Оптоэлектроника. Конспект лекций оптоэлектроника
 Скачать 13.21 Mb.
|
|
что как и в обычном тиристоре наступает насыщение, а при насыщении может измениться знак. Насыщение наступает при α 2 + α 1 = 1 У Ge нет нарастания тока, они выходят в насыщение. Можно ли сделать тиристор из Ge? Да, можно. Условие выполнится, когда войдет в лавинный пробой и тогда он переключится. 17 Касаемо фототиристора - у него неут контакта к базе. 18 8. Фоторезисторы Изготавливаются из холькагенидов. За увеличение чувствительности запла- чено быстродействием. CdS, CdGe, GdTe –> В теории там соединены как бы мельчайшие фотодио- ды. Если увеличить светочувствительность, то будет страдать быстродействие. Высокое количество носителей, появляющихся после воздействия фотона связано ТОЛЬКО со строением этих полупроводников. Но тут надо говорить осторожно, так как теории не существует. ФЭУ - фотоэлектрический умножитель - самый чувствительный прибор. Фотозаряд не диффундирует! 19 9. Примесные фотоприемники Есть два резистора, работающие на примесном по- глощении. Одинаковые, из одного и того же матери- ала. На них падает свет. Какая из структур принципиально не работоспо- собна? Вторая. На второй структуре на куб резистора свет падает сверху, а контакт подведены по бокам. На первой - освещение также сверху, а контакты сверху и снизу. Носители заряда будут рождаться по всей толщине в обоих случаях, в 1ом случае не будет прибавления тока. Фотогенерируемый заряд не диффундирует в примесных полупроводниках. Допустим, легируем Н-полупроводник бором, полу- чили дырки. Дырки не смогут уйти, не могут диф- фундировать. Под действием света также получаем дырки, и они также не смогут диффундировать. А значит вторая структура не работоспособна, так как рождающиеся дырки под действием света не могут диффундировать под действием градиента концен- трации, то есть дырки не дойдут до контактов. Если бы они диффундировали, то не было бы понятия п-н перехода. (Электроны более подвижны и уйдут вглубь, а дырки останутся на поверх- ности. Получится ЭДС) 20 10. Твердотельные излучатели 10.1. Характеристики излучателя 1. Спектральная составляющая • Сплошной спектр(эл. энергия в тепло, а потом в свет). • Линейчатый спектр(эл энергия сразу преобразуется в световую). • Смешанный спектр. Характеристик делятся на: • Энергетические – P - лучистый поток, Вт. – E - облученность, Вт/м2. – I - сила облучения, Вт/стерадиан. • Световые – F - световой поток, лм. – E λ - освещенность, лм/м2=лк. – I λ - сила света, лм/стерадиан=кд. – B - яркость на площадь излучения- нит(кд/м2), стильб(кд/см2) Рис. 2: Кривая видимости 21 11. Светодиоды Обычный диод - рекомбинация носителей заряда. Свободный носитель за- ряда рекомбинирует с освобождением энергии, которая может быть выражена ввиде фотона. Выполняется ЗСЭ и ЗСкв.Имп. Но также необходимо нарушить термодина- мическое равновесие. В п/пке мало р, и наоборот, поэтому рекомбинация мала. Вывести из ТДР можно созданием pn-перехода –> инжекция. Излучательная рекомбинация или нет определяется прямозонностью. 11.1. Главные параметры светодиодов 1. Квантовая эффективнось(интенсивность излучения, коэф излучения) η - отношение концентрации излученных фотонов к оличеству электронов, прошедших через p-переход. η = N И J q ; η = η‘ · η“ η‘ = N г J q - количество генерированных фотонов к количеству электронов, прошедших через pn-переход. η“ = N И N г Свет преломляется на границе Si-воздух. θ кр = arcsin n 0 n п/п - такой угол, при падении под которым свет отразится и пойдет вдоль поверхности полупроводника. GaAs: θ кр − − > η ∼ 3, 6% Учитывая отражение Френеля η ∼ 2, 6% Увеличение интенсивности излучения: 22 1. Сделать кристалл в виде полусферы. θ кр = arcsin r R ; η = 30% Но шлифовать каждый диод - не используется в массовом производстве. 2. Кристалл стандартный, а на него нанесена капля в виде полусферы. Требования к капле: • n k ∼ n п/п • Прозрачность. η ∼ 23 − 30% 3. Нанесение оптикоотражающих покрытий(четвертьволновых пленок). SiO2 - из парогазовых смесей. Отраженный свет проходит четное число 23 длин полуволн и выходит за пределы п/п. R = n 2 п − n 2 в 2 (n 2 п − n 2 в ) 2 Но бывают ситуации, когда образуется не структура “полупроводник- воздух”, а “полупроводник-пленка-воздух”. Тогда формула будет выглядеть иначе: R = n п n в − n 2 пл 2 (n п n в − n 2 пл ) 2 Тогда отражение на границе будет нулевое, если n пл = √ n п n в Но отражение также зависит и от толщины пленки. 