шпоры к семинару по оптоэлектронным приборам (Шпоры к экзамену)
Описание файла
Файл "шпоры к семинару по оптоэлектронным приборам" внутри архива находится в папке "Шпоры к экзамену". Документ из архива "Шпоры к экзамену", который расположен в категории "". Всё это находится в предмете "электроника" из 4 семестр, которые можно найти в файловом архиве МАИ. Не смотря на прямую связь этого архива с МАИ, его также можно найти и в других разделах. Архив можно найти в разделе "к экзамену/зачёту", в предмете "электроника" в общих файлах.
Онлайн просмотр документа "шпоры к семинару по оптоэлектронным приборам"
Текст из документа "шпоры к семинару по оптоэлектронным приборам"
Оптическое излучение при взаимодействии с кристаллом полупроводника частично поглощается, частично отражается от его поверхности или проходит через кристалл без поглощения. Важным коэффициентом полупроводникового материала является коэффициент поглощения Ф (см-1), численно равный значению обратного расстояния от поверхности полупроводника, на котором первоначальная мощность падающего излучения уменьшается в e раз. Коэффициент поглощения Ф является постоянной уменьшения мощности излучения по координате x, направленной в глубь полупроводника, нормально к его поверхности, т.е. dP/dx = -Ф. Тогда P(x)=PПД(0)exp(-Фx), где PПД(0) – падающая на поверхность полупроводника мощность. Мощность и световой поток связаны между собой характеристикой спектральной видности s*. После умножения левой и правой частей уравнения для мощности P(x) на коэффициент характеристики спектральной видности получим уравнение для светового потока Ф(x). Ф(x)=ФПД(0)exp(-Фx). Число фотонов, падающих на единицу поверхности полупроводника в одну секунду при монохроматическом световом потоке называется плотностью фотонов N0. Ф = hN0. Ф(x)=hN0exp(-Фx). Плотость фотонов убывает с глубиной x из-за поглощения. Коэффициент поглощения зависит от длины волны светового излучения. Типовой спектр поглощения полупроводника Ф=f() показан на рисунке. Различают несколько механизмов поглощения энергии излучения – собственное, примесное, экситонное, решеточное, поглощение свободными носителями и др.. При собственном поглощении энергия затрачивается на разрыв валентной связи в атоме и перевод электрона из валентной зоны полупроводника в зону проводимости. Для перевода электрона в зону проводимости необходимо, чтобы энергия фотона превышала ширину запрещенной зоны, т.е. ЕФ=hEЗ. На частотах ниже граничной коэффициент поглощения резко уменьшается. Поэтому спектр собственного поглощения имеет четко выраженную границу, называемую красной границей фотоэффекта и определяемую соотношением кр = ch/ЕЗ. При примесном поглощении энергия фотона затрачивается на ионизацию атомов примеси. В полупроводниках донорные примеси расположены вблизи дна зоны проводимости, акцепторные – около потолка валентной зоны. В обоих случаях энергия ионизации примесей значительно меньше ширины запрещенной зоны, а коэффициент примесного поглощения на несколько порядков меньше, чем собственного, и не превышает Ф=103 см-1. Спектр примесного поглощения смещен относительно спектра собственного в инфракрасную область. Электроны в атомах примесей могут находится в основном и возбужденном состояниях, и тогда энергия ионизации атомов примесей различна. Поэтому спектр примесного поглощения состоит из нескольких областей (участки 3 и 4 на рисунке). При экситонном поглощении энергия фотона меньше ширины запрещенной |
При фоторезистивном эффекте происходит изменение электропроводности полупроводника под действием излучения. Темновая проводимость полупроводника при световом потоке Ф = 0 и постоянной температуре определяется соотношением 0=q(n0n+p0p), где n0, p0 – равновесные концентрации электронов и дырок, n и p – их подвижности. При поглощении излучения в полупроводниках генерируются избыточные носители. При постоянных значениях светового потока Ф 0, подвижности и времени жизни носителей в полупроводнике наступает полное динамическое равновесие с концентрациями избыточных носителей p и n. Проводимость полупроводника изменяется на величину Ф=q(nn+pp). Полная проводимость полупроводника =0+Ф. Спектральная характеристика фотопроводимости изображена на рисунке. Концентрации