Элементная база оптоэлектронных приборов и устройств

Все виды оптоэлектронных элементов подразделяют на следующие группы: источники и приемники излучения, индикаторы, элементы оптики и световоды, а также оптические среды, позволяющие создавать элементы управления, отображения и запоминания информации. Учитывая это, возможно хотя бы в общих чертах дать три отличия оптоэлектроники, которые характеризуют ее как научно-техническое направление [13].

1. Физическую основу оптоэлектроники составляют явления, методы, средства, для которых принципиальны сочетание и неразрывность оптических и электронных процессов. В широком смысле оптоэлектронное устройство определяется как прибор, чувствительный к электромагнитному излучению в видимой, инфракрасной (ИК) или ультрафиолетовой (УФ) областях, или прибор, излучающий и преобразующий некогерентное или когерентное излучение в этих же спектральных областях.

2. Техническую основу оптоэлектроники определяют конструктивно-технологические концепции современной микроэлектроники: миниатюризация элементов; предпочтительное развитие твердотельных плоскостных конструкций; интеграция элементов и функций.

3. Функциональное назначение оптоэлектроники состоит в решении следующих задач информатики: генерация (формирование) информации путем преобразования различных внешних воздействий в соответствующие электрические и оптические сигналы; переносе информации; переработка (преобразование) информации по заданному алгоритму; хранение информации, включающее такие процессы, как запись, собственно хранение, неразрушающее считывание, стирание; отображение информации, т.е. преобразование выходных сигналов информационной системы к воспринимаемому человеком виду.

Элементная база ОЭП содержит серийно выпускаемые световоды, источники излучения, фотоприемники, оптимальное сочетание параметров которых позволяет получить заданные метрологические и эксплуатационные характеристики. Общими требованиями к элементам ОЭП являются надежность и стабильность при низкой стоимости, а также возможность конструктивной совместимости.

Световоды. Действие волоконных световодов основано на эффекте полного внутреннего отражения света. Этот эффект возникает на границе двух оптических прозрачных сред, когда наклонно падающий световой поток из среды с большим показателем преломления достигает границы раздела со средой с меньшим показателем преломления. Стекловолокна изготовляют из сердечника с показателем преломления n ₁ и имеют оболочку из стекла с показателем преломления п ₂, причем n ₁> п ₂ (рис. 2.43).

Рис. 2.43. Распределение лучей в световоде

Согласно законам оптики полное внутреннее отражение наступает при переходе луча из оптически более плотной среды (сердечник) в среду менее плотную (оболочка), если луч падает под углом большим или равным предельному углу полного внутреннего отражения θ _крит, т.е. наименьшему углу падения, при котором наступает полное отражение. Величина этого угла находится из известного соотношения

sin θ _крит = п ₂ / n ₁.

Предельному углу полного внутреннего отражения соответствует максимальный угол падения луча на входную поверхность сердечника, иначе апертурный угол (на рис. 2.43 обозначен как θ _max), который определяется выражением

п ₀ sin θ _max = (n ²₁ – n ²₂)^1/2.

Все лучи, сосредоточенные в конусе с углом при вершине 2θ _max (конус падающего излучения), попадают в волокно и распространяются в нем посредством полного внутреннего отражения. Лучи, входящие в сердечник волокна под углом большим, чем эти, выходят через оболочку волокна наружу или поглощаются материалом оболочки.

Правая часть приведенного выше выражения обозначается символом А и носит название численной апертуры волокна:

А = (n ²₁ – n ²₂)^1/2.

Физическим содержанием этой величины является способность волокна интегрировать (собирать) падающий на него лучевой поток. Чем больше разница в величинах п ₁и п ₂, тем выше численная апертура волокна и тем сильнее его собирательные свойства.

Потери излучения при прохождении через волоконный световод вызываются рядом причин: поглощением в материале световода, частичным просачиванием через оболочку, отражением на торцах и т.п.

Следует подчеркнуть, что при использовании волоконных деталей важную роль играет выбор рабочей длины волны. Малые потери удается получить при работе с источниками излучения в диапазоне волн 0, 8 – 0, 94 мкм (на этот диапазон как раз приходится максимум спектральных характеристик арсенид-галлиевых светодиодов и кремниевых фотодиодов).

Эффективность жгута, составленного из многих волокон, конечно меньше, чем однотипного одиночного волокна. Это объясняется наличием в жгуте неиспользуемых промежутков между волокнами и отдельных неисправных волокон. Наибольшее значение для эффективности волокна имеют потери на поглощение.

С учетом упомянутых факторов общая оптическая эффективность волоконной структуры может быть приближенно выражена формулой

k _0.эф = Ф/Ф₀ = S ₁/ S ₀ ε (1 – ρ ₁)² sin θ _max,

где Ф₀ – поток излучения, падающий на вход структуры;

Ф – поток излучения, прошедший через волокна;

S ₁ – суммарная полезная площадь торцов волокон;

S ₀ – площадь входного сечения структуры;

ε – коэффициент пропускания волокон;

ρ ₁ – коэффициент отражения на входе и выходе волокна;

θ _max – полуапертурный угол максимального входного конуса излучения.

