Физика /
Оптоэлектронные устройства
Полупроводники вообще, и полупроводниковые диоды в частности, широко используются в оптоэлектронике в качестве устройств, взаимодействующих с электромагнитным излучением (световой энергией) в видимом, инфракрасном и ультрафиолетовом, диапазонах.
Существуют три типа устройств, которые взаимодействуют со светом:
• устройства для регистрации света,
• устройства для преобразования света,
• светоизлучающие устройства.
Полупроводниковый материал и использованная техника изготовления определяют длину световой волны для каждого конкретного устройства.
Светочувствительные устройства
Старейшим из оптоэлектронных устройств является фоторезистор. Его внутреннее сопротивление изменяется при изменении интенсивности света. Изменение сопротивления не пропорционально интенсивности света. Фоторезисторы изготавливают из светочувствительных материалов, таких как сульфид кадмия (CdS) или селенид кадмия (CdSe).
Типичный фоторезистор устроен следующим образом. Светочувствительный материал нанесен на изолирующую подложку из стекла или керамики в виде S-образной фигуры для увеличения длины фоторезистора. Все это помещено в корпус с окошком, пропускающим свет. Его сопротивление может изменяться от нескольких сотен МОм до нескольких сотен Ом. Фоторезисторы применяются при низких интенсивностях света. Они могут выдерживать высокие рабочие напряжения до 200-300 В при малом потреблении мощности — до 300 мВт. Недостатком фоторезисторов является медленный отклик на изменения света.
На рис.1 показано схематическое обозначение фоторезистора. Стрелки показывают, что это - светочувствительное устройство.
Фоторезисторы используются для измерения интенсивности света в фотографическом оборудовании, в охранных датчиках, в устройствах автоматического открывания дверей, в различном тестирующем оборудовании для измерения интенсивности света.
Фотогальванический элемент (солнечный элемент) преобразует световую энергию непосредственно в электрическую энергию. Батареи солнечных элементов применяются главным образом для преобразования солнечной энергии в электрическую.
Солнечный элемент - это устройство на основе p-n-перехода, сделанное из полупроводниковых материалов. В большинстве случаев их делают из кремния. На металлическую подложку, служащую одним их контактов, наносятся слои полупроводника p-типа и n-типа, которые образуют p-n-переход. Сверху наносится металлическая пленка, служащая вторым контактом.
Свет, попадая на поверхность солнечного элемен¬та, передает большую часть своей энергии атомам полупроводникового материала. Световая энергия выбивает валентные электроны с их орбит, создавая свободные электроны. Вблизи обедненного слоя элек¬троны притягиваются материалом n-типа, создавая небольшое напряжение вдоль p-n-перехода. При уве¬личении интенсивности света это напряжение уве¬личивается. Однако не вся световая энергия, попа¬дающая в солнечный элемент, создает свободные электроны. В действительности солнечный элемент - это довольно неэффективное устройство с максималь¬ной эффективностью порядка 15%.
Солнечные элементы дают низкое выходное на¬пряжение порядка 0,45 В при токе 50 мА. Их необ¬ходимо соединять в последовательно-параллельные цепи для того, чтобы получить от них желаемое вы¬ходное напряжение и ток.
Солнечные элементы применяются для измере¬ния интенсивности света в фотографическом обо¬рудовании, для декодирования звуковой дорожки в кинопроекторах и для зарядки батарей на косми¬ческих спутниках.
Схематическое обозначение солнечного элемента показано на рис.2. Положительный вывод обо¬значается знаком плюс (+).
Фотодиод также использует p-n-переход, и его устройство подобно устройству солнечного элемента. Он используется так же, как и фотосопротивление, в качестве резистора, сопротивление которого меняется при освещении. Фотодиоды - это полупроводниковые устройства, которые изготавливаются главным образом из кремния. Их делают двумя способами. Первый способ - это простой p-n-переход. При другом способе между слоями p-типа и n-типа вставляется слой нелегированного полупроводника, образуя p-i-n фотодиод.
Принципы работы фотодиода c p-n-переходом такие же, как у солнечного элемента, за исключением того, что он используется для управления током, а не для создания его. К фотодиоду прикладывается обратное напряжение смещения, формирующее широкий обедненный слой. Когда свет попадает в фотодиод, он проникает в обедненный слой и создает там свободные электроны. Электроны притягиваются к положительному выводу источника смещения. Через фотодиод в обратном направлении течет малый ток. При увеличении светового потока возрастает число свободных электронов, что приводит к увеличению тока.
