ELEKTRONICKÉ SOUČÁSTKY

6. Optoelektronické součástky (Detektory a generátory záření)

Prof. Ing. Pavel Bezoušek, CSc

Optoelektronické součástkyPřehled elektromagnetického vlnění

f [Hz]

[m]

30 300 3k 30k 300k 3M 30M 300M

10M 1M 100k 10k 1k 10 1

Zvukové kmitočty

Ult

razv

uk

Rádiové kmitočty

Krátké vlny VKV UKV

ELF

f

Poznámky: vlnová délka = c/f; ELF = Extra Low Frequency

k = 103, M = 106

Slyšitelný zvuk

Infr

azvu

k

100

Dlo

uh

é v.

Stř

edn

í v.

Přehled elektromagnetického vlnění

f [Hz]

[m]

300M 3G 30G 300G 3T 30T 300T 3000T

1 0,1 0,01 1mm 10m

Mikrovlnné kmitočty

Dec

imet

rové

Optické záření

Dal

eké

infr

a Ultra- fialovéUKV

f

1m 0,1m

Cen

tim

etro

vé

Mil

imet

rové

Su

b-

mil

imet

rové

0,1mm

Blí

zké

infr

a

Vid

itel

né

Infračervené záření

Rádiové kmitoč.

Poznámky: M =106 , G = 109, T = 1012, = 10-6

Pásmo optických kmitočtů

Pozn.: T = 1012, = 10-6, n = 10-9, h = 6,63.10-34 Js, 1eV = 1,6.10-19 J

f [Hz]

[m]

0,3T 3T 30T 300T 3 000T

0,1mm 10m

Mikrovlnné kmitočty

Optické záření

Dal

eké

infr

ačer

ven

é

Ult

rafi

alo

vé

záře

ní

f

1m 0,1m

Mil

imet

rové

Su

b-

mil

imet

rové

Blí

zké

infr

ačer

ven

é

Vid

itel

né

Infračervené

10nm 1nm

Roentgen záření

hf [eV] 0,001 0,124 1,24 12,40,012 124 1240

1mm

30 000T

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

hf

E=hf

Pohlcení fotonu

hf = E

E

Spontánní emise fotonu

E

Ehf = E

hf = E

hf = E

Stimulovaná emise fotonu

E

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)

Vnitřní fotoefekt (změna vodivosti)

Vnější fotoefekt (emise elektronů z polovodiče)

Pohlcení fotonu na elektronu ve vodivostní zóně a zpětný přechod elektronu doprovázený

vyzářením fononu

NEJČASTĚJŠÍ PŘÍPAD

Foton hf Fonon kT

E

Zakáz. pás

Foton hfE

Eg

Valenční zóna

Vodivostní zóna

Pohlcení fotonu ve valenční zóně a uvolnění elektronu do vodivostní

zóny (hf Eg

ŔÍDKÝ PŘÍPAD (1,0 – 2 %)

Foton hf

E

Valenční zóna

Vodiv. zóna

Zakázaný pás

Pohlcení fotonu na elektronu ve valenční

zóně a jeho uvolnění do volného prostoru

(hf We )

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 zářeníFotoodpor – struktury

Tenká vrstva vlastního polovodiče nanesená na keramickou podložku opatřená dvěma kontakty.

Struktury:S příčným elektrickým

polem

polovodičová vrstva

2 m

keramika

U

S podélným elektrickým polem

polovodičová vrstva

2 m

keramika

U

Vodivost fotoodporu v nepřítomnosti záření je nízká. Dopadne-li na součástku záření o vlnové délce, kratší než kritická, vodivost fotoodporu

výrazně vzroste.

Polovodičové detektory zářeníFotoodpor – princip

pfipnfin

ppnnfo

nnn,nnn

μnμneσ

… měrná vodivost polovodiče

… hustoty elektronů a děr nn,p mají složku ni, generovanou teplem a složky nnf,pf, generované fotony

pn,pn,fpn,prn,pgn,

pn,

pn,prn,pn,f

pgn, ταβNndt

dn

dt

dn

τ

n

dt

dnαβN

dt

dn

Fotoefekt: Rekombinace: V rovnováze platí:

Kde: Nf je hustota dopadajících fotonů

je pohltivost fotonů polovodičem m-1n,p je kvantová výtěžnost fotoefektu.

Potom:

λ,NσTσμβτμβταeNμμTenσ ff0pppnnnfpnifo

Polovodičové detektory zářeníFotoodpor – princip

e

ff

e

e

fo

τ

GG

t

n

n

1

t

G

… 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 kontaktyd … 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

λ,NGTGσσl

wdσ

l

wdG ff0f0fofo

Polovodičové detektory zářeníFotoodpor – 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 zářeníFotoodpor – kompenzace tepelné závislosti

Můstkové zapojení senzoru záření s fotoodporem

Gfo1 Gfo2

G1

G2=G1

U2

U1

Fotoodpor exponovaný

zářením

Fotoodpor zastíněný

Polovodičové detektory zářeníFotodioda – princip a režimy činnosti

• Na diodu dopadá optické záření krit.

• V polovodiči se generují páry elektron-díra

• Ty, které jsou v dosahu vyčerpané oblasti přechodu disociují (driftují pod vlivem pole na opačné trany) a vytvoří proud If Proud bez záření:

f02

01

I1kT

eUexpII

1kT

eUexpII

Proud se zářením:

U

I

I 0 I 0+

I f

Hradlový režim

Odporový režim

Lavinový režim

Fotodioda PINOdporový režim činnosti

Struktura diody PIN:

• Oblast I je zcela vyprázdněná. Bez záření protéká diodou malý zbytkový proud I0

• Fotony záření zde po dopadu generují páry elektron-díra

• Pod vlivem el. pole se díry pohybují k P a elektrony k N

• Tak vzniká fotoproud If

αβ.weNj ff

Popis funkce:

..hustota fotoproudu

• Nezávisí na době života nosičů na rozdíl od fotoodporu!

