Елементна база мікроелектроніки – світловипромінювачі, фотоприймачі

Оптоелектроніка – один із найбільш розвинених напрямків в функціональній мікроелектроніці, оскільки оптичні і фотоелектричні явища достатньо добре вивчені, а технічні засоби, що базуються на цих явищах, довгий час використовуються в електроніці. Тим не менш, оптоелектроніка як самостійний науково-технічний напрямок виникла порівняно недавно, а її досягнення нерозривно пов’язані з розвитком сучасної мікроелектроніки.

Первинно оптоелектроніка вважалась порівняно вузькою галуззю електроніки, що вивчає лише напівпровідникові світовипромінювачі та фотоприймачі. Тепер в поняття «оптоелектроніка» включають такі напрямки, як лазерна техніка, волоконна оптика, голографія та ін.

Мікроелектронні світловипромінювачі були розглянуті в попередніх параграфах даного підручника. В даному параграфі ми розглянемо прилади, які працюють на основі фотоефекту – фотоелектричні прилади.

v Фотоелектричний прилад – перетворювач променевої енергії, під дією якої змінюються властивості робочого середовища, що міститься в приладі.

Під променевою розуміють енергію електромагнітного випромінювання широкого діапазону частот. Однак в більшості випадків фотоелектронні прилади є приймачами електромагнітних випромінювань оптичного діапазону, до якого відносяться ультрафіолетове, видиме иа інфрачервоне випромінювання довжиною хвилі від 5∙10^-9 до 10^{-3 м. Ультрафіолетови випромінювання лежить в діапазоні довжин хвиль 5∙10-9} … 4∙10^-7 , інфрачервоне – 7,6∙^10-7 … 10^{-3 м.}

Розрізняють два види фотоефекту:

v Внутрішній фотоефект – збудження електронів речовини, тобто перехід їх на більш високий енергетичний рівень під дією випромінювання, дякуючи чому змінюється концентрація вільних носіїв зарядів, а отже, і електричні властивості речовини.

v Зовнішній фотоефект – це фотоелектронна емісія, тобто вихід електронів за межі поверхні речовини під дією випромінювання.

Внутрішній фотоефект спостерігається лише в напівпровідниках і діелектриках і проявляється у вигляді зміни електричної провідності в однорідних напівпровідниках або створення ЕРС в неоднорідних напівпровідниках (p-n структур). Напівпровідникові прилади з однорідною і неоднорідною структурами, в яких використовується внутрішній фотоефект, служать в якості фотоелектричних напівпровідникових приймачів випромінювання. Про такі прилади (фотодіод, фототранзистор, фото тиристор, фоторезистор) ми розповідали в попередніх розділах.

Фотоелектронна емісія в більшій чи меншій мірі може відбуватися в будь-якій речовині. Зовнішній фотоефект лежить в основі роботи електровакуумних фотоелектричних приладів – електронних і газорозрядних фотоелементів, а також фотоелектронних помножувачів.

Оптоелектронні прилади складають собою групу напівпровідникових приладів; вони складаються із випромінювача і приймача електромагнітного випромінювання. В якості випромінювача зазвичай служить елемент, що перетворює електричну енергію в енергію електромагнітного випромінювання, а приймачем є фоточуттєвий елемент, що перетворює енергію електромагнітного випромінювання в електричну енергію.

Електровакуумні фотоелементи. Електровакуумний (електронний або іонний) фотоелемент являє собою діод, у якого на внутрішній поверхні скляного балону нанесений фотокатод у вигляді тонкого шару речовини, що імітує фотоелектрони. Анодом зазвичай є металеве кільце, яке не заважає попаданню світла на фотокатод. В електронних фотоелементах створений високий вакуум, а в іонних знаходиться інертний газ, наприклан аргон, під тиском в декілька сотень паска лей (декілька міліметрів ртутного стовпа). Катоди зазвичай застосовуються сурмяно-цезієві або срібляно-киснево-цезієві.

Будова електронного фотоелемента показана на рис.2.7.1, а; схема ввімкнення – на рис. 2.7.1,б.

В колі аноду А знаходиться джерело постійної напруги Е_а=150-200 В і навантаження R. При освітленні фотоелемента його катод К починає емітувати електрони і в анодному колі виникає струм, пропорційний інтенсивності світлового потоку Ф. Струм прийнято називати фотострумом

,(2.7.1)

де S – світлова чуттєвість фотокатода, мкА/лм;

Ф – світловий потік, лм.

При зміні світлового потоку Ф пропорційно змінюється фотострум І_Ф, а вихідна напруга

, (2.7.2)

Таким чином в фотоелементі здійснюється керування вихідною напругою за допомогою світла.

Анод І_Ф

Світловий Ф

Рис. 2.7.1. Будова електровакуумного фотоелемента (а) і схема його ввімкнення (б)

потік А

R

Катод

Е

К - +

а б

ис.