неравновесных носителей, определяющих фотопроводимость, зависят от параметров полупроводника и механизма поглощения. При собственном поглощении происходит генерация пар носителей, поэтому концентрации избыточных носителей равны. Фотопроводимость полупроводника при собственном поглощении называется биполярной. В полупроводниках с примесным поглощением возрастает концентрация носителей только одного знака – основных или неосновных, а фотопроводимость называется униполярной. Фотовольтаический эффект возникает при облучении светом полупроводника с p-n-переходом (или другим видом потенциального барьера). При собственном поглощении в p-n-переходе и прилегающих к нему областях оптически генерируются избыточные носители – электроны и дырки. Электрическое поле перехода перемещает дырки в p-область, электроны - в n-область, разделяя тем самым генерируемые носители. Через переход протекает дрейфовый фототок неравновесных неосновных носителей. Неравновесные основные носители не могут преодолеть потенциальный барьер перехода и остаются в области генерации. В результате разделения оптически генерируемых носителей концентрации дырок в p-области и электронов в n-области повышаются, что приводит к компенсации объемного заряда неподвижных примесных ионов на границах перехода. Потенциальный барьер перехода уменьшается на величину фото-ЭДС (напряжение холостого хода Uхх). Uxx=Тln(1+IФ/I0). При соединении смежных областей цепью нагрузки, в ней наблюдается электрический ток, равный в случае короткого замыкания фототоку IФ. IФ=Iкз=qSG(L+Lp+Ln), где S – площадь перехода; G – скорость генерации неравновесных носителей; L – толщина перехода; Lp, Ln – диффузионные длины дырок и электронов соответственно. |
Фоторезистор – это фотоэлектрический прибор с двумя выводами, сопротивление которого изменяется под действием излучения. Принцип работы фоторезистора основан на свойстве полупроводника, изменять свою проводимость под действием светового излучения (фоторезистивный эффект). Применяются фоторезисторы с собственным поглощением и фоторезисторы с примесным поглощением. Фоторезисторы с собственным поглощением имеют высокий коэффициент поглощения Ф. Коэффициент поглощения примесных фоторезисторов составляет несколько см-1. Но даже при таком Ф концентрация примесей в фоторезисторах должна быть не менее 1017-1018 см-3. Схема включения фоторезистора приведена на рисунке. При световом потоке Ф = 0 сопротивление фоторезистора порядка 106-107 Ом. В этом случае проводимость фоторезистора определяется концентрацией легирующей примеси. При световом потоке Ф 0 дополнительно появляется световая дифференциальная проводимость. Световая, или энергетическая, характеристика фоторезистора IФ=f(Ф) линейна для небольших световых потоков (см. рисунок на обороте). При световых потоках Ф > Фмакс из-за увеличения концентрации генерируемых неравновесных носителей возрастает вероятность их рекомбинации; время жизни носителей и коэффициент усиления по току уменьшаются. Линейность световой характеристики соответственно нарушается. Нижняя граница световой характеристики Фмин соответствует пороговому току. |
Параметрами фоторезистора являются токовая и вольтовая чувствительность, постоянные времени нарастания нр и спада сп фототока, коэффициент усиления по току M, темновое сопротивление Rтм, пороговый поток (пороговая мощность) или обнаружительная способность, допустимая рассеиваемая мощность Pмакс, рабочее напряжение Uр и предельно допустимое напряжение Uмакс, рабочая длина волны или диапазон рабочих волн. Некоторые из перечисленных параметров аналогичны по физическому смыслу параметрам фотодиодов и фототранзисторов. Частотная характеристика чувствительности фоторезистора – это зависимость его токовой и вольтовой чувствительности от частоты модуляции светового потока. Нормированные частотные характеристики представлены на рисунке. Граничная частота fгр, определяемая в основном временем жизни носителей, соответствует уровню 0,707s1(0), где s1(0) – значение чувствительности на низких частотах. С увеличением частоты модуляции чувствительность снижается из-за инерционности процесса изменения проводимости. Спектральные характеристики фоторезисторов, нормированные относительно максимального значения чувствительности sмакс на длине волны макс, приведены на рисунке на обороте. Эти характеристики определяются конкретной зависимостью Ф=f() для каждого материала в области собственного или примесного поглощения. |
зоны. Электрон в валентной зоне полупроводника, поглотив энергию фотона, не отрывается от атома, а только переходит в возбужденное состояние, образуя с дыркой связанную кулоновскими силами пару – экситон. Столкновение экситона с фотоном или фононом может привести к потере им энергии, что эквивалентно возвращению электрона в валентную зону или получению им энергии, и тогда электрон переходит в зону проводимости. В обоих случаях экситон распадается. Спектр экситонного поглощения состоит из узких линий в области гр, но при этом для каждой линии > гр. Полупроводники, кристаллическая решетка которых содержит атомы различного типа, можно рассматривать как систему электрических диполей. Диполи наиболее интенсивно поглощают энергию излучения на собственных частотах колебаний. Колебания диполей сложны, и поэтому спектр решеточного поглощения состоит из нескольких областей. На рисунке решеточному поглощению соответствует участок 5. Поглощение сопровождается генерацией большого числа фононов. Увеличивается тепловая энергия полупроводника, изменяется подвижность и энергия свободных носителей, повышается их концентрация. Поглощение энергии свободными носителями связано с их переходами на уровни внутри зоны. В сложных полупроводниках переходам носителей между долинами соответствуют пики в спектре поглощения. | |
Фотодиод – управляемый излучением прибор с двумя выводами, работа которого основана на использовании фотовольтаического эффекта в обратно включенном электрическом переходе. При собственном поглощении в p-n-переходе и прилегающих к нему областях оптически генерируются избыточные носители – электроны и дырки. Электрическое поле, образованное суммой внутреннего электрического поля перехода и электрического поля, созданного обратным напряжением на переходе, перемещает дырки в p-область, электроны - в n-область, разделяя тем самым генерируемые носители. Через переход протекает дрейфовый фототок неравновесных неосновных носителей, для которых, в случае обратного включения p-n-перехода, помимо внутреннего поля ускоряющим является также и поле, созданное разностью потенциалов на переходе. Поэтому через переход протекает обратный ток, прямо пропорциональный световому потоку Ф. В исходном состоянии при световом потоке Ф = 0 через фотодиод (см. рисунок) протекает темновой ток Iобр.тм. в несколько микроампер. Падение напряжения на резисторе нагрузки RН мало, и выходное напряжение Uвых практически равно напряжению источника Eи. Оптический сигнал – модулированная по амплитуде или частоте повторения последовательность импульсов светового потока вызывает фототок, пропорциональный амплитуде светового потока Фm. Падение напряжения на резисторе RН пропорционально текущей амплитуде светового потока. Выходной электрический сигнал повторяет закон модуляции входного оптического сигнала. |
Кремниевые p-i-n-фотодиоды все более вытесняют приборы с p-n-переходом. p-i-n-структура представляет собой трехслойную структуру, центральным слоем которой является слой высокоомного кремния (i-слой) (=2…10 кОмсм) толщиной 40…50 мкм. С одной стороны от i-слоя формируют низкоомный (0,002 кОмсм) n+-слой толщиной 30…50 мкм, а с противоположной стороны тонкий (2…4 мкм) p+-слой. При работе фотоприемника (см. рисунок) около 90% мощности, поглощенной в кремниевом кристалле, приходится на долю i-области. Даже при небольших обратных смещениях в i-области возникает сильное электрическое поле, поэтому генерируемые светом электроны и дырки за счет дрейфа быстро рассасываются. Это обеспечивает малые рекомбинационные потери и высокое быстродействие. Инерционность фотоприемника может быть менее 10-9…10-10 с. Фотодиоды p-i-n-типа обладают малой барьерной емкостью, обладают высокой чувствительностью в длинноволновой области спектра и высокой эффективностью при малых обратных напряжениях. Фотодиодам с p-i-n-структурой присущи и некоторые недостатки. Высокая чистота материала базовой области обуславливает малую высоту потенциального барьера, поэтому фото-ЭДС в вентильном режиме не может превысить Uхх=0,35…0,45В. Это же является причиной и повышенных (в сравнении с p-n-фотодиодами) токов утечки, особенно при высоких температурах. Технологически p-i-n-структура не совмещается с интегральными схемами. Это резко осложняет размещение на одном кристалле приемника и усилителя фотосигналов. |
