Випромінювачі світла

ПОНЯТТЯ ПРО ОПТОЕЛЕКТРОНІКУ

Під назвою «оптоелектроніка» розуміють область електроніки, яка розв'язує проблему одночасного використання електричних та оптичних сигналів для обробки, передачі і зберігання інформації.

Справа в тому, що в багатьох випадках виявляється необхідним або зручним вводити в лінії зв'язку ділянки, на яких передача інформації здійснювалася б не у вигляді електричних, а у вигляді оптичних (світлових) сигналів. Так, наприклад, при роботі з радіоелектронними вимірювальними приладами або з електронно-обчислювальними машинами, інформація, яку зчитує оператор, для зручності звичайно виводиться у вигляді світлових сигналів – світіння сигнальних ламп, світлових табло, світних цифрових індикаторів, дисплеїв, тощо.

І навпаки, при роботі із світловими сигналами часто на певному етапі виникає необхідність перетворення їх в електричні. Подібні задачі виникають у багатьох фізичних експериментах, в системах автоматики і контролю, коли первинну світлову інформацію потрібно ввести для обробки в радіоелектронні пристрої.

Основними елементами таких змішаних оптико-електронних систем є пристрої для перетворення сигналів одного виду в інший. Прилади, які перетворюють світлові сигнали в електричні називаються фотоприймачами, а ті, що виконують обернене перетворення – випромінювачами світла.

При цьому, як правило, під оптоелектронними приладами розуміють малогабаритні напівпровідникові прилади, а під світлом – електромагнітне випромінювання ультрафіолетового, видимого та інфрачервоного діапазонів в межах довжин хвиль від 0,2 до 50 мкм.

Фотоприймачі

В основі роботи усіх фотоприймачів лежить фізичне явище внутрішнього фотоефекту. Суть його полягає у тому, що при русі кванта світла в напівпровіднику, цей квант може бути поглинутим одним з атомів кристалічної гратки. В результаті від атома відірветься один з валетних електронів, а в місці поглинання кванта виникнуть вільний електрон і дірка[1].

Для цього, однак, необхідно, щоб енергія кванта була більшою за енергію активації даного напівпровідника:

тобто більше тієї енергії, котра необхідна для вивільнення валентного електрону. Так, наприклад, для кремнію DЕ = 1,12 еВ, отже внутрішній фотоефект спроможні викликати лише ті фотони, довжина хвилі яких коротше 1,1 мкм. Для германію такою границею буде довжина хвилі 1,84 мкм, а для широко застосованого в оптоелектронних приладах з арсеніду гелію та твердих розчинів на його основі «червона границя» лежить у межах 0,6 - 0,9 мкм.

Утворені внаслідок внутрішнього фотоефекту вільні електрони та дірки збільшують електропровідність напівпровідника, опромінюваного світлом. Саме на цьому заснована робота фоторезистора, схематичне зображення якого подано на рис.8.1а. Основою фоторезистора є напівпровідниковий фоточутливий шар, який може являти собою монокристалічну або полікристалічну платівку, або полікристалічну плівку (1), нанесену на діелектричну підкладку (2). На поверхню фоточутливого шару нанесено металеві електроди (3).

У відсутності освітлення фоторезистор має досить великий темновий опір, порядку 10⁴-10⁶ Ом. При опроміненні світлом опір фоторезистора зменшується і струм через нього зростає, що може бути зареєстровано як збільшення вихідної напруги на навантажувальному опору R_н.

Спектральна чутливість фоторезисторів залежить від матеріалу, з якого вони виготовлені. Скажімо, у фоторезисторів, виготовлених з СdS, у якого DЕ = 8.4 еВ, максимум чутливості припадає на l = 0.5 мкм (видиме зелене світло), а у фоторезисторів з РbS максимум чутливості лежить в інфрачервоному діапазоні в області l » 2 мкм.

Особливим чином внутрішній фотоефект проявляється на властивостях p-n переходу (рис.8.2). Якщо прикласти до цього переходу напругу запірної полярності, то у відсутності світла (Ф=0) його вольтамперна характеристика має звичайний вигляд (рис. 8.3, верхня крива) і через перехід тече малий зворотний струм І_о, який називають темновим струмом. У германієвих діодів цей струм дорівнює здебільшого кільком десяткам мікроампер, у кремнієвих – одиницям мікроампер.

