Описанные  в  этой работе  оптроны,  отлично  иллюстрируя  принципы, оказались  непригодными для  промышленной реализации, так как основывались на несовершенной  элементарной базе - неэффективных  и  инерционных порошковых  злектролюминесцентных конденсаторах (излучатель) и фоторезисторах  (приемник). Несовершенны были  и  важнейшие  эксплуатационные  характеристики  приборов: низкотемпературная и  временная стабильность  параметров, недостаточная устойчивость к механическим воздействиям. Поэтому. на первых порах  оптрон  оставался  лишь  интересным научным достижением не находящим применения в технике.

            Лишь в середине 60-х годов развития полупроводниковых светоизлучающих диодов и технологически  совершенных высокоэффективных  быстродействующих  кремниевых  фотоприемников с р - n-переходами (фотодиоды и фототранзисторы) начала создаваться элементарная  база современной оптронной техники. К началу 70-х годов производство оптронов в ведущих странах мира превратилось в  важную  и  быстро  развивающуюся отрасль электронной техники,  успешно дополняющую  традиционную микроэлектронику.

2. ФИЗИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ОПТРОННОЙ ТЕХНИКИ

2.1. ЭЛЕМЕНТНАЯ БАЗА И УСТРОЙСТВО ОПТРОНОВ

            Элементную основу оптронов составляют  фотоприемники  и  излучатели,  а  также  оптическая  среда между ними.  Ко  всем  этим  элементам   предъявляются  такие общие  требования,  как малые  габариты и  масса, высокая  долговечность и надежность, устойчивость  к механическим  и  климатическим   воздействиям,  технологичность, низкая стоимость. Желательно также  чтобы элементы   прошли   достаточно   широкую   и   длительную промышленную апробацию.

Функционально  (как  элемент  схемы)   оптрон  характеризуется в первую очередь  тем, какой  вид фотоприемника в нем используется.

            Успешное использование фотоприемника в оптроне определяется  выполнением  следующих  основных требований:  эффективность  преобразования  энергии  квантов излучения  в  энергию  подвижных  электрических; наличие и эффективность внутреннего встроенного  усиления;  высокое быстродействие; широта функциональных возможностей.

            В оптронах используются фотоприемники различных структур , чувствительные в видимой и ближней инфракрасной области, так как именно в этом диапазоне спектра имеются интенсивные  источники излучения и возможна работа фотоприемников без охлаждения.

            Наиболее универсальными являются фотоприемники с р - n-переходами (диоды, транзисторы и т, п.), в подавляющем большинстве случаев они изготовляются на основе кремния и область их максимальной   спектральной  чувствительности   находится вблизи l=0,7...0,9мкм.

            Многочисленные требования предъявляются и к излучателям  оптронов.  Основные из них: спектральное согласование с  выбранным   фотоприемником;  высокая эффективность  преобразования  энергии  электрического тока  в  энергию  излучения;  преимущественная направленность  излучения; высокое  быстродействие; простота и удобство возбуждения и модуляции излучения.

            Для использования в оптронах пригодны и доступны несколько разновидностей излучателей:

            - Миниатюрные  лампочки  накаливания.

            - Неоновые лампочки, в которых используется свечение  электрического разряда  газовой смеси неон-аргон.

Этим  видам  излучателей      свойственны  невысокая  светоотдача,  низкая  устойчивость  к механическим  воздействиям,  ограниченная  долговечность, большие  габариты,  полная несовместимость  с интегральной технологией.  Тем  не менее  в отдельных  видах оптронов они могут находить применение.

            - Порошковая электролюминесцентная ячейка использует в качестве светящегося тела мелкокристаллические  зерна  сульфида   цинка  (активированного медью, марганцем или другими присадками),взвешенные в полимеризующемся диэлектрике. При приложении достаточно высоких напряжений переменного тока идет процесс предпробойной люминесценции.

            - Тонкопленочные электролюминесцентные ячейки. Свечение здесь связано с возбуждением атомов марганца “горячими” электронами.

И порошковые, и пленочные электролюминесцентные ячейки   имеют   невысокую   эффективность  преобразования  электрической  энергии  в  световую,  низкую долговечность (особенно- тонкопленочные ), сложны  в управлении  (например,   оптимальный  режим   для  порошковых люминофоров  ~220  В  при  f=400  ... 800Гц). Основное достоинство  этих  излучателей  -  конструктивно-технологическая   совместимость   с   фоторезисторами,  возможность   создания   на   этой  основе   многофункциональных, многоэлементных оптронных структур.

