Puslaidininkiniai optoelektroniniai prietaisai

1. Puslaidininkiniai optoelektroniniai prietaisai

Įvairių puslaidininkinių prietaisų ypatybė reaguoti į šviesos srautą pagrįsta vidiniu fotoefektu, t. y. reiškiniu, kai, veikiant šviesai, puslaidininkyje padaugėja krūvininkų ir puslaidininkio laidumas išauga. Papildomas laidumas, pasireiškiantis veikiant šviesai, vadinamas fotolaidumu. Metaluose fotolaidumas beveik nepastebimas, nes juose laidumo elektronų koncentracija yra labai didelė ir siekia 10²² cm³. Fotodiodų veikimas pagrįstas papildomo fotolaidumo atsiradimu. Apšvietus fotodiodo PN sandūrą, fotonai ardo kovalentinius ryšius. Didėjant krūvininkų koncentracijai nuskurdintajame sluoksnyje ir šalutinių krūvininkų koncentracijai PN sandūros aplinkoje, stiprėja per PN sandūrą tekanti atgalinė srovė. Toks prietaiso režimas vadinamas fotodiodiniu. Režimas be išorinio maitinimo šaltinio vadinamas ventiliniu. Fotodiodo įjungimo schema parodyta 1 pav. – fotodiodai į elektrinę grandinę jungiami atgaline kryptimi. Šviesos srautas valdo atgalinę diodo srovę. Fotodiodo voltamperinė charakteristika parodyta 2 pav.

1 pav. Fotodiodo įjungimo schema

2 pav. Fotodiodo voltamperinė charakteristika

Jei PN sandūra neapšviesta, per sandūrą teka srovė I₀, kuri vadinama tamsos srove. Sandūrą apšvietus, srovė auga ir charakteristikos išsidėsto žemiau – kuo didesnis šviesos srautas Φ, tuo didesnė srovė. Atbulinės įtampos didinimas srovę didina labai nežymiai. Pernelyg didelė U_atb gali pramušti PN sandūrą.

Fotodiodo jautris siekia dešimtis miliamperų liumenui. Jis priklauso nuo šviesos bangos ilgio ir tikram bangos ilgiui, skirtingam įvairiems puslaidininkiams, yra didžiausias. Fotodiodų inertiškumas nedidelis, jų darbo dažnis siekia šimtus megahercų, darbinė įtampa 10 – 30 V, tamsos srovė 10 – 20 μA Ge diodams ir 1 – 2 μA Si diodams. Fotodiodą apšvietus srovės stipris gali padidėti iki kelių šimtų mikroamperų.

Fotodiodai skirstomi:

• Lavininiai, kuriuose vyksta griūtinis krūvininkų dauginimasis PN sandūroje, todėl jų jautrumas padidėja dešimtis kartų;
• Aukšto dažnio (iki 15–20 GHz) fotodiodai su Šotkio barjeru, kuriuose srovė teka per metalo ir puslaidininkio sandūrą;
• Pagerintų savybių fotodiodai su heterosandūromis (sandūromis tarp skirtingų puslaidininkinių medžiagų. Dažniausiai naudojamos tokių puslaidininkių poros: Ge–GaAs, Ge–Si, GaAs–GaP, GaAs–InAs). Parenkant sudėtinių puslaidininkinių medžiagų poras, gaminami fotodiodai kurių jautrio maksimumai yra šviesos bangų diapazone nuo infraraudonųjų spindulių iki γ spindulių.

Fotodiodai naudojami fotometrijoje, fotokalorimetrijoje, branduolinių dalelių registracijai ir skaičiavimui, automatinio reguliavimo schemose ir t.t.

2. Puslaidininkiniai fotoelementai

3. Fototranzistoriai

Dvikrūvis fototranzistorius yra paprastas dvikrūvis tranzistorius, turintis langelį korpuse, per kurį šviesa patenka į tranzistoriaus bazės sritį. Jungiant į schemą, fototranzistoriaus bazė paliekama laisva, emiterio sandūra dirba tiesiogine kryptimi, kolektoriaus – atbuline kryptimi (4 pav.). Fototranzistorių integralinis jautris yra dešimtis kartų didesnis negu fotodiodų.