Среднее значение коэффициента, определяемого этой формулой, для волоконно-оптических структур не слишком большой длины (до нескольких метров) лежит в пределах 0, 4 ¸ 0, 6.

В тех случаях, когда выходной торец световода находится в непосредственном контакте с входным окном фотоприемника, угловое распределение выходного пучка может не учитываться (при условии, что размеры фоточувствительной поверхности приемника излучения превышают размеры выходного торца световода).

Выбор источника излучения оказывает значительное влияние на характеристики ВОП. Их характеризуют спектральный состав, мощность излучения, диаграмма направленности, уровень широкополосного оптического шума.

Характерные черты оптоэлектронных приборов и устройств позволяют обрисовать признаки отличия оптоэлектронных источников излучения. К таким общим чертам, как миниатюрность элементов и в большинстве случаев твердотельность, конструктивность изготовления по плоскостным технологиям (присущую интегральным микросхемам), можно добавить, исходя из информационной составляющей определения оптоэлектроники, управляемость и связанные с этим узконаправленность и быстродействие. Более детально эти признаки будут раскрыты при дальнейшем рассмотрении, но можно сказать, что такими характеристиками могут обладать полупроводниковые излучатели.

Излучающие диоды. В основе работы источников излучения оптического диапазона лежит одно из следующих физических явлений: тепловое излучение, разряд в газовой среде, люминесценция, индуцированное излучение. Действие излучающих диодов основано на явлении люминесценции, а точнее – электролюминесценции. Для возникновения люминесценции в полупроводнике необходимо привести его в возбужденное состояние с помощью каких-либо внешних источников энергии. Например, при воздействии электрического поля или тока возникает электролюминесценция.

Создавая полупроводниковые материалы, с помощью тех или иных примесей (в строго определенных пропорциях) ученые и технологи научились получать полупроводниковые источники, излучающие в диапазоне от инфракрасного до голубого (наиболее сложно реализуемого, особенно по мощности) излучения.

Важной характеристикой любого излучателя является направленность излучения. Пространственное распределение излучения характеризуется фотометрическим телом излучателя, а в случае его симметрии – диаграммой направленности. Диаграммы со слабовыраженной направленностью характерны для индикаторных светодиодов в пластмассовых корпусах (для них важен сам факт свечения или тушения), а для излучающих диодов, используемых в датчиках или записывающих устройствах, характерны направленные и остронаправленные диаграммы излучения.

Инфракрасные светодиоды (λ = 1 мкм) удовлетворяют большинству требований, предъявляемых к источникам излучения ОЭП. Отличительной особенностью светодиодов является узкая диаграмма направленности излучения, позволяющая вводить поток в световоды без вспомогательной оптики. Мощные ИК светодиоды позволяют получить плотность излучения, соизмеримую с аналогичным значением для ламп накаливания при гораздо меньшей потребляемой мощности. Наибольшая стабильность мощности характерна для арсенид-галлиевых светодиодов, питаемых от генераторов тока.

На рис. 2.44, а при­ведена структура светодиода. Слой GaAs с р ‑ проводимостью охвачен с обеих сторон слоем р -типа
Al _x Ga_{1- x} As и слоем n ‑ типа Al _y Ga_{1- y} As. Подобная конструкция называется двух­слойной гетероструктурой. Из слоя n -типа в слой GaAs инжек­тируются электроны, но, как показано на рис. 2.44, б, из-за энер­гетического барьера (гетеробарьера) в области гетероперехода слоя GaAs и слоя р -типа электроны не рассеиваются в слое р -типа, а накапливаются в слое GaAs и затем пе­реходят в зону валент­ных электронов, генери­руя спонтанное излуче­ние. Слой GaAs, излуча­ющий свет, называется активным слоем, а оба боковых слоя AlGaAs на­зываются слоями обо­лочки. Излучаемый свет, в связи с тем, что энер­гия запрещенной зоны в обоих слоях оболочки больше энергии актив­ного слоя, не поглощается электронами валентной зоны слоев оболочки (т.е. излучение не используется для возбуждения этих электронов и пере­хода их в зону проводимости), а, проходя через эти зоны, из­лучается наружу.

а б

Рис. 2.44. Принцип действия светодиода:

а – структура светодиода; б – энергетические зоны светодиода

Как показано на рис. 2.45, а, существуют светодиоды боко­вого излучения, которые излучают свет перпендикулярно к по­верхности перехода, и светодиоды высокой яркости (SLD – Super Luminescent Diode) с торцевым излучением, которые излучают свет параллельно поверхности перехода. Последние по сравнению с первыми обладают большой мощностью излучения и используются в качестве источников света для датчиков, в ко­торых не требуется когерентность света. Кроме того, они используются вместо лазера в тех случаях, когда высокая когерентность может оказаться помехой вследствие, например, шумов, индуцированных обратным лучом полупроводникового лазера.

