Оптоэлектроника. Конспект лекций оптоэлектроника
 Скачать 13.21 Mb.
|
|
Национальный исследовательский ядерный университет «МИФИ» Факультет: «Автоматики и электроники». Кафедра №27. КОНСПЕКТ ЛЕКЦИЙ «ОПТОЭЛЕКТРОНИКА» Выполнили студенты группы А9-11 Власов Евгений Владимирович Смирнов Владимир Юрьевич Преподаватель: Мочалкина О.Р. Москва, 2010 г. Содержание 1 Введение 4 2 Поглощение света в полупроводниках 5 2.1 Собственное(фундаментальное) поглощение . . . . . . . . . . . . 5 2.2 Примесное поглощение . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5 2.3 Поглощение свободными носителями заряда . . . . . . . . . . . 6 2.4 Решеточное поглощение . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7 2.5 Закон Бугера-Ламберта . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7 2.6 Спектральная зависимость коффициента поглощения . . . . . . 8 3 Фотопроводимость 10 4 Параметры фотоприемников 12 5 Фотодиоды 13 5.1 Суть . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13 5.2 Возможные конструтивные исполнения . . . . . . . . . . . . . . 13 6 Фототранзистор 16 6.1 Принцип работы . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 16 7 Фототиристор 17 8 Фоторезисторы 19 9 Примесные фотоприемники 20 10 Твердотельные излучатели 21 10.1 Характеристики излучателя . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21 11 Светодиоды 22 11.1 Главные параметры светодиодов . . . . . . . . . . . . . . . . . . 22 11.2 Материалы для изготовления светодиодов . . . . . . . . . . . . 25 12 Лазеры 26 13 Электролюминисцентный конденсатор 28 14 Оптроны 29 14.1 Параметры оптронов . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 29 14.1.1 Коэффициент передачи тока . . . . . . . . . . . . . . . . 30 14.1.2 Быстродействие . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 30 2 14.1.3 Развязывающее сопротивление . . . . . . . . . . . . . . . 30 14.1.4 Линейность характеристики передачи . . . . . . . . . . . 30 14.2 Классификация оптронов по типу фотоприемника . . . . . . . . 30 15 Оптоэлектронное реле 32 16 Многоэлементные фотоприемники(фотоприемные передающие матрицы) 33 16.1 МОП фотодиод . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 36 16.1.1 Сдвиговый резистор . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 37 16.2 Еще один способ . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 37 17 ПЗС 38 18 Физические эффекты. ЖК ячейки 40 18.1 Эффект динамического рассеяния . . . . . . . . . . . . . . . . . 41 18.2 Твист-эффект . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 42 18.3 Эффект гость-хозяин . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 43 19 ВОЛС 45 19.1 Факторы, которые приводят к потерям в линии . . . . . . . . . 47 20 Пленочные световоды 48 21 Твердотельные дефлекторы света 50 21.1 Дефлекторы Брэгга . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 50 3 1. Введение Прежде всего, что такое свет? Излучение очень широкого дипазона, от 50нм до 1 мм. В некоторых источниках говорят, что от 10нм. Эта граница опре- деляется различием “свет - рентген”. Приближаясь к обозначенному нижнему пределу свет теряет способность преломляться. Мы об это уже много раз го- ворили - излучение приобретает другие качества. Верхняя граница - 1к мкм - радиволоны, ниже - свет. Тут тоже есть физические эффекты, ограничиваю- щие планку сверху. Волноводная обычная техника не соответствует решению определенных за- дач. Тогда выручает свет, потому что информация передается модулирован- ным световым сигналом, вместо модулированного электрического сигнала. Вы, конечно, ряд вещей, связанных со светом, изучали весьма подробно. Это будет последний курс, потому что некоторые курсы вроде квантовой ра- диофизики делали упор на отдельные приборы, в частности на лазеры. Здесь же постараемся коснуться всех приборов, которые так или иначе могут отно- ситься к оптоэлектронике - излучатели, модуляторы, оптоволоконная техни- ка, интегральная - пленочные световоды, фотоприемники, передача и прием картинок(твердотельная). Но курс маленький, так что пройдем поверхностно. Многие приборы работают на разных физических эффектах, что лишь услож- няет курс. Что касается