9 Optolelektronické súčiastky
Sú založené na využití interakcie optického žiarenia a elektricky nabitých častíc v polovodičoch.
Žiarenie je definované ako určité množstvo fotónov s energiou W, kde fotón je kvantum elektromagnetického vlnenia resp. diskrétne množstvo energie alebo ako elektromagnetické vlnenie o danej vlnovej dĺžke ? a intenzite.
Je prúdom častíc (fotónov) s určitým množstvom energie.
Vzťah medzi energiou W a vlnovou dĺžkou fotónu udáva Planckov zákon
(9.1)
respektive
(9.2) kde h (j.s) je Planckova konštanta, v(s-1) je frekvencia žiarenia, e(C) je náboj elektrónu a c =3.108m.s-1 je rýchlosť svetla. Čím kratšia je vlnová dĺžka vlnenia, tým je energia fotónu vyššia. Interakcia žiarenia a hmoty môže prebiehať niektorým z troch mechanizmov (obr.9.1):
- fotón môže byť polovodičom absorbovaný
- dochádza k spontánnej emisii
- dochádza k stimulovanej emisii
Obr.9.1 Model absorpcie fotónu, spontánnej emisie a stimulovanej emisie žiarenia v lineárnom pásmovom modely polovodiča.
Medzi krátke vlnové dĺžky, ktoré nesú najvyššie množstvo vyžarovanej energie patrí gama a röntgenové a ultrafialové žiarenie, viditeľná časť spektra 380nm až 780nm (patrí tam žiarenie, ktoré registruje ľudské oko ).
V tejto oblasti emitujú žiarenie LED pre účely indikácie.
Potom nasleduje infračervená časť, ktorá sa používa na prenos dát, čo vyplýva z obmedzenej spektrálnej priepustnosti médií, ktorými sa žiarenie prenáša.
V infračervenej oblasti spektra vyžarujú predmety pri bežných teplotách, preto je táto oblasť tepelného žiarenia dôležitá pre bezkontaktné meranie teploty a pre nočné videnie.[9.2] , [9.3]
Obr.9.2 Spektrálne citlivosti ľudského oka a detektorov žiarenia na báze Si,Ge, InGaAs.
9.1 Zdroje optického žiarenia
Zdroje optického žiarenia využívajú fyzikálny jav nazývaný luminiscencia, čo znamená emisia žiarenia látkami, keď vybudené nosiče odovzdávajú svoju energiu vo forme fotónov.
Ak vybudenie vzniká elektricky, tak sa nazýva elektroluminiscencia, čo sa dosahuje najčastejšie injekciou nosičov náboja na P-N prechode.
Ak hovoríme o zdroji nekoherentného žiarenia dochádza tam k spontánnej emisii, ak o zdroji koherentného žiarenia, tak nám prevažujú stimulované emisie. [9.2]
9.1.1 Zdroje nekoherentného žiarenia
LED je dnes najvýznamnejším zdrojom nekoherentného žiarenia s využitím ako indikátor na paneloch prístrojov a zariadení, ako zdroj žiarenia pre prenos signálov v dátových sieťach, alebo optoelektronických väzobných členoch slúžiacich pre galvanické oddelenie.
Obr.9.3 Druhy a farebné rozlíšenie LED. [9.8]
Obr.9.4 Princíp LED znázornený v energetickom pásmovom modeli.
Najväčšia účinnosť premeny elektrón- fotón na požadovanej vlnovej dĺžke je prioritou pre výrobcov LED.
Na obr.9.4 je jedno z možných konštrukčných riešení červenej LED.
Žiarenie je emitované v okolí P-N prechodu do všetkých smerov.
Puzdro mechanicky chráni čip emitujúci svetlo a zároveň slúži k čo najúčinnejšiemu vyvedeniu svetla z čipu.
V-A charakteristika LED kvalitatívne zodpovedá charakteristike usmerňovacej diódy.
Hraničnými parametre sú:
- maximálny prúd v priepustnom smere (10mA až 50mA)
- prierazné napätie (4V až 20V)
- teplotný rozsah (-20°C až +85°C)
Pre účely signalizácie vyberáme farbu, tvar puzdra, charakter svetla a svietivosť alebo jas.
Pre komunikačné účely používame infračervené diódy, u ktorých nás zaujíma spektrum, tvar vyžarovacej charakteristiky, rozbiehavosť zväzku a hraničné parametre pre impulzné budenie s ohľadom na degradáciu žiarivého výkonu s časom.[9.2] , [9.1] , [9.7]
Obr.9.5 Konštrukcia červenej LED a jej zapuzdrenie
9.1.2 Zdroje koherentného žiarenia
Pre generáciu koherentného žiarenia v oblasti optických frekvencií sa používajú lasery využívajúce stimulované emisie pri súčasnom splnení nasledujúcich podmienok:
- aktívne prostredie- umožňuje dostatočne veľké zosilnenie fotónov mechanizmom stimulovanej emisie (GaAs)
- inverzné obsadenie
Ak spĺňame tieto tri podmienky môže dôjsť ku generovaniu koherentného žiarenia.
Prvé fotóny vznikajú mechanizmom spontánnej emisie ako u LED, kde P-N prechod laserovej diódy umiestnený v rezonátore je polarizovaný v priepustnom smere (princíp a štruktúra lasera na obr.9.5).
Ak vzrastie priepustný prúd nad hodnotu prahového prúdu Ith, dôjde k inverznej populácii a stimulovaná emisia prevažuje nad absorpciou a spontánnou emisiou.
Vyžiarený výkon strmo narastá, čo je vidieť na watt- ampérovej charakteristike na obr.9.6.
Obr.9.6 Obecný princíp lasera. Štruktúra z hrany a z povrchu vyžarujúceho lasera s dvojitou heteroštruktúrou.
S polovodičovým laserom pracujeme ako s diódou so zanedbateľným záverným napätím.
Musíme brať v úvahu prevádzkovú teplotu pri voľbe budiaceho prúdu, pretože je laser umiestnený na chladiči.
Budiaca prúdová hustota sa pohybuje kvôli malým rozmerom lasera v rádoch jednotiek kA/cm2 a hrozí poškodenie nadmerným ohrevom.
S rastúcou teplotou zvyčajne rastie prahový prúd Ith a klesá vyžiarený výkon (obr.9.7).[9.2] , [9.3]
Obr.9.7 Watt- ampérová charakteristika lasera v kontinuálnom režime. Dvojitá heteroštruktúra umožňuje zníženie prahoveho prúdu Ith sústredením fotónov do aktívnej oblasti malých rozmerov.
9.2 Detektory optického žiarenia
Fotodetektory rozdeľujeme na fotovodivostné, kde dopadajúce žiarenie zvyšuje mernú elektrickú vodivosť polovodiča, fotovoltaické, kde dopadajúce žiarenie generuje napätie na elektródach súčiastky a fotoemisné, kde dopadajúce žiarenie spôsobuje emisiu elektrónov z fotocitlivého emitéru do vákua.[9.6]
9.2.1 Fotorezistor
Obr.9.8 Reálny fotorezistor s hrebeňovou štruktúrou. [9.9]
Je veľmi citlivým detektorom založený na fotovodivostnom princípe.
Môžeme si ho predstaviť ako homogénne dotovaný polovodič CdS (Wg=2,4eV) typu N s kontaktmi a zapojený do obvodu na obr.9.7.
Pri dopade svetla vzniká generovanie páru elektrón- diera.
Jeho odpor klesá a tým aj deliaci pomer napätia v obvode s RZ= konšt., ktorý registrujeme ako zmenu napätia Uvýst, čo je poukázané vo V-A charakteristike, ktorá sa tiež nachádza na obr.9.7.
Obr.9.9 Zjednodušená štruktúra fotorezistora a jeho pásmový model. V-A charakteristika ukazuje logaritmickú závislosť odporu na osvetlení.
Spektrálna citlivosť CdS fotorezistora (λmax=515nm)veľmi dobre zodpovedá citlivosti ľudského oka.
Hraničnými parametrami je maximálna výkonová strata Pmax(desiatky mW) a maximálne napätie (do 100V) pri teplote T=25°C.
Charakteristické parametre sú:
- vlnová dĺžka pre maximálnu citlivosť ?max
- hodnota odporu za tmy a pri osvetlení
- doba nárastu a poklesu napätia v obvode pri zmene osvetlenia
Nevýhodnými vlastnosťami je svetelný pamäťový efekt a závislosť teplotného koeficientu odporu na osvetlení.[9.1]
9.2.2 Fotodióda
Pre meracie a komunikačné účely sú fotodiódy jedným z najviac rozšírených fotodetektorov z dôvodu výbornej linearity, nízkeho šumu, výhodných spektrálnych a frekvenčných charakteristík.
Dochádza na fotodióde k fotovoltaickému javu, ak pôsobením dopadajúceho žiarenia nám na nej vzniká napätie (obr.9.8).
Medzi stavom nakrátko a naprázdno pracuje fotodióda vo fotovoltaickom režime a jej volt- ampérová charakteristika sa nachádza vo 4. kvadrante na obr.9.9.
V tomto režime v obvode nie je zapojený žiadny zdroj napätia ani prúdu a z toho vyplýva, že za tmy netečie žiadny prúd.
Meria sa hodnota Ish a obyčajne sa zaťažuje rezistorom s odporom 50? a volíme ho, aby sme dosiahli maximálny výkon.
V tomto režime sa fotodióda chová ako zdroj, preto sa využíva v slnečných článkoch.[9.1]
Obr.9.10 Princíp fotodiódy. Fotóny absorbované vo fotodióde PIN generujú páry a diery, ktoré sú unášané elektrickým poľom OPN cez P-N prechod do oblasti, kde sú majoritnými.
Vo fotovoltaickom režime je na fotodióde malé napätie a OPN je úzka a z toho vyplýva, že má veľkú bariérovú kapacitu a nízku hraničnú frekvenciu.
Túto kapacitu znížime, ak zapojíme fotodiódu vo fotovodivostnom režime, teda v 3.kvadrante volt- ampérovej charakteristiky na obr.9.9.
Fotodióda je polarizovaná záverne, jej OPN sa rozšíri a kapacita zníži.
Výsledkom je vysoká intenzita elektrického poľa v oblasti N (obr.9.8) , ktorá urýchľuje nosiče k elektródam, čím bráni tomu, aby zrekombinovali skôr ako sa dostanú do OPN.
Obr.9.11 V-A charakteristika fotodiódy v troch kvadrantoch.
Optimálnu hodnotu záverného napätia (zvyčajne 5V) s ohľadom na jej maximálne vyprázdnenie a prierazné napätie(zvyčajne ≥ 20V).
Obr.9.12 Znázornenie závislosti koncentrácie a intenzity od polohy v polovodiči v jednotlivých režimoch.
Hraničnými parametrami sú prierazné napätie (desiatky V) a teplotný rozsah (-20°C až +80°C).
Medzi charakteristické parametre patrí:
- pásmo spektrálnej citlivosti (nm)
- citlivosť na významných vlnových dĺžkach (A/W)
- prúd za tmy a jeho teplotný rozsah (nA)
- šumový ekvivalent výkonu (W/Hz1/2)
- kapacita pre doporučené prevádzkové napätie
- hraničná frekvencia
K zosilneniu signálu na výstupe z fotodiódy vo fotovodivostnom režime je potrebné použiť zosilňovač s veľkou vstupnou impedanciou (FET alebo operačný zosilňovač).[9.2] , [9.5]
9.2.3 Fototranzistor
Ak na oblasť bázy, emitora kolektora tranzistora dopadá svetlo, vytvárajú sa v týchto oblastiach dvojice elektrón- diera.
Vzniknuté nosiče difundujú smerom k P-N prechodu na emitore alebo kolektore a sú navzájom oddeľované potenciálovou bariérou týchto prechodov.
Následkom toho sa zväčšuje prúd emitora, ale aj prúd kolektora.
Zväčšovanie kolektorového prúdu ako výstupného prúdu závisí na prúdovom zosilňovacom činiteli αbF, na spôsobe zapojenia tranzistora a na tom, ktorá oblasť tranzistora je osvetlená.
Tranzistory, ktorých výstupný obvod je riadený dopadom svetla, nazývame fototranzistory.
Obr.9.13 Konštrukcia germániového fototranzistora.
Dôležitými parametrami sú fotoelektrická merná citlivosť a prúd kolektora za tmy, napr. u konštrukcie germániového fototranzistora zhotoveného difúzne zliatinovou technológiou (obr.9.10) boli dosiahnuté hodnoty integrálnej citlivosti 3 až 10 A/Lm a prúdu za tmy v hraniciach od 100 do 500µA.[9.4]