Управляемые источники света

  Управляемым называется такой источник, световой поток или яркость которого являются однозначной функцией электрического сигнала. В оптоэлектронике используются следующие управляемые источники света:

1. Лампы накаливания – это вакуумированный баллон с вольфрамовой нитью накаливания. Они имеет широкий спектр излучения, который в основном лежит в инфракрасном диапазоне (0,4 – 4 мкм), сравнительно инерционны, не позволяют работать на частотах свыше 10-20 Гц. Они плохо сочетаются с транзисторными и интегральными схемами. В качестве излучателей в настоящее время используются миниатюрные лампочки типа НСМ-9, НСМ-25.

2. Газоразрядные источники излучения – в них используют явление свечения, возникающего при протекании тока через ионизированный газ. Видимое излучение тлеющего разряда зависит от типа газа, заполняющего объём. Так, неон даёт оранжевое свечение, гелий – жёлтое, аргон – фиолетовое. Кроме того имеется интенсивное инфракрасное и ультрафиолетовое излучение. Газоразрядные источники излучения имеют невысокую временную стабильность параметров и значительные габариты. Они плохо совместимы с интегральными микросхемами, но успешно используются в составе устройств отображения информации.

  И лампы накаливания и газоразрядные источники света достаточно широко используются в низкочастотных оптоэлектронных цепях, несмотря на их недостатки.

3. Электролюминисцентные управляемые источники света – это, в настоящее время, наиболее перспективные источники света.

  Для возникновения люминисценции в каком-либо теле, в том числе и в полупроводнике, его необходимо с помощью внешних источников энергии привести в возбуждённое состояние, то есть в такое состояние, при котором внутренняя энергия тела превышает равновесную при данной температуре. Если источником внешней энергии является свет, то наблюдается фотолюминисценция. При возбуждении тела быстрыми электронами или другими частицами, возникает катодолюминисценция. При воздействии электрического поля или тока – электролюминисценция.

  По эффективности электролюминисцентные источники света уступают лампам накаливания и газоразрядным источникам. Однако, они имеют и преимущества: технологичность, высокое быстродействие, большой срок службы, надёжность в эксплуатации, миниатюрность исполнения.

а). Электролюминисцентные конденсаторы (рисунок 7.1).

                                                     рисунок 7.1

  Они состоят из подложки 1, на которую последовательно нанесены: проводящий слой 2, служащий нижним электродом; слой люминифора 3; защитный слой 4; верхний электрод 5. Между верхним 5 и нижним 2 электродами создаётся электрическое поле, возбуждающее электролюмини-сценцию люминифора 3. Если выход света осуществляется со стороны подложки 1, то её выполняют прозрачной (стекло, слюда, кварц). Должно быть прозрачным и проводящее покрытие 2 (оксиды металлов SnO₂, In₂O₃, CdO и др.).

  В качестве люминифоров используют фосфоры, соединения цинка и кадмия с серой и селеном. Высвечивания в зависимости от типа фосфора и примесей лежат в видимой области спектра в диапазоне от 450 нм (голубое свечение), до 600нм (жёлто-оранжевое свечение).

  Электролюминисцентные конденсаторы характеризуются низкой стабильностью, малым сроком службы, вызванным явлением старения (300-10000 часов), низким быстродействием (время загорания и затухания 10^-3-10^-4 с), невысокой яркостью свечения. Применяются в усилителях и преобразователях излучения, малогабаритных индикаторных экранах и табло, логических элементах и других низкочастотных цепях.

б). Инжекционные светодиоды (рисунок 7.2).

  Светодиод представляет собой излучающий р-п переход, свечение в котором возникает вследствие рекомбинации носителей заряда (электронов и дырок)при смещении р-п перехода в прямом направлении. Цвет свечения зависит от материала примесей, вводимых в полупроводник. Так, например, примесные центры из ZnO обеспечивают получение красного свечения, из азота N-зелёного, из ZnO и N – жёлтого и оранжевого и т.д. Яркость свечения светодиода пропорциональна числу зарядов, инжектированных р-н переходом. Частота излучения зависит от материала светодиодов и состава легирующих примесей и лежит в диапазоне от 366 до 950 нм.

Структура светодиода                 Обозначение на схеме

                                        рисунок 7.2

     Имеются светодиоды, которые в зависимости от включения или режима работы излучают в различных областях спектра. При этом используются или зависимость интенсивности отдельных частот излучения от тока р-п перехода или смещения излучений двух светодиодов, имеющих свечение разного цвета. Второй случай получил большее распространение. В нём используются двухпереходные структуры GaP (фосфора галлия) (рисунок 7.3).

                                            рисунок 7.3

       Примеси подбираются так, чтобы один р-п переход излучал зелёный цвет, а другой – красный. В структуре имеется три вывода, что позволяет через каждый р-п переход пропускать своё значение тока. Изменяя токи р-п переходов, можно менять цвет излучения от жёлто-зелёного до красно-жёлтого оттенка.

Фотоприёмники.

  Фотоприёмники предназначены для преобразования светового излучения в электрические сигналы. Так как функциональные возможности электролюминисцентных источников света ограничены, то многообразие возможных характеристик оптронов реализуется за счёт фотоприёмников.

  Фотоэлектрические явления, на основе которых строятся фотоприёмники, можно разделить на три основных вида:

1. изменение электропроводности вещества при его освещении – внутренний фотоэффект;

2. возникновение ЭДС на границе двух материалов под действием света – фотоэффект в запирающем слое – используют в полупроводниковых фотоэлементах;

3. испускание веществом электронов под действием света – внешний фотоэффект – используют в вакуумных и газонаполненных фотоэлементах.

Фоторезисторы.

  В них используется явление изменения сопротивления вещества под действием инфракрасного, видимого или ультрафиолетового излучения. Основным элементом фоторезисторов (рисунок 7.4) является полупроводниковая пластина, сопротивление которой меняется при освещении из-за увеличения концентрации подвижных носителей заряда. Меняя яркость освещения, изменяют фотопроводимость полупроводника.

                   а)                                       б)                        в)

1-полупроводник; 2-электрод

                                             рисунок 7.4

  Конструктивно фоторезистор представляет собой пластину полупроводника 1, на поверхности которой нанесены электропроводные электроды. Принципиально возможны две конструкции фоторезисторов: поперечная (рисунок 7.4.а) и продольная (рисунок 7.4.б). В первом случае электрическое поле, прикладываемое к фоторезистору, и возбуждающий свет действуют во взаимно перпендикулярных плоскостях, во втором – в одной плоскости очевидно, что в продольном фоторезисторе возбуждение должно осуществляться через электрод, который должен быть прозрачен для излучения.

  В качестве исходного материала фоторезистора используются: сернистый таллий, сернистый висмут, сернистый свинец и др.

  Основные характеристики фоторезисторов:

а) ВАХ (рисунок 7.5) – зависимость тока через резистор от напряжения, приложенного к резистору при различных значениях светового потока Ф.

                                                       рисунок 7.5

б) Энергетическая характеристика (рисунок 7.6) – зависимость фототока от светового потока.

                                                       рисунок 7.6

Фотодиоды.

          а)                                        б)                                          в)

                                                       рисунок 7.7

  Фотодиоды имеют структуру обычного р-n перехода (рисунок 7.7.а). Пусть р-n переход находится в равновесии, то есть к нему не приложено внешнее напряжение. Вследствие оптического возбуждения световым потоком Ф в р и n-областях увеличивается концентрация носителей заряда – дырок и электронов, которые начинают диффундировать к р-n переходу, где их концентрация меньше. На границе перехода они разделяются: неосновные носители заряда под действием электрического поля перебрасываются через переход в область, где они являются основными носителями заряда. Электрический ток, который они создают, и есть полный фототок. Основные носители заряда тормозятся электрическим полем и остаются в своих областях.

  Фотодиод может работать и совместно с внешним источником электрической энергии U_вн (рисунок 7.7.б), положительный полюс которого подключается к n-области, а отрицательный к р-области. Под действием напряжения источника в цепи фотодиода, включенного в непроводящем направлении, при отсутствии освещения, протекает небольшой темновой ток Iт. При освещении фотодиода поток неосновных носителей заряда через р-n переход возрастает, увеличивается ток во внешней цепи, определяемый в этом случае напряжением внешнего источника и световым потоком.

  Материалами для изготовления фотодиодов служат: германий, кремний, селен, сернистый таллий и сернистое серебро.

Фототранзисторы (рисунок 7.8).

         а)                           б)                                в)                   г)

                                                  рисунок 7.8

  Напряжение питания на фототранзистор подают также, как и на биполярный транзистор, то есть эмиттерныйпереход смещают в прямом направлении, а коллекторный – в обратном (рисунок 7.8.в). Часто применяют включение, когда напряжение прикладывается только между коллектором и эмиттером, а вывод базы остаётся оторванным (рисунок 7.8.г). Такое включение называется включением с плавающей базой и характерно только для фототранзисторов. Конструктивно фототранзистор выполнен так, что световой поток облучает область базы. В результате в ней генерируются электронно-дырочные пары. Неосновные носители заряда в базе (дырки) диффундируют к коллекторному переходу и перебрасываются электрическим полем перехода в коллектор, увеличивая ток коллектора. Если база разомкнута, то основные носители заряда (электроны), образовавшиеся в результате облучения, не могут покинуть базу и накапливаться в ней. Объёмный заряд этих электронов снижает потенциальный барьер эмиттерного перехода, в результате чего увеличивается диффузионное движение дырок через эмиттерный переход. Инжектированные дырки, попав в базу, движутся, как и в обычном транзисторе к коллекторному переходу и, переходя в область коллектора, увеличивают его ток.

  Такие же процессы происходят и при подаче тока от внешнего источника в цепь базы. В этом случае темновой ток при Ф=0 определяется током базы. ВАХ транзистора показаны на рисунок 7.8.б.

Фототиристоры.

а)                  б)

                                              рисунок 7.9

  Фототиристоры (рисунок 7.9) используются для коммутации световым сигналом электрических сигналов большой мощности. Они представляют собой фотоэлектрические аналоги управляемого тиристора. При освещении баз тиристора возрастают токи через переходы П1 и П3, что приводит к снижению напряжения, при котором открывается тиристор (рисунок  б). То есть вместо тока управления используется световой поток.