пп лазеров, то опустим тему, если вы ее знаете, иначе - рассмотрим. Излучение в диапазоне также очень разнообразно. • 50нм - 0.4 мкм - УФ • 0.4мкм - 0.76мкм - видимый свет. • 0.76мкм - 1000мкм - ИК. – 0.76мкм - 3мкм - ближний ИК. – 3мкм - 6мкм - средний ИК. – >6мкм - дальний ИК. 4 2. Поглощение света в полупроводниках Если свет падает на поверхность пп кристалла, то он может: • Отразиться от поверхности. • Преломиться и войти в полупроводник и поглотиться не дойдя до нижней границы подложки. • Преломиться и пройти насквозь, практически не поглощаясь. Рассмотрим все варианты. Нас будут интересовать те эффекты, которые будут связаны с поглощением света. То есть свет вошел в пп, поглотился и на основе неких явлений мы можем строить некие приборы. Нас будет интересовать, как идет поглощение света в пп. Есть несколько способов поглощения: 2.1. Собственное(фундаментальное) поглощение Что происходит в этом случае? Квант света - фотон, поглощается связан- ным электроном, связанный электрон приборетает дополнительную энергию и переходит в зону проводимости, в результате чего в пп появляется дополни- тельная проводимость - фотопроводимость. Доп энергия, которую приобретает связанный электрон, должна быть больше ширины ЗЗ - это совершенно оче- видно. При таком поглощениее всегда есть длинноволновая граница поглощения. hω > E g hc λ > E g λ гр = hc E g Для Si - λ ≈ 1.1мкм. Для всего огромного спектра волн кремний прозрачен. А что такое 1.1мкм? Такое излучение можно применять в оптронах, напри- мер. Но это не интересно. А интересны другие области излучение, например, в области 10мкм. Такое излучение дают земля, летающие аппараты. Так что используют материалы с другим типом поглощения. 2.2. Примесное поглощение 5 Что такое примесное поглощение для, например, кремния? Есть опре- деленный донорный уровень. Они как правило в кремнии и германии распо- лагаюся на очень малом расстоянии от E c . То есть E A (P в Si) ≈ 0.04эВ. Но тут есть проблема - в нормальном сосоянии все электроны уже заняты, так что свети - не свети ничего пере- ходить не будет. При такой E A элек- трон можно удержать на донорном уровне только при гелевых температурах - 4.2К. Только в таких условиях мы получим прибавку в проводимости, если посветим длинноволновым излучением на пп. Но это очень сложная техни- ка. Можно ли получить и как на фундаментальном поглощении реакцию на длинноволновое поглощение? Можно, в случае если у него узкая ЗЗ. Но и тут тоже нужно такое же охлаждение. Технологически наиболее разработанные - антиманит индия(сотые доли эВ), КРТ(кадмий ртуть теллур). Процентным отношением 3х элементных составов можно регулировать ширину ЗЗ. ИК тех- ника - огромный курс, по ней можно читать и читать. Это же все системы слежения, слежение за землей. Все можно определить такими фотоприемни- ками, потому что они отличают температуру в 0.1К. Но при этом всегда надо учитывать атмосферные окна. Дело в том, что ИК излучение - например ин- тересно ИК излучение Земли из космоса, но там огромное расстояние, и атмо- сфера поглощает очень много. Но к счастью есть амтосферное окно 8-14мкм, 3-5мкм, около 1.5мкм - так что бессмысленно делать приемник на 7мкм - та- кое излучение через амтосферу не пройдет. К примесному полощению мы еще как-нибудь вернемся. 2.3. Поглощение свободными носителями заряда На это поглощении строятся прибо- ры вроде: • Лазеры. Что там происходит? Электрон, поглощающий излучение, энер- гию теряет, переходит вниз, но зато дает два идентичных фото- на. 6 2.4. Решеточное поглощение Оно существует, но приборов на его основе мы не строим. Оно дает нам только потери на взаимодействии фотонов с атомам кристаллической решетки. Все пп приборы основаны на том, что мы должны знать, где именно рожда- ются доп. носители и т.д. Надо знать - свет сразу поглотится на поверхности, или же постепенно по толщине. 2.5. Закон Бугера-Ламберта Это закон распределения света по толщине, по нему можно узнать где именно свет остановится. Размер- ность интенсивности - энергия на пло- щадь в единицу времени. Часть из- лучения отразится от подложки. Обо- значим: • I 0 - падающее излучение. • R λ = I от I 0 • I = I 0 (1 − R λ ) , где R λ - коэф- фициент отражения. I - то, что прошло внутрь(не отразилось). Пусть поверхность пп - x = 0. Вы- берем в пп некий элемент dx, ему со- ответсвующее излучение I x . То, что поглотится в этом слое будет равно: dI x = I x · dx · α . dI x - то, что погло- тится слоем dx. Есть также граничное условие: x = 0 : I x = I 0 (1 − R λ ) . То- гда I(x) = I 0 (1 − R λ )e −α·x α - см −1 Если делаем приемник очень близко от поверхности, а рас- пределение поглощения весьма кру- тое, то будет очень малое количество рожденных свободных носителей заряда, так что фотоприемник будет ничуть не чувствительный. Или наоборот - очень 7 глубоко сделаем приемник, таким образом свободные носители могут рекомби- нировать в толще пп до того, как дойдут до pn-прехода. Так что очень важно знать реальную характеристику поглощения, чтобы сконструировать работа- ющий фотоприемник. 2.6. Спектральная зависимость коффициента поглощения Всегда должны выполняться два законы: ЗСЭ и ЗСИ(квазиимпульса). 1. ЗСЭ: E 2 = E 1 + hω 2. ЗСИ(квазиимпульса): P 2 = P 1 + hη Для электрона квазиимпульс порядка P = √ 2m ∗ kT = 10 −25 кг · м/см. Для фотона же: P ф = 2π · λ ≈ 10 −28 , при λ = 1um. P 2 = P 1 - правило отбора. Когда меняется энергия, но импульс остается постоянным. В прямозонных пп правило отбора выполняется как бы автоматически. Что- бы рассмотреть не прямозонные полупроводники... Если по горизонтали откладывать квазиимпульс, а по вертикали - энергию, то характеристика будет иметь вид: Стандартая зонная диаграмма(две параболы). ТАкже рядом еще рисунок, где у зоны проводимости два минимума. Для второго рисунка ширина ЗЗ так- же опредляется минмиальным расстоянием., но минимум находится у квазиим- пульса p 2 . Только такой переход невозможен, ибо энергии хватает, но импульс, очевидно, не совпадает. Для рисунка также справделиво, что если энергия 8 электрона E g + ∆E , то переход возможен. Таже переход возможен, если элек- трон получит дополнительно энергию от фотона и импульс от фонона. До E g нет поглощения фотона. 9 3. Фотопроводимость Под действием света сопротивление полупроводника падает, появляется до- полнительная проводимость. ∆σ = q(µ n ∆n + µ p ∆p) δ∆n δt = G n − ∆n τ n δ∆p δt = G p − ∆p τ p Возьмем δ∆p δt = δ∆n δt = 0 , тогда: ∆σ = q(µ n G n τ n + µ p G p τ p ) ∆n = G n τ n ∆p = G p τ p Приведем к интенсивности света. dI = αIdx dI dx = αI; 1 ω dI dx = α I ω = α ф - количество поглощенных фотонов. G - количество носителей заряда, возникающих в результате поглощения этих фотонов. G = αфη ∆n = G n η n τ n ∆p = G p η p τ p j др = ∆σE = qα ф(µ n τ n η n + µ p τ p η n ) α очень большое, ибо все носители в слое субмикронного размера, следова- тельно возрастает вероятность рекомбинации. τ, µ - функции количества но- сителей заряда. Почему фотоприемники имеют спектральный экстремум? Должно выпол- Рис. 1: Спектральная характеристика няться условие постоянности интенсивност на разных длиннах волн. Фотоот- 10 клик резко падает. Почему? Ибо интенсивность света - константа. Чем крупнее фотоны, тем меньшим количеством их набирается нужная мощность. Фотоот- клик уменьшается прямо пропорционально количеству фотонов, т.к. при их уменьшении уменьшается генерация заряда , а более резкое уменьшение про- исзходит из-за уменьшения подвижности заряда. 11 4. Параметры фотоприемников 1. Чувствительность. a) По току S I = ∆I ∆P А/Вт b) По напряжению S v = ∆v ∆P В/Вт c) По частоте S f = S v0 √ 1 − 2πf τ 2. Пороговая чувствительность - чувствительность, показывающая на ка- кой минимальный ток(на какую минимальную интенсивность света) мо- жет прореагировать приемник. Токовый шум характеризуется ∆U 2 ш P = m U 2 ши S и Вт Но чаще берется ∆U 2 m f → P = m ∆U 2 m f S и [ Вт · Гц −f rac12 ] Книги - Носов, Оптоэлектроника. 12 5. Фотодиоды 5.1. Суть По сути - те же диоды, но мож- но облучать обе стороны. Предполо- жим, что мы не включили прибор в электр. сеть. Естесственно заряды на- чинают диффундировать и могут по- дойти к pn-переходу. Дырки перей- ти в n-область не могут, а электроны могут перейти. Также и в n-области электроны перейти не могут, а дыри - могут. Таким образом p-область зарядается положительно, из n-области ухо- ядт дырки и он заряжается отрицательно. Возникает разность потенциалов, которая обусловлена фотовольтаическим эффектом. Этот эффект сопровож- дает работу фотодиода, но не является основным. Это источники тока - солнечные батареи, но это не наша тема. Что будет происходить с возрастанием времени? Постоянное накопление по- ложительного заряда? Конечно, нет. Какой процесс прекращает лавину? То есть устанавливает определенное стационарное напряжение. Это - открытие диода из-за положительного смещения на нем. При работе фотодиода на него надо подать напряжение - обычно, отрицательное. Тогда, если цепь замкнута и света нету, течет обычный темновой ток. Если начать освещать - темновой ток увеличится. Что будет, если включить диод в прямом направлении? Все то же самое. Однако, на фоне прямого тока сложно выделить добавочную ком- поненту светового тока. Поэтому фотодиоды всегда работают при обратном смещении. У кремниевых приборов нету об- ратного тока насыщения в отличии германиевых. Тогда теорию ШХЛ за- менили на теорию Са-Нойса-Шокли. 5.2. Возможные конструтивные исполнения 1. Свет падает параллельн плоско- сти pn-перехода. 13 p n w + l - l d 2. Просто планарный pn-переход. Надо найти приращения ∆n, ∆p для фундаментального поглощения. ∆n = ∆p d∆n ∆t = G n + D n d 2 ∆n dx 2 − ∆n τ n для p-области, аналогично для n. Граничные условия: x = −l, n = n p x = 0, n = n p e qU kT − 1 x = l, p = p n x = 0, n = p n e qU kT − 1 Носители рождаются не по всей толщине. Упрощающие предположения: 1. 1 α << W 2. l >> L p , L n 3. W << L n , L p - все что генерируется, без проблем проходит до конца эпитаксиального слоя, не рекомбинируя. Отсюда G = const. 14 Решаем: j n = qD n d∆n dx x=0 j p = qD p d∆p dx x=0 Получим: J = A q n p D n L n + p n D p L p exp qU kT − 1 − qG (L n + L p ) S = J s P Ф(1 − R λ )η W S i = J ф P = q · G(L p + L n )d · W λ 2l · d · h · c · Ф = q · Ф(1 − R λ )ηd · W · λ W · 2l · d · h · c · Ф = q(q − R λ )ηλ 2l · h · c ; Планарный переход решается также - берется уравнение непрервыности, плотности тока и т.д. Аналитически все решается, но есть одно но: формула чувствительноси будет выглядеть: S = S n + S p = qλC λ (L 1 + L 2 ) , но формулы для L 1 , L 2 имеют в себе кучу тригонометрических функций, делая анализ по формуле совершенно нереальным. То есть надо строить графики разные и т.д., чтобы понять что к чему. Для зеленого цвета - большие тяжелые фотоны, будут поглощаться у поверх- ности. Так что нужен мелкий pn-переход вплоть до субмикронной глубины. Аналогично для всего видимого спектра. Для ИК - мелкие, проходят глубоко, нужен глубокий pn-переход. 15 6. Фототранзистор Происходит усиление фототока наряду с фотоэл. преобразователем. 6.1. Принцип работы Под действием света на n + − p − n транзистор в p-области рождаюся но- сители заряда. Приложим напряже- ние. Что будет с носителями в базо- вой области? Дырки оттуда уйти не могут, так что уходят электроны. В КП создается фототок за счет проте- кания тех самых элеткронов, назовем его J ф0 . Дырки должны были бы пе- реходить в n + область, но не переходят, почему? Потому что мы сделали хо- роший транзистор. Откуда получается усиление в фо- тотранзисторе? Основные носители остаются, а неосновные уходят! КБ - заркыт с очень большим со- противлением. ЭБ - открыт, но с очень малым током. Дырки, образующиеся за счет све- та, дают диодный ток. Тока через прямосмещенный ЭБ переход нет, т.к. мы сделали большую разницу в леги- ровании областей(хороший транзистор). База заряжается, т.к. дырки ушли, следовательно, ЭБ переход приоткрывается, начинается инжекция из эмми- терного перехода. А значит происходит усиление. Ток электронов(J ф0 ) должен быть равен току рекомбинации. Условие стационарности: J R = −J ф0 J R = qAp n W n 2τ exp qU э kT = −J ф0 Находим exp qU э kT J = qAD p dp dx ; J = qAG 0 p(0) − p(W n ) W n ; J ф J ф0 = β; β = L 2 i W 2 n β - коэффициент усиления в транзисторе в схеме с ОЭ. 16 7. Фототиристор 4х слойный прибор, 3 пн перехода. Напряжение на центральном переходе меняется тогда, когда у нас по мере нарастания тока растут коэф-ты усиления и они становятся такие высокие, |