Полупроводниковые оптоэлектронные приборы

Работа различных полупроводниковых приемников излучения основана на использовании внутреннего фотоэффекта, который заключается в том, что под действием излучения в полупроводниках происходит генераций пар носителей заряда — электронов и дырок. Эти дополнительные носители увеличивают электрическую проводимость. Такая добавочная проводимость, обусловленная действием фотонов, получила название фотопроводимости. Простейший приемник излучения — фоторезистор, — одинаково проводящий ток в обоих направлениях.

В некоторых приборах под действием излучения (фотодиоды, фототранзисторы) за счет фотогенерации электронов и дырок возникает э.д.с, которую называют фото-э.д.с.

При подаче прямого напряжения на двухслойный полупроводник происходит рекомбинация электронов и дырок с образованием фотонов (явление инжекционной электролюминесценции). Это явление используют в светоизлучающих диодах.

Фоторезистор — полупроводниковый резистор, изменяющий свое сопротивление под действием излучения. Устройство фоторезистора показано на рис. 28. На диэлектрическую пластину 1 нанесен тонкий слой полупроводника 2 с контактами 3.

Рис. 28. Устройство фоторезистора: 1 – диэлектрическая пластина;

2 – слой полупроводника; 3 – контакты

Схема включения фоторезистора приведена на рис. 29, а. Полярность источника питания может быть любой. Если облучение отсутствует, то фоторезистор имеет сопротивление R_m — (10⁴-10⁷) Ом, называемое темновым. Оно является одним из основных параметров фоторезистора. Соответствующий ток через фоторезистор называют темновым током. При действии излучения с достаточной энергией фотонов на фоторезистор, в нем происходит генерация пар подвижных носителей заряда, и его сопротивление уменьшается.

Е

а б в

Рис. 29. Схема включения фоторезистора (а); вольтамперная характеристика (б);

энергетическая характеристика фоторезистора (в)

Фоторезисторы характеризуются интегральной чувственностью

S_i=I_ф / Ф, [мкА/лм],

где I_ф – фототок, мкА;

Ф – световой поток, лм.

Фоторезисторы имеют линейную ВАХ и нелинейную энергетическую характеристику (рис. 29, б и в).

Фотодиоды служат для преобразования энергии излучения в электрическую энергию (рис. 30, а). Фотоны, воздействуя на п-р переход и прилегающие к нему области, вызывают генерацию пар носителей заряда. Возникшие в n- и р-областях электроны и дырки диффундируют к переходу, и если они не успели рекомбинировать, то попадают под действие внутреннего электрического поля, имеющегося в переходе. Это поле также действует и на носители заряда, возникающие в самом переходе. Поле разделяет электроны и дырки. Для неосновных носителей, например, для электронов, возникших в p-области, поле перехода является ускоряющим. Оно перебрасывает электроны в п-область. Аналогично, дырки перебрасываются полем из п-области в p-область. Для основных носителей, например, дырок в p-области, поле перехода является тормозящим, и эти носители остаются в своей области, т.е. дырки остаются в p-области, а электроны — в n-области.

В результате этого процесса в п- и p-областях накапливаются избыточные основные носители, т.е. создаются соответственно заряды электронов и дырок и возникает разность потенциалов, которую называют фото-э.д.с. С увеличением светового потока фото-э.д.с. растет по нелинейному закону (рис. 30, б). Значение э.д.с. может достигать нескольких десятых долей вольта. При включении полупроводникового фотоэлемента на нагрузку возникает фототок

,

где R_вн – внутреннее сопротивление фотоэлемента.

В настоящее время широкое распространение получили кремниевые фотоэлементы, используемые в качестве солнечных преобразователей. Они преобразуют энергию солнечных лучей в электрическую. Из таких элементов путем их последовательного и параллельного соединения создаются солнечные батареи, развивающие мощность до нескольких киловатт. Солнечные батареи являются основными источниками питания на космических кораблях, автоматических метеостанциях, телевизионных спутниках и т.д.

Рис. 30. Схема включения фотодиода (а) и его характеристика (б)

Фототранзисторы обладают более высокой интегральной чувствительностью, чем фотодиоды. Биполярный фототранзистор представляет собой обычный транзистор, в корпусе которого сделано прозрачное окно, через которое световой поток может воздействовать на область базы (рис. 31, а).

Рис. 31. Схема включения биполярного фототранзистора (а)

и его выходные характеристики (б)

Фотоны вызывают в базе генерацию пар носителей заряда — электронов и дырок. Они диффундируют к коллекторному переходу, в котором происходит их разделение так же, как и в фотодиоде. Дырки под действием поля коллекторного перехода перемещаются из базы в коллектор и увеличивают ток коллектора, а электроны остаются в базе и повышают прямое напряжение эмиттерного перехода, что усиливает инжекцию дырок в

этом переходе. За счет этого дополнительно увеличивается ток коллектора.

Интегральная чувствительность у фототранзистора в десятки раз больше, чем у фотодиода, и может достигать сотен миллиампер на люмен. Фототранзистор со свободной базой имеет низкую температурную стабильность. Для устранения этого недостатка применяют схемы стабилизации, при этом используется вывод базы. На этот вывод можно также подавать постоянное напряжение смещения и электрические сигналы.

Выходные характеристики фототранзистора показаны на рис. 31, б. Различные кривые соответствуют различным значениям светового потока, а не тока базы.

На практике применяются еще и составные фототранзисторы. Составной фототранзистор — это фототранзистор, соединенный с обычным транзистором. Составной транзистор имеет коэффициент усиления тока β, равный произведению коэффициентов усиления двух транзисторов β₁·β₂.В результате интегральная чувствительность у составного фототранзистора получается в тысячу раз больше, чем у фотодиодов. Высокая чувствительность и быстродействие достигаются при сочетании фотодиода с высокочастотным транзистором.

Кроме биполярных фототранзисторов в качестве приемников излучения используются и полевые фототранзисторы. На рис. 32 показан полевой фототранзистор с каналом n-типа. При облучении n -канала в нем и в прилегающей к нему p-области (затворе) генерируются электроны и дырки. Переход между n -каналом и p-областью находится под обратным напряжением, и поэтому под действием поля этого перехода происходит разделение носителей заряда. В результате возрастает концентрация электронов в n-канале, уменьшается его сопротивление и увеличивается концентрация дырок в p-области. Ток канала (ток стока) возрастает. Возникает фототок в цепи затвора, который создает падение напряжение на резисторе R_зат,за счет чего уменьшается обратное напряжение на управляющем переходе канал-затвор. Это в свою очередь приводит к уменьшению сопротивления канала и возрастанию тока стока. Таким образом, осуществляется управление током стока световой энергией.

Рис. 32. Схема включения полевого фототранзистора

МДП-фототранзисторы с индуцированным каналом имеют полупрозрачный затвор, через который освещается область полупроводника под затвором. В этой области происходит фотогенерация носителей заряда. За счет этого изменяется значение порогового напряжения, при котором возникает индуцированный канал, а также крутизна, являющаяся основным параметром такого транзистора. На затвор иногда подают постоянное напряжение для установления начального режима.

Фототринисторы и фотосимисторы — это тринисторы и симисторы с фотоуправлением, применяются в различных автоматических схемах, в качестве бесконтактных ключей для коммутации мощных устройств. Основными достоинствами таких схем являются малое потребление энергии, малые габариты, отсутствие искрения, малое время включения и выключения нагрузки.

Полупроводниковый прибор, в котором конструктивно объединены источник и приемник излучения, имеющие между собой оптическую связь, называется оптроном. В источнике излучения электрические сигналы преобразуются в световые, которые воздействуют на фотоприемник и создают в нем электрические сигналы. Если оптрон имеет только один излучатель и один приемник излучения, то его называют оптопарой. Микросхема, состоящая из одной или нескольких оптопар с дополнительными согласующими и усилительными устройствами, называется оптоэлектронной интегральной микросхемой. Вход оптрона и его выход электрически не связаны, связь входа и выхода осуществляется световым сигналом. Цепь излучателя является управляющей, а цепь фотоприемника — управляемой.

Достоинствами оптронов являются отсутствие электрической связи между входом и выходом, высокая помехозащищенность оптического канала, хорошая совместимость оптронов с другими полупроводниковыми и микроэлектронными приборами.

Оптроны состоят из излучателя 1и приемника излучения 2, которые помещаются в корпус и заливаются оптически прозрачным клеем 3(рис. 33, а). Для использования в микросхемах выпускаются миниатюрные бескорпусные оптроны. Особую конструкцию имеют оптопары с открытым оптическим каналом. У них между излучателем 1и фотоприемником 2имеется воздушный зазор (рис. 33, б), в котором может перемещаться светонепроницаемая преграда, например, перфолента с отверстиями, с помощью которой можно управлять световым потоком. В другом варианте оптопар с открытым каналом (рис. 33, в) световой поток излучателя 1попадает в фотоприемник 2, отражаясь от какого-либо внешнего объекта.

Рис. 33. Устройство оптопар: а — в герметичном корпусе; б и в — с открытым оптическим каналом

Рассмотрим различные типы оптопар, отличающиеся друг от друга фото приемниками.

Резисторные оптопары имеют в качестве излучателя светодиоды, дающие видимое или инфракрасное излучение. Приемником излучения является фоторезистор, который может работать как на постоянном, так и на переменном токе. Для хорошей работы оптопары необходимо согласование излучателя и фоторезистора по спектральным характеристикам.

На рис. 34, а изображена резисторная оптопара (светодиод и фоторезистор), у которой выходная цепь питается от источника постоянного (или переменного) напряжения Е и имеет нагрузку R_н . Напряжение U_упр, подаваемое на светодиод, управляет током в нагрузке. Цепь управления (цепь излучателя) изолирована от фоторезистора, который может быть включен в цепь относительно высокого напряжения. В качестве параметров резисторных оптопар обычно указываются максимальные токи и напряжения на входе и выходе, проходная емкость, время включения и выключения. Важнейшими характеристиками оптопары являются входная I_вх = f(U_вх) и передаточная характеристики. Последняя показывает зависимость выходного сопротивления от входного тока.

Промышленность выпускает оптопары с одним или несколькими резисторами в одном корпусе, которые применяются для автоматического регулирования усиления, связи между каскадами, управления бесконтактными делителями напряжения, модуляции сигналов, формирования различных сигналов и т.д.

Рис. 34. Типы оптопар; а —резисторная; б — диодная; в — транзисторная;

г — с составным транзистором; д — с фотодиодом и транзистором

Диодные оптопары (рис. 34, б) имеют обычно инфракрасный арсенид-галлиевый диод и кремниевый фотодиод. Фотодиод может работать в фотогенераторном режиме, создавая фото-э.д.с. до (0,5-0,8) В, или в фотодиодном режиме. Основные параметры диодных оптопар — это входные и выходные напряжения и токи для непрерывного и импульсного режима, коэффициент передачи тока, т. е. отношение выходного тока к входному, время нарастания и спада выходного сигнала, а также другие величины, аналогичные параметрам резисторных оптопар.

Свойства диодных оптопар отображаются входными и выходными ВАХ и передаточными характеристиками для фотогенераторного и фотодиодного режима. Многоканальные диодные оптопары имеют в одном корпусе несколько оптопар. Масса оптопары составляет примерно один грамм или десятые доли грамма. Оптопары оформлены в металлостеклянном корпусе, для гибридных микросхем выпускаются бескорпусные оптопары. Применение диодных оптопар весьма разнообразно. Например, на основе диодных оптопар создаются импульсные трансформаторы, не имеющие обмоток.

Транзисторные оптопары имеют обычно в качестве излучателя арсенид-галлиевый диод, а приемника излучения — биполярный кремниевый фототранзистор типа п-р-п (рис. 34, в). Основные параметры входной цепи аналогичны параметрам диодных оптопар. Дополнительно указываются максимальные токи, напряжения и мощности, относящиеся к выходной цепи, темновой ток фототранзистора, время включения и выключения, параметры, характеризующие изоляцию входной цепи от выходной. Оптопары этого типа работают главным образом в ключевом режиме и применяются в коммутаторных схемах, устройствах связи различных датчиков с измерительными блоками, в качестве реле.

Для повышения чувствительности в оптопаре может быть использован составной транзистор (рис. 34, г) или фотодиод с транзистором (рис. 34, д). Оптопары с составным транзистором обладают наибольшим коэффициентом передачи тока, но наименьшим быстродействием, а наибольшее быстродействие характерно для диодно-транзисторных оптопар. Разновидностью транзисторных оптопар являются оптопары с полевым фототранзистором. Они отличаются хорошей линейностью выходной ВАХ в широком диапазоне напряжений и токов и поэтому удобны для аналоговых схем.

В качестве примера тиристорной оптопары рассмотрим оптроны серии АОУ160, которые состоят из арсенид-галлиевого ИК-излучателя и кремниевого фотосимистора (рис. 35). Излучатель и приемник изолированы один от другого оптически прозрачной массой.

Рис. 35. Типовая схема включения оптрона АОУ160А в узле управления мощным коммутатором нагрузки (а), входная ВАХ оптрона (б)

Оптопары выпускают в пластмассовом корпусе с жесткими пластинчатыми выводами. Масса прибора — не более 0,8 г, ток включения — 10 мА, время включения — не более 10 мкс, время выключения — не более 250 мкс, проходная емкость — не более 10 пФ, наибольший выходной ток при частоте 50 Гц— 100 мА, напряжение изоляции между входом и выходом — 1,5 кВ. Рабочий интервал температуры окружающей среды — (-45 + 70) °С.

Оптоэлектронные интегральные микросхемы (ОЭ ИМС) имеют оптическую связь между отдельными узлами или компонентами для обеспечения электрической изоляции их друг от друга. В этих микросхемах, изготовляемых на основе диодных, транзисторных и тиристорных оптопар, кроме излучателей и фотоприемников содержатся еще устройства для обработки сигналов, полученных от фотоприемника. Особенностью ОЭ ИМС является однонаправленная передача сигнала при полном устранении обратной связи. Различные ОЭ ИМС используются главным образом в качестве переключателей логических и аналоговых сигналов, реле и схем цифро-буквенной индикации.