Фотоэлектронные и оптоэлектронные приборы

Фоторезистор.

Фотодиод на основе p-n – перехода.

Фотоэлемент.

p-i-n – фотодиод.

Лавинные фотодиоды.

Фототранзистор.

Светодиод.

Полупроводниковый лазер.

Литература [1–3, 10, 27–31, 34].

Полупроводниковые резисторы, изменяющие свое электрическое сопротивление под действием оптического излучения, называются фоторезисторами. Фоторезисторы бывают собственные и примесные. По спектральному диапазону разделяются на чувствительные к инфракрасному излучению, видимому и ультрафиолетовому, в зависимости от материала полупроводника.

При генерации в однородном полупроводнике, например, n – типа проводимости электронно-дырочных пар, при его освещении в полосе собственного поглощения происходит изменение концентрации основных n_n0 и неосновных p_n0 носителей. В том случае, если изменение концентрации основных носителей сопоставимо с их начальной концентрацией, то суммарная концентрация основных носителей возрастает, а следовательно, возрастает и величина удельной проводимости. В том случае, если увеличение концентрации основных носителей существенно больше, чем стационарная концентрация, то суммарная проводимость будет определяться только фотопроводимостью.

Принцип работы фотодиода заключается в следующем: при освещении
p-n – перехода происходит генерация электронно-дырочных пар. Движение избыточных носителей зависит от того, где они возникают, т. е. в каком месте поглощается свет. Если излучение поглощается в p – области, то электронно-дырочные пары, находящиеся на расстоянии, меньшем длины диффузионного смещения от p-n – перехода, смогут достигнуть его. Потенциальный барьер p-n – перехода способствует переходу электронов. Соответственно, если излучение поглощается в n – области, то через p-n – переход могут пройти только дырки. Если же излучение поглощается в области объемного заряда, то электроны переносятся электрическим полем p-n – перехода в n – область, а дырки – в
p – область. Таким образом, электрическое поле p-n – перехода разделяет неравновесные носители заряда. Поэтому можно считать, что генерируемые светом носители заряда увеличивают обратный ток p-n – перехода, т.к. именно он образуется за счет неосновных носителей.

Фотодиоды работают в фотодиодном (при обратном смещении) и фотогальваническом (без смещения) режимах. Фотоэлементами называют p-n – переходы, работающие в режиме генерации фотоЭДС (фотогальванический режим) при облучении их светом.

Коротковолновое излучение имеет высокое значение коэффициента поглощения (высокая энергия фотона), поэтому поглощается в основном в приповерхностной области эмиттера фотодиода. Фототок в этом случае будет мал, так как поглощение происходит на расстояниях больше диффузионной длины. В случае длинных волн поглощение происходит по всей глубине на расстоянии диффузионной длины, соответственно эффективность преобразования будет максимальной. При очень больших значениях длины волны фототок уменьшается из-за приближения к красной границе фотоэффекта (энергии фотона недостаточно для преодоления запрещенной зоны).

Для увеличения быстродействия фотодиода между p и n – областями вводят i – слой c собственной проводимостью. Толщина этого слоя выбирается больше диффузионной длины, чтобы поглощение света происходило в этой области. При обратном смещении p-n – перехода все приложенное напряжение будет падать на i – слое. Фотогенерированные носители будут разделяться в сильном электрическом поле и фотоотклик таких диодов будет быстрым.

Лавинный фотодиод – это фотоприемник, в котором повышение квантовой эффективности реализуется за счет внутреннего усиления благодаря лавинному умножению в обратносмещенном p-n – переходе. Такой процесс характерен для n-p-i-p⁺ структур.

Фототранзистор – полупроводниковый фотоэлектрический прибор с внутренним усилением фототока. Структура фототранзистора эквивалентна структуре обычного биполярного p-n-p транзистора, включенного в схеме с общим эмиттером. Фототранзистор имеет два электрических контакта, а управление током базы осуществляется путем изменения ее освещенности.

Светодиодом называют полупроводниковый диод на базе p-n либо гетероперехода, излучающий кванты света при протекании через него прямого тока посредством спонтанной рекомбинации неравновесных носителей заряда.

Основным методом создания неравновесных носителей в оптоэлектронных устройствах является инжекция неосновных носителей через прямосмещенный электронно-дырочный переход. Для излучения квантов света необходима односторонняя инжекция. В гетеропереходе это осуществляется благодаря разности ширины запрещенной зоны контактирующих полупроводников, а в p-n – переходе – благодаря разнице в легировании p и n областей.

Полупроводниковым лазером называют оптоэлектронное устройство, генерирующее когерентное излучение при пропускании через него электрического тока. Когерентное излучение, генерируемое полупроводниковым лазером, характеризуется вынужденным излучением.

Генерация стимулированного излучения заключается в следующем. Атом поглощает фотон и переходит в возбужденное состояние с большей энергией электрона. Столкновение фотона с возбужденным атомом, обладающим такой же энергией, что и фотон, возбудивший атом, стимулирует мгновенный переход атома в основное состояние с испусканием фотона с энергией и фазой, соответствующим энергии и фазе падающего излучения.

Вопросы для самопроверки:

1. Принцип работы фоторезистора.

2. ВАХ фоторезистора.

3. Принцип работы фотодиода на основе p-n – перехода.

4. ВАХ фотодиода.

5. Принцип работы и структура фотодиода на основе p-i-n – перехода.

6. Принцип работы и структура лавинного фотодиода.

7. Принцип работы фототранзистора.

8. Принцип работы светодиода.

9. Принцип работы полупроводникового лазера.

Дата добавления: 2015-05-07