• Kapacita diody je velmi malá

• Doba reakce tr je omezena dobou průchodu nosiče přes vrstvu I:

tr = w/vmax 100 m/3 000 m/s =

3,3 ns

• Mezní kmitočty 10 – 100 MHz

I

Vlastní polovodič

w

P NI

Fotodioda PINVlastnosti, aplikace

Vlastnosti:

• Proud za tmyI0 ~ 10-8 A pro = 0,9 m závisí silně na teplotě.

• Citlivost nižší, než fotoodpory ( 0,6 A/W) kvůli menším rozměrům.

• Kapacita diody 1 až 2 pF.

• Mezní kmitočty až stovky MHz.

• Poměrně nízká úroveň šumu.

• Vhodné pro některé komunikační účely

Aplikace:

• Přijímače v optických komunikacích.

• Detektory záření s krátkou reakční dobou.

Schématická značka:

Lavinová fotodioda (APD)Struktura, funkce

Struktura P+IPN+: Funkce:

• Bez záření diodou prochází pouze malý zbytkový proud I0.

• 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.

• Elektrony vstupují do PN přechodu s vysokým polem a generují lavinový průraz. Počet elektronů se mnohonásobně zvýší (až 100x) Předpětí diody v blízkosti

průrazného napětí UB

I

Vlastní polovodič

P+ N+I P

E

x

EC

E0

Lavinová fotodioda Vlastnosti, aplikace

Vlastnosti:

Aplikace:

• Především pro širokopásmové optické komunikace v pásmech 1 – 10 m.

• 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)

Hradlová fotodioda Funkce

Charakteristika fotodiody:

U

IU

I

Otočit o 90°

Zatěžovací charakteristika

el. zdroje:

1 2 3 4Světelný tok W/m2

Hradlová fotodioda Fotočlánek – vlastnosti, použití

Vlastnosti: Použití:

• 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%

• 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: Použití:

• 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

• Zejména ve funkci optočlenu v kombinaci s LED.

Schématická značka:

Fototyristor Funkce, použití

Funkce:

Použití:

• 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

• Zejména pro galvanické oddělení ovládací elektroniky a výkonné části.

Polovodičové generátory zářeníPolovodičové součástky, založené na emisi záření

při rekombinaci elektronů a děr

Nejčastější typy rekombinací:

Přímá nezářivá rekombinace (nejčastější

případ)

teplo

hf = Eg

Přímá zářivá rekombinace

kvantová účinnost do

30%

hf EgEg

teplo

Nepřímá zářivá rekombinace

kvantová účinnost do několika %

E

Polovodičové generátory zářeníSvítivka – LED (Light Emitting Diode)

Polovodičová dioda, předepnutá do propustného směru a vyzařující nekoherentní optické záření

Struktura:

Substrát GaAs

Mezivrstva GaAsP

GaAsP

GaAsP typ P

Typ N

Typ N

Typ N

20

m

25

m10

0 m

300

m

Schématická značka:

Svítivky – LEDFunkce

• Přechod je polarizován v propustném směru – teče velký proud.

• 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

VA charakteristika LED:

U [V]

I [mA]

1 2-4

25

50

-50

-25

GaAs

SiC

Svítivky – LEDVlastnosti, aplikace

• 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:Vlastnosti:

• 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

N nebo P GaAs

N AlGaAs

N+ GaAs

P+ GaAsP AlGaAs

~ 100 m

~ 1

m

hf

Heteropřechod 1

Heteropřechod 2

Aktivní oblast

Polopropustné zrcadlo

Zrcadlo

Polovodičový laserse dvěma heteropřechody

N nebo P GaAs

N AlGaAs

N+ GaAs

P+ GaAsP

AlGaAs

• 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

Struktura: Popis funkce:

Oba heteropřechody GaAs - AlGaAs mají dvojí funkci:

– udržují elektrony a díry v úzké vrstvě GaAs ( 1m) ve vysoké koncentrci– díky odlišným optickým vlastnostem (než GaAs) odrážejí fotony dovnitř této vrstvy – udržují vysokou koncentraci fotonů

Polovodičový laserVlastnosti, použití

• Optické komunikace do několika Gb/s

• Měření vzdálenosti, zaměřování, značkování, ukazovátko

• Obrábění, dělení materiálu, nastavování odporů v hybridní inegraci

• Operace očí, mozku

• Projekce obrazů, světelné efekty

Použití:Vlastnosti:

2 4 6 8 I[A]

4

2

P[W]

Pra

hový

pr

oud

• Dokud se nedosáhne prahového proudu, dioda vydává pouze slabé spontánní záření.

• Potom se záření stane koherentním a výstupní výkon postupně roste.

Optický vazební členTranzistorový optočlen – funkce, použití

Pro Galvanické oddělení obvodů

• Oddělení VN obvodů při regulaci

• Odstranění rušení

• Oddělení dálkových spojů

Použití:

Dioda LED na vstupní straně optočlenu vyzařuje infračervené záření, které zachycuje fototranzistor, umístěný ve stejném pouzdře.

Uspořádání, funkce:

Společné pouzdro

I2I1

• Proudový přenos I2/I1

• Linearita

• Oddělovací napětí (Umax 5 kV)

• Mezní kmitočet

Parametry: