Исследование оптоэлектронных приборов.

Цель: исследование характеристик фоточувствительных и светоизлучающих приборов.

Краткие теоретические сведения.

Оптоэлектронные полупроводниковые приборы можно разделить на две группы: излучающие и фоточувтсвительные (фотоприемные). К первой группе относятся светодиоды и полупроводниковые лазерные излучатели, а ко второй – фотодиоды, фототранзисторы, фототиристоры, фоторезисторы и ряд других.

Светодиод представляет собой прибор с p-n переходами между слоями полупроводниковых материалов, входящих в его состав. Он преобразует энергию протекающего через него тока в электромагнитное некогерентное излучение.

При прохождении через диод прямого тока в зоне p-n перехода происходит рекомбинация электронов и дырок. Этот процесс может сопровождаться электромагнитным излучением с частотой , определяемой соотношением:

(5.1)

где – величина, соответствующая ширине запрещенной зоны полупроводника, – постоянная Планка.

У диодов, из германия, кремния и арсенида галлия, максимум излучаемой энергии приходится на инфракрасную область, и, кроме того, у германиевых и кремниевых диодов велика вероятность безызлучательной рекомбинации.

Для изготовления светодиодов, излучающих в видимом диапазоне, применяются специальные полупроводниковые материалы – фосфид галлия, нитрид галлия, карбид кремния и другие с большой шириной запрещенной зоны. В современных светодиодах используются гетеропереходы, то есть полупроводниковые структуры на основе материалов с разной шириной запрещенной зоны.

Вольтамперная характеристика светодиода (рис. 5.2) похожа на характеристику обычного полупроводникового диода. Ее особенность состоит в том, что величины прямых напряжений могут достигать нескольких вольт (из-за большой ширины запрещенной зоны), а обратные напряжения невелики вследствие малой толщины p-n перехода. При электрическом пробое светодиода, вследствие ударной ионизации в объеме p-n перехода также может возникнуть излучение электромагнитной энергии. Однако, интенсивность излучения в таком режиме мала, и он не находит практического применения.

Рис. 5.2. Вольтамперные характеристики светодиодов.

Важной характеристикой светодиода является яркостная, то есть зависимость яркости излучения от величины прямого тока. Яркость определяется отношением силы света к площади светящейся поверхности.

Светодиоды, в отличие от других излучающих приборов (ламп накаливания и т.п.), являются очень быстродействующими (безынерционными). Время, за которое световой поток, формируемый светодиодом при подаче прямоугольного импульса прямого тока, достигает максимума, лежит в пределах от единиц микросекунд до десятков наносекунд.

Светодиоды характеризуются следующими основными параметрами:

1. длина волны максимума излучения или цвет свечения;

2. яркость или сила света при заданном прямом токе;

3. прямое падение напряжения при заданном прямом токе и максимально допустимые прямой ток, обратное напряжение;

4. мощность, рассеиваемая светодиодом.

Фотодиод представляет собой полупроводниковый прибор, p-n переход которого открыт для действия внешнего излучения. Если к выводам полупроводникового диода не подключены внешние источники напряжений, то p-n переход находится в равновесном состоянии. При этом разность потенциалов на выводах диода равна нулю, а на границе раздела слоев полупроводника существует внутреннее электрическое поле, препятствующее перемещению основных носителей через p-n переход.

Под действием электромагнитного излучения (при освещении), в объеме перехода происходит разрыв связей электронов с атомами – генерация электронно-дырочных пар. Данное явление называется внутренним фотоэффектом. Поле p-n перехода будет перемещать образовавшиеся дырки в область p -полупроводника, а электроны соответственно в n -полупроводник, разделяя генерируемые носители. При этом на внешних краях полупроводниковых слоев появится некоторая разность потенциалов («+» на аноде диода, «–» на его катоде) и одновременно на величину этой разности уменьшится высота потенциального барьера p-n перехода.

Таким образом при наличии внешних источников света, фотодиод может служить в качестве генератора э.д.с. или тока, т.е. выполнять функции преобразователя световой энергии в электрическую. На этом принципе основано действие солнечных преобразователей (батарей). Описанный режим работы фотодиода (без внешних источников) называется вентильным.

Вольтамперная характеристика фотодиода, т.е. зависимость тока через него от величины внешнего приложенного напряжения определенным образом связана с освещенностью. Очевидно, если p-n переход не освещен, то вольтамперная характеристика фотодиода будет идентична соответствующей характеристике обычного диода. Этой ситуации соответствует график на рис. 5.5 для =0.

Рис. 5.5. Вольтамперные характеристики фотодиода.

При подаче на затемненный фотодиод обратного напряжения через него будет протекать так называемый темновой ток

Если на фотодиод подать напряжение равное нулю, то это будет соответствовать его короткому замыканию и, как отмечалось ранее, через внешнюю цепь будет протекать некоторый ток, называемый током короткого замыкания .

Чувствительность фотодиода зависит от длины волны подающего света. Данная зависимость для фотодиодов, изготовленных из различных материалов и его обозначение на принципиальных схемах приведены на рис. 5.6.

Рис. 5.6. Спектральные характеристики фотодиода и его обозначение на электрических схемах.

Биполярный транзистор представляет собой структуру, содержащую p-n переходы, то управление током в нем, может быть осуществлено не только при изменении соответствующих напряжений, но и путем освещения области базы. Транзистор, для которого предусмотрен такой режим работы, называется фототранзистором. В отсутствие освещенности его вольтамперные характеристики идентичны аналогичным характеристикам обычного транзистора.

Под воздействием светового потока в p-n переходах базовой области будут генерироваться электронно-дырочные пары. Полем запертого коллекторного перехода электроны (для n-p-n транзистора) будут втягиваться в область коллектора, увеличивая его ток. Данная ситуация аналогична работе фотодиода в режиме обратного смещения.

Рис. 5.7. Вольтамперные характеристики, обозначение и эквивалентное представление биполярного фототранзистора.

Фоторезистором называется двухэлектродный полупроводниковый прибор, сопротивление которого зависит от внешней освещенности. В отличие от ранее рассмотренных приборов, фоторезистор не содержит выпрямляющих переходов и является линейным элементом, т.е. его вольтамперная характеристика описывается при любой полярности напряжения соотношением: , где – ток, протекающий через фоторезистор, – сопротивление при заданной освещенности. Вольтамперные характеристики фоторезистора и его обозначение на электрических схемах приведены на рис. 5.9.

Рис. 5.9. Вольтамперные характеристики и обозначение фоторезисторов на электрических схемах.

Основными параметрами фоторезистора являются: темновое сопротивление (сопротивление при световом потоке ), кратность изменения сопротивления , равная отношению темнового сопротивления к сопротивлению при заданной освещенности. Фоторезисторы, как и фотодиоды, неодинаково реагируют на световые потоки с разными длинами волн. Наиболее чувствительными к инфракрасному излучению являются фоторезисторы, изготовленные из селенида и сульфида свинца, а при работе в видимом диапазоне используются фоторезисторы из селенида и сульфида кадмия.

Излучатель света и фотоприемник могут помещаться в один корпус, образуя прибор, называемый оптроном или оптопарой. В зависимости от комбинаций излучателей и приемников света существуют различные виды оптронов. Структура и обозначения на принципиальных схемах некоторых из них приведены на рис. 5.10.