Материал: Конспект

випромінювання обмежене у відносно невеликому просторі. Верхній шар кристала легується для створення n-області, а в нижньому шарі створюють p-область. В результаті утворюється плоский p-n перехід великої площі. Дві бокові сторони (торці) кристала поліруються для створення гладких паралельних площин, які утворюють оптичний резонатор, названий резонатором Фабрі-Перо. Випадковий фотон спонтанного випромінювання, що випромінюється перпендикулярно цим площинам, проходить через оптичний хвилевід і кілька разів відбивається від торців, перш ніж вийде назовні.

Проходячи вздовж резонатора, він буде викликати вимушену рекомбінацію, створюючи нові і нові фотони з тими ж параметрами, і випромінювання посилюватиметься (механізм вимушеного випромінювання). Як тільки посилення перевищить втрати, почнеться лазерна генерація. Це відповідає пороговому струму інжекції. Одномодові лазери застосовуються в оптичних запам'ятовуючих пристроях, лазерними вказівками, а також в волоконної техніці.

•Лазерні діоди можуть бути декількох типів. В основної їх частини робочі шари зроблені дуже тонкими, і така структура може генерувати випромінювання тільки в напрямку, паралельному до них. З іншого боку, якщо хвилевід зробити досить

широким в порівнянні з довжиною хвилі, він зможе працювати вже в декількох поперечних режимах. Такий діод називається багатомодовим. Застосування таких лазерів можливо в тих випадках, коли від пристрою потрібна висока потужність випромінювання, і не ставиться умова гарної збіжності променя (тобто допускається його значне розсіювання). Такими областями застосувань є: друкуючі устрою, хімічна промисловість, накачування інших лазерів.

•Довжина хвилі випромінювання лазерного діода залежить від ширини забороненої зони між енергетичними рівнями p- і n-областей напівпровідника.

•У зв'язку з тим, що випромінюючий елемент достатньо тонкий, промінь на виході

діода, внаслідок дифракції, практично відразу розходиться. Для компенсації цього ефекту і отримання тонкого променя необхідно застосовувати лінзи, що фокусують.

Для багатомодових широких лазерів найбільш часто застосовуються циліндричні лінзи. Для одномодових лазерів, при використанні симетричних лінз, перетин променя буде еліптичних, оскільки розбіжність у вертикальній площині перевищує розбіжність в горизонтальній. Багатомодові лазерні діоди можуть мати вихідну оптичну потужність в безперервному режимі від 500 мВт до 8 Вт, а квазінеперервні лазерні лінійки - до 150 Вт.

Вигляд типового твердотільного лазера та лазерної указки

НАПІВПРОВІДНИКОВІ ФОТОПРИЙМАЧІ

• Фотоприймачі призначені для перетворення світлових сигналів в електричні.

У напівпровідникових фотоприладах використовується внутрішній фотоефект, який

полягає в тому, що при опроміненні електрони напівпровідникового кристала набирають додаткової енергії, що необхідна для вивільнення їх з ковалентних зв’язків. Тому в напівпровідниках з’являються додаткові носії електричного заряду, які збільшують їх електропровідність.

Фоторезистори Фоторезисторами називають напівпровідникові прилади, електричний опір яких

змінюється під дією світла. Конструктивно фоторезистор складається з діелектрика 3, на який нанесено світлочутливий шар напівпровідника 1, і зовнішніх електродів 2 (рис.

а).

•Схема вмикання фоторезистора до електричного кола показана на рис. б. Увімкнення джерела Е не залежить від полярності, оскільки фоторезистор не має вентильних властивостей.

•Вихідним матеріалом для виготовлення світлочутливого шару фоторезистора є

PbS, CdSe або CdS

НАПІВПРОВІДНИКОВІ ФОТОПРИЙМАЧІ

• За відсутності світла (світловий потік Ф=0) фоторезистор має великий темновий опір, і при прикладенні зовнішньої напруги через нього протікає малий темновий струм

IТ. Під дією світла опір фоторезистора зменшується, і через нього проходить струм

I=C + IТ,

де С - коефіцієнт пропорціональності; Ф - світловий потік;

IТ - темновий струм (темновий опір фото резистора – сотні кілоомів). Залежність I= f(Ф) при Е=const відповідно до формули показана на рис. в. При низьких рівнях освітлення залежність I= f(Ф) можна вважати лінійною:

I=CФФ + IТ,,

де CФ- інтегральна чутливість фоторезистора.

• Недоліками фоторезисторів є нелінійність характеристики I= f(Ф) та мала швидкодія (граничні частоти приладу не перевищують 1 кГц).

• Фоторезистори застосовують як оптоелектронні датчики, а також як фотоприймачі в оптронах.

ФОТОДІОДИ

• У фотодіодах кристал напівпровідника обернений до скляного вікна, через яке надходить світловий потік. Під дією світла на p–n перехід фотодіода внаслідок явища

внутрішнього фотоефекту в областях біля переходу відбувається додаткова генерація пар “електрон-дірка”. Під дією дифузійного поля p–n переходу фотодірки переміщуються до p-області, а фотоелектрони – до n області. При цьому створюється фото ЕРС EФ= (0,1 − 1,0) В, залежність якої від світлового потоку показана на рис. 1.

•Під дією цієї фото ЕРС у зовнішньому колі фотодіода протікає фотострум IФ, що збігається за напрямком зі зворотним струмом p-n – переходу (рис. 2).

•Оскільки фотострум протікає незалежно від струму, який викликається зовнішнім джерелом напруги, то вираз для повного струму може бути записаний у вигляді

I=IS(- 1)

де IS - струм насичення (екстракції) – переходу; U - зовнішня напруга; IФ - фотострум.

•Дія фото ЕРС на p–n перехід еквівалентна додатковому зворотному зміщенню переходу, наслідком чого є збільшення зворотного струму фотодіода на величину IФ .

•Сім’я ВАХ фотодіода показана на рис. 3.

• Оскільки фото ЕРС і пряма напруга ввімкнені назустріч одна одній, то при їх рівності струм діода дорівнює нулю, що відповідає режимові холостого ходу. ЕРС

холостого ходу при I = 0 можна визначити за формулою: EФ= Тln()

•Цю фото ЕРС знаходять також з ВАХ.

•Фотодіоди використовують у двох режимах: вентильного фотоелемента (рис. 1) та фотодіодному (рис. б). У першому режимі фотодіод використовують як

джерело струму, датчик, що генерує ЕРС EФ, у чутливому індикаторі випромінювання або сонячній батареї. Фото ЕРС може досягати 1 В. У цьому режимі робоча точка пересувається вздовж осі на ВАХ залежно від інтенсивності світла.

•У другому режимі (рис. 2) фотодіод працює на зворотній гілці ВАХ як фоторезистор, опір якого залежить від світлового потоку. Робоча точка може займати

будь-яке положення між осями UЗВ, IЗВ, залежно від напруги джерела U і світлового потоку Ф.

•Фотострум залежить не тільки від потоку Ф, але і від довжини хвилі світлового випромінювання, яке діє на p–n перехід. Цей факт ілюструє спектральна характеристика рис. 3.

• Параметрами фотодіода є: темновий струм IТ − струм, що проходить через діод при робочій напрузі і відсутності світла; Uроб - робоча напруга − напруга на діоді у фотодіодному режимі; SФ=IФ/Ф − інтегральна чутливість.

ФОТОПРИЙМАЧІ З ВНУТРІШНІМ ПІДСИЛЕННЯМ

•До таких фотоприймачів належать фототранзистори та фототиристори.

•Крім перетворення світлової енергії в електричну з утворенням фотоструму, як у фотодіодах, фототранзистор ще й підсилює цей фотострум.

•Розглянемо роботу фототранзистора у ССЕ в режимі з вимкненою базою (IБ=0)

(рис. ).

Якщо Ф=0, то через фототранзистор проходить невеликий темновий струм

IТ=IКБ0(h21Е+1).

При освітленні області бази через вікно (Ф>0) в ній генеруються нерівноважні пари носіїв заряду – фотоелектрони та фотодірки, які дифундують до ЕП та КП. При цьому поле КП розділяє заряди: електрони рухаються до n - колектора, дірки – до p- бази. У колі колектора під дією цих електронів зростає струм на величину IФ. Дірки створюють у базі позитивний заряд, який зміщує ЕП у прямому напрямі і викликає інжекцію електронів. Унаслідок інжекції електронів через ЕП, їх дифузії через базу та екстракції через КП струм колектора додатково зростає на величину h21Е IФ. Тобто фотодірки у базі відіграють роль вхідного струму бази.

Структура і схема вмикання фототранзистора (а), статичні вихідні характеристики (б)

•Загальний колекторний струм фототранзистора

IК=IФ+h21ЕIФ+IТ= (1+h21Е)IФ+IТ

•Сім’я ВАХ фототранзистора IК = f(UКБ) Ф = const показана на рис. Збільшення

освітлення фототранзистора приводить, згідно з формулою, до зростання колекторного струму. Інтегральна чутливість фототранзистора SФ в (1+h21Е) раз більша,

ніж у фотодіода. Це пояснюється тим, що у фототранзистора струм IФ підсилюється в

(1+h21Е) раз.

• Фототиристори (рис.) є фотоприймачами з ключовою пороговою характеристикою, вони застосовуються для перемикання великих струмів і напруги. ВАХ з відкриваючою дією світлового потоку показана на рис.