            Основным   наиболее  универсальным   видом  излучателя,  используемым  в  оптронах,  является полупроводниковый   инжекционный   светоизлучающий  диод -  светодиод. Это  обусловлено следующими  его достоинствами:  высокое  значение   КПД  преобразования  электрической  энергии  в оптическую;  узкий спектр излучения    (квазимонохроматичность);    широта   спектрального   диапазона,  перекрываемого   различными  светодиодами;  направленность  излучения;  высокое  быстродействие;  малые  значения  питающих  напряжений  и  токов;  совместимость  с  транзисторами   и  интегральными схемами;  простота  модуляции  мощности   излучения  путем  изменения  прямого  тока;  возможность   работы  как в  импульсном,  так и  в непрерывном  режиме; линейность ватт-амперной  характеристики  в  более  или  менее  широком  диапазоне  входных  токов;  высокая  надежность и долговечность;  малые  габариты;  технологическая совместимость с изделиями микроэлектроники.

            Общие требования, предъявляемые к оптической иммерсионной среде оптрона, следующие: высокое значение  показателя  преломления  nим;  высокое значение удельного сопротивления rим; высокая  критическая напряженность  поля  Еим кр,   достаточная  теплостойкость Dqим раб; хорошая  адгезия  с  кристаллами  кремния  и арсенида галлия; эластичность (это необходимо,  так как не  удается  обеспечить согласование  элементов оптрона по  коэффициентам  термического   расширения);  механическая  прочность,  так как  иммерсионная среда  в оптопаре  выполняет  не только  светопередающие, но  и конструкционные  функции;  технологичность   (удобство использования,   воспроизводимость   свойств,   дешевизна и т. п.).

            Основным   видом   иммерсионной   среды,  используемой  в оптронах  являются полимерные  оптические клеи. Для них типично nим =1,4... 1,6, rим > 1012... 1014  Ом см, Еим кр =80 кВ/мм, Dqим раб = - 60 ... 120 C. Клеи обладают хорошей адгезией к кремнию и арсениду галлия, сочетают высокую механическую прочность и устойчивость к термоциклированию. Используются также незатвердевающие вазелиноподобные и каучукоподобные оптические среды

2.2. ФИЗИКА ПРЕОБРАЗОВАНИЯ ЭHEPГИИ В ДИОДНОМ ОПТРОНЕ

            Рассмотрение       процессов   преобразования  энергии в  оптроне требует  учитывать квантовую  природу света. Известно,  что электромагнитное  излучение  может  быть представлено  в  виде  потока  частиц -  квантов (фотонов), энергия. каждого из которых  определяется соотношением;

Eф=hn=hc/nl                                                                         (2.1)

 где      h  -  постоянная  Планка ;

            с - скорость света в вакууме ;

            n - показатель преломления полупроводника ;

            n, l   - частота колебаний и длина волны оптического излучения.

            Если плотность  потока квантов  (т. е.  число квантов, пролетающих  через  единицу  площади  в   единицу  вpeмени)  равна  Nф, то  полная удельная  мощность излучения составит:

Pф= Nф Eф                                                                              (2.2)

 и, как видно  из (2.1),   при заданном Nф она  тем больше, чем  короче  длина  волны  излучения.  Поскольку  на  практике  заданной   бывает Pф (энергетическая  облученность фотоприемника),    то  представляется    полезным   следующее соотношение

Nф = Pф/ Eф=51015 l Pф                                                     (2.3)

где Nф, см-2с-1; l, мкм; Pф, мВт/см.

            Механизм    инжекционной    люминесценции в светодиоде состоит из трех основных  процессов: излучательная (и  безызлучательная) рекомбинация  в полупроводниках,  инжекция избыточных  неосновных носителей заряда в базу светодиода  и вывод  излучения из области генерации.

            Рекомбинация носителей заряда   в   полупроводнике определяется прежде всего его зонной  диаграммой, наличием и природой примесей  и дефектов,  степенью нарушения  равновесного  состояния.  Основные материалы оптронных  излучателей  (GaAs  и  тройные соединения на его основе GaA1As и  GaAsP) относятся  к прямозонным  полупроводникам т.е. к  таким, в  которых разрешенными являются прямые оптические переходы зона-зона (рис.2.1.). Каждый акт рекомбинации носителя заряда по этой схеме сопровождается излучением кванта, длина волны которого в соответствии с законом сохранения энергии определяется соотношением

lизл[мкм] =1,23/ Eф[эB]                                                       (2.4)

            Следует отметить, Что имеются и конкурирующие безызлучательные - механизмы рекомбинации   . К числу важнейших из них относятся:

            1. Рекомбинация на глубоких центрах. Электрон может переходить в валентную зону не прямо, а через те или иные центры рекомбинации, образующие разрешенные энергетические уровни в запрещенной зоне (уровень Et на рисунке 2.1).

            2. Оже-рекомбинация (или  ударная). При  очень высоких концентрациях свободных  носителей заряда  в полупроводнике растет  вероятность столкновения  трех тел, энергия