Материал: Tverdotila_elektronika
6 ОПТОЕЛЕКТРОННІ НАПІВПРОВІДНИКОВІ ПРИЛАДИ
6.1 Загальні відомості
Електронні пристрої та системи, в яких використовують разом із традиційними електричними ефектами неелектричні, лежать в основі нового напряму в електроніці – оптоелектроніки.
Оптоелектроніка – це ґалузь електроніки, в якій вивчаються як оптичні, так і електронні явища в кристалах, а також розглядаються питання перетворення оптичних сигналів у електричні й навпаки.
Практичним завданням оптоелектроніки є створення оптоелектронних приладів, до яких належать різноманітні джерела світла, фотоприймачі, індикатори, лінії зв’язку, оптрони тощо. Усі ці прилади широко застосовуютьcя в ґалузі промислової електроніки.
Розглянемо деякі приклади оптоелектронних напівпровідникових приладів.
6.2 Випромінювальні діоди
Напівпровідниковий випромінювальний діод (світлодіод) – це напівпровідниковий прилад з одним або кількома електричними переходами, призначений для безпосереднього перетворення електричної енергії в енергію некогерентного світлового випромінювання.
Відповідно до ГОСТ 10862-72 першим елементом позначення світлодіодів є буква або цифра, що означає матеріал виготовлення (А(1) - арсенід галію), іншим елементом є буква “Л”. Значення третього елемента позначення світлодіодів такі: 1 – діод інфрачервоного діапазону; 2 – оптичного діапазону; 3 – діод з яскравістю
свічення менше 500 Кд/м 2 ; 4 – з яскравістю, більшою
219
500 Кд/м 2 . Четвертий, п’ятий і шостий елементи позначення такі самі, як у звичайних діодів.
Основний фізичний процес світлодіодів – це випромінювальна рекомбінація у базі, ймовірність якої зростає при підвищенні концентрації неосновних нерівноважних носіїв, тобто при прямому ввімкнення p-n – переходу. Ця рекомбі-
нація, на відміну від невипромінювальної, супроводжується виділенням енергії у вигляді квантів світла. Для виготовлення світлодіодів застосовують матеріали з малою ймовірністю невипромінювальної рекомбінації (наприклад,
сполуки InSb, GaSb, GaAs, GaP, InP, SiC тощо). Свічення збуджується в інфрачервоному і видимому діапазонах за допомогою змінного або постійного струму при напрузі U Uï î ð , де Uï î ð UK (порогова напруга дорівнює
контактній різниці потенціалів). Будова світлодіода показана на рис. 6.1.
Рисунок 6.1 – Будова світлодіода
Для підвищення ККД (зменшення відбиття) випромінювальна поверхня виконується у формі напівсфери. Яскравість свічення майже лінійно залежить від струму через світлодіод (рис. 6.2).
220
Рисунок 6.2 – Яскравісна характеристика світлодіода
Колір свічення залежить від матеріалу виготовлення (ширини забороненої зони, природи центрів рекомбінації тощо). Чим більша ширина забороненої зони, тим менша довжина хвилі світлового випромінювання. Так, суміш GaAs і GaP дає червоне свічення, карбід кремнію SiC – червоно-оранжеве або жовте. Суміш GaP та InP – жовте або жовто-зелене свічення.
Використовуються світлодіоди з перестроюваним кольором свічення (рис. 6.3), які мають два p-n – переходи,
утворені різними домішками. Це забезпечує генерування одним переходом зеленого світла, а іншими – червоного. Регулюванням струмів через переходи можна змінювати колір свічення.
Світлодіоди широко використовуються для світлової інжекції в різноманітних електронних пристроях. Переваги інжекції на світлодіодах – яскраве й чисте свічення, зручність керування, економність, довговічність тощо.
Крім окремих світлодіодів, у напівпровідникових індикаторах застосовують дві основні конфігурації висвічуваних елементів: семисегментну та матричну (рис. 6.4).
Сегментна конфігурація складається із 7 прямокутних напівпровідникових пластин, елементарні ділянки яких
221
являють собою світлодіоди. Така конфігурація дозволяє відтворювати усі десять цифр і кілька букв. Матрична конфігурація складається з комірок, кожна з яких має 36 (7х5+1) точок і дозволяє відтворювати усі цифри, букви, знаки стандартного коду для обміну інформацією.
Рисунок 6.3 – Структура світлодіода з перестроюваним кольором свічення
а) б)
Рисунок 6.4 – Варіанти висвічуваних за допомогою світлодіодів елементів:
а) семисегментна конфігурація; б) – матрична конфігурація
222
6.3 Напівпровідникові фотоприймачі
Фотоприймачі призначені для перетворення світлових сигналів в електричні. У напівпровідникових фотоприладах використовується внутрішній фотоефект, який полягає в тому, що при опроміненні електрони напівпровідникового кристала набирають додаткової енергії, що необхідна для вивільнення їх з ковалентних зв’язків. Тому в напівпровідниках з’являються додаткові носії електричного заряду, які збільшують електропровідність.
6.3.1 Фоторезистори
Фоторезисторами називають напівпровідникові прилади, електричний опір яких змінюється під дією світла. Конструктивно фоторезистор складається з діелектрика 3, на який нанесено світлочутливий шар напівпровідника 1, і зовнішніх електродів 2 (рис. 6.5 а).
|
|
2 |
Е |
|
I |
|
1 |
|
|
|
|
|
+ |
|
|
|
|
|
|
|
|
||
|
|
3 |
I |
RH |
Ф |
|
|
|
|
||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
0 |
а) |
|
б) |
|
в) |
|
Рисунок 6.5 – Будова (а), схема вмикання (б) та статична характеристика (в) фоторезистора
Схема вмикання фоторезистора до електричного кола показана на рис. 6.5 б. Увімкнення джерела Е не залежить від полярності, оскільки фоторезистор не має вентильних властивостей.
Вихідним матеріалом виготовлення світлочутливого шару фоторезистора є PbS, CdSe або CdS.
За відсутності світла (світловий потік Ô 0 ) фоторезистор має великий темновий опір, і при прикладенні
223