1.6.1 Исследование оптоэлектронных приборов.
Цель работы:
Ознакомится с принципом действия фотодиода, измерить падение напряжения на нём в зависимости от освещённости.
Ознакомится с принципом действия фоторезистора, исследовать зависимость его сопротивления от освещённости.
Ознакомится с принципом действия оптопары, исследовать зависимость падения напряжения на ней в зависимости от освещённости.
Теоретическая часть
Фотодиод - это полупроводниковый прибор, в котором используется эффект разделения на границе электронно-дырочного перехода созданных светом неравновесных носителей. Поэтому такой фотодиод будет работать как источник тока (батарея, аккумулятор). Схематически фотодиод выполняется обычно на монокристалле германия или кремния, в котором создается p-n-переход. Освещенная область (на рис.1 - это n-область) обычно слабо легирована и поэтому имеет большое время жизни неравновесных носителей заряда (дырок) t и, следовательно, большую диффузионную длину L. Если ширина n-области фотодиода (w) много меньше диффузионной длины дырок (w << L) в этой области, то большая часть носителей (дырок), созданных светом, на успевает рекомбинировать и дойдет до границы p-n-перехода. Эти качества являются обязательными для фотодиода.
Рис.1. Схематическое изображение фотодиода и схема его включения.
Физические основы работы фотодиода
Рассмотрим вначале фотодиод в отсутствии освещения. Это будет обычный полупроводниковый диод, работа которого подробно описана в лабораторной работе "Исследование планарных полупроводниковых диодов". Напомним качественно, как образуется потенциальный барьер на p-n-переходе при контакте двух полупроводников с разными типами проводимости. На рис.2 показана зонная энергетическая диаграмма двух разных полупроводников, которые только что были приведены в контакт. Концентрация свободных электронов - n и дырок - p определяются энергетическими расстояниями от уровня Ферми до соответствующей зоны.
(1), где Nc и Nv - эффективная плотность
состояний в зоне проводимости и в
валентной зоне, Т - температура, k -
постоянная Больцмана.
Рис.2. Зонная диаграмма двух полупроводников р- и n-типов в момент контакта.
Например, чем ближе лежит уровень Ферми к дну зоны проводимости, тем больше будет концентрация электронов в зоне проводимости, тем меньше концентрация дырок в этом полупроводнике. В донорном полупроводнике основными носителями будут электроны, а неосновными - дырки, (n1 >> p1). В акцепторном полупроводнике основными носителями будут дырки, а неосновными - электроны (p2 >> n2). Однако, положение на Рис.2 является неравновесным.
Так как n1>>n2, то начинается диффузия электронов из полупроводника n-типа (на рис.2- слева) в полупроводник p-типа (справа) и дырок в обратном направлении( т.к. p2 >> p1). Обозначим соответствующие диффузионные потоки электронов и дырок как InD и IpD. В результате вблизи границы раздела двух полупроводников произойдет разделение зарядов и возникнут объемные заряды Q1 и Q2 - Рис.3а. Положительный заряд Q1 образован некомпенсированными (за счет ухода электронов) донорами и пришедшими сюда свободными дырками. Отрицательный заряд Q2 образован некомпенсированными акцепторами (за счет ухода части дырок) и пришедшими сюда электронами. Объемный заряд создает электрическое поле (Рис.3б). По мере разделения зарядов электрическое поле растет, под действием этого поля возникают обратные дрейфовые (противоположные диффузионным) потоки носителей заряда: поток электронов, InE, справа налево и поток дырок, IpE, слева направо (Рис.3б).
Рис.3а. Образование вблизи границы раздела двух полупроводников объемных зарядов Q1 и Q2.
Рис.3б. Электрическое поле Е, созданное этими объемными зарядами. E=dj /dx
Рис.3в. Изменение потенциала вблизи границы j (x)
Когда эти потоки станут равными диффузионным потокам, разделение зарядов прекратится и наступит динамическое равновесие.
InE + IpE = InD + IpD (2)
Наличие электрического поля Е (рис.3б) приведет к тому, что ход потенциального потенциала будет иметь вид (рис.3в). Наклон этого графика равен напряженности поля. Дно зоны проводимости
Еc(х) и потолок валентной зоны Еv(х) будут повторять ход потенциала j (х) (рис.4). В состоянии равновесия уровень Ферми F должен быть один и тотже во всей системе. Это значит, что сдвиг Еc и Еv друг относительно другу будет равен F1-F2 (рис.1). Высота потенциального барьера ,образованного на границе двух полупроводников будет, таким образом:
j o=Еc1-Еc2=Еv1-Еv2=F1-F2
Область объемного заряда шириной L - это ширина образовавшегося p-n-перехода. Используя формулы (1), получим что в точках А и В внутри p-n-перехода концентрации основных носителей заряда будут значительно меньше чем, концентрации основных носителей заряда в p- и n- областях полупроводника. Проводимость полупроводника определяется концентрацией его основных носителей, поэтому проводимость в области p-n-перехода будет значительно меньше чем в p- и n- областях полупроводника. Тогда все внешнее приложенное к полупроводнику напряжение будет падать в основном на p-n-переходе.