При опроміненні світлом кванти, які поглинаються, створюють в об'ємі напівпровідника електронно-діркові пари. Електрони, що утворилися в p-області, та дірки, утворені в n-області, виявляються там неосновними носіями. В процесі свого дифузійного руху (якщо вони зародилися не надто далеко вхід границі переходу) ці неосновні носії можуть потрапити на границю переходу, екстрагуватись наявним там полем і дати відчутну добавку І_ф до наскрізного струму І_о, який тече через перехід. Фотострум І_ф майже не залежить від напруги, прикладеної до переходу, і пропорційний величині світлового потоку Ф.

Реальний прилад, який працює на цьому принципі називається фотодіодом. Його умовне зображення показане на рис.8.4. Фотодіодам притаманна досить висока чутливість, яка вимірюється у міліамперах на люмен. У деяких зразків фотодіодів з германію ця чутливість досягає 20-30 мА/лм. Інерційність фотодіодів визначається часом дифузії неосновних носіїв від місця їх утворення до границі p-n переходу і дорівнює звичайно одиницям мікросекунд. У особливо малоінерційних фотодіодів ця величина може бути зменшена до 10^-9...10^-10 с.

Дальшим удосконаленням фотодіоду може вважатися фототранзистор. Це звичайна тришарова pnp (або npn) структура, в котрій світловим потоком опромінюється запертий колекторно-базовий перехід (рис.8.5а). База при цьому може залишатися відключеною. Фотострум І_ф (сумісно зі струмом І_о) тепер виконує роль некерованого зворотного струму І_кбо, запертого колекторного переходу. Особливості роботи транзистора з відключеною базою були досить грунтовно розглянуті вище в розділі 3.5. Там було показано, що наскрізний струм через транзистор при подібному включенні дорівнює , і майже в b раз більший за струм І_кбо, яким він і обумовлений. Тому і в фототранзисторі слід чекати підсилення в b » h_21e раз наскрізного струму І порівняно зі фотострумом І_ф.

Особливий інтерес становить робота фотодіода в режимі, що відповідає четвертому квадранту рис.8.3. В окремому випадку, при розриві кола живлення і роботі в режимі холостого ходу на фотодіоді виникає електрорушійна сила j_о, величиною в кілька десятих вольта. Причина її появи в тому, що створювані світлом неосновні носії дифундують до р-n переходу і екстрагуються його електричним полем. В n-області накопичуються надлишкові електрони, а в p-області – надлишкові дірки. В результаті обидві області додатково заряджаються: n-область стає більш негативною, а p-область більш позитивною. Це призводить до зниження контактної різниці потенціалів між p– та n-областями і появи фото е.р.с.

При короткому замиканні фотодіоду в його колі потече струм І_кз, а при ввімкненні замість джерела живлення U навантажувального опору R, через останній протікатиме струм І<І_кз і виділиться напруга ІR < j_о. Такий режим відповідає точці А, утвореній перетином ВАХ фотодіода з прямою лінією, нахил якої визначається величиною опору R . Фотодіод стає таким чином джерелом потужності І²R, яка генерується за рахунок прямого перетворення енергії світлового потоку в електричну енергію. Явище це має назву фотогальванічного ефекту, а режим роботи фотодіода – фотогальванічним або вентильним.

Фотодіоди у вентильному режимі використовують як автономні (тобто такі, що не потребують джерел живлення) пристрої для реєстрації та вимірювання світлового потоку (наприклад, в автоматичних експонометрах фотоапаратів), а також як силові джерела живлення, які перетворюють енергію сонячного світла в електричну енергію. В останньому випадку вони називаються сонячними елементами і використовуються там, де одержати електричну енергію іншими способами неможливо.

Так, наприклад, сонячні елементи стали натепер основним джерелом електроживлення бортової апаратури космічних літальних апаратів, штучних супутників Землі, орбітальних станцій. Теоретично досяжний к.к.д. сонячних батарей становить 30-40%, однак поки що одержано значення лише порядку 10-12%.

Оскільки густина потоку сонячного випромінювання становить біля 1,4 кВт/м², сонячні елементи здатні з 1 м² корисної площі давати потужність в 150-200 Вт. Сонячні елементи виявилися настільки ефективними пристроями, що навіть існує проект створення на їх основі космічних електростанцій, які б передавали вироблену ними енергію на Землю у вигляді вузькоспрямованих потоків радіохвиль.

Випромінювачі світла

Явищем, зворотним до описаного вище внутрішнього фотоефекту, є випромінювання кванта світла при рекомбінації вільного електрона і дірки. Дійсно, при рекомбінації має виділитися енергія, що дорівнює енергії активації атомів напівпровідника, котра й визначає частоту та довжину хвилі виникаючого випромінювання.

Звичайно, не кожний акт рекомбінації завершується народженням фотона. Так, наприклад, в германію та кремнію великою є імовірність того, що при рекомбінації енергія буде передана безпосередньо атомам гратки (безвипромінювальний перехід). Але в деяких напівпровідниках імовірність народження фотона наближається до 100%, що може бути використано для створення вельми ефективних джерел світла.

Задача полягає лише в тому, щоб утворити в об'ємі напівпровідника достатньо високу концентрацію неосновних носіїв. Найпростіший та вже знайомий нам шлях до цього – інжекція неосновних носіїв пропусканням струму через відкритий p-n перехід (рис.8.6а). Світіння, що при цьому виникає, зветься електролюмінісценціею (точніше, інжекційною електролюмінісценцією) і є основою роботи напівпровідникових випромінювачів світла – світлодіодів.

Світлодіод являє собою кристал арсеніду галію GaAs, фосфіду галію GaP, карбіду кремнію SіС або інших складних напівпровідників. Спеціальною обробкою в кристалі створюється р - n перехід. Далі кристал встановлюється в герметичний корпус з виводами та прозорим вікном у формі лінзочки, яка концентрує випромінюваний світловий потік. Умовне зображення світлодіода показане на рис.8.6б. В залежності від складу напівпровідника свічення світлодіода може бути зеленим, жовтим, червоним або лежати в області інфрачервоних хвиль. Інерційність світлодіодів мала і може бути доведеною до десятків і навіть одиниць наносекунд.

Світлодіоди використовують як сигнальні лампочки, з них можна зібрати матриці та панелі для висвітлювання знаків і цифр. Широко поширені семисегментні цифрові індикатори (рис.8.7), на яких відповідною комутацією мініатюрних світлодіодів видовженої форми можна висвітлювати цифри та літери. Такі індикатори застосовують, наприклад, у мікрокалькуляторах, електронних годинниках, цифрових радіовимірювальних приладах.

При акті рекомбінації кожний електрон видає короткий імпульс випромінювання незалежно від всіх інших електронів, які також рекомбінують. Фази коливань в цих імпульсах аж ніяк між собою не зв'язані, тому випромінювання буде некогерентним. Когерентне випромінювання вдається одержати в пристроях, які мають назву напівпровідникових лазерів. Схематичне зображення такого лазера дано на рис.8.8.

Напівпровідниковий лазер – це кристал міліметрових розмірів з арсеніду галію або інших подібних напівпровідників з p-n переходом. Кристал щільно затиснуто між струмопровідними електродами, які водночас служать і для відведення тепла, що виділяється в кристалі. Необхідною умовою роботи лазера (на відміну від звичайного світлодіода) є інверсія заселеності енергетичних рівнів, при якій кількість частинок у збудженому стані перевищує кількість незбуджених. В даному випадку це означає, що концентрація вільних електронів (і дірок) повинна перевищувати концентрацію незбуджених атомів напівпровідника, які утримують «при собі» свої валентні електрони. Така висока концентрація неосновних носіїв може бути створеною лише при дуже великих густинах струму інжекції – порядку 10³ А/см² та вищих.

При наявності інверсної заселеності квант світла, який виник у напівпровіднику, матиме більшу імовірність викликати рекомбінацію одного з вільних електронів, ніж бути поглиненим незбудженими атомами гратки. При цьому випромінюється новий квант, який має ті ж частоту, фазу, поляризацію і напрям руху як і квант, що його породив, тобто буде когерентним з ним. Подібне явище, коли один квант «допомагає» народженню іншого, називається вимушеним випромінюванням, і саме на цьому грунтується робота всіх лазерів. Виниклий квант може викликати нові акти вимушеного випромінювання, так що описаний процес має тенденцію розвиватися лавиноподібно, приводячи до висвітлювання все нових і нових квантів. Імовірність того, що квант світла викличе акт вимушеного випромінювання пропорційний часу взаємодії кванта з інверсно-заселеним середовищем. Тому з метою збільшення тривалості цієї взаємодії бічні грані кристала роблять плоско-паралельними, так щоб кристал в напрямі вісі ХХ являв собою оптичний резонатор. Кванти світла, багаторазово відбиваючись від бічних граней, перебувають в об'ємі кристала досить тривалий час і сприяють зростанню лавинних квантів. Накопичене в об'ємі кристала випромінювання потроху витікає через напівпрозорі бічні грані в напрямі вісі ХХ.

Головна складність при здійсненні успішної роботи напівпровідникового лазера – це велика густина граничних струмів, починаючи з яких досягається інверсна заселеність, і випромінювання стає когерентним. Ці струми викликають сильне нагрівання кристалу, охолодити його не вдається навіть за допомогою щільно притиснутих до нього масивних електродів. Тому у більшості випадків вдається реалізувати лише імпульсну роботу подібних лазерів, коли імпульси струму чергуються з тривалими паузами, протягом яких кристал остигає.

Більшість напівпровідникових лазерів працює в ІЧ діапазоні та довгохвильовій частині видимого діапазону. Коефіцієнт корисної дії напівпровідникових лазерів може сягати 50-70%, що набагато більше ніж у лазерів інших типів. Проте, зважаючи на мініатюрні розміри кристалу, абсолютні потужності випромінювання невеликі і складають звичайно долі Вт.

Оптрон

Оптрон – це оптоелектричний напівпровідниковий прилад, який складається з випромінювача світла та фотоприймача, між якими встановлений оптичний зв'язок. Самі ж випромінювач і фотоприймач електрично ізольовані один від одного. Сполучення випромінювача світла та фотоприймача в одному приладі – оптроні також називають оптоелектронною парою. Як випромінювачі звичайно застосовують світлодіоди; фотоприймачами можуть бути фоторезистор, фотодіод або фототранзистор (рис.8.9).

Імпульс струму i₁ через світлодіод спричиняє світловий імпульс, який створює пропорційний йому імпульс струму i₂ в колі фотоприймача.

Основне призначення оптронів – створення електричної розв'язки на шляху передачі сигналу, тобто здійснення передачі сигналу з одного електричного кола в інше, але без їх безпосереднього eлектричного з'єднання. Прикладом необхідності подібної розв'язки може бути потреба у вирішенні такої задачі: виміряти слабкий (порядку кількох міліампер) імпульс струму в провіднику, який знаходиться під високою напругою в кілька десятків кіловольт. Пряме приєднання вимірювальних приладів до цього провідника неприпустиме за правилами техніки безпеки.

Задача легко розв'язується застосуванням оптоелектронної пари (рис.8.10), в якій струм i₁, що підлягає виміру, пропускається через світлодіод Д₁, а утворений світловий імпульс вловлюється і перетворюється знову на електричний сигнал фотодіодом Д_8. Відстань між діодами можна зробити досить великою, щоб задовольнити вимоги техніки безпеки, а щоб світло не розсіювалося в боки, воно пропускається по світловоду – стриженку із прозорого матеріалу з великим коефіцієнтом заломлення, по якому світло поширюється шляхом повного внутрішнього відбиття від стінок.

Наведений приклад є одним з багатьох випадків, коли застосування розв'язки через оптрон дозволяє досить просто вирішити здавалося б нерозв'язну задачу спільного провідника для різних частин електричної системи. Інша область застосування оптронів – розв'язка в колах електронно-обчилювальних машин, коли через небезпеку взаємних завад і наводок ці кола не можуть бути електрично сполученими між собою.

Широке застосування оптронні пари знаходять і в автоматиці, де вони служать безконтактними датчиками інформації про просторове положення об'єктів, які впливають на хід світлового променю від джерела світла до фотоприймача. Потрапляючи в промінь світла та затіняючи його, відбиваючи або не відбиваючи світловий промінь, рухомий предмет створює електричний сигнал в колі фотоприймача. Далі цей сигнал підсилюється і приводить у дію відповідні виконавчі сервомеханізми. Такого роду пристрої досить численні: вони можуть лічити кількість людей, які проходять повз датчик, кількість рухомих предметів на конвейєрі, вибраковувати деталі в залежності від їх розмірів і забарвлення, працювати в системах захисту від потрапляння предметів або людей в небезпечні зони.

Особливе значення оптоелектронні системи передачі інформації набули останнім часом у зв'язку з удосконаленням технології виготовлення світлодіодів малого перерізу. Такий світлодіод являє собою тонку кварцеву нитку діаметром у кілька десятків мікрон, оточену оболонкою з речовини з меншим коефіцієнтом заломлення. Подібні волокна стійкі до розтягу та скручування; світло в них може поширюватися з малим згасанням (порядку 1 дБ/км) на великі відстані за рахунок повного внутрішнього відбиття від стінок кварцового волокна. Приєднавши до торців такого волокна світлодіод та фотоприймач, ми одержимо волоконно-оптичну лінію зв'язку (ВОЛЗ), по якій інформація у вигляді світлових сигналів може передаватися на великі відстані.

Подібними світловодами передбачається замінити мідні провідники в телефонних кабелях внутріміського та міжміського зв'язку. Перевагою ВОЛЗ є малий поперечний переріз світловодних волокон, значно більша у порівнянні з звичайною телефонною лінією смуга пропускання частот, нечутливість до електричних завад і наводок, а також можливість економії дефіцитних кольорових металів, застосовуваних в існуючих телефонних кабелях.