2n пл d = (2l − 1)λ 2 Значит толщина пленки должна быть равна l ≈ λ 4 4. Шлифовка или полировка. Создание микрорельефа, который который увеличивает кр углы в опр. точках поверхности. 5. Нарушение закона сохранения квазиимпульса. П/п с изоэлектронными ловушками. Из-за очень сложной решетки п/п электрон удерживается всей совокуп- ностью силами в данном месте решетки. GaAs GaInAs GaAsP 24 При рекомбинации дырка теряет свою энергию и образуется экситон ±(в кружочке) и фотон. Образующийся фотон имеет энергию E G −E актив. донорного уровня и находится на донорном уровне. Поэтому в п/п он не сможет поглотится из-за своей энергии. 11.2. Материалы для изготовления светодиодов Поговорим еще немного о светодиодах. Материал Цвет λ max ∆λ GaAs ИК 950нм GaP(легир. Zn,O) Красный 690нм GaP(легир. N) Зеленый 550нм GaAs 1−x P x (x=0,45) Красный 640нм J n 1−x Ga x P (x = 0, 6) Желто-зеленый 570нм 40нм SiC(не актуально) Желтый 590нм 140нм На SiC были изготовлены первые светодиоды, но технология изготовления была очень сложна. Сейчас такие диоды уже не делают. Надо заметить, что диоды все-таки дают спектр излучения, однако он доста- точно быстро спадает. Таким образом обычно ∆λ составляет 10-40нм. Только для SiC он составлял 140нм. Рис. 3: Лепесток излучения для GaP Также есть характеристика - лепе- сток излучения . Что под этим пони- мают? Ну интересно же знать направ- ление излучения. Четко ли но направ- лено, или же в большом телесном уг- ле излучает? Соответсвенно для каж- дого светодиода приводят такой лепе- сток. Строится лепесток следующим образом - горизонталь, от горизонта- ли лепесток. И указываеся направле- ние, градусы. Есть, конечно, еще одна полезная характеристика для разработчиков. Обычно она в справочниках не указывается. Если ток увеличивать, будет рас- ти интенсивность излучения или не будет? По идее должна до определенного предела, но, конечно, все быстро переходит в насыщение. Считаем, что светодиоды рассмотрели. 25 12. Лазеры Обязательно должна быть инверсная населенность. В добавок к тем усло- виям, что мы поставили для светодиодов. Самый простой способ - оптическая накачка. И еще одно условие - между стенками резонатора должно укладываться целое число длин волн. Итого: 1. ЗСЭ 2. ЗСквИ 3. Нарушение равновесия. 4. Инверсная населенность. 5. Резонатор с целым числом длин волн. Мы должны сделать GaAs диод из вырожденного полупроводника. Вернее, как минмиум одна составляющая должна быть такой. Рассмотрим, почему использование вырожденного п/ка создает инверсную населенность. Из картинки ясно, почему исполь- зование вырождленного п/ка дает нам инверсную насленность. Надо обратить внимание, что дей- ствительно мы потом создаем ре- зонатор. Конструкция Фабри-Перо, очевидно, заставляет фотоны прой- ти резонатор кучу раз. Однако, все равно частично фотоны выхо- дят. Есть область, получившая на- звание активной. В ней то и проис- ходит стимулированная эмиссия. На- пример, некая мощность P, Вт, под- ходит к зеркальной стенке и отража- ется от нее. Эта мощность является причиной создания носителей заряда 26 P R s exp g d D − α λ = P , g - скорость рождения заряда. То есть внутри резонатора НЕТУ увеличения/усиления мощности! По идее должно было бы быть ла- винообразное нарастание мощности, но этому препятствует исчерпание инверсной населенности. Тогда в иг- ру вступает процесс поглощаения свя- занными носителями заряда. В отличии от светодиодов мы по су- ти имеем одну длину волны, однако это может быть не сразу после вклю- чения, а лишь спустя некотрое время, когда диапазон уже сузится по суще- ству до одно длины волны. И, конеч- но, излучение будет когерентное в пространстве, потому что мы так сделали резонатор. То есть излучение на краю резонатора идет всегда одной и той же фазы. Надо только понимать, что прохождение когерентного света через оптиче- ские системы отличается от прохождения обычного света. 