P-i-n фотодиод имеет слой нелегированного материала между областями р и n. Это эффективно расширяет обедненный слой. Более широкий обедненный слой позволяет p-i-n фотодиоду реагировать на свет с более низкими частотами. Свет с более низкими частотами имеет меньшую энергию и, следовательно, должен глубже проникать в обедненный слой перед созданием свободных электронов. Более широкий обедненный слой дает больше возможностей для создания свободных электронов. p-i-n фотодиоды являются более эффективными во всех отношениях.
Благодаря слою нелегированного материала, p-i-n фотодиоды имеют более низкую собственную емкость. Это обеспечивает более быстрый отклик на изменения интенсивности света. Кроме того, изменение их обратного тока в зависимости от интенсивности является более линейным.
Преимуществом фотодиода является его быстрый отклик на изменения интенсивности света, самый быстрый из всех фоточувствительных устройств. Недостатком является низкая выходная мощность по сравнению с другими фоточувствительными устрой¬ствами.
Схематическое обозначение фотодиода показано на рис.3. Способ включения фотодиода в цепь показан на рис.4.
Фототранзистор устроен подобно другим транзисторам с двумя p-n-переходами. Фототранзисторы могут давать больший выходной ток, чем фотодиоды. Их отклик на изменения интенсивности света не так быстр, как у фотодиодов. В данном случае за увеличение выходного тока приходится жертвовать скоростью отклика.
Фототранзисторы применяются для измерений скорости вращения различных устройств (фототахометры), для управления фотографической экспозицией, в противопожарных датчиках, в счетчиках предметов и в механических позиционерах. На рис.5 изображено схематическое обозначение фототранзистора.
Светоизлучающие устройства
Светоизлучающие устройства излучают свет при прохождении через них тока, преобразуя электрическую энергию в световую. Светоизлучающий диод (светодиод) - это наиболее распространенное полупроводниковое светоизлучающее устройство. Будучи полупроводниковым устройством, он имеет неограниченный срок службы ввиду отсутствия высокотемпературного нагрева, что служит причиной выхода из строя обычных ламп.
Любой p-n-переход может испускать свет, когда через него проходит ток. Свет возникает, когда свободные электроны рекомбинируют с дырками и лишняя энергия освобождается в виде света. Частота испускаемого света определяется типом полупроводникового материала, использованного при изготовлении диода. Обычные диоды не излучают свет потому, что они упакованы в непрозрачные корпуса.
Светодиоды - это просто диоды с p-n-переходом, которые излучают свет при прохождении через них тока. Этот свет виден потому, что светодиоды упакованы в полупрозрачный материал. Частота излучаемого света зависит от материала, использованного в изготовлении светодиода. Арсенид галлия (GaAs) излучает свет в инфракрасном диапазоне, который не воспринимается человеческим глазом. Арсенидфосфид галлия излучает видимый красный свет. Изменяя содержание фосфора, можно получить светодиоды, излучающие свет различной частоты.
На рис.6 показано устройство светодиода. Слой типа р сделан тонким для того, чтобы не препятство¬вать прохождению света, излучаемого p-n-переходом.
После изготовления светодиод помещается в корпус, который рассчитан на максимальное пропускание света. Многие светодиоды содержат линзы, которые собирают свет и увеличивают его интенсивность. Корпус светодиода может также служить светофильтром для того, чтобы обеспечить излучение света определенной частоты.
Для того чтобы светодиод излучал свет, на него должно быть подано прямое смещающее напряжение, превышающее 1,2 В. Так как светодиод легко может быть поврежден большим током или напряжением, последовательно с ним включается резистор для ограничения тока.
Схематическое обозначение светодиода показано на рис.7. На рис.8 изображена схема включения светодиода. Включенный последовательно резистор используется для ограничения прямого тока.
Сборки светодиодов применяются для изготовления широко распространенных семисегментных индикаторов, используемых для отображения цифр.
На рис.9 показано схематическое обозначение оптопары. Оптопара состоит из светодиода и фототранзистора. Оба устройства размещены в одном корпусе. Они связаны световым лучом, излучаемым светодиодом. Сигнал, поступающий на светодиод, может меняться, что в свою очередь изменяет интенсивность излучаемого света. Фототранзистор преобразует изменения света опять в электрическую энергию. Оптопара позволяет передавать сигнал от одной цепи к другой, обеспечивая высокую степень электрической изоляции их друг от друга.