, то получится матричный СИД, используемый в цифровых и буквенных индикаторах. При соответствующем включении отдельных групп ЭДП матричного СИД высвечивается цифра или буква.

Полупроводниковые приемники излучения.Принцип действия полупроводниковых приемников электромагнит­ного излучения основан на использовании фотоэлектри­ческих явлений, или фотоэффектов. Различают два вида фотоэффекта — внутренний и внешний.

Под внутренним фотоэффектом понимают переход электронов вещества на более высокий энергетический уровень под действием излучения. Это приводит к изме­нению концентрации подвижных носителей заряда и, следовательно, к изменению электрических свойств полу­проводника.

Внешний фотоэффект представляет собой фотоэлект­ронную эмиссию, которая заключается в том, что испуска­ние электронов тем или иным веществом происходит при воздействии на это вещество ультрафиолетового, види­мого или инфракрасного излучения.

Полупроводниковыми приемниками излучения являют­ся фоторезисторы, фотодиоды, фототранзисторы и фото­тиристоры, в которых используется внутренний фото­эффект.

Фоторезистор представляет собой фоточувстви­тельную полупроводниковую пластинку или пленку (обыч­но из сульфида или селенида кадмия, а также из суль­фида свинца), нанесенную на диэлектрическую подложку. От концов пластинки делают выводы и помещают ее в пластмассовый корпус с окошком. Если между выводами фоточувствительной пластинки включить источник ЭДС, в цепи потечет небольшой ток, называемый темповым током. При освещении пластинки через окошко в корпусе сила тока увеличивается, что эквивалентно уменьшению сопротивления фоторезистора.

Фотодиод —это фотогальванический приемник излучения без внутреннего усиления, фоточувствительный элемент которого имеет структуру полупроводникового диода. В основу работы фотодиода положена зависи­мость обратного тока от освещенности.

Вольт-амперная характеристика неосвещенного фото­диода (Ф = 0) подобна ВАХ обычного полупроводнико­вого диода. При освещении в ЭДП происходит дополни­тельная генерация пар электрон — дырка. Электрическим полем ЭДП дырки перебрасываются в р-область, а элект­роны — в «-область, что приводит к увеличению потока неосновных носителей через ЭДП. Если к диоду подклю­чен внешний источник напряжения в обратном направ­лении, то это явление будет сопровождаться увеличе­нием обратного тока. Такой режим работы фотодиода называют фотопреобразовательным.

Переход образовавшихся в результате освещения фотодиода дырок в р-область, а электронов в п-область вызывает увеличение потенциала р-области и снижение потенциала n-области. В результате между р- и n-обла-стями возникает разность потенциалов, или фотоЭДС. Предельно возможное значение фотоЭДС равно контакт­ной разности потенциалов: до 0,6 В у селеновых и крем­ниевых фотодиодов и до 0,87 В у фотодиодов из арсенида галлия.

Следовательно, фотодиоды можно использовать в ка­честве источников ЭДС.

Фототранзистор — это фотогальванический при­емник излучения, фоточувствительный элемент которого содержит структуру транзистора, обеспечивающую уси­ление.

Конструктивно фототранзистор выполняется таким образом, чтобы световой поток воздействовал на базо­вую область. Обычно фототранзистор включается по схеме ОЭ, и через его коллекторный переход при отсут­ствии освещения протекает темновой ток . При освещении базы в ней происходит гене­рация дополнительных пар электрон — дырка. Дырки, яв­ляющиеся в n-базе неосновными носителями заряда, диффундируют к коллекторному переходу и втягиваются его полем в коллектор, образуя первую составляющую коллекторного фототока I_ф1 Для электронов электри­ческое поле коллекторного перехода представляет потен­циальный барьер, поэтому если вывод базы оставить неподключенным, то неравновесные электроны останутся в базе, уменьшая потенциальный барьер эмиттерного перехода. Это вызовет инжекцию дырок из р-эмиттера в базу, которые диффундируют к коллекторному переходу и образуют вторую составляющую коллекторного фото­тока I_ф2.

Если базовый вывод подключить к источнику напря­жения, как это делается у обычного биполярного тран­зистора, то можно получить не только оптическое, но и электрическое управление коллекторным током фототран­зистора.

Фототиристором называют фотогальваниче­ский приемник излучения, фоточувствительный элемент которого имеет структуру тиристора. Работа фототири­стора подобна работе тринистора. Различие заключается лишь в том, что напряжение включения, при котором происходит переход фототиристора из закрытого состоя­ния в открытое, определяется не управляющим током, а освещенностью одной из баз.

Фоторезисторы, фотодиоды, фототранзисторы и фото­тиристоры широко применяются в устройствах автома­тики и измерительной техники, системах телеуправления и сигнализации, в вычислительной технике, фотометрии, импульсных устройствах, оптопарах и др.

Оптопары.Оптопарой, или оптроном, называют оптоэлектронный полупроводниковый прибор, содержа­щий излучающий и фотоприемный элементы, между ко­торыми имеется оптическая связь и обеспечена электри­ческая изоляция (рис. 2. 18).

В источнике светового излучения ИС энергия электри­ческого сигнала преобразуется в световое излучение. Световое излучение через оптический канал ОК посту­пает на фотоприемник ФП, в котором преобразуется в электрическую энергию.

Излучателями в оптопарах обычно служат СИД.

В оптических каналах используются полимерные опти­ческие клеи и лаки, незатвердевающие вазелиноподобные и каучукоподобные оптические среды, а также волоконно-оптические световоды. В качестве фотоприемников в опто-парах применяются фоторезисторы, фотодиоды, фото­транзисторы, фототиристоры. В зависимости от типа фотоприемника различают резисторные, диодные, тран­зисторные и тиристорные оптопары.

Оптоэлектронные интегральные микросхемы состоят из одной или нескольких оптопар и электрически соеди­ненных с ними одного или нескольких согласующих или усилительных устройств.

Проблемы комплексной микроминиатюризации РЭА ускоряют развитие оптоэлекроники. В ряде случаев опто­пары успешно используются вместо импульсных транс­форматоров, реле, переключателей, переменных резисто­ров и потенциометров, а также других радиокомпонентов, имеющих механически перемещающиеся детали и плохую физическую и конструктивно-технологическую совмести­мость с полупроводниковыми и микроэлектронными при­борами.