В лавинном фотодиоде оптически возбужденные свободные носители размножаются за счет ударной ионизации атомов в сильном электрическом поле обратносмещенного перехода p-n-, p-i-n-, M-n-n+-типа или гетероперехода. Эффективное лавинное размножение получается при условии, что толщина обедненной области с участком сильного электрического поля превышает длину свободного пробега носителя. От других фотоприборов лавинный фотодиод отличается усилением исходного фототока оптически генерируемых носителей в M раз, где M – коэффициент лавинного размножения. Вольт-амперная характеристика германиевого лавинного фотодиода приведена на рисунке. Рабочая точка А выбирается в предпробойной области на ВАХ фотодиода. При малых потоках излучения коэффициент М – постоянная величина. С увеличением светового потока предельно возможное значение М падает, так как средняя напряженность электрического поля в переходе и толщина области лавинного размножения уменьшаются. В результате крутизна характеристики в области пробоя падает. Лавина в фотодиоде развивается относительно медленно, так как каждая ионизация осуществляется в среднем через время свободного пробега носителей. После окончания короткого импульса светового потока ток лавины медленно уменьшается, пока все носители не покинут обедненный слой электрического перехода. Если за время пролета носителя происходит только одна ионизация атома, то для оценки быстродействия лавинного фотодиода вводят параметр Mfгр = (2нр)-1, где нр – постоянная времени нарастания тока. Величина fгр называется граничной частотой фотодиода. Для кремниевых фотодиодов граничная частота составляет сотни мегагерц, для германиевых – единицы гигагерц. |
Фототранзистор – это управляемый излучением прибор с двумя или большим числом взаимодействующих между собой электрических переходов. Различают биполярные и полевые фототранзисторы. Устройство и схема включения биполярного фототранзистора показаны на рисунке на обороте сверху. Фототранзистор состоит из эмиттерной области p+-типа 1, области базы n-типа 2, большая часть которой пассивна и открыта световому потоку, широкой коллекторной области p-типа 3. Фототранзистор, как правило, включается по схеме с ОЭ с резистором нагрузки RН в коллекторной цепи. Входным сигналом фототранзистора является модулированный световой поток, а выходным – изменение напряжения на его коллекторе. Рассмотрим принцип работы фототранзистора в схеме с разорванной цепью базы. Оптический сигнал генерирует в коллекторном переходе и области пассивной базы носители. Эти носители диффундируют в базе к коллекторному переходу и разделяются его электрическим полем. Неосновные носители создают фототок коллекторного перехода, а основные накапливаются в базе и компенсируют заряд неподвижных ионов примесей на границе эмиттерного перехода. Потенциальный барьер перехода снижается, что усиливает инжекцию носителей из эмиттера в базу. Инжектированные носители диффундируют через базу к коллекторному переходу и втягиваются его электрическим полем в область коллектора. Ток инжектированных носителей, а соответственно и образованный ими коллекторный ток многократно превышает фототок оптически генерируемых носителей. Семейство выходных характеристик фототранзистора в схеме ОЭ приведено на рисунке на обороте снизу. Фототок образован генерируемыми в области базы неравновесными носителями. Он пропорционален световому потоку – параметру семейства выходных характеристик, аналогичных выходным характеристикам транзистора. Световая характеристика фототранзистора – зависимость тока коллектора от светового потока IК=f(Ф) линейна только при малых токах. С увеличением светового потока и ростом концентрации неравновесных носителей в базе повышается вероятность их рекомбинации, снижаются коэффициенты переноса и инжекции фототранзистора. Прямо пропорциональная зависимость коллекторного тока от светового потока нарушается. |