а б
Рис. 2.45. Структура светодиода с боковым излучением (а)
и повышенной яркости с торцевым излучением (б)

Одной из основных характеристик AlGaAs-светодиода явля­ется мощность излучаемого света (обычно от нескольких до 100 мВт при инжекционном токе 100 ¸ 200 мА и примерно про­порциональна ему). Длина волны центра спектра 730 ¸ 900 нм, а ширина спектра 30 ¸ 60 нм. Для повышения эффективности светодиода к нему приклеи­вается миниатюрная линза или подложка светодиода обрабаты­вается в форме выпуклой линзы.

Светодиоды на основе соединения InGaAsP тоже в боль­шинстве случаев имеют двухслойную гетероструктуру. Их мощ­ность излучения 1 ¸ 3 мВт, длина волны центра спектра 1, 1 ¸ 1, 5 мкм, ширина спектра 100 ¸ 200 нм. Долговечность даже при температуре 60° С может превышать 10⁹ ч, т.е. надежность выше, чем у AlGaAs-светодиодов.

Особый класс излучающих диодов составляют так называемые лазерные диоды (полупроводниковые лазеры), но до их рассмотрения следует ознакомиться с особенностями лазерного излучения.

Лазеры. Основными отличительными чертами лазерного излучения являются монохроматичность, когерентность и лучевая направленность [13]. Чтобы представить, насколько лазерное излучение «монохроматичнее» светодиодного (которое представляется тоже одноцветным), можно сопоставить степень монохроматичности того и другого вида источников, которая оценивается отношением ширины полосы спектра излучения к длине волны максимума спектральной характеристики. Для светодиодов степень монохроматичности оценивается величинами порядка 0, 05 ¸ 0, 1, а для лазеров – менее 0, 000001, т.е. длину волны лазерного излучения определяют с точностью до третьего-четвертого знака после запятой, иначе говоря, лазер дает излучение практически строго на одной длине волны.

Лазер является источником излучения, у которого принцип действия и параметры излучаемого потока коренным образом отличаются от характеристик всех предшествующих источников, так что иногда их в оптоэлектронике называют «долазерными излучателями». Лазерное излучение относится к виду индуцированного излучения, предсказанного А. Эйнштейном
в 1917 г. и реализованного в первых лазерах (1954 г.). В настоящее время основными видами лазеров являются газовые (на углекислом газе, гелий-неоновые, аргоновые), жидкостные (к жидкостным относятся и лазеры на стекле, которое аморфно, как и жидкости, поэтому считается переохлажденной жидкостью), твердотельные (на рубине, гранате, неодиме) и полупроводниковые (на кристаллах полупроводниковых материалов, например GаАs).

Лазерное излучение физически возникает там, где в атомах или молекулах активного вещества под действием внешних сил (света, электрического поля и т.п.) образуется «перенаселенность» верхних энергетических слоев внешних электронных оболочек (зоны проводимости) возбужденными электронами, что приводит к активному образованию фотонов при естественном стремлении электронов перейти в нормальное, невозбужденное состояние (т.е. при переходе в валентную зону). Таким образом, в активном веществе (газовой среде, кристалле, полупроводнике) возникает постоянно пополняющееся множество квантов света – фотонов, колеблющихся, что важно отметить, с одной частотой, поскольку в однородном веществе при преодолении электроном запрещенной зоны выделяется одинаковое количество энергии.

Суть индуцированного (вынужденного) излучения заключается в том, что в условиях «перенаселенности» верхних энергетических уровней пролетающие мимо фотоны могут «сбивать» возбужденные электроны с этих уровней на нижние, сохраняясь при этом сами. «Сбитый» электрон порождает новый фотон; таким образом вместо одного фотона появляются два, что и способствует нарастанию светового потока. Это нарастание числа фотонов – важное обстоятельство в зарождении лазерного излучения.

Чем больше зарождается фотонов, тем большее их количестве остается в пространстве резонатора, участвуя в накоплении световой энергии. Расстояние между зеркалами подбирается таким образом, чтобы длина волны испускаемого лазером излучения укладывалась в нем целое число раз. Таким образом, резонатор решает две важные задачи: организует однонаправленное движение фотонов вдоль оси лазера и селектирует совпадающие по длине волны и фазе колебания (остальные затухают в процессе постоянного наложения волн друг на друга). Так возникает когерентное излучение.

Одно из зеркал резонатора делается полупрозрачным (в случае непрерывного излучения) или/и у выходного окна лазера устанавливается оптический затвор. При наличии затвора лазер может накапливать световую энергию, чтобы затем выпустить ее одномоментно в виде мощного импульса света – импульсные лазеры дают лазерный луч, намного превышающий по мощности непрерывное излучение. В противном случае после накопления световой энергии, достаточной для преодоления непрозрачности зеркала, лазер начинает излучать свет, набирая мощность в луче до уровня насыщения в установившемся процессе работы.

Таким образом, лазерное устройство должно содержать активное вещество (в котором зарождается излучение), резонатор и источник возбуждения активного вещества. Для газовых лазеров таким источником возбуждения служит газоразрядная трубка, для твердотельных – мощный источник света (импульсная лампа, освещающая стержень кристалла), для полупроводниковых – прямой электрический ток через р - n -переход полупроводника. Каждый из этих источников приводит электроны атомов и молекул активного вещества в возбужденное состояние (на языке лазерщиков это называется «накачкой»).

На рис. 2.46 представлен пример конструкции газового лазера. Длина резонатора около 20 см. В середине резо­натора расположена тонкая трубка длиной примерно 10 см и внутренним диаметром около 1 мм. Внутри этой трубки находятся газы Не и Ne при соотношении парциальных давлений He: Ne = 5: l и общем давлении вакуума примерно 0, 4 кПа (3 торр). Если приложить электрическое напряжение 1 – 3 кВ, возникает тлеющий разряд с силой тока около 5 мА.

Рис. 2.46. Схема гелий-неонового лазера

Энергетические уровни неона, соответствующие генерации лазера, показаны на рис. 2.47. И верхний, и нижний энергетиче­ские уровни отстоят от базового очень «далеко» (18, 5 эВ), а разница между ними сравнительно невелика (1, 95 эВ), по­этому число распределений инверсий на этих уровнях мало. Сле­довательно, если даже с помощью разряда добавлять электри­ческую энергию извне, то все равно число возникающих распре­делений инверсий между верхним и нижним уровнями мало. Гелий примешивается с тем, чтобы увеличить это число. Ко­эффициент усиления генерации здесь 10^{‑ 4} – 10^{‑ 3} см^-1, что по сравнению с полупроводниковыми лазерами слишком мало.

На концах газоразрядной трубки (см. рис. 2.46) в качестве окон приклеиваются или привариваются оптические полирован­ные стекла под углом q _B = tg^-1 n_B к оси трубки (п_B – коэффи­циент преломления стекла). Этот угол называется углом Брюстера. При таком угле коэффициент отражения для линейного поляризованного света внутри становится равным нулю, поэтому будет генерироваться свет только этой поляризации.

Рис. 2.47. Энергетические уровни неона
при генерации гелий-неоно­вого лазера

Полупроводниковый лазер в чем-то похож на излучающий диод (часто его и называют лазерным диодом). Обладая привычной диодной структурой, при небольших прямых токах он и работает как обычный излучающий диод. Но две противоположные грани кристалла делаются зеркально отражающими (резонатор Фабри-Перо), и при увеличении прямого тока до определенного порогового значения (ранее для этого требовались десятки ампер и, как следствие, серьезные меры по охлаждению), когда создается «инверсия населенностей» (превышение числа возбужденных электронов над невозбужденными на внешних электронных оболочках атомов и молекул), появляется настоящее когерентное лазерное излучение.

Каждый вид лазера имеет свои преимущества и соответственно свою сферу применения. Газовые лазеры, обладая наибольшей мощностью излучения, применяются в полиграфии в устройствах записи изображения непосредственно на печатную форму, так как они способны с приемлемой скоростью выжигать слой пробельного материала, обнажая печатающие элементы. Из-за больших размеров они используются в стационарном крупногабаритном оборудовании. Твердотельные лазеры довольно компактны и применяются в рекордерах среднего размера для записи изображения на пленки, пластмассы и другие светочувствительные и выжигаемые материалы (с низким коэффициентом теплопроводности). Лазерные диоды используются в записывающих головках лазерных принтеров, цифровых печатных машин, а также в оптических линиях связи.

Для получения лазерных колебаний на основе полупроводникового материала необходимо поместить его в резонатор Фабри-Перо. Обычно создается двухслойная гетероструктура (рис. 2.48), в которой электроны запираются в активном слое, а обе ее открытые торцевые поверхности, перпендикуляр­ные оси светового луча (оси z на рисунке), делаются плоско­стями спайности или с помощью химического травления пре­вращаются в зеркала, и тем самым формируется резонатор Фабри-Перо.

Длина резонатора L_z обычно 300 мкм. С другой стороны, поскольку среднее расстояние рассеяния (глубина диффузии) инжектируемых в активный слой электронов равна 1 – 2 мкм, то нет смысла в том, чтобы толщина d активного слоя была больше. Кроме того, как уже отмечалось, желательно, чтобы из поперечных мод могли генерироваться только моды самого низкого порядка, поэтому толщина d выбирается поменьше, обычно 0, 1 мкм.

Рис. 2.48. Структура полупроводникового лазера

В направлении оси x ширина w активного слоя делается также небольшой, чтобы в нем запирались инжектируемые электроны. Здесь, как и в случае с оптическим волокном, создаются условия, при которых могут генерироваться поперечные моды только самого низкого порядка. Если выбрать w не более 0, 5 мкм, то эти условия соблюдаются, но на практике из-за технологических трудностей ширина w обычно не менее 2 мкм.

Таким образом, электроны можно запереть в резонаторе типа волновода с прямоугольным поперечным сечением, ограниченным размерами w и d вдоль осей x и у. В двухслойной гетероструктуре, приведенной на рис. 2.48, коэффициент преломления активного слоя больше коэффициента преломления обоих прилегающих к нему слоев, поэтому активный слой соответствует оптическому во­локну, а свет, запертый в нем, распространяется, как в волно­воде. Практически для света коэффициент удержания в активном слое всего лишь 0, 2, но даже этого вполне достаточно, чтобы возникла лазерная генерация.

Таким образом, в резонаторе волноводного типа свет рас­пространяется с частичным его удержанием и благодаря инду­цированному излучению появляются лазерные колебания. По­добный лазер называется полупроводниковым с двухслойной гетероструктурой полоскового типа.

Газоразрядные лампы. При использовании этих ламп возникают пульсации потока излучения даже при незначительных пульсациях питающего напряжения. Из-за сложности подавления пульсаций лампы этого типа не применяют в ВОП.

Лампы накаливания. Эти лампы в значительной степени удовлетворяют требованиям, предъявляемым к источникам излучения для ВОП: имеют непрерывный спектр излучения, диапазон которого охватывает как видимую, так и инфракрасную область (λ = 0, 4 – 4 мкм). Они являются высокоинерционными источниками и, следовательно, имеют малый коэффициент пульсации. Основные параметры ламп в значительной степени зависят от питающего напряжения, что создает необходимость питания их от стабилизированного источника напряжения, режим которого контролируется. При длительной эксплуатации источников следует учитывать их собственную нестабильность.

В первые 10 – 20 ч сила света ламп возрастает, а далее изменяется в зависимости от температуры тела накала.

Существенная часть спектра излучаемой мощности лампы лежит вне спектрального диапазона световодов. Лампы потребляют значительную мощность, что затрудняет эффективное управление питающим током и стабилизацию режимов питания. Для ламп с большим сроком службы при температуре ниже 2300 К плотность излучения в конусе с углом при вершине 20° составляет около 3 Вт/см². При температуре 3800 К, т.е. около точки плавления вольфрама, это значение увеличивается в 10 раз. В ряде случаев для увеличения мощности излучения, вводимого в световод, используют галогеновые лампы мощностью до 100 Вт в сочетании с противотермическими фильтрами. Применение ламп накаливания целесообразно в ВОП, предназначенных для проведения лабораторных исследований.

Приемники оптического излучения (фотоприемники) предназначены для преобразования светового излучения в электрические сигналы. В качестве фотоприемников могут быть использованы фоторезисторы, фотодиоды, фототранзисторы, фототиристоры, фотоумножители и другие элементы. Вакуумные фотоэлементы из-за малой чувствительности и нелинейности характеристик не нашли широкого применения.

Фоторезисторы. Фоторезистор – полупроводниковый элемент, изменяющий свое электрическое сопротивление под действием внешнего излучения. Его принцип действия основан на внутреннем фотоэффекте в полупроводниках. Фоторезистор представляет собой слой (или пленку) полупроводникового материала на подложке (или без нее) с нанесенными на него электродами, посредством которых прибор подключается к электрической цепи. Под действием потока излучения, падающего на рабочую поверхность фоторезистора, его внутреннее сопротивление уменьшается вследствие генерации пар свободных носителей заряда (электронов и дырок), за счет чего увеличивается электропроводность полупроводника.

В качестве фоточувствительного материала в отечественных фоторезисторах широкого применения используются сульфиды и селениды кадмия и свинца (СdS, РbS, СdSе, РbSе). Материалы на основе кадмия чувствительны к излучениям в видимой и ближней инфракрасной областях, а на основе свинца – на длинах волн 1 ¸ 5 мкм.

Световая характеристика фоторезистора I (Ф)линейна при небольших световых потоках, что соответствует закону Столетова, установившего, что число электронов, освобожденных светом за 1 с (т.е. ток), прямо пропорционально световому потоку при неизменном его спектральном составе:

I = S Ф,

где I – фототок;

Ф – световой поток;

S – коэффициент пропорциональности, называемый чувствительностью фотоприемника.

Фоторезистор ведет себя как омическое сопротивление, т.е. его сопротивление не зависит ни от приложенного напряжения, ни от его знака.

При малых значениях освещенности сопротивление фоторезистора существенно зависит от температуры. Столь же заметным недостатком фоторезисторов при малых освещенностях является инерционность – при освещенности менее 1 лк время установления нового значения может составлять несколько секунд.

Преимуществом фоторезисторов является высокая чувствительность, сравнимая с чувствительностью фотоумножителей. К положительным характеристикам фоторезистора следует отнести возможность создания рабочих поверхностей приемника различной площади и протяженности, что позволяет использовать их в качестве элемента управления довольно значительными токами и в качестве датчиков перемещений объектов контроля в диапазоне нескольких миллиметров.

Фотодиоды. Фотодиод – фоточувствительный полупроводниковый диод с р - n -переходом (между двумя типами полупроводника или между полупроводником и металлом). При освещении р - n -перехода в нем возникают электронно-дырочные пары. Направление тока носителей совпадает с направлением обратного тока перехода, т.е. с ростом освещенности возрастает обратный ток фотодиода.

Даже когда на p-n -переход не подается никакого электрического напряжения, внутри перехода возникает электрическое поле. При этом, если на p-n -переход падает свет, то электроны ковалентной зоны, поглотившие его, переходят в зону проводимости и таким образом формируются свободные электроны и дырки. Они под воздействием внутреннего электрического поля на­правляются соответственно в сторону слоя n или р, т.е. возникает электрический ток. Ток, протекающий при коротком замыкании выводов от полупровод­ников р- и n -типа, назы­ваются током короткого замыкания.

В случае размыкания электроны и дырки, за­ряженные соответственно отрицательно и положи­тельно, создают между полупроводниками р- и n‑ типа напряжение раз­мыкания. Этими явле­ниями и характеризуется фотогальванический эффект, а детекторный элемент, работаю­щий по такому принципу, называется фотодиодом.

Фотодиод может работать в двух режимах – фотодиодном и фотогенераторном. В фотодиодном режиме прибор подключается к источнику питания, при этом на анод должен подаваться
«–», а на катод «+». В фотогенераторном режиме работы фотодиод используется без источника питания, так как сам становится источником фотоэдс, генерируя (под действием света) носители зарядов – свободные электроны. Благодаря этому фотодиод пригоден для получения электроэнергии (один фотодиод способен генерировать напряжение в диапазоне 0 ¸ 0, 4 В в зависимости от тока нагрузки, как правило, микроамперного).

Материалом для изготовления фотодиодов часто служат германий и кремний. Спектральная чувствительность германиевых фотодиодов находится в диапазоне 0, 5 ¸ 1, 7 мкм (максимум на длине волны 1, 2 ¸ 1, 65 мкм), а кремниевых – между 0, 6 ¸ 1 мкм (максимум на длине волны 0, 8 ¸ 0, 95 мкм). Фотодиоды обладают большим быстродействием (особенно в фотодиодном режиме), чем фотосопротивления – они обычно способны реагировать на сигналы частотой до 10 МГц. Фотодиоды с р-i-n -переходом (введение области i повышает быстродействие) способны работать с высокочастотными сигналами
порядка 1 ГГц.

Благодаря простоте и миниатюрности конструкции, широкому спектру чувствительности, высокому быстродействию, возможности автономного (собственного) питания и вариантности схем включения фотодиоды нашли широкое промышленное применение (в том числе и в полиграфическом оборудовании) в качестве датчиков положения, счета продукции, световых барьеров, высокочастотных преобразователей световых сигналов в электрические (в оптических линиях связи) и т.п.

Светоприемные приборы (световые детекторы), если их классифицировать по области применения, используемым мате­риалам и по другим признакам, весьма разнообразны. Напри­мер, высокочувствительный фотоэлектронный умножитель, уст­ройство с термопарой для измерения температуры в зависи­мости от падающего света; элемент Голея, содержащий наполненный газом резервуар, давление в котором увеличивается вследствие теплового движения газа под воздействием света, и многие другие приборы.

Для датчиков нужны светоприемные приборы, удовлетво­ряющие ряду требований, в первую очередь требованию малогабаритности, малого потребления мощности, высокой чувстви­тельности, быстрой реакции. Среди подобных устройств здесь рассматриваются полупроводниковые приборы, в частности
p-i-n -диоды и лавинные фотодиоды.

Описываемые здесь приборы отно­сятся к квантовым светоприемным устройствам. В них исполь­зуется внутренний фотоэффект – явление, при котором элект­роны, находящиеся в валентной зоне полупроводника или в зоне примесного уровня, при поглощении света возбуждаются и переходят в зону проводимости. Процессы, происходящие в светоприемных приборах, носят обратный характер по отношению к индуцированному излучению, составляющему принцип ра­боты лазера.

К внутреннему фотоэффекту относится эффект фотопроводи­мости, при котором под воздействием света изменяется сопро­тивление полупроводника, а также фотогальванический эффект, при котором под воздействием света на краях зоны p-n -перехода возникает ЭДС. В приборах, основанных на эффекте фото­проводимости, используются материалы CdS, CdSe, PbS и др. В фотогальванических приборах используются полупроводники с p‑ n ‑ переходом. Кроме того, солнечные батареи, которые слу­жат источником электроэнергии, также представляют собой светоприемные приборы с большой площадью рабочей поверх­ности.

На рис. 2.49, а, б представлены типичные структуры фотодиодов. Мезаструктура, получен­ная травлением (рис. 2.49, а), используется в солнечных бата­реях, фотоэлектрических переключателях, фотодиодах для уст­ройств считывания с перфокарт и перфолент. На рис. 2.49, б показана планарная структура, в которой на поверхности кри­сталла кремния экспонируется
p-n -переход, затем это место защищается оксидной пленкой, поэтому темновой ток (ток, про­текающий при отсутствии светового облучения элемента и вы­зываемый диффузией носителей, процессом их генерации – ре­комбинации) мал. Следовательно, обеспечивается весьма высо­кая чувствительность и большой динамический диапазон.

а б

Рис. 2.49. Структуры фотодиодов:
а – мезаструктура; б – планарная структура

В p-i-n -фотодиодах, как показано на рис. 2.50, в области p-n -перехода уменьшено количество примесей и создан так на­зываемый собственный слой с малым числом электронов и дырок (intrinsic layer, i -слой). При этом p-n -переход получа­ется несколько толще, а электрическая емкость перехода умень­шенной, что способствует повышению быстродействия.

Если на p-n -переход подать обратное напряжение смеще­ния, то электрические заряды в нем исчезнут: электроны «подтянутся» к положительному полюсу (n -слой), а дырки – к от­рицательному полюсу (р ‑ слой). Таким образом можно создать условия, при которых в i -слое отсутствуют носители (обеднен­ный слой). Благодаря обратному напряжению смещения возни­кает высокий электрический потенциал. При попадании в p‑ n -переход света внутри обедненного слоя возникают электроны и дырки, но благодаря высокому электрическому потенциалу электроны устремляются с большой скоростью к положитель­ному полюсу, а дырки – к отрицательному, что проявляется в виде тока диффузии и может быть зафиксировано снаружи. В результате подобного ускорения носителей также достига­ется высокое быстродействие прибора.

Рис 2.50. Принцип действия (а)
и энер­гетические зоны (б) p-i-n -фотодиода

Сила тока, получаемого от фотодиодов, т.е. фототока, выра­жается следующей формулой:

,

где е – элементарный электрический заряд;

Р ₀– мощность па­дающего света;

h ν – энергия фотона;

η – квантовый выход (соотношение количества электронов и фотонов).

Для повышения чувствительности и быстродействия необхо­димо увеличить толщину обедненного слоя, повысив обратное напряжение смещения и тем самым уменьшив емкость пере­хода. Кроме того, коэффициент поглощения света уменьшается с ростом длины световой волны, поэтому необходимо увеличи­вать зону перехода.

Фотоэлементы. Фотоэлемент – полупроводниковый фотодиод, оптимизированный для прямого преобразования излучения Солнца в электрическую энергию. Для их обозначения часто используются также термины «солнечные элементы», «солнечные батареи». Солнечные элементы работают только в фотогенераторном режиме [14], функционально выступая в качестве электрических источников питания.

Рабочая площадка отдельного фотоэлемента может достигать площади в несколько квадратных сантиметров, а множество фотоэлементов, объединенных в батареи или панели, могут иметь (как, например, на космических станциях) площадь, измеряемую в квадратных метрах, вырабатывать напряжение в десятки вольт и давать ток в сотни ампер. Общеизвестно применение фотоэлементов в качестве датчиков освещенности в люксметрах и экспонометрах. Часто в качестве базового фоточувствительного материала в фотоэлементах используется селен или кремний.

Вследствие больших площадей фоточувствительных поверхностей фотоэлементы обладают существенной инерционностью и поэтому применяются как фотоприемники лишь для контроля сравнительно медленно меняющихся световых потоков (или освещенности).

Фототранзисторы. Фототранзисторы представляют собой тип оптоэлектронных фотоприемников, наиболее характерными чертами которого являются наличие механизма встроенного усиления (отсюда высокая фоточувствительность) и схемотехническая гибкость, обусловленная наличием третьего управляющего электрода. В схемах замещения фототранзистор рассматривается как транзистор с фотодиодом, включенным между базой (анодом к базе) и коллектором этого транзистора (как правило, типа n - р - n). Ток упомянутого фотодиода является базовым током транзистора и управляет током его коллектора.

Чувствительность фототранзистора значительно выше, чем у фотодиода, за счет внутреннего усиления (коэффициент усиления K_у обычно равен 50 – 200). Еще большее усиление может быть получено в составном фототранзисторе (K_у = 1000 – 10000). В то же время фототранзисторам присуща заметная инерционность, что ограничивает область их применения в основном устройствами автоматики и управления силовыми цепями.

Спектральная чувствительность у фототранзисторов такая же, как у соответствующих фотодиодов. Область применения фототранзисторов схожа с областью применения фотодиодов с учетом их меньшего быстродействия и большего коэффициента передачи, например, при слабых световых сигналах, при больших (в сравнении с фотодиодом) расстояниях между источником света и фотоприемником.

Фототранзисторы применяют в качестве аналоговых и ключевых приемников излучения, а также в оптопарах.

Фототиристоры. Фототиристор – это тиристор, который включается под воздействием светового потока. При освещении фототиристора в полупроводнике генерируются носители заряда обоих знаков (электроны и дырки), что приводит к увеличению тока через тиристор на величину фототока.

Фототиристор имеет четырехслойную р-n-р-n структуру, которую, как и в обычном тиристоре, можно представить в виде комбинации двух транзисторов, имеющих положительную обратную связь по току. Переход фототиристора под действием светового управляющего сигнала из закрытого состояния в открытое осуществляется при достижении уровня тока срабатывания I _ср скачком после преодоления определенного потенциального барьера.

Основное преимущество фототиристоров – способность переключать значительные токи и напряжения слабыми световыми сигналами используется в устройствах «силовой» оптоэлектроники, таких как системы управления исполнительными механизмами, выпрямителями и преобразователями. Как и фототранзисторы, фототиристоры часто применяются совместно с подобранными по характеристикам излучателями в виде оптопар.

Фотоэлектронные умножители. Фотоэлектронный умножитель (ФЭУ) – это усилитель слабых фототоков, действие которого основано на вторичной электронной эмиссии. Честь создания ФЭУ принадлежит нашему соотечественнику, физику Леониду Александровичу Кубецкому (1906 – 1959), который в 1930 – 1934 гг. разработал фотоумножитель для регистрации слабых электромагнитных излучений оптического диапазона.

Конструктивно ФЭУ (рис. 2.51, а) представляет собой стеклянный баллон с торцевым или боковым рабочим окном и расположенными внутри баллона электродами: катодом К, чередой динодов (вторичных катодов, эмиттеров) Э и анодом А. За катодом, как правило, располагается фокусирующий электрод.

Световые характеристики фотоумножителей при малых анодных токах (несколько микроампер) весьма близки к линейным. При больших токах приходится учитывать нелинейность, хотя максимальная величина выходного тока может достигать 1 мА. Вторичная электронная эмиссия практически безынерционна, поэтому фотоумножители, как и вакуумные фотоэлементы, могут использоваться для регистрации весьма быстропротекающих процессов.

Измеряемый поток света через рабочее окно попадает на катод, выбивая из него электроны (внешний фотоэффект). Согласно основному закону фотоэффекта фототок, возникающий в фотоэлементе под действием света, прямо пропорционален падающему на него световому потоку. Особенность ФЭУ как фотоприемника [9] заключается в том, что благодаря системе динодов коэффициент пропорциональности удается поднять в миллионы раз (до восьми порядков). Для этого на ФЭУ
(рис. 2.51, б) подается напряжение от высоковольтного источника (в зависимости от количества динодов – от 500 до 1500 В), причем делитель напряжения распределяет потенциалы между электродами равномерно, ориентировочно по 100 В на каскад. Вылетающие из катода электроны под действием разности потенциалов между катодом и ближайшим к нему динодом притягиваются к последнему. Этому процессу способствует и фокусирующий электрод, концентрирующий поток электронов именно в этом направлении.

а б
Рис. 2.51. Конструкция (а) и принцип действия (б) ФЭУ

Диноды изготовлены из материалов, обладающих высоким коэффициентом вторичной эмиссии, так что поток электронов от динода к диноду возрастает многократно и по сопротивлению нагрузки в анодной цепи ФЭУ протекает усиленный ток, значение которого пропорционально потоку света, упавшему на катод.

Особенности конструкции (большие расстояния между электродами) предопределяют чрезвычайно высокое внутреннее сопротивление ФЭУ в темновом режиме и, следовательно, исчезающе малые темновые токи (шумы) – на уровне наноампер. Поэтому ФЭУ способен реагировать на самые слабые световые сигналы, вплоть до единичных фотонов. Это обстоятельство и дает при высокой интегральной анодной чувствительности (1 А/лм и выше) широкий динамический диапазон (определяемый отношением максимального и минимального сигналов) – более 10000.

Высокая чувствительность ФЭУ предъявляет очень жесткие требования к стабильности условий измерения, в том числе и к стабильности питающего напряжения. Выполнить эти требования сложно, учитывая, что питание ФЭУ высоковольтное. К тому же высоковольтность фотоприемника требует дополнительных мер по согласованию сигнала ФЭУ с низковольтными полупроводниковыми элементами последующих преобразователей.

Использование фотоумножителей в ОЭП ограничено в большинстве случаев из-за значительных габаритов, сложности источников питания и высокой стоимости. Кроме того, наличие постоянной составляющей потока излучения, на фоне которой осуществляется преобразование незначительных изменений потока, может привести к их насыщению или истощению фоточувствительного слоя.