Рис.4. Зонная диаграмма контакта полупроводников
p- и n- типов в равновесии.
Отметим, что если фотодиод в отсутствии освещения закоротить накоротко, то во внешней цепи ток не потечет, так как заряды разделенные за счет диффузии, не уйдут далеко от границы раздела - образованное этими зарядами поле остановит их, а ширина области разбегания зарядов равна L (рис.3а, рис.4).
Посмотрим теперь, что получается, если фотодиод (p-n-переход) освещать, например. со стороны n-области, как показано на рис.1. Свет будет проникать в n-область и выбивать электроны из валентной зоны в зону проводимости, т.е. генерировать электронно-дырочные пары. В результате в n-области появятся дополнительное количество дырок Dp в валентной зоне и такое же количество электронов Dn в зоне проводимости. Но это будут неравновесные носители заряда. При этом концентрация неосновных носителей заряда (дырок) значительно возрастает, Dp >> p1, а концентрация основных носителей (электронов) практически остается неизменной Dn<<n1 так как основных носителей в примесном полупроводнике всегда очень много. Таким образом, основную роль в работе фотодиода будут играть появляющиеся при освещении дырки в валентной зоне полупроводника n-типа (рис.5). Эти дополнительные дырки будут диффундировать в сторону p-n-перехода. Важную роль будет играть диффузионная длина пробега дырок, Lp. Эта длина, по прохождении которой дырка рекомбинирует с электроном из зоны проводимости. Поэтому, чтобы все образованные светом дырки дошли до p-n-перехода, а не исчезли из-за рекомбинации, толщина n-области должна быть много меньше диффузионной длины (Wn << Lp). Для этого n-область фотодиода делается очень тонкой, а степень легирования n-области - малой, т.к. с уменьшением концентрации доноров уменьшается концентрация электронов в зоне проводимости, что уменьшает скорость рекомбинации (уменьшается вероятность встречи дырки и электрона). Таким образом, дырки, образованные светом, диффундируют в сторону p-n-перехода и под действием электрического поля в p-n-переходе (рис.3б) выбрасываются в p-область (рис.5).
Рис.5. Протекание диффузионного дырочного тока Iф через p-n-переход при освещении фотодиода.
Итак, сделаем важный вывод: электрическое поле в p-n-переходе разделяет избыточные свободные носители заряда, дырки Dp уходят в правую (p-область), а электроны Dn остаются слева, где они образовались, т.к. они не могут преодолеть потенциальный барьер p-n-перехода и отбрасываются электрическим полем обратно. Такое же разделение зарядов происходит в источниках тока, но там разделение положительных и отрицательных зарядов и образование ЭДС происходит за счет химических сил. Причем, когда происходит разделение основных носителей заряда при контакте двух полупроводников, образующееся электрическое поле p-n-перехода не дает возможности разделенным носителям заряда уйти за пределы диода, эти носители концентрируются вблизи границы раздела (рис.3а). Когда же происходит разделение неосновных носителей, созданных светом в валентной зоне, и основных носителей, созданных в зоне проводимости, то эти носители под действием поля p-n-перехода наоборот уходят в сторону от p-n-перехода. Дырки, Dp, стремятся уйти из фотодиода вправо, а электроны, Dn, влево. Так образуется ЭДС фотодиода при освещении.
Пусть внешня цепь фотодиода разомкнута. Тогда неравновесные, созданные светом носители заряда, разделенные электрическим полем p-n-перехода, не могут покидать фотодиод. Тогда справа от p-n-перехода будет накапливаться положительный заряд дырок, а слева в зоне проводимости остаются нескомпенсированные избыточные электроны. Возникает некоторая избыточная разность потенциалов D f или фотоЭДС, (рис.5б), и электрическое поле, направленное противоположно имеющемуся полю в области p-n-перехода, которое компенсирует (понижает) частично потенциальный барьер p-n-перехода.
Рис.6. Зонные энергетические диаграммы, поясняющие работу фотодиода при освещении:
а)режим короткого замыкания,
б) разомкнутая цепь,
в) фотодиод, замкнутый на внешнее сопротивление.
Явление возникновения ЭДС между двумя разнородными веществами или при наличии p-n-перехода в полупроводнике под действием электромагнитного излучения называется фотогальваническим эффектом. Фотодиоды, которые используются для получения ЭДС или тока во внешней цепи, называются фотоэлементами. Концентрация образованных светом избыточных носителей заряда, а следовательно, и величина фотоЭДС D f зависят от интенсивности падающего света и от параметров самого фотодиода. С возрастанием интенсивности света фотоЭДС увеличивается , но не может стать выше контактной разности потенциалов j K т.е. высоты потенциального барьера p-n-перехода (рис.6б), т.к. иначе барьер полностью исчезнет и прекратится разделение заряда электрическим полем p-n-перехода.
Если освещенный p-n-переход включить в замкнутую цепь (рис.6а), то по ней потечет ток, направленный от p- к n-области и приводящий к уничтожению избыточной концентрации электронов и дырок. Если сопротивление внешней равно нулю (фотодиод замкнут накоротко), то избыточные, разделенные переходом носители заряда будут иметь возможность циркулировать через эту короткозамкнутую цепь, создавая максимально возможное значение тока короткого замыкания(рис.6а). При этом никакого скопления образованных под действием света зарядов в p- и n-областях не возникает, все эти заряды стекают во внешнюю цепь, поэтому потенциальный барьер будет иметь ту же самую высоту, что и в темноте (фотоЭДС =нулю) (рис.6а). Точно также, если батарею или аккумулятор закоротить, то через внешнюю цепь потечет максимально возможный ток короткого замыкания, а напряжение на клеммах батареи станет равным нулю. Если во внешней цепи стоит сопротивление R, (рис.6в), то в цепи потечет ток Iф и на сопротивлении возникнет напряжение UR = Iф*R. На такую величину
D f =Iф*R (3)
уменьшится высота потенциального барьера, т.к. разделенные избыточные заряды создают как падение напряжения на p-n-переходе, так и напряжение на выводах фотодиода. На такую же величину опустится уровень Ферми в p-области по сравнению с уровнем Ферми в n-области.
Фоторезистор (от фото... и резистор), представляет собой непроволочный полупроводниковый резистор , омическое сопротивление которого определяется степенью освещенности . В основе принципа действия фоторезисторов лежит явление фотопроводимости полупроводников. Фотопроводимость- увеличение электрической проводимости полупроводника под действием света. Причина фотопроводимости — увеличение концентрации носителей заряда — электронов в зоне проводимости и дырок в валентной зоне. Светочувствительный слой полупроводникового материала в таких сопротивлениях помещен между двумя токопроводящими электродами. Под воздействием светового потока электрическое сопротивление слоя меняется в несколько раз ( у некоторых типов фотосопротивлений оно уменьшается на два- три порядка ). В зависимости от применяемого слоя полупроводникового материала фотосопротивления подразделяются на сернистосвинцовые, сернистокадмиевые, сернисто-висмутовые и поликристаллические селено- кадмиевые. Фотосопротивления обладают высокой чувствительностью, стабильностью, экономичны и надежны в эксплуатации. В целом ряде случаев они с успехом заменяют вакуумные и газонаполненные фотоэлементы.
Основные характеристики фотосопротивлений.
Рабочая площадь.
Темновое сопротивление (сопротивление в полной темноте), варьирует в обычных приборах от 1000 до 100000000 ом.
Удельная чувствительность
где:
-фототок, равный разности токов в темноте и на свету;
Ф - световой поток;
U - приложенное напряжение.
Предельное рабочее напряжение ( как правило от 1 до 1000 в ).
Среднее относительное изменение сопротивления, % -
обычно лежит в пределах 10 - 99,9 %,
, где :
6. Средняя кратность изменения сопротивления ( как правило от 1 до 1000 ). Определяется соотношением :
Применение: устройства воспроизведения звука, системы слежения, различные устройства автоматики.
При определенном освещении сопротивление фотоэлемента уменьшается, а, следовательно, сила тока в цепи возрастает, достигая значения, достаточного для работы какого-либо устройства.
Оптронами называют такие оптоэлектронные приборы, в которых имеются источник и приемник излучения (светоизлучатель и фотоприемник) с тем или иным видом оптической и электрической связи между ними, конструктивно связанные друг с другом.
Принцип действия оптронов любого вида основан на следующем. В излучателе энергия электрического сигнала преобразуется в световую, в фотоприемнике, наоборот, световой сигнал вызывает электрический отклик.
Практически распространение получили лишь оптроны, у которых имеется прямая оптическая связь от излучателя к фотоприемнику и, как правило, исключены все виды электрической связи между этими элементами.
По степени сложности структурной схемы среди изделий оптронной техники выделяют две группы приборов. Оптопара (говорят также "элементарный оптрон") представляет собой оптоэлектронный полупроводниковый прибор, состоящий из излучающего и фотоприемного элементов, между которыми имеется оптическая связь, обеспечивающая электрическую изоляцию между входом и выходом. Оптоэлектронная интегральная микросхема представляет собой микросхему, состоящую из одной или нескольких оптопар и электрически соединенных с ними одного или нескольких согласующих или усилительных устройств.
Таким образом, в электронной цепи такой прибор выполняет функцию элемента связи, в котором в то же время осуществлена электрическая (гальваническая) развязка входа и выхода.