4 pav. Fototranzistoriaus jungimas į schemą

Kai šviesa neveikia, teka silpna fototranzistoriaus srovė. Veikiant šviesai, bazėje ỹra kovalentiniai ryšiai ir atsiranda papildomų krūvininkų. PNP tranzistoriaus bazėje atsiradusios skylės difunduoja link kolektoriaus sandūros. Srovė per kolektoriaus sandūrą sustiprėja. Bazėje atsiradę nepusiausvirieji elektronai juda link emiterio sandūros. Emiterio sandūroje jie sutinka potencialo barjerą. Neįveikę barjero elektronai sukuria neigiamą erdvinį krūvį, kuris traukia emiterio skyles. Veikiant elektronų ir skylių sukurtam elektriniam laukui, sumažėja emiterio sandūros potencialo barjero aukštis ir sustiprėja per sandūrą tekanti skylių difuzinė srovė. Šios srovės sukeltas tranzistoriaus srovės pokytis yra daug didesnis už vidinio fotoefekto sukeltą srovės pokytį. Fototranzistoriuje gaunamas fotosrovės stiprinimas, todėl fototranzistorių fotojautris yra daug didesnis nei fotodiodų. Tačiau bazėje krūvininkai užtrunka, todėl fototranzistoriai yra inertiškesni nei fotodiodai.

Fototranzistorių jautris gali siekti šimtus miliamperų liumenui. Tranzistorius su atvira baze turi prastą temperatūrinį stabilumą ir tenka naudoti specialias stabilizacijos schemas, jungiamas į bazės grandinę.

Fototranzistoriaus išėjimo charakteristikos parodytos 5 pav. Jos panašios į tranzistoriaus, įjungto pagal schemą BE, tik charakteristikos išbrėžtos, kai skirtingos šviesos srauto Φ vertės, o ne kai skirtingos bazės srovės. Kai U_ke per daug didelė, galimas tranzistoriaus pramušimas (punktyrinė charakteristikos dalis).

5 pav. Fototranzistoriaus voltamperinė charakteristika

Fototranzistorių pagrindiniai parametrai yra:

• jautris – fototranzistoriaus srovės, tekančios esant darbinei įtampai, santykis su šviesos srautu,
• darbo įtampa,
• tamsos srovė – fototranzistoriaus srovė, esant darbinei įtampai, kai fototranzistorius tamsoje.
• darbo srovė,
• ribinė galia,
• ribinis darbo dažnis.

Didžiausias fototranzistoriaus trūkumas yra dideli savieji triukšmai.

Fototranzistoriai naudojami fototelegrafijoje, įvairiose automatinėse schemose, kino ir foto aparatūroje, ultravioletinio ir infraraudonojo spinduliavimo registracijai ir t.t.

4. Fototiristoriai

Fototiristorius panašus į paprastą PNPN dinistorių. Šviesa padidina krūvininkų koncentracijas fototiristoriaus bazėse ir atlieka tokį pat vaidmenį kaip tiristoriaus valdymo srovė: kuo didesnis šviesos srautas veikia tiristorių, tuo esant mažesnei įtampai tiristorius atsidaro.

Kai kada fototiristoriuje būna išvadas nuo vienos iš bazių. Keičiant tokio išvado įtampą keičiasi tiristoriaus atidarymo įtampa, tačiau pats tiristoriaus įsijungimas valdomas šviesos srautu.

Fototiristoriai panaudojami įvairiose automatinėse schemose kaip bekontakčiai jungikliai didelėms įtampoms ir galioms komutuoti. Už kontaktinius jungiklius jie geresni tuo, kad yra mažų matmenų, mažos galios sąnaudos, trumpas įsijungimo laikas, nesukelia kibirkščiavimo.

5. Optronai

Optronais vadinami optinės elektronikos įtaisai, sudaryti iš šviesos spinduolio, optinio kanalo ir fotoimtuvo (6 pav.). Spinduolio vaidmenį paprastai atlieka šviesos diodas, elektrinį įėjimo signalą paverčiantis šviesos signalu. Fotoimtuve šviesos virpesiai vėl paverčiami elektriniu signalu. Fotoimtuvo vaidmenį gali atlikti fotorezistorius, fotodiodas, fototranzistorius ar fototiristorius.

6 pav. Principinės optronų schemos: a) rezistorinio, b) diodinio, c) tranzistorinio, d) tiristorinio, e) sudėtinio tranzistoriaus, f) diodo – tranzistorinio.

Optronuose spinduolis yra elektriškai atskirtas nuo fotoimtuvo. Optiniu kanalu informacija perduodama viena kryptimi. Todėl optronuose praktiškai nepasireiškia grįžtamasis ryšys, ir išėjimo grandinė neturi įtakos įėjimo grandinei.

Siekiant padidinti optronų jautrumą jų korpusuose įtaisomi stiprintuvai. Optinis ryšys tarp elementų naudojamas ir optoelektroniniuose integriniuose grandynuose.

5.1. Rezistorinės optoporos

Rezistorines optoporas sudaro superminiatiūrinė lemputė ar šviesos diodas ir kadmio selenido ar kadmio sulfido matomai šviesai arba švino selenido ar švino sulfido – infraraudonajam spinduliavimui fotorezistorius.

Pagrindiniai rezistorinių optoporų parametrai:

• didžiausios srovės bei įtampos įėjime ir išėjime,
• išėjimo varža ir tamsos išėjimo varža, nesant įėjimo signalo,
• izoliacijos varža ir didžiausia leistina įtampa tarp įėjimo ir išėjimo,
• praėjimo talpa,
• įsijungimo ir išsijungimo laikas arba prietaiso inertiškumas.

5.2. Diodinės optoporos

Diodines optoporas paprastai sudaro Si fotodiodas ir infraraudonasis GaAs šviesos diodas. Fotodiodas gali dirbti fotogeneratoriniu režimu, sukurdamas 0,5 – 0,8 V fotoelektrovaros jėgą arba fotodiodiniu režimu.

Pagrindiniai diodinių optoporų parametrai yra:

• įėjimo ir išėjimo įtampos ir srovės nuolatiniu ir impulsiniu režimu,
• srovės perdavimo koeficientas,
• išėjimo signalo augimo ir mažėjimo laikas.

Kiti parametrai analogiški rezistorinėms optoporoms. Diodinių optoporų svarbiausios charakteristikos yra įėjimo ir išėjimo voltamperinės charakteristikos ir perdavimo charakteristikos fotogeneratoriniu ir fotodiodiniu režimu. Daugiakanalės optoporos turi kelias diodines optoporas viename korpuse. Imtuvu optoporoje vietoje fotodiodo gali būti fotovarikapas.

5.3. Tranzistorinės optoporos

Tranzistorines optoporas paprastai sudaro GaAs šviesos diodas ir dvikrūvis NPN tipo fototranzistorius. Tokios optoporos įėjimo parametrai tokie pat kaip diodinės optoporos. Papildomai nurodoma didžiausia leistina srovė, įtampa, įėjimo galia, fotoranzistoriaus tamsos srovė, įsijungimo ir išsijungimo laikas, izoliacijos varža tarp įėjimo ir išėjimo. Tranzistorinės optoporos paprastai dirba jungiklio režimu ir naudojamos komutatorinėse schemose kaip relės ryšiui tarp daviklių ir matavimo prietaisų ir kt.

Norint padidinti optoporos jautrį, naudojamas sudėtinis fototranzistorius. Tokios optoporos greitaeigiškumas mažesnis nei optoporos su įprastiniu dvikrūviu fototranzistoriumi.

5.4. Tiristorinės optoporos

Tiristorinės optoporos imtuvas yra silicio fototiristorius, dirbantis jungiklio režimu galingų impulsų formavimo, galingų tiristorių valdymo schemose, įvairių didelės galios įrenginių valdymui ir komutacijai.

Svarbiausi tiristorinės optoporos parametrai yra:

• įėjimo ir išėjimo įtampos ir srovės įjungimo, darbo ir išjungimo metu,
• įsijungimo ir išsijungimo laikas,
• izoliacijos varža tarp įėjimo ir išėjimo.