Глава 26. Оптоэлектронные устройства

ЦЕЛИ

После изучения этой главы студент должен быть в состоянии:

• Перечислить три категории полупроводниковых устройств, которые реагируют на свет.

• Классифицировать основные частотные диапазоны света.

• Перечислить основные светочувствительные устройства и описать их работу и применения.

• Перечислить основные светоизлучающие устройства и описать их работу и применения.

• Нарисовать схематические обозначения оптоэлектронных устройств.

• Перечислить корпуса, используемые для оптоэлектронных устройств.

Полупроводники вообще, и полупроводниковые диоды в частности, широко используются в оптоэлектронике. А именно, в качестве устройств, взаимодействующих с электромагнитным излучением (световой энергией) в видимом, инфракрасном и ультрафиолетовом диапазонах.

Три типа устройств, которые взаимодействуют со светом:

• Устройства для регистрации света;

• Устройства для преобразования света;

• Светоизлучающие устройства.

Полупроводниковый материал и использованная техника легирования определяют длину световой волны для каждого конкретного устройства.

26-1. СВЕТ

Свет — это электромагнитное излучение, видимое человеческим глазом. Свет распространяется подобно радиоволнам. Как и радиоволны, свет имеет свою длину волны.

Свет распространяется в вакууме со скоростью 300000000 метров в секунду. В различных средах скорость света меньше. Частота световых колебаний лежит в диапазоне от 300 до 300000000 гигагерц (1 гигагерц = 1000000000 герц). Из этого частотного диапазона только небольшая часть видима человеческим глазом. Видимый диапазон простирается примерно от 400000 до 750000 гигагерц. Частота инфракрасного излучения лежит ниже 400000 гигагерц, а частота ультрафиолетового излучения — выше 750000 гигагерц.

Световые волны в верхней части частотного диапазона обладают большей энергией, чем световые волны в нижней части диапазона.

26-1. Вопросы

1. Что такое свет?

2. В каком частотном диапазоне свет является видимым

для человеческого глаза?

3. Что такое инфракрасное излучение?

4. Что такое ультрафиолетовое излучение?

5. Какие световые волны обладают наибольшей энергией?

26-2. СВЕТОЧУВСТВИТЕЛЬНЫЕ УСТРОЙСТВА

Фоторезистор — это старейшее из оптоэлектронных устройств. Его внутреннее сопротивление изменяется при изменении интенсивности света. Изменение сопротивления не пропорционально интенсивности света. Фотосопротивления изготовляют из светочувствительных материалов, таких как сульфид кадмия (CdS) или селенид кадмия (CdSe).

На рис. 26-1 показано типичное фотосопротивление.

Рис. 26-1. Фотосопротивление.

Светочувствительный материал нанесен на изолирующую подложку из стекла или керамики в виде S-образной фигуры для увеличения длины фотосопротивления. Фотосопротивление более чувствительно к свету, чем другие устройства. Его сопротивление может изменяться от нескольких сотен мегом до нескольких сотен ом. Оно применяется при низких интенсивностях света. Фотосопротивление может выдерживать высокие рабочие напряжения 200–300 вольт при малом потреблении мощности — до 300 милливатт. Недостатком фотосопротивлений является медленный отклик на изменения света.

На рис. 26-2 показаны схематические обозначения фотосопротивления. Стрелки показывают, что это — светочувствительное устройство. Иногда для обозначения светочувствительного устройства используется греческая буква лямбда (λ).

Рис. 26-2. Схематические обозначения фотосопротивления.

Фотосопротивления используются для измерения интенсивности света в фотографическом оборудовании, в охранных датчиках, в устройствах автоматического открывания дверей, в различном тестирующем оборудовании для измерения интенсивности света.

Фотогальванический элемент (солнечный элемент) преобразует световую энергию непосредственно в электрическую. Батареи солнечных элементов применяются главным образом для преобразования солнечной энергии в электрическую энергию.

Солнечный элемент — это устройство на основе р-n-перехода, выполненное из полупроводниковых материалов.

В большинстве случаев их делают из кремния. На рис. 26-3 показано устройство солнечного элемента.

Рис. 26-3. Устройство солнечного элемента.

Слои p-типа и n-типа образуют р-n-переход. Металлическая подложка и металлический контакт являются электрическими контактами. Они проектируются с большой площадью поверхности. Свет, попадая на поверхность солнечного элемента, передает большую часть своей энергии атомам полупроводникового материала. Световая энергия выбивает валентные электроны с их орбит, создавая свободные электроны.

Вблизи обедненного слоя электроны притягиваются материалом n-типа, создавая небольшое напряжение вдоль р-n-перехода. При увеличении интенсивности света это напряжение увеличивается. Однако не вся световая энергия, попадающая в солнечный элемент, создает свободные электроны. В действительности, при сравнении получаемой от него электрической мощности с мощностью падающей световой энергии легко увидеть, что солнечный элемент — это довольно неэффективное устройство с максимальным коэффициентом полезного действия порядка 15 %.

Солнечные элементы дают низкое выходное напряжение 0,45 вольта при токе 50 миллиампер. Их необходимо соединять в последовательно- параллельные цепи для того, чтобы получить желаемое выходное напряжение и ток.

Солнечные элементы применяются для измерения интенсивности света в фотографическом оборудовании, для декодирования звуковой дорожки в кинопроекторах и для зарядки батарей на космических спутниках.

Схематические обозначения солнечных элементов показаны на рис. 26-4. Положительный вывод обозначается знаком плюс (+).

Рис. 26-4. Схематические обозначения солнечного элемента.

Фотодиод также использует р-n-переход и его устройство подобно устройству солнечного элемента. Он используется так же, как и фотосопротивление в качестве резистора, сопротивление которого меняется при освещении. Фотодиоды — это полупроводниковые устройства, которые изготовляются главным образом из кремния. Это делается двумя способами. Первый способ — создание простого р-n-перехода (рис. 26-5).

Рис. 26-5. Фотодиод с р-n-переходом.

При другом способе между слоями p-типа и n-типа вставляется слой нелегированного полупроводника, образуя p-i-n фотодиод (рис. 26-6).

Принципы работы фотодиода с р-n-переходом такие же как у солнечного элемента, за исключением того, что он используется для управления током, а не для создания его.

К фотодиоду прикладывается обратное напряжение смещения, формирующее широкий обедненный электронами слой. Когда свет попадает в фотодиод, он попадает в обедненный слой и создает там свободные электроны. Электроны притягиваются к положительному выводу источника смещения. Через фотодиод в обратном направлении течет малый ток. При увеличении светового потока увеличивается число свободных электронов, что приводит к росту тока.

P-i-n фотодиод имеет слой нелегированного материала между областями р и n. Это эффективно расширяет обедненный слой. Более широкий обедненный слой позволяет p-i-n фотодиоду реагировать на свет с более низкими частотами. Свет с более низкими частотами имеет меньшую энергию и, следовательно, должен глубже проникать в обедненный слой перед созданием свободных электронов. Более широкий обедненный слой дает больше возможностей для создания свободных электронов, p-i-n фотодиоды являются более эффективными во всех отношениях.

Благодаря слою нелегированного материала, p-i-n фотодиоды имеют более низкую собственную емкость. Это обеспечивает быстрый отклик на изменения интенсивности света. Кроме того, изменение их обратного тока в зависимости от интенсивности является более линейным.

Преимущество фотодиода — его быстрый отклик на изменения интенсивности света, самый быстрый из всех фоточувствительных устройств. Недостаток — низкая выходная мощность по сравнению с другими фоточувствительными устройствами.

На рис. 26-7 изображен типичный корпус фотодиода. Стеклянное окошко позволяет свету попадать в фотодиод. Схематическое обозначение фотодиода показано на рис. 26-8. Типичная цепь изображена на рис. 26-9.

Рис. 26-7. Корпус фотодиода.

Рис. 26-8. Схематическое обозначение фотодиода.

Рис. 26-9. Делитель напряжения, использующий фотодиод.

Фототранзистор устроен подобно другим транзисторам с двумя р-n-переходами. Он похож на стандартный n-р-n транзистор. Используется так же, как и фотодиод, и имеет корпус как у фотодиода, за исключением того, что у него три вывода (эмиттер, база и коллектор). На рис. 26–10 показана его эквивалентная цепь.

Рис. 26–10. Эквивалентная схема фототранзистора.

Проводимость транзистора зависит от проводимости фотодиода. Вывод базы применяется редко. Когда он все же используется, на него подается напряжение, открывающее транзистор.

Фототранзисторы могут давать больший выходной ток, чем фотодиоды. Их отклик на изменения интенсивности света не так быстр, как у фотодиодов. В данном случае за увеличение выходного тока приходится жертвовать скоростью отклика.

Фототранзисторы применяются в фототахометрах, для управления фотографической экспозицией, в противопожарных датчиках, в счетчиках предметов и в механических позиционерах.

На рис. 26–11 изображено схематическое обозначение фототранзистора. На рис. 26–12 изображена типичная схема его применения.

Рис. 26–11. Схематическое обозначение фототранзистора.

Рис. 26–12. Переключатель нагрузки, питаемой постоянным током, зависящий от освещения (при отсутствии света нагрузка включена).

26-2. Вопросы

1. Объясните, как работает фоторезистор.

2. Объясните, как работает солнечный элемент.

3. В чем разница между двумя типами фотодиодов?

4. Чем фототранзистор лучше фотодиода?

5. Нарисуйте схематические обозначения фоторезистора, солнечного элемента, фотодиода и фототранзистора.

26-3. СВЕТОИЗЛУЧАЮЩИЕ УСТРОЙСТВА

Светоизлучающие устройства излучают свет при прохождении через них тока, преобразуя электрическую энергию в световую. Светоизлучающий диод (светодиод) — это наиболее распространенное полупроводниковое светоизлучающее устройство. Будучи полупроводниковым устройством, он имеет неограниченный срок службы ввиду отсутствия высокотемпературного нагрева, основной причины выхода из строя обычных ламп.

Любой р-n-переход может испускать свет при прохождении через него тока. Свет возникает, когда свободные электроны рекомбинируют с дырками, и лишняя энергия освобождается в виде света. Частота испускаемого света определяется типом полупроводникового материала, использованного при изготовлении диода. Обычные диоды не излучают свет потому, что они упакованы в непрозрачные корпуса.

Светодиоды — это просто диоды с р-n-переходом, которые излучают свет при прохождении через них тока. Этот свет виден потому, что светодиоды упакованы в полупрозрачный материал. Частота излучаемого света зависит от материала, использованного при изготовлении светодиода.

Арсенид галлия (GaAs) излучает свет в инфракрасном диапазоне, который не воспринимается человеческим глазом. Арсенид-фосфид галлия излучает видимый красный свет. Изменяя содержание фосфора, можно получить светодиоды, излучающие свет различной частоты.

На рис. 26–13 показано устройство светодиода. Слой типа р сделан тонким для того, чтобы не препятствовать прохождению света, излучаемого р-n-переходом.

Рис. 26–13. Устройство светодиода.

После изготовления светодиод помещается в корпус, который рассчитан на максимальное пропускание света. На рис. 26–14 показаны наиболее распространенные корпуса светодиодов. Многие светодиоды содержат линзы, собирающие свет и увеличивающие его интенсивность. Корпус светодиода может также служить светофильтром для того, чтобы обеспечить излучение света определенной частоты.

Рис. 26–14. Распространенные типы корпусов светодиодов.

Для того, чтобы светодиод излучал свет, на него должно быть подано прямое смещающее напряжение (рис. 26–15).

Рис. 26–15. Светодиод, смещенный в прямом направлении.

Для того, чтобы через светодиод шел ток, величина прямого смещения должна превышать 1,2 вольта. Так как светодиод легко может быть поврежден большим током или напряжением, последовательно с ним включается резистор для ограничения тока.

Схематическое обозначение светодиода показано на рис. 26–16. На рис. 26–17 изображена цепь с правильно поданным смещением. Включенный последовательно резистор (R_S) используется для ограничения прямого тока (I_Y).

Рис. 26–16. Схематическое обозначение светодиода.

Рис. 26–17. Цепь с правильно смещенным светодиодом.

На рис. 26–18 показаны сборки светодиодов в виде семисегментных индикаторов, используемых для отображения цифр. На рис. 26–19 показан светодиод, образующий вместе с фотодиодом оптопару. Оба устройства размещены в одном корпусе.

Рис. 26–18. Семисегментные индикаторы на основе светодиодов для отображения цифр.

Рис. 26–19. Коммерческая оптопара.

Оптопара состоит из светодиода и фототранзистора. Они связаны световым лучом, излучаемым светодиодом. Сигнал, поступающий на светодиод, может меняться, что, в свою очередь, изменяет интенсивность излучаемого света. Фототранзистор преобразует изменения света опять в электрическую энергию. Оптопара позволяет передавать сигнал от одной цепи к другой, обеспечивая высокую степень электрической изоляции их друг от друга.

26-3. Вопросы

1. Объясните, чем светодиод отличается от обычного диода.

2. Как изменяют цвет излучаемого светодиодом света?

3. Как корпус светодиода может усилить излучаемый свет?

4. Нарисуйте схематическое обозначение светодиода.

5. Каково назначение оптопары?

РЕЗЮМЕ

• Полупроводниковые устройства, которые взаимодействуют со светом, делятся на светорегистрирующие устройства, устройства, преобразующие свет и светоизлучающие.

• Свет — это электромагнитное излучение, которое воспринимается человеческим глазом.

• Частотные диапазоны света следующие:

— инфракрасное излучение — менее 400000 гигагерц;

— видимое излучение — 400000-750000 гигагерц;

— ультрафиолетовое излучение — более 750000 гигагерц;

• Светочувствительные устройства включают фотосопротивления, солнечные элементы, фотодиоды и фототранзисторы.

• Светоизлучающие устройства включают светодиоды (светоизлучающие диоды).

• Оптопара содержит светочувствительное устройство и светоизлучающее устройство.

• Схематические обозначения светочувствительных устройств следующие:

• Схематическое обозначение светодиода следующее:

Глава 26. САМОПРОВЕРКА

1. Какое светочувствительное устройство имеет самое быстрое время отклика на изменения интенсивности света?

2. Какое устройство может иметь более широкую область применения — фотодиод или фототранзистор? Почему?

3. Как величина тока, протекающего через светодиод, влияет на интенсивность излучаемого света?