Главная страница
Навигация по странице:

  • Откуда получается усиление в фо- тотранзисторе

  • Оптоэлектроника. Конспект лекций оптоэлектроника


    Скачать 13.21 Mb.
    НазваниеКонспект лекций оптоэлектроника
    АнкорОптоэлектроника.pdf
    Дата13.04.2018
    Размер13.21 Mb.
    Формат файлаpdf
    Имя файлаОптоэлектроника.pdf
    ТипКонспект лекций
    #18012
    КатегорияЭлектротехника. Связь. Автоматика
    страница1 из 3

    Подборка по базе: Керимбек А. конспект 11.docx, Математика 6кл - Конспект..docx, прописной конспект рабочий вариант.docx, овощи конспект.docx, Лекции по Математике конспект.docx, Тезисы лекций Методика препод спец дисциплин (2).docx, Курс лекций.doc, 102 Фк Ибрагимова Алсу Програмное обеспечение - конспект.docx, АСР ҹ16 конспект.doc, Жолболсынов Б. Элмат конспект. Өткізгіш бұйымдар..docx
      1   2   3

    Национальный исследовательский ядерный университет «МИФИ»
    Факультет: «Автоматики и электроники».
    Кафедра №27.
    КОНСПЕКТ ЛЕКЦИЙ
    «ОПТОЭЛЕКТРОНИКА»
    Выполнили студенты группы А9-11
    Власов Евгений Владимирович
    Смирнов Владимир Юрьевич
    Преподаватель: Мочалкина О.Р.
    Москва, 2010 г.

    Содержание
    1 Введение
    4 2 Поглощение света в полупроводниках
    5 2.1 Собственное(фундаментальное) поглощение . . . . . . . . . . . .
    5 2.2 Примесное поглощение . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
    5 2.3 Поглощение свободными носителями заряда . . . . . . . . . . .
    6 2.4 Решеточное поглощение . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
    7 2.5 Закон Бугера-Ламберта . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
    7 2.6 Спектральная зависимость коффициента поглощения . . . . . .
    8 3 Фотопроводимость
    10 4 Параметры фотоприемников
    12 5 Фотодиоды
    13 5.1 Суть . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
    13 5.2 Возможные конструтивные исполнения . . . . . . . . . . . . . .
    13 6 Фототранзистор
    16 6.1 Принцип работы . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
    16 7 Фототиристор
    17 8 Фоторезисторы
    19 9 Примесные фотоприемники
    20 10 Твердотельные излучатели
    21 10.1 Характеристики излучателя . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
    21 11 Светодиоды
    22 11.1 Главные параметры светодиодов . . . . . . . . . . . . . . . . . .
    22 11.2 Материалы для изготовления светодиодов . . . . . . . . . . . .
    25 12 Лазеры
    26 13 Электролюминисцентный конденсатор
    28 14 Оптроны
    29 14.1 Параметры оптронов . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
    29 14.1.1 Коэффициент передачи тока . . . . . . . . . . . . . . . .
    30 14.1.2 Быстродействие . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
    30 2

    14.1.3 Развязывающее сопротивление . . . . . . . . . . . . . . .
    30 14.1.4 Линейность характеристики передачи . . . . . . . . . . .
    30 14.2 Классификация оптронов по типу фотоприемника . . . . . . . .
    30 15 Оптоэлектронное реле
    32 16 Многоэлементные фотоприемники(фотоприемные передающие матрицы)
    33 16.1 МОП фотодиод . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
    36 16.1.1 Сдвиговый резистор . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
    37 16.2 Еще один способ . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
    37 17 ПЗС
    38 18 Физические эффекты. ЖК ячейки
    40 18.1 Эффект динамического рассеяния . . . . . . . . . . . . . . . . .
    41 18.2 Твист-эффект . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
    42 18.3 Эффект гость-хозяин . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
    43 19 ВОЛС
    45 19.1 Факторы, которые приводят к потерям в линии . . . . . . . . .
    47 20 Пленочные световоды
    48 21 Твердотельные дефлекторы света
    50 21.1 Дефлекторы Брэгга . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
    50 3

    1.
    Введение
    Прежде всего, что такое свет? Излучение очень широкого дипазона, от 50нм до 1 мм. В некоторых источниках говорят, что от 10нм. Эта граница опре- деляется различием “свет - рентген”. Приближаясь к обозначенному нижнему пределу свет теряет способность преломляться. Мы об это уже много раз го- ворили - излучение приобретает другие качества. Верхняя граница - 1к мкм - радиволоны, ниже - свет. Тут тоже есть физические эффекты, ограничиваю- щие планку сверху.
    Волноводная обычная техника не соответствует решению определенных за- дач. Тогда выручает свет, потому что информация передается модулирован- ным световым сигналом, вместо модулированного электрического сигнала.
    Вы, конечно, ряд вещей, связанных со светом, изучали весьма подробно.
    Это будет последний курс, потому что некоторые курсы вроде квантовой ра- диофизики делали упор на отдельные приборы, в частности на лазеры. Здесь же постараемся коснуться всех приборов, которые так или иначе могут отно- ситься к оптоэлектронике - излучатели, модуляторы, оптоволоконная техни- ка, интегральная - пленочные световоды, фотоприемники, передача и прием картинок(твердотельная). Но курс маленький, так что пройдем поверхностно.
    Многие приборы работают на разных физических эффектах, что лишь услож- няет курс. Что касается пп лазеров, то опустим тему, если вы ее знаете, иначе
    - рассмотрим.
    Излучение в диапазоне также очень разнообразно.
    • 50нм - 0.4 мкм - УФ
    • 0.4мкм - 0.76мкм - видимый свет.
    • 0.76мкм - 1000мкм - ИК.

    0.76мкм - 3мкм - ближний ИК.

    3мкм - 6мкм - средний ИК.

    >6мкм - дальний ИК.
    4

    2.
    Поглощение света в полупроводниках
    Если свет падает на поверхность пп кристалла, то он может:
    • Отразиться от поверхности.
    • Преломиться и войти в полупроводник и поглотиться не дойдя до нижней границы подложки.
    Преломиться и пройти насквозь, практически не поглощаясь.
    Рассмотрим все варианты. Нас будут интересовать те эффекты, которые будут связаны с поглощением света. То есть свет вошел в пп, поглотился и на основе неких явлений мы можем строить некие приборы.
    Нас будет интересовать, как идет поглощение света в пп. Есть несколько способов поглощения:
    2.1.
    Собственное(фундаментальное) поглощение
    Что происходит в этом случае? Квант света - фотон, поглощается связан- ным электроном, связанный электрон приборетает дополнительную энергию и переходит в зону проводимости, в результате чего в пп появляется дополни- тельная проводимость - фотопроводимость. Доп энергия, которую приобретает связанный электрон, должна быть больше ширины ЗЗ - это совершенно оче- видно.
    При таком поглощениее всегда есть длинноволновая граница поглощения.
    hω > E
    g hc
    λ
    > E
    g
    λ
    гр
    =
    hc
    E
    g
    Для Si - λ ≈ 1.1мкм. Для всего огромного спектра волн кремний прозрачен.
    А что такое 1.1мкм? Такое излучение можно применять в оптронах, напри- мер. Но это не интересно. А интересны другие области излучение, например,
    в области 10мкм. Такое излучение дают земля, летающие аппараты. Так что используют материалы с другим типом поглощения.
    2.2.
    Примесное поглощение
    5

    Что такое примесное поглощение для, например, кремния? Есть опре- деленный донорный уровень. Они как правило в кремнии и германии распо- лагаюся на очень малом расстоянии от E
    c
    . То есть E
    A
    (P
    в Si) ≈ 0.04эВ.
    Но тут есть проблема - в нормальном сосоянии все электроны уже заняты,
    так что свети - не свети ничего пере- ходить не будет. При такой E
    A
    элек- трон можно удержать на донорном уровне только при гелевых температурах
    - 4.2К. Только в таких условиях мы получим прибавку в проводимости, если посветим длинноволновым излучением на пп. Но это очень сложная техни- ка. Можно ли получить и как на фундаментальном поглощении реакцию на длинноволновое поглощение? Можно, в случае если у него узкая ЗЗ. Но и тут тоже нужно такое же охлаждение. Технологически наиболее разработанные - антиманит индия(сотые доли эВ), КРТ(кадмий ртуть теллур). Процентным отношением 3х элементных составов можно регулировать ширину ЗЗ. ИК тех- ника - огромный курс, по ней можно читать и читать. Это же все системы слежения, слежение за землей. Все можно определить такими фотоприемни- ками, потому что они отличают температуру в 0.1К. Но при этом всегда надо учитывать атмосферные окна. Дело в том, что ИК излучение - например ин- тересно ИК излучение Земли из космоса, но там огромное расстояние, и атмо- сфера поглощает очень много. Но к счастью есть амтосферное окно 8-14мкм,
    3-5мкм, около 1.5мкм - так что бессмысленно делать приемник на 7мкм - та- кое излучение через амтосферу не пройдет. К примесному полощению мы еще как-нибудь вернемся.
    2.3.
    Поглощение свободными носителями заряда
    На это поглощении строятся прибо- ры вроде:
    • Лазеры.
    Что там происходит? Электрон,
    поглощающий излучение, энер- гию теряет, переходит вниз, но зато дает два идентичных фото- на.
    6

    2.4.
    Решеточное поглощение
    Оно существует, но приборов на его основе мы не строим. Оно дает нам только потери на взаимодействии фотонов с атомам кристаллической решетки.
    Все пп приборы основаны на том, что мы должны знать, где именно рожда- ются доп. носители и т.д. Надо знать - свет сразу поглотится на поверхности,
    или же постепенно по толщине.
    2.5.
    Закон Бугера-Ламберта
    Это закон распределения света по толщине, по нему можно узнать где именно свет остановится. Размер- ность интенсивности - энергия на пло- щадь в единицу времени. Часть из- лучения отразится от подложки. Обо- значим:
    • I
    0
    - падающее излучение.
    • R
    λ
    =
    I
    от
    I
    0
    • I = I
    0
    (1 − R
    λ
    )
    , где R
    λ
    - коэф- фициент отражения. I - то, что прошло внутрь(не отразилось).
    Пусть поверхность пп - x = 0. Вы- берем в пп некий элемент dx, ему со- ответсвующее излучение I
    x
    . То, что поглотится в этом слое будет равно:
    dI
    x
    = I
    x
    · dx · α
    . dI
    x
    - то, что погло- тится слоем dx. Есть также граничное условие: x = 0 : I
    x
    = I
    0
    (1 − R
    λ
    )
    . То- гда
    I(x) = I
    0
    (1 − R
    λ
    )e
    −α·x
    α
    - см
    −1
    Если делаем приемник очень близко от поверхности, а рас- пределение поглощения весьма кру- тое, то будет очень малое количество рожденных свободных носителей заряда,
    так что фотоприемник будет ничуть не чувствительный. Или наоборот - очень
    7
    глубоко сделаем приемник, таким образом свободные носители могут рекомби- нировать в толще пп до того, как дойдут до pn-прехода. Так что очень важно знать реальную характеристику поглощения, чтобы сконструировать работа- ющий фотоприемник.
    2.6.
    Спектральная зависимость коффициента поглощения
    Всегда должны выполняться два законы: ЗСЭ и ЗСИ(квазиимпульса).
    1. ЗСЭ:
    E
    2
    = E
    1
    + hω
    2. ЗСИ(квазиимпульса):
    P
    2
    = P
    1
    + hη
    Для электрона квазиимпульс порядка P =

    2m

    kT = 10
    −25
    кг · м/см. Для фотона же: P
    ф
    =
    2π ·
    λ
    ≈ 10
    −28
    , при λ = 1um.
    P
    2
    = P
    1
    - правило отбора. Когда меняется энергия, но импульс остается постоянным.
    В прямозонных пп правило отбора выполняется как бы автоматически. Что- бы рассмотреть не прямозонные полупроводники...
    Если по горизонтали откладывать квазиимпульс, а по вертикали - энергию,
    то характеристика будет иметь вид:
    Стандартая зонная диаграмма(две параболы). ТАкже рядом еще рисунок,
    где у зоны проводимости два минимума. Для второго рисунка ширина ЗЗ так- же опредляется минмиальным расстоянием., но минимум находится у квазиим- пульса p
    2
    . Только такой переход невозможен, ибо энергии хватает, но импульс,
    очевидно, не совпадает. Для рисунка также справделиво, что если энергия
    8
    электрона E
    g
    + ∆E
    , то переход возможен. Таже переход возможен, если элек- трон получит дополнительно энергию от фотона и импульс от фонона.
    До E
    g нет поглощения фотона.
    9

    3.
    Фотопроводимость
    Под действием света сопротивление полупроводника падает, появляется до- полнительная проводимость. ∆σ = q(µ
    n
    ∆n + µ
    p
    ∆p)
    δ∆n
    δt
    = G
    n

    ∆n
    τ
    n
    δ∆p
    δt
    = G
    p

    ∆p
    τ
    p
    Возьмем
    δ∆p
    δt
    =
    δ∆n
    δt
    = 0
    , тогда: ∆σ = q(µ
    n
    G
    n
    τ
    n
    + µ
    p
    G
    p
    τ
    p
    )
    ∆n = G
    n
    τ
    n
    ∆p = G
    p
    τ
    p
    Приведем к интенсивности света. dI = αIdx dI
    dx
    = αI;
    1
    ω
    dI
    dx
    = α
    I
    ω
    = α
    ф - количество поглощенных фотонов.
    G - количество носителей заряда, возникающих в результате поглощения этих фотонов. G = αфη
    ∆n = G
    n
    η
    n
    τ
    n
    ∆p = G
    p
    η
    p
    τ
    p j
    др
    = ∆σE = qα
    ф(µ
    n
    τ
    n
    η
    n
    + µ
    p
    τ
    p
    η
    n
    )
    α
    очень большое, ибо все носители в слое субмикронного размера, следова- тельно возрастает вероятность рекомбинации. τ, µ - функции количества но- сителей заряда.
    Почему фотоприемники имеют спектральный экстремум? Должно выпол-
    Рис. 1: Спектральная характеристика няться условие постоянности интенсивност на разных длиннах волн. Фотоот-
    10
    клик резко падает. Почему? Ибо интенсивность света - константа. Чем крупнее фотоны, тем меньшим количеством их набирается нужная мощность. Фотоот- клик уменьшается прямо пропорционально количеству фотонов, т.к. при их уменьшении уменьшается генерация заряда , а более резкое уменьшение про- исзходит из-за уменьшения подвижности заряда.
    11

    4.
    Параметры фотоприемников
    1. Чувствительность.
    a) По току
    S
    I
    =
    ∆I
    ∆P
    А/Вт b) По напряжению
    S
    v
    =
    ∆v
    ∆P
    В/Вт c) По частоте
    S
    f
    =
    S
    v0

    1 − 2πf τ
    2. Пороговая чувствительность - чувствительность, показывающая на ка- кой минимальный ток(на какую минимальную интенсивность света) мо- жет прореагировать приемник.
    Токовый шум характеризуется
    ∆U
    2
    ш
    P = m
    U
    2
    ши
    S
    и
    Вт
    Но чаще берется
    ∆U
    2
    m f
    → P = m
    ∆U
    2
    m f
    S
    и
    [
    Вт · Гц
    −f rac12
    ]
    Книги - Носов, Оптоэлектроника.
    12

    5.
    Фотодиоды
    5.1.
    Суть
    По сути - те же диоды, но мож- но облучать обе стороны. Предполо- жим, что мы не включили прибор в электр. сеть. Естесственно заряды на- чинают диффундировать и могут по- дойти к pn-переходу. Дырки перей- ти в n-область не могут, а электроны могут перейти. Также и в n-области электроны перейти не могут, а дыри - могут. Таким образом p-область зарядается положительно, из n-области ухо- ядт дырки и он заряжается отрицательно. Возникает разность потенциалов,
    которая обусловлена фотовольтаическим эффектом. Этот эффект сопровож- дает работу фотодиода, но не является основным.
    Это источники тока - солнечные батареи, но это не наша тема.
    Что будет происходить с возрастанием времени? Постоянное накопление по- ложительного заряда? Конечно, нет. Какой процесс прекращает лавину? То есть устанавливает определенное стационарное напряжение. Это - открытие диода из-за положительного смещения на нем. При работе фотодиода на него надо подать напряжение - обычно, отрицательное. Тогда, если цепь замкнута и света нету, течет обычный темновой ток. Если начать освещать - темновой ток увеличится. Что будет, если включить диод в прямом направлении? Все то же самое. Однако, на фоне прямого тока сложно выделить добавочную ком- поненту светового тока. Поэтому фотодиоды всегда работают при обратном смещении.
    У кремниевых приборов нету об- ратного тока насыщения в отличии германиевых. Тогда теорию ШХЛ за- менили на теорию Са-Нойса-Шокли.
    5.2.
    Возможные конструтивные исполнения
    1. Свет падает параллельн плоско- сти pn-перехода.
    13
    p n w
    +
    l
    - l
    d
    2. Просто планарный pn-переход.
    Надо найти приращения ∆n, ∆p для фундаментального поглощения.
    ∆n = ∆p d∆n
    ∆t
    = G
    n
    + D
    n d
    2
    ∆n dx
    2

    ∆n
    τ
    n для p-области, аналогично для n.
    Граничные условия: x = −l, n = n p
    x = 0, n = n p


    e qU
    kT − 1


    x = l, p = p n
    x = 0, n = p n


    e qU
    kT − 1


    Носители рождаются не по всей толщине.
    Упрощающие предположения:
    1.
    1
    α
    << W
    2. l >> L
    p
    , L
    n
    3. W << L
    n
    , L
    p
    - все что генерируется, без проблем проходит до конца эпитаксиального слоя, не рекомбинируя. Отсюда G = const.
    14

    Решаем:
    j n
    = qD
    n d∆n dx x=0
    j p
    = qD
    p d∆p dx x=0
    Получим:
    J = A
    q n
    p
    D
    n
    L
    n
    +
    p n
    D
    p
    L
    p exp qU
    kT
    − 1 − qG (L
    n
    + L
    p
    )
    S =
    J
    s
    P
    Ф(1 − R
    λ

    W
    S
    i
    =
    J
    ф
    P
    =
    q · G(L
    p
    + L
    n
    )d · W λ
    2l · d · h · c ·
    Ф
    =
    q ·
    Ф(1 − R
    λ
    )ηd · W · λ
    W · 2l · d · h · c ·
    Ф
    =
    q(q − R
    λ
    )ηλ
    2l · h · c
    ;
    Планарный переход решается также - берется уравнение непрервыности,
    плотности тока и т.д. Аналитически все решается, но есть одно но: формула чувствительноси будет выглядеть: S = S
    n
    + S
    p
    = qλC
    λ
    (L
    1
    + L
    2
    )
    , но формулы для L
    1
    , L
    2
    имеют в себе кучу тригонометрических функций, делая анализ по формуле совершенно нереальным. То есть надо строить графики разные и т.д.,
    чтобы понять что к чему.
    Для зеленого цвета - большие тяжелые фотоны, будут поглощаться у поверх- ности. Так что нужен мелкий pn-переход вплоть до субмикронной глубины.
    Аналогично для всего видимого спектра.
    Для ИК - мелкие, проходят глубоко, нужен глубокий pn-переход.
    15

    6.
    Фототранзистор
    Происходит усиление фототока наряду с фотоэл. преобразователем.
    6.1.
    Принцип работы
    Под действием света на n
    +
    − p − n транзистор в p-области рождаюся но- сители заряда. Приложим напряже- ние. Что будет с носителями в базо- вой области? Дырки оттуда уйти не могут, так что уходят электроны. В
    КП создается фототок за счет проте- кания тех самых элеткронов, назовем его J
    ф0
    . Дырки должны были бы пе- реходить в n
    +
    область, но не переходят, почему? Потому что мы сделали хо- роший транзистор.

    Откуда получается усиление в фо- тотранзисторе?
    Основные носители остаются, а неосновные уходят!
    КБ - заркыт с очень большим со- противлением. ЭБ - открыт, но с очень малым током.
    Дырки, образующиеся за счет све- та, дают диодный ток. Тока через прямосмещенный ЭБ переход нет, т.к. мы сделали большую разницу в леги- ровании областей(хороший транзистор). База заряжается, т.к. дырки ушли,
    следовательно, ЭБ переход приоткрывается, начинается инжекция из эмми- терного перехода. А значит происходит усиление.
    Ток электронов(J
    ф0
    ) должен быть равен току рекомбинации.
    Условие стационарности: J
    R
    = −J
    ф0
    J
    R
    =
    qAp n
    W
    n

    exp qU
    э kT
    = −J
    ф0
    Находим exp qU
    э kT
    J = qAD
    p dp dx
    ; J = qAG
    0
    p(0) − p(W
    n
    )
    W
    n
    ;
    J
    ф
    J
    ф0
    = β; β =
    L
    2
    i
    W
    2
    n
    β
    - коэффициент усиления в транзисторе в схеме с ОЭ.
    16

    7.
    Фототиристор
    4х слойный прибор, 3 пн перехода.
    Напряжение на центральном переходе меняется тогда, когда у нас по мере нарастания тока растут коэф-ты усиления и они становятся такие высокие,
      1   2   3


    написать администратору сайта