27 13. Электролюминисцентный конденсатор На электрод наносится намазыванием сернситый цинк. Если прикалывдается напряжение к этой структуре, то полкчается излуче- ние желтого цвета. Излучение обусловлено только рекомбинациец, а значит нужно нарушение ТДР. Оторвать от атома электрон может полевая иониза- ция, но поле должно быть очень большим. Если у нас 100мкм и хотим получить 10 в 8, то надо подать 1кВ. Для полевой ионизации нужны сотни вольт, от 100 до 300, и с этим мирились, почему? От- рывается электрон от пп материала, Сернистый цинк - очень широкозонный, у него ЗЗ=3.7В, если такая широкая зона, то переходы с одного ловушечного уровня на другой ловушечный уровень дает больое количество фотонов. Вво- дят либо медь, магний, которые создают ловушечные уровни. Полня где-то около границ, и у границ создались неравновесные носители заряда, способ- ные рекомбинировать, но они перемещаются к электроду с большой дрейфо- вой скорость и в такой ситуации не может пройти рекомбинация, а авсоком электрническом поле, значит ничего не будет высвечиваться, значит чтобы было высвечивание, то надо убирать поле, то есть надо подавать переменное напряжение. Почему же так долго ими занимались? Особенность - эти приборы деградируют, по непонятным причинам, то есть по итсечении времени свечение уменьшается и окончательно пропадает. Но когда появились светодиоды, ими все равно занимались. Светодиоды и э/л конденсаторы НЕ равнозначные вещи!!! 28 14. Оптроны Оптопара - комбинация излучателя и фотоприменика. 1. Оптроны с внешней оптической связью и внутренней электрической. 2. Оптроны с внутренней оптической связью. 3. Ключевой оптрон. Фундаментальное назначеие: получение излучения, преобразование длины волны. Преобразование ИК излучения в видимое - это у 1го типа. Ключевые оптроны изготавливаются для управления большими токами - это тиристорные оптроны. Ну самый популярный оптрон - гальваническая развяз- ка. 14.1. Параметры оптронов Теперь рассмотрим немножко параметры оптронов. По существу они опреде- ляются параметрами излучателя и отоприемника. Некую коррективу вводит, конечно, среда. Как обычно изготавливается оптрон? К кристаллу передат- чику приклеивается кристалл приемника. Вот вещество между кристаллами и может повлиять на параметры. Какие требования необходимо предъявить 29 к среде между передатчиком и приемником? По существу их два, но вообще- то три. Прозрачность. Коэффициент преломления должен быть равен к. пр излучателя. Коэффициент теплового расширения. Что еще нужно учесть? В принципе на излучателе и фотоприемнике желательно иметь антиотражаю- щие и осветляющие пленки для лучшей передачи. Такими пленками обычно являются пленки SiO2. 14.1.1. Коэффициент передачи тока Обычно для оптрона вводят коэффициент передачи тока K i = - по сути показывает количество потерь в среде между кристаллами, либо не сработало. 14.1.2. Быстродействие Второй параметр оптрона - быстродействие, это обычно сумма двух τ - когда идет включение и выключение оптрона. 14.1.3. Развязывающее сопротивление Третий параметр - равязывающее соптротивление, которое разделяет вход- ные и выходные цепи. И оно не зависит от излучателя или приемника, а зависит просто от конструкции самого оптрона и лежит в промежутке от 10 11 − 10 13 Ом. 14.1.4. Линейность характеристики передачи — 14.2. Классификация оптронов по типу фотоприемника 1. Диодные. 2. Транзисторные. 3. Тиристорные. 4. Резисторные. У такого коэф. предчи тока принято определять отношением светового тока к темновому. 30 Оптрон Коэф. пер. тока, % Быстродействие Диодный 0.5-0.1 10 −8 с Транзисторный 10-100 (2 − 5) · 10 −6 с Тиристорные 10-1000 (20 − 100) · 10 −6 с Резисторные 10 −1 − 10 −2 с Как обычно тут идет борьба между параметрами - диодный быстрый, но ма- лые токи. У тиристорного огромные токи, но малое быстродействие. А зачем же тогда изготавливаются другие? Из-за линейности характеристики переда- чи. Т.к. из-за фотовольтаического эффекта мы никогда не будем иметь линей- ную характеристику передачи. Причем, умеют подавлять фотовольтаический эффект, когда требуется большое быстродействие. Но рассказывать времени не хватает. Но физические эффекты, на которых основана ЖК ячейка все же будут рассказаны. 31 15. Оптоэлектронное реле Оптореле состоит из 3х тиристорных оптронов. Достаточно сложная девай- сина, но делали так: О1 - оптрон 1 - находится в выключенном состоянии, имеет высокое сопротивление, а если подаем напряжение на вход, то тиристор начи- нает высвечивать, на тиристоре ничего не падает и напряжение окммутации падаает на нагрузке. Теперь его надо выключить. На О2 подается напряжение выхода и закрывает по базе тиристор в О1. О3 - обычный тиристорный оптрон, ставится для предотвращения защелки схемы, то есть от какого-то случайного импульса. То есть он закрывает своим током О2. Обозначения оптронов: АОД101 – диодный оптрон, АОТ123 – транзистор- ный оптрон, АОУ103 – тиристорный оптрон, ТО-2 – силовые оптроны. 32 16. Многоэлементные фотоприемники(фотоприемные передающие матрицы) Телевизионный стандарт 625х625 элементов разложения. Режим накопления заряда(интегрирования). Каждое устройство передачи изображения работает в режиме накопления заряда. Каждый элемент передающей мат- рицы должен содержать емкость на- копления, и эта емкость должна быть шунтирована сопротивлением R = f (I λ ) . Начало работы - это полностью заряженная емкость, то есть замкну- тый ключ, емкость зарядилась и при- бор готов к передаче изображения. Q = C н V ∆Q = Y ф t и V c = Q − ∆Q C н = U − Y ф t и C н V н = V − V + Y ф t и C н Емкость нагрузки измеряем, когда периодически замыкаем ключ и отсле- живаем периодическое изменение. V н. мгновенная = Y ф R н V н = Y ф t и C н Y = V R н e (−t/τ ) τ = C н R н V = Y ф t u R н τ . Здесь tи - время воздействия света (время между двумя замы- каниями ключа). V н. мгнов V н. на период вкл ключа = t u τ (∗) Режим накопления заряда придуман ради того, чтобы получить выигрыш в напряжении, то есть соотношеине (*) должно быть очень большим. Например, при нагрузке 10пФ, токе 10нА, времени импульса 20мс, и нагруз- ке 1кОм, получаем 1мкВ на нагрузке, а в режиме накопления 2В. Выигрыш в 6 порядоков. Выходной сигнал - состояние степени разряда емкости. Когда прибор от- ключен от источника питания, происходит разряд конденсатора. И пока опра- шиваем массив 800х600 элементов, первый элемент работает, так как емкость 33 разряжается. После опроса всех, замыкаем цепь на 1Ом элементе и происходит дозарядка конденсаторов. Дозарядка очень быстрая. Когда дозарядка - фото- электрический преобразования не происходит - нам не важен в этот момент фототок. Эту структуру можно реализовать на 2х диодах. 1ый - накопитель, 2ой - ключ. Но берется не два диода, а БТ. ЭП как ключ, КП - как накопитель. Рассмотрим БТ. Передаем отрицательный импульс на n. То есть эмиттер открыт, КП - за- крыт. Когда в цепи импульс такой полярности, это значит, что я замкнул ключ, так как низкое сопротивление перехода. И емкость заряжается до импульсно- го напряжения. Импульс кончился, прямо смещенный диод выключился и со временем приобретает напряжение обратно смещенного перехода. По окончании импульса появляется в цепи емкость, но она не заряжена.(емкость 34 эмиттера) То есть коллекторная заряжена, а эмиттерная пустая, поэтому начнется пе- резарядка емкостей. Роль ключа - он не только включает, когда есть импульс и выключает, когда заряж емкость эмиттера. Даже, если нет света - нулевой сигнал мы не получим, потому что с коллек- торной емкости заряж немного переходит на эмиттерную - это сигнал комму- тационной помехи, он всегда присутствует. Если я опрашиваю импульсом прямоугольным, я не получаю никакой ин- формации об освещенности, вне зависимости от того разряжалась или нет кол- лекторная емкость, значит роль фронта нарастания импульса играет большую роль!! Мы получаем импульс, равный импульсу опроса. Прямоугольный импульс - мы его подали и в первый момент у нас открыт эмиттер. Обе емкости в первый момент заряжены. То есть в цепи как бы два источника питания, включенных друг на друга, и в этот момент мы включаем прямоугольный импульс. Где упадет напряжение? На нагрузке. И мы получим сигнал помехи, равный мак- симальному выходному сигналу. Часть заряда уйдет с К на Э. Желательно, чтобы не было емкости эмиттера, но так нельзя и надо стараться сделать ее ми- нимальной. Так как маленьй эмиттер, маленькая емкость, значит маленький сигнал помехи. Получаем сигнал помехи, равный максимальному входному сигналу. Емкость коллектора получается очень большой, а емкость эмиттера малеькая. Выигрыш, который мы получили - это отношение времени интегрирования(увеличили) и общему времени(уменьшили). Насколько мы можем повышать время интегрирования? Оно ограничено размером емкости и темновым обратным током. |