Основними електричними параметрами фотоелементів є чуттєвість, максимально допустима анодна напруга і темновий струм.

Світлова чуттєвість фотокатоду S характеризує фотострум в мікроамперах, що викликається світловим потоком в 1 лм. Для підвищення чуттєвості фотокатоду його виготовляють із матеріалів, які мають малу роботу виходу електронів під дією квантів світла на поверхню фотокатоду.

У відсутність потоку випромінювання через фотоелемент проходить невеликий темновий струм, його величина визначається головним чином термоелектронною емісією фотокатоду (навколишньою температурою і напругою аноду).

Порівняно з електронним в газорозрядному фотоелементі світлова чуттєвість фотокатоду збільшується майже в 10 раз за рахунок несамостійного газового розряду.

Властивості фотоелементів відображаються їх характеристиками. Анодні (вольт-амперні) характеристики електронного фотоелемента

при Ф= const,

зображені на рис. 2.7.2,а, показують різко виражений режим насичення. У іонних фотоелементів такі характеристики спочатку йдуть майже та само, як у електронних фотоелементів, але при подальшому збільшенні анодної напруги внаслідок іонізації газу струм значно зростає (рис.2.7.2,б), що оцінюється коефіцієнтом газового підсилення, який може дорівнювати від 5 до 12.

Рис. 2.7.3. Енергетичні характеристики електронного (1) та іонного (2) фотоелементів

а б

Рис.2.7.2. Анодні характеристики

електронного (а) та іонного (б) фотоелементів

Енергетичні характеристики електронногоі іонного фотоелементів, які дають залежність при U_а= const, показані на рис 2.7.3.

Недоліками фотоелементів є неможливість мікромініатюризації і досить високі анодні напруги (десятки і сотні вольт). Тому в даний час ці фотоелементи в багатьох видах апаратури замінені напівпровідниковими приймачами випромінювання.

Фотоелектронні помножувачі. Фотоелектронний помножувач – електровакуумний прилад, в якому електронний фотоелемент доповнений пристроєм для підсилення фотоструму за рахунок вторинної електронної емісії.

Принцип роботи фотоелектричного помножувача показано на рис.2.7.4. Світловий потік Ф викликає вторинну емісію із фотокатоду ФК. Фотоелектрони під дією прискорюю чого електричного поля направляються на електрод Д₁, що називається дінодом. Він має позитивний потенціал відносно катоду, тобто є анодом по відношенню до катода і одночасно грає роль вторинно-електронного емітера. Дінод виробляється із металу з достатньо сильною і стійкою вторинною електронною емісією. Тому струм первинних електронів І_Ф, що прямує з фотокатоду, вибиває із діноду Д₁ вторинні електрони, кількість яких в σ раз більший кількості первинних електронів (σ – коефіцієнт вторинної емісії діноду, зазвичай дорівнює декільком одиницям). Таким чином, струм вторинних електронів з першого діноду І₁= σ І_Ф. струм І₁ направляється на другий дінод, який має більш високий потенціал, ніж дінод Д₁. тоді із діноду Д₂ за рахунок його вторинної емісії вилітає струм електронів І₂, який в σ раз більший струму І₁ (для спрощення будемо вважати, що у всіх дінодів коефіцієнт вторинної емісії однаковий), тобто І₂= σ І₁= σ² І_Ф. в свою чергу струм І₂ напрвляється на третій дінод Д₃, у якого додатній потенціал ще вище, і від того діноду відходить струм електронів І₃= σ І₂= σ² І₁= σ³ І_Ф і т.д.

З останнього, n-го, діноду Дn електронний струм Іn направляється на анод, і тоді струм аноду Іа= σn ІФ. таким чином, теоретично коефіцієнт підсилення струму ki= σn. Практично підсилення менше, так як не вдається всі вторинні електрони, вибиті із даного діноду, направити на наступний дінод. Щоб по можливості більша кількість вторинних електронів було використано, розроблені конструкції фотоелектронних помножувачів з різною формою електродів і різним їх взаємним розміщенням. Для фокусування потоку вторинних електронів з даного діноду на наступний застосовують, як правило, електричне поле.

+100 В +300 В

Ф Д₁ Д₃

ФК Д₂ А

+200 В +400 В

Рис. 2.7.4. Принцип будови та роботи

фотоелектронного помножувача

Основними параметрами фотоелектронних помножувачів є область спектральної чуттєвості (діапазон довжин хвиль), в якій можна застосовувати даний фото помножувач, кількість ступенів множення, загальний коефіцієнт підсилення струму, напруга живлення, інтегральна чуттєвість, темновий струм.

