Полупроводниковая оптоэлектроника

Размещено на http://www.allbest.ru/

Задача №1

Изобразить структуру фотоприёмника. Изобразить ВАХ фотоприёмника. Дать определение основным параметрам. Пояснить принцип работы фоторезистора

Решение

Работа некоторых полупроводниковых элементов основана на использовании фотоэлектрического эффекта - явления взаимодействия электромагнитного излучения с веществом, в результате которого энергия фотонов передается электронам вещества. В твердых и жидких полупроводниках различают внешний и внутренний фотоэффекты. В первом случае поглощение фотонов сопровождается вылетом электронов из вещества. Во втором - электроны, оставаясь в веществе, переходят из заполненной энергетической зоны в зону проводимости, обуславливая появление фотопроводимости. В газах фотоэффект состоит в ионизации атомов или молекул под действием излучения. Внутренний фотоэффект, возникающий в паре из электронного и дырочного полупроводников, понижает контактную разность потенциалов, выполняя непо-средственное преобразование электромагнитного излучения в энергию электрического поля, что используется в фотодиодах, фототранзисторах. Наиболее ярко внутренний фотоэффект выражен в таких полупроводниковых материалах как селен, германий, кремний, различные селенистые и сернистые соединения таллия, кадмия, свинца и висмута. Из этих материалов изготавливают фотоприёмники. В качестве фотоприёмника могут использоваться фотодиоды ФД. ФД бывают: p-i-n фотодиод, фотодиод Шоттки, лавинный фотодиод, фотодиод с гетероструктурой. ФД может работать в гальваническом и фотодиодном режимам. Рассмотрим лавинный ФД.

Фототиристор_. Оптоэлектронный полупроводниковый прибор, имеющий структуру, схожую со структурой обычного тиристора, но отличающийся от последнего тем, что включается не напряжением, а светом, падающим на тиристорную структуру. Этот прибор применяется в управляемых светом выпрямителях и наиболее эффективен в управлении сильными токами при высоких напряжениях. Скорость отклика на свет -- менее 1 мкс. Фототиристоры обычно изготавливают из кремния, и спектральная характеристика у них такая же, как и у других кремниевых фоточувствительных элементов.

Разновидностью фототиристора является оптотиристор, в котором источник света - светодиод из арсенида галлия - интегрирован в одном светонепроницаемом корпусе с кремниевой тиристорной структурой.

Рис. 1. Структура фототиристора

При освещении фототиристора в полупроводнике генерируются парные носители заряда (электроны и дырки), которые разделяются электрическим полем электронно-дырочных переходов. В результате через р-n-переходы начинают протекать токи (фототоки), играющие роль токов управления.

Конструктивно фототиристор представляет собой светочувствительный монокристалл с р-n-р-n-cтруктурой, обычно из кремния, расположенный на медном основании и закрытый герметичной крышкой с прозрачным для света окном. Наибольшее распространение получили конструкции с освещаемым n-эмиттером и с освещаемой р-базой.

Пригодные для управления фототиристоров источники излучения - электрические лампы накаливания, импульсные газоразрядные лампы, светоизлучательные диоды, квантовые генераторы и др. Величина светового потока, необходимого для перевода фототиристоров в состояние с высокой проводимостью, характеризует чувствительность прибора; она определяется спектральным составом излучения, коэффициентом отражения и поглощения монокристалла, а также заданными значениями электрических параметров фототиристоров: напряжением переключения, скоростью нарастания прямого напряжения и т.д.

Современные фототиристоры изготовляют на токи от нескольких ма до 500 а и напряжения от нескольких десятков в до 3 кв. Мощность управляющего светового излучения (при длине волны 0,9 мкм) порядка 1-10² мвт. Фототиристоры находят применение в различных устройствах автоматического управления и защиты, а также в мощных высоковольтных преобразовательных устройствах.

Рассмотрим работу фототиристора, когда к структуре прило-жено прямое напряжение В статическом режиме по закону непрерывности тока можно записать для тока через кол-лекторный переход П2:

Из этого выражения подучим:

где-Iф1, Iф2, Iф3 фототоки, возникающие вследствие разделения соответствующим р-n переходом генерированных излучением носителей; 1, 2 коэффициенты передачи по току транзисторных структур. При отсутствии освещения, т.е. при Iф1=Iф2=Iф3=0, получим выражение для ВАХ тиристора в случае двухэлектродного (динисторного) включения, которое определяет тёмновую характе-ристику фототиристорв. При освщенни ток I , протекающий че-рез структуру, определяется совместным действием фототоков через переходы и собственным током коллекторного перехода Iko. Можно утверадать, что величина Iф11 + Iф2+ Iф32 которая изменяется с изменением уровня освещенности играет роль тока управления в обычном тиристоре, т.е. при воздействии потока излучения изменяется напряжение включения фототиристора.

Семейство ВАХ фототиристора, осве-щаемого монохроматическим светом с различной мощностью излуче-ния.

Семейство ВАХ фототиристора

Основные параметры и характеристики фототиристоров представлены в таблице 1.

Таблица 1

Фототиристоры имеют высокий КПД, устойчивы к многократным перегрузкам по току и напряжению, к высоким электромагнитным помехам и другим внешним критическим воздействиям. Электрические параметры и характеристики оптимизированы для работы в сборках с последовательным соединением фототиристоров. Они находят широкое применение в отечественных преобразователях нового поколения для высоковольтных передач постоянного тока, компенсации реактивной мощности, управления мощными электродвигателями среднего напряжения (например, для газокомпрессорных станций). Благодаря оптическому управлению, интегрированным защитным функциям, а также уникальному сочетанию коммутирующих характеристик, фототиристор занимает сегодня достойное место в ряду важнейших компонентов для электрооборудования HVDC, а также для других применений, где требуется пре образование электрической энергии в мега и гигаваттном диапазоне мощностей.

К некоторым важнейшим параметрам фототиристоров относят следующее:

1. Амплитуда повторяющегося импульсного напряжения, которое прикладывают к закрытому тиристору, B.

2. Длительность включения, т.е. такой отрезок времени, за который тиристор переходит в открытое состояние под действием импульса тока, протекающего по управляющему электроду, мс.

3. Критическая скорость нарастания напряжения на закрытом тиристоре, т.е. значение такой максимальной скорости нарастания напряжения, которое не приведёт к отпиранию тиристора, dU / dt.

4. Напряжение включения, т.е. такое напряжение, приложенное к фототиристору, при котором он переходит в открытое состояние, В.

5. Напряжение переключения, т.е. приложенное к тиристору напряжение во время переключения, В.

6. Неповторяющийся ударный ток фототиристора в открытом состоянии, т.е. предельно допустимый ток через открытый фототиристор, который не вызовет выход компонента из строя при кратковременном воздействии, по завершении которого сила тока станет много меньше, А.

7. Постоянный обратный ток, протекающий по выводам анод-катод тиристора в закрытом состоянии, мА.

8. Предельно допустимая амплитуда импульсов тока, протекающего через выводы анод-катод открытого тиристора, А.

9. Предельно допустимый постоянный ток через выводы анод-катод открытого тиристора, А.

10. Ток запирания, т.е. такой ток, протекающий по управляющему электроду, который инициирует переход тиристора из открытого состояния в закрытое состояние, А.

11. Ток удержания, т.е. минимальный ток такой силы, под действием которого тиристор не переходит в закрытое состояние, А.

Задача №2

Определить длинноволновую границу фотоэффекта и фоточувствительность приёмника. Изобразить вид спектральной характеристики фотоприёмника и указать на ней .

Решение

Одним из параметров светодиода является длинноволновая граница, определяемая формулой:

.

где - ширина запрещенной зоны или энергия перехода эВ.

мкм

Другим параметром - квантовая эффективность, которая определяет качество фотоприёмника. Квантовая эффективность - измеряется как число электронов на один фотон. Таким образом, в идеальном случае каждый фотон должен генерировать один электрон фототока.

Но чаще всего в качестве основного рабочего параметра используют фоточувствительность :

;

А/Вт.

Фотоприёмники на основе широкозонных полупроводниковых материалов cилициума (Si), германия (Ge) и арсенида галлия (GaAs) и их соединений дают возможность создания фотоприёмных устройств и приборов со спектральной чувствительностью в ультрафиолетовой, видимой и ближней инфракрасной областях спектра. Спектральные характеристики относительной чувствительности фотодиодов представлены на рисунке 4.

Рисунок 4 - Спектральная чувствительность Si, GaInAs, Ge

Таблица 1. Основные характеристики фотоприемников

1. Токовая чувствительность (монохроматическая) Sтч (А/Вт) определяется следующим образом: S_ТЧ = I_Ф/P(), где Iф - фототок; P() - полная оптическая мощность излучения на длине волны . Типичное значение токовой чувствительности для p-i-n фотодиодов в рабочих диапазонах составляет 0,5-0,8 А/Вт, а для лавинных фотодиодов 20-60 А/Вт. Токовая чувствительность характеризует фотоприёмник на низких частотах модуляции.

2. Темновой ток Iт(А) - это ток, протекающий через нагрузку обратно смещённого фотодиода, при отсутствии светового потока падающего на фоточувствительную площадку фотодиода, и называется иначе током утечки. Величина темнового тока зависит от материала полупроводника, температуры окружающей среды и конструкции фотоприёмника.

3. Время нарастания - характеризует работу фотоприёмника в импульсном режиме и является его важнейшей динамической характеристикой. Время нарастания определяется как время, необходимое выходному сигналу, чтобы возрасти от уровня 0,1 до 0,9 (упасть от 0,9 до 0,1) от установившегося максимального значения при условии, что на вход подаются строго прямоугольные импульсы света большой длительности. Эти времена зависят от геометрии фотодиода, материала, напряжённости электрического поля в слаболегированной области, температуры.

Из этой таблицы видно, что фотодиоды, изготовленные из германия, имеют наибольшее значение тока утечки, который может составлять от долей до сотен единиц миллиампера. В присутствии светового потока этот ток добавляется к току полезного сигнала фотоприёмника.

Задача № 3

Изобразить принципиальную схему включения семисегментного полупроводникового индикатора. Описать принцип действия индикатора. Указать какой цифровой код и какие состояния выходов дешифратора определяют индикацию цифры 8, соответствующей последней цифре шифра. Результаты оформить в виде таблицы истинности

Решение

Цифробуквенные индикаторы на основе светодиодов представляют собой интегральную микросхему из диодных структур (сегментов) и необходимых соединений. Сегменты выполняются на подложке в одном корпусе и располагаются таким образом, чтобы при соответствующих комбинациях возбужденных сегментов достигалось четкое отображение одной цифры или буквы. Кроме сегментов, необходимых для синтеза цифры или буквы, разряд индикатора может содержать десятичную точку.

Информация, выработанная в десятичном коде цифровым устройством, преобразовывается дешифратором в 7-сегментный код для возбуждения сегментов цифрового индикатора. Соответствие двоичного, десятичного и 7-сегментного кода показано в таблице истинности (таблица 3).

Таблица 3

Задача № 4

Изобразить схему включения светодиода, с указанием полярности включения источника питания U_ПИТ и номинала ограничительного сопротивления R_ОГР. Рассчитать, какую силу света обеспечивает светодиод при заданных U_ПИТ и R_ОГР. Определить длину волны соответствующую максимуму спектрального распределения

Данные светодиода

Решение

Схема включения светодиода с использованием ограничительного резистора имеет вид [8, стр.197]:

По справочным данным светодиодов из методических указаний находим основные данные заданной марки светодиода:

Сила света при Т_ОКР = 25 С и I_ПР.0 = 10 мА - Ф₀ = 0,8 мкд

Постоянное прямое напряжение, не более - U_ПРmax = 2,0 В

Цвет свечения - красный

Максимум спектра излучения - 0,67 мкм

Для того чтобы определить какую силу света обеспечивает светодиод, при заданных значениях U_ПИТ и R_ОГР необходимо найти I_прСИД. Для этого построим линию нагрузки, которая проходит через две точки.

Точка 1.

При U_прСИД = U_пр1 = 1,4 В определяем прямой ток светодиода:

Точка 2.

При U_прСИД = U_пр2 = 1,9 В определяем прямой ток светодиода:

На семействе ВАХ заданного светодиода строим график нагрузочной прямой, проходящей через две найденные точки:

В области пересечения нагрузочной прямой с семейством ВАХ светодиода выбираем рабочую точку, для которой получаем рабочее напряжение светодиода U_прСИД = U_пр = 1,74 В. Определяем прямой ток светодиода в рабочей точке:

По зависимости силы света I₀ = F(I_прСИД) определим в рабочей точке для найденного тока светодиода, какую силу света обеспечивает светодиод:

Получаем: I₀ = 1,07 мкд.

По заданной спектральной характеристике светодиода определяем длину волны соответствующую максимуму спектрального распределения:

Максимум спектра излучения - 0,67 мкм.

фоторезистор светодиод полупроводниковый

Литература

1. Игнатов А.Н. Основы оптоэлектроники. Ч.1. Излучающие и фотоприемные приборы. - Новосибирск: НЭТИ, 1988.

2. Ишанин Г.Г. Приемники излучения оптических и оптико - электронных приборов. - Л.: Машиностроение, 1986.

3. Шрайбер Г. Инфракрасные лучи в электронике. - М.: ДМК Пресс, 2001.

4. Верещагин И.К., Косяченко Л.А., Кокин С.М. введение в оптоэлектронику. - М.: Высшая школа, 1991.

5. Быстров Ю.А. Опртоэлектронные приборы и устройства. - М.: РадиоСофт, 2001.

6. Мосс Т., Барелл Г., Эллис Б. Полупроводниковая оптоэлектроника. - М.: Мир, 1976.

7. Гусев В.Г., Гусев Ю.М. Электроника. - М.: Высшая школа, 1991.

8. Вениаминов В.Н., Лебедев О.Н., Мирошниченко А.И. Микросхемы и их применение: Справочное пособие. - М.: Радио и связь, 1989.

Размещено на Allbest.ru