Элементы теории, необходимые для понимания, принципа действия оптоэлектронных приборов.

Действие фотоприёмников основано на внутреннем фотоэффекте, который заключается в образовании избыточных свободных зарядов в полупроводнике при его освещении, и если этот процесс сопровождается уменьшением сопротивления полупроводника, это так называемый фоторезистивный эффект.

В качестве фотоизлучателей рассматриваются электролюминесцентные инжекционные источники света.

Исследование оптоэлектронных приборов

Образование избыточных свободных зарядов в полупроводнике возможно под воздействием внешней энергии или световой, или электрической. Появление избыточных свободных зарядов в

полупроводнике сопровождается их частичной рекомбинацией. При рекомбинации избыточных электронно-дырочных пар выделяется энергия, равная ширине запрещенной зоны Е_З. Эта энергия может выделяться в виде тепла (безизлучательная рекомбинация) или в виде кванта света (излучательная рекомбинация). Электролюминесценция - излучение, возникающее при излучательной рекомбинации избыточных носителей, созданных электрическим полем (или током).

Электролюминесценция эффективна в сложных полупроводниках (арсенид и фосфид галлия и т.д.). В простейших полупроводниках (германий, кремний) она практически не проявляется.

Основной характеристикой оптоэлектронных приборов является спектральная характеристика: для излучателя - это зависимость интенсивности излучения от длины волны излучаемого света; для фотоприемника - зависимость фотоэффекта от длины волны падающего света. При выборе элементов для оптопары обязательным требованием является согласование их спектральных характеристик.

Светодиоды

В качестве источников света широко используются электролюминесцентные приборы – светодиоды , основу которых составляет светоизлучающий р-n - переход, свечение которого вызвано рекомбинацией носителей заряда в прилегающих к р-n - переходу областях при смещении перехода в прямом направлении (такой процесс происходит в полупроводниках с узкой запрещенной зоной Е_З).

Светодиоды - это инжекционные приборы, которые управляются током, т.е. нужно создать определенный ток через светодиод, чтобы получить достаточную яркость излучения.

а) б)

Рисунок 28. Характеристики светодиода:

а ) люкс – амперная (ЛАХ); б) вольтамперная (ВАХ).

Для получения достаточной интенсивности излучения, зависящей от плотности тока на единицу площади полупроводниковой структуры, ток через переход должен быть порядка 5÷100 мА, что требует значительных затрат мощности на питание светодиодов. При малых токах (1÷2 мА) пропорциональность между силой тока и световым потоком нарушается.

Основная характеристика светодиода: люкс - амперная ЛАХ (рис.28,а) - зависимость яркости свечения В от силы тока I при постоянном прямом анодном напряжении U_а: В = f (I _а) / U_а=const она не линейна на начальном участке, при токе 1÷2 мА, и имеет протяженный линейный участок, в пределах которого яркость изменяется в 10÷100 раз

Исследование оптоэлектронных приборов

Рисунок 29. Линейная схема замещения светодиода.

Как всякий электронный прибор светодиод имеет вольт - амперную характеристику (ВАХ) (рис.28,6) - зависимость прямого тока через светодиод I _а (I _ПР) от приложенного к нему прямого напряжения U_а (U_ПР): I_а = f (U_а).

Дифференциальное сопротивление светодиода на линейном участке ВАХ достаточно мало r__Д = Л ∆U_а /∆I_а ≤ 1 Ом при статическом сопротивлении r _{_СТ} = U_{а /} I _а ≥ 10÷100 Ом, поэтому его можно заменить линейной эквивалентной схемой (рис.29).

На эквивалентной схеме светодиода (рис.29) сопротивление r характеризует омическое сопротивление полупроводника и контактов; r__Д - дифференциальное сопротивление р-n - перехода, смещённого в прямом направлении. Сопротивление r__Д определяется как тангенс угла наклона ВАХ:

r__Д = ∆ U_а / ∆ I_а, где ∆ U_а, ∆ I _а - приращения напряжения U_а и тока I_а соответственно;

с_{_д} - емкость р-n перехода. Емкость с_{_д} отражает инерционность диода; время нарастания и спада импульса прямого тока составляет от десятков до сотен нс. Условное обозначение светодиода показано в [1] на рисунке 1.120 и в [3] (на рис.3.1 элементы V1 – V3).

В следующих разделах приведены принцип действия, параметры и характеристики фотоприёмников (приборов, чувствительных к свету), действие которых основано на внутреннем фотоэффекте.