Фотоелектронні помножувачі мають дуже малу інерційність і можуть працювати на досить високих частотах. Їх можна застосовувати для реєстрації світлових імпульсів, які слідують один за одним через наносекундні проміжки часу. Фото помножувачі застосовують в різних областях науки і техніки: в астрономії, для вимірювання малих світлових потоків, для спектрального аналізу і т.д.

Оптрони

Оптоелектроніка базується на електронно-оптичному принципі отримання, передачі, обробки і зберігання інформації, носієм якої є електричнонейтральний фотон. Суміщення в оптоелектронних функціональних пристроях двох способів обробки і передачі інформації – оптичного і електричного – дозволяє досягати величезної швидкодії, високої густини розміщення інформації, що зберігається, створення високоефективних засобів відображення інформації. Дуде важливою перевагою елементів оптоелектроніки є те, що вони оптично пов’язані, а електрично ізольовані між собою. Це забезпечує надійну співпрацю різних оптоелектронних кіл, сприяє одно направленості передачі інформації. Виготовлення напівпровідникових елементів оптоелектроніки – оптронів – сумісно з інтегральною технологією, тому їх створення може бути включено в єдиний технологічний цикл виробництва інтегральних мікросхем.

Найпростіший оптрон являє собою чотириполюсник (рис.2.7.5.), що складається з трьох елементів: джерела випромінювання (фото випромінювача) 1, світловоду 2 і приймача випромінювання (фотоприймача) 3, які заключні в герметичний світлонепроникний корпус.

Вхід Вихід

Рис. 2.7.5. Структурна схема оптрону

Поєднання фотовипромінювача і фотоприймача в оптроні отримало назву оптоелектронної пари. Найбільш розповсюдженими випромінювачами є світло діоди, виконані на основі арсеніду галію, фосфіду галію, фосфіду кремнію, карбіду кремнію та ін. Вони мають високу швидкодію, мініатюрні і достатньо надійні в роботі. За своїми спектральними характеристиками світло діоди гарно узгоджуються з фотоприймачами, виконаними на основі кремнію. Оскільки схемотехнічні можливості оптрона визначаються головним чином характеристиками фотоприймача, цей елемент і дає назву оптрону в цілому. До основних різновидностей оптронів відносяться: резисторні (фотоприймач – фоторезистор); діодні (фотоприймач – фотодіод); транзисторні (фотоприймач – фото транзистор); тиристорні (фотоприймач – фототиристор).

Схематичне зображення вказаних оптронів показано на рис. 2.7.6.

Рис. 2.7.6. Схематичні зображення оптронів: а – резисторного; б – діодного; в – транзисторного; г - тиристорного

а б

 

 

в г

В залежності від сукупності характеристик оптронної пари, що використовується, оптрон може виконувати різні функції в електронних колах: перемикання, підсилення, узгодження, перетворення, індикація та ін.

Недоліки оптронів:

· відносно велика споживана потужність, із-за того, що двічі відбувається перетворення енергії, причому ККД цих перетворень невеликий;

· значний вплив температури і радіації на властивості оптронів;

· погіршення параметрів з часом;

· порівняно високий рівень власних шумів;

· необхідність застосування гібридної технології замість більш зручної і досконалої планарної.

Всі ці недоліки поступово усуваються в процесі розвитку оптронної техніки.

 

		В якості прикладу технічного використання оптронів на рис.2.7.7. приведена схема, яка дозволяє реалізувати специфічні властивості цих приладів. Резисторний оптрон, ввімкнений за даною схемою, може бути використаний в якості керованого резистивного дільника напруги. Під дією вхідної напруги змінюється прямий струм фотодіоду і його випромінювання. Відповідно змінюється і опір фото резистора, а отже, розподіл напруги джерела Е2 на фоторезисторі і вихідному (навантажувальному) резисторі R2.

Е₂

СД R_Ф

U_вих

R1 R2

E₁

Рис. 2.7.7. Застосування оптронів

Подібний керований резистор може бути використаний в різних електронних схемах, наприклад, для дистанційного керування коефіцієнтом підсилення в підсилювачах.

Оптоелектронні пристрої знаходять широке застосування в обчислювальній техніці (особливо голографічні пристрої).

Контрольні питання та вправи

1. Яка різниця між зовнішнім та внутрішнім фотоефектами?
2. Назвіть прилади, що працюють на основі внутрішнього фотоефекту, зовнішнього?
3. Що собою являє електровакуумний фотоелемент?
4. Чим відрізняється електровакуумний фотоелемент від іонного?
5. Що таке фотопомножувач? На чому базується його принцип дії?
6. Що собою являє оптоелектроніка?
7. Дайте визначення оптрону та отопарі.
8. Принцип дії оптрона?
9. Види оптронів?
10. Недоліки оптронів?

⇐ Предыдущая23242526272829303132Следующая ⇒

Поделиться:

Воспользуйтесь поиском по сайту: