Transcript Elektronika - Úvod DP SV+KV, 4. sem, 2+1

ELEKTRONICKÉ SOUČÁSTKY
6. Optoelektronické součástky
(Detektory a generátory záření)
Prof. Ing. Pavel Bezoušek, CSc
Optoelektronické součástky
Přehled elektromagnetického vlnění
 [m] 10M
3k
30k
300k
Zvukové kmitočty
1M
100k
10k
Střední v.
Slyšitelný zvuk
3M
30M
300M
Rádiové kmitočty
Dlouhé v.
Infrazvuk
ELF
300
Ultrazvuk
f [Hz] 30
1k
f
Krátké
vlny
100
VKV
10
UKV
1
Poznámky: vlnová délka  = c/f; ELF = Extra Low Frequency
k = 103, M = 106
Přehled elektromagnetického vlnění
f [Hz] 300M
3G
30G
300G
3T
Mikrovlnné kmitočty
Rádiové
kmitoč.
30T
300T
3000T
Optické záření
 [m]
1
0,1
0,01
1mm
0,1mm 10m
1m
Poznámky: M =106 , G = 109, T = 1012,  = 10-6
Viditelné
Blízké
infra
f
Daleké
infra
Submilimetrové
Milimetrové
Decimetrové
UKV
Centimetrové
Infračervené
záření
Ultrafialové
0,1m
Pásmo optických kmitočtů
0,012
 [m] 1mm
300T
Roentgen
záření
Infračervené
1m
1240
3 000T 30 000T
Optické záření
0,1mm 10m
124
f
Ultrafialové
záření
Submilimetrové
Milimetrové
Mikrovlnné
kmitočty
30T
12,4
Viditelné
3T
1,24
Blízké
infračervené
f [Hz] 0,3T
0,124
Daleké
infračervené
hf [eV] 0,001
0,1m
10nm
1nm
Pozn.: T = 1012,  = 10-6, n = 10-9, h = 6,63.10-34 Js, 1eV = 1,6.10-19 J
Vlnově - korpuskulární dualismus
• Na elektromagnetické záření pohlížíme jako na spojitou
vlnu a současně jako na proud částic – fotonů
• Fotony mají energii rovnou E = h.f = h.c/, kde h =
6,63.10-34 Js je Planckova konstanta
• Interakce elektromagnetického záření s látkou probíhá
zásadně prostřednictvím interakce jednotlivých fotonů
s částicemi látky
• Na kmitočtech, kde E = h.f  k.T/2 (kde k = 1,38.10-23
J/K je Boltzmannova konstanta, T je absolutní teplota)
nelze rozeznat jednotlivé interakce mezi tepelnými
fluktuacemi – záření se jeví spíše jako spojité vlnění
• Této meze: kT/2 = 2,06.10-21 J = 0,012 eV se dosahuje
právě na dolním okraji optického pásma kmitočtů
Interakce fotonu s látkou
Foton optického záření interaguje v látce zejména s
elektrony ve vyšších hladinách – ve valenční zóně, ve
vodivostní zóně a na hladinách v zakázaném pásu.
Typy interakcí:
E
E
E
hf = DE
hf = DE
hf = DE
hf
DE=hf
Pohlcení fotonu
DE
Spontánní emise
fotonu
DE
hf = DE
Stimulovaná
emise fotonu
Při všech reakcích musí být zachována energie a hybnost.
(energie fotonu E = hf = hc/, hybnost fotonu p = h/= E/c)
Fotoefekty
Jevy, související s absorpcí fotonů.
Absorpce záření látkou
(přeměna v teplo)
E
Foton hf
Fonon
kT
Vnitřní fotoefekt
(změna vodivosti)
E Foton hf
Vodivostní zóna
Eg Zakáz. pás
Valenční zóna
Pohlcení fotonu na
elektronu ve vodivostní
zóně a zpětný přechod
elektronu doprovázený
vyzářením fononu
NEJČASTĚJŠÍ PŘÍPAD
Vnější fotoefekt (emise
elektronů z polovodiče)
E
Foton
hf
Vodiv. zóna
Zakázaný
pás
Valenční zóna
Pohlcení fotonu ve
Pohlcení fotonu na
valenční zóně a uvolnění
elektronu ve valenční
elektronu do vodivostní zóně a jeho uvolnění do
zóny (hf  Eg
volného prostoru
(hf  We )
ŔÍDKÝ PŘÍPAD
(1,0 – 2 %)
VÝJMEČNÝ PŘÍPAD
Polovodičové detektory záření
Polovodičové součástky, založené na vnitřním fotoefektu
1) Fotoodpor – polovodič, jehož vodivost je ovlivňována
počtem uvolněných párů elektron – díra.
2) Fotodioda – odporový režim (dioda PIN): Dioda je
předepnuta do závěrného směru.
– lavinová fotodioda (APD): Dioda je předepnuta
do závěru, těsně před lavinový průraz.
– hradlový režim (fotočlánek): dioda je bez
vnějšího předpětí. Generuje napětí a proud.
3) Fototranzistor – proud báze je řízen fotony dopadajícího záření.
4) Fototyristor – sepnutí tyristoru je vyvoláno proudem hradla v
důsledku dopadajícího záření.
Polovodičové detektory záření
Fotoodpor – struktury
Tenká vrstva vlastního polovodiče nanesená na keramickou
podložku opatřená dvěma kontakty.
Struktury:
U
S podélným elektrickým
polem
2 m
2 m
S příčným elektrickým
polem
U
keramika
polovodičová
vrstva
keramika
polovodičová
vrstva
Vodivost fotoodporu v nepřítomnosti záření je nízká. Dopadne-li na
součástku záření o vlnové délce, kratší než kritická, vodivost fotoodporu
výrazně vzroste.
Polovodičové detektory záření
Fotoodpor – princip
σ fo  e n n μ n  n p μ p 
n n  n i  n nf ,
n p  n i  n pf
Fotoefekt:
dn
gn, p
dt
 N f αβ n, p
Kde:
… měrná vodivost polovodiče
… hustoty elektronů a děr nn,p mají složku ni,
generovanou teplem a složky nnf,pf, generované
fotony
Rekombinace:
dn
rn, p
dt

n n, p
τ n, p
V rovnováze platí:
dn
gn, p

dt
dn
rn, p
dt
 n n, p  N f αβ n, p τ n, p
Nf je hustota dopadajících fotonů
 je pohltivost fotonů polovodičem m-1
n,p je kvantová výtěžnost fotoefektu.
Potom:
σ fo  en i T μ n  μ p   eN f α τ n β n μ n  τ p β p μ p   σ 0 T   σ f  N f , λ 
Polovodičové detektory záření
Fotoodpor – princip
G fo 
wd
l
σ fo 
wd
l
σ 0  σ f   G 0  T   G f  N f , λ 
… vodivost fotoodporu
Skládá se ze složky G0, která závisí na teplotě T a ze složky Gf, závisející
na hustotě dopadajících fotonů Nf a na vlnové délce záření  (resp. na
spektru záření)
w, l … jsou šířka a délka odporové vrstvy mezi kontakty
d … je tloušťka polovodičové vrstvy
Přitom 0 musí být velmi nízké, d musí být velmi nízké. Pro dostatečnou
vodivost Gfo je nutno aby šířka w byla velká a délka l velmi krátká 
vysoká kapacita Cfo fotoodporu.
Rychlost změny vodivosti fotoodporu je tedy limitována:
a) dobou života nosičů (e ~ 0,1 – 10 s)
b) časovou konstantou Cfo/Gfo
 G fo
t

1 n e
n e t
Gf 
Gf
τe
Polovodičové detektory záření
Fotoodpor – vlastnosti, použití
VLASTNOSTI:
• jednoduchá a levná
součástka (amorfní polovodič)
• lze zhotovit pro všechna
optická vlnová pásma
• dobrá citlivost
• odpor závisí na teplotě
• při malé intenzitě ozáření má
fotoodpor vysokou impedanci
• pomalá reakce odporu na
změnu ozáření
POUŽITÍ:
• jednoduché měření intenzity
ozáření – vhodná kompenzace
teplotní závislosti G0
• nutné stálé spektrum
dopadajícího záření
• nelze použít pro optické
komunikace v důsledku pomalé
reakce na změny ozáření
Polovodičové detektory záření
Fotoodpor – kompenzace tepelné závislosti
Můstkové zapojení senzoru
záření s fotoodporem
Fotoodpor
exponovaný
zářením
Fotoodpor
zastíněný
U
Gfo1
Gfo2
1
G1
G2=G1
U2
Polovodičové detektory záření
Fotodioda – princip a režimy činnosti
Lavinový
režim
• V polovodiči se
generují páry elektrondíra
• Ty, které jsou v
dosahu vyčerpané
oblasti přechodu
disociují (driftují pod
vlivem pole na opačné
trany) a vytvoří proud If
Proud bez záření:


 eU 
I 1  I 0  exp 
  1
 kT 


Proud se zářením:


 eU 
I 2  I 0  exp 
  1  I f
 kT 


I0+If
• Na diodu dopadá
optické záření   krit.
I0
I
U
Odporový
režim
Hradlový
režim
Fotodioda PIN
Odporový režim činnosti
Struktura diody PIN:
Popis funkce:
Vlastní
polovodič
P
N
II
w
j f  eN f αβ.w
..hustota fotoproudu
• Nezávisí na době života nosičů
na rozdíl od fotoodporu!
• Kapacita diody je velmi malá
• Oblast I je zcela vyprázdněná. Bez
záření protéká diodou malý zbytkový
proud I0
• Doba reakce tr je omezena
dobou průchodu nosiče přes
vrstvu I:
• Fotony záření zde po dopadu
generují páry elektron-díra
tr = w/vmax  100 m/3 000 m/s =
• Pod vlivem el. pole se díry pohybují k
P a elektrony k N
• Tak vzniká fotoproud If
3,3 ns
• Mezní kmitočty 10 – 100 MHz
Fotodioda PIN
Vlastnosti, aplikace
Vlastnosti:
Aplikace:
• Proud za tmy I0 ~ 10-8 A pro 
= 0,9 m závisí silně na teplotě.
• Přijímače v optických
komunikacích.
• Citlivost nižší, než fotoodpory
( 0,6 A/W) kvůli menším
rozměrům.
• Detektory záření s krátkou
reakční dobou.
• Kapacita diody 1 až 2 pF.
Schématická značka:
• Mezní kmitočty až stovky
MHz.
• Poměrně nízká úroveň šumu.
• Vhodné pro některé
komunikační účely
Lavinová fotodioda (APD)
Struktura, funkce
Funkce:
Struktura P+IPN+:
• Bez záření diodou prochází
pouze malý zbytkový proud I0.
Vlastní
polovodič
+
P
P N+
II
E
• Po dopadu záření se zejména
ve vyprázdněné vrstvě I
generují dvojice elektron-díra.
Ihned se oddělují a vysokým el.
polem E0 jsou z oblasti I
vytaženy.
EC
E0
x
Předpětí diody v blízkosti
průrazného napětí UB
• Elektrony vstupují do PN
přechodu s vysokým polem a
generují lavinový průraz. Počet
elektronů se mnohonásobně
zvýší (až 100x)
Lavinová fotodioda
Vlastnosti, aplikace
Vlastnosti:
• Vysoká citlivost až 50 A/W
• Mezní kmitočet až 1 GHz
• Vyšší šum než PIN diody
• Potřeba vysokého
napájecího napětí (20 až 100
V)
• Závislost zesílení na teplotě
• Materiál: InP pro ~1,6 m
• Kapalná epitaxe (vrstvy
narůstají – krystalizují z
kapalné fáze)
Aplikace:
• Především pro širokopásmové
optické komunikace v pásmech
1 – 10 m .
Hradlová fotodioda
Funkce
Zatěžovací
charakteristika
el. zdroje:
Charakteristika
fotodiody:
I
U
U
I
Světelný
tok W/m2
1 2
3 4
Hradlová fotodioda
Fotočlánek – vlastnosti, použití
Vlastnosti:
• Vysoká kapacita přechodu Cj
• Dlouhá reakční doba  ms
• Nepotřebuje napájení – sám je
zdrojem napětí a proudu
• Účinnost na viditelné záření:
– monokrystal. Si: 18%
– polykrystal Si: 10%
– amorfní Si: 7%
Použití:
• Jako sluneční článek je
zejména zdrojem energie
pro satelitní elektroniku,
případně v nepřístupných
oblastech
• Jako dioda pro měření
intenzity světla – pomalá
reakce
Fototranzistor
Funkce, použití
Funkce:
• Bipolární tranzistor s
nevyvedenou bází
• Záření dopadá na
vyprázdněnou oblast přechodu
báze – kolektor.
• Generované nosiče otevírají
přechod báze – emitor
• Vzniklý bázový proud je
tranzistorem zesílen
• Mezní kmitočty až do stovek
MHz
Použití:
• Zejména ve funkci
optočlenu v kombinaci s
LED.
Schématická značka:
Fototyristor
Funkce, použití
Funkce:
• Tyristor s nevyvedeným
hradlem
• Záření dopadá na
vyprázdněnou oblast přechodu
J2, polarizovaného v závěrném
směru
• Generované nosiče otevírají
přechod hradlo – katoda
• Další vývoj je shodný s
procesem u běžného tyristoru
Použití:
• Zejména pro galvanické
oddělení ovládací
elektroniky a výkonné
části.
Polovodičové generátory záření
Polovodičové součástky, založené na emisi záření
při rekombinaci elektronů a děr
E
Nejčastější typy rekombinací:
Eg
teplo
hf = Eg
hf  Eg
teplo
Přímá nezářivá
rekombinace
(nejčastější
případ)
Přímá zářivá
rekombinace
kvantová
účinnost do
30%
Nepřímá zářivá
rekombinace
kvantová
účinnost do
několika %
Polovodičové generátory záření
Svítivka – LED (Light Emitting Diode)
Polovodičová dioda, předepnutá do propustného
směru a vyzařující nekoherentní optické záření
Struktura:
25100
mm
Mezivrstva GaAsP
Typ N
300
m
20
m
GaAsP
typ P
Substrát GaAs
Typ N
GaAsP
Typ N
Schématická
značka:
Svítivky – LED
Funkce
VA charakteristika LED:
• Přechod je polarizován v
propustném směru – teče velký
proud.
I [mA]
• Elektrony přecházejí z GaAsP
typu N do GaAsP typu P, kde
rekombinují
• Část rekombinací je zářivá
(kvantová účinnost 8% až 30%)
• Jednotlivé fotony jsou
navzájem nekoherentní a
unikají do okolí přes tenkou
vrstvu GaAsP typu P
GaAs
50
SiC
25
-4
1
-25
-50
2
U [V]
Svítivky – LED
Vlastnosti, aplikace
Vlastnosti:
• Rychlost reakce omezena
dobou života   1 – 10 s
• Vlnová délka záření závisí na
materiálu a jeho dotacích, např.:
– GaAs: Eg = 1,43 eV, přímý
přechod  = 0,9 m,  ~ 25%
– GaP: Eg = 2,24 eV, nepřímý
přechod  = 0,69 m,  ~ 6%
(červená)
– GaP/Cd: nepřímý,  = 0,56 m
(zelená)
– SiC:   0,5 m (modrá)
Aplikace:
• Signalizace
• Optrony
• Úzkopásmové optické
komunikace
Problémy:
• Bílá barva
• Vícebarevné LED
• Stárnutí – difuze
poruch a příměsí
Polovodičový laser
(Light Amplification by Stimulated
Emmision of Radiation)
Polovodičová dioda, předepnutá do propustného
směru, vyzařující koherentní optické záření
~ 1 m
Heteropřechod 1
P+
P
N nebo P
GaAs
AlGaAs
GaAs
N
AlGaAs
~ 100 m
Zrcadlo
N+
hf
Aktivní oblast
Heteropřechod 2
GaAs
Polopropustné
zrcadlo
Polovodičový laser
se dvěma heteropřechody
Struktura:
P+
P
N nebo P
GaAs
AlGaAs
GaAs
N
AlGaAs
N+
GaAs
Oba heteropřechody GaAs AlGaAs mají dvojí funkci:
– udržují elektrony a díry v
úzké vrstvě GaAs ( 1m) ve
vysoké koncentrci
– díky odlišným optickým
vlastnostem (než GaAs)
odrážejí fotony dovnitř této
vrstvy – udržují vysokou
koncentraci fotonů
Popis funkce:
• Diodou protéká proud o vysoké
hustotě až 100MA/m2
• Aktivní oblast GaAs mezi dvěmi
vrstvami AlGaAs je vyplněna plazmou z
elektronů a děr, které zářivě
rekombinují.
• Stěny po stranách kvádru diody tvoří
zrcadla, odrážející fotony dovnitř. Pravé
zrcadlo je polopropustné (propouští asi
5% dopadajícího záření)
• V aktivní oblasti je vysoká
koncentrace elektronů a děr i vysoká
koncentrace fotonů
• Dochází k synchronizovaným
přechodům elektronů což vede ke
koherentnímu záření
Polovodičový laser
Vlastnosti, použití
Vlastnosti:
P[W]
2
• Optické komunikace do
několika Gb/s
Prahový
proud
4
2
Použití:
• Měření vzdálenosti, zaměřování,
značkování, ukazovátko
4
6
8 I[A]
• Dokud se nedosáhne
prahového proudu, dioda
vydává pouze slabé
spontánní záření.
• Potom se záření stane
koherentním a výstupní
výkon postupně roste.
• Obrábění, dělení materiálu,
nastavování odporů v hybridní
inegraci
• Operace očí, mozku
• Projekce obrazů, světelné
efekty
Optický vazební člen
Tranzistorový optočlen – funkce, použití
Použití:
Uspořádání, funkce:
I1
I2
Pro Galvanické oddělení obvodů
• Oddělení VN obvodů při regulaci
• Odstranění rušení
Společné
pouzdro
Dioda LED na vstupní straně
optočlenu vyzařuje
infračervené záření, které
zachycuje fototranzistor,
umístěný ve stejném
pouzdře.
• Oddělení dálkových spojů
Parametry:
• Proudový přenos I2/I1
• Linearita
• Oddělovací napětí (Umax  5 kV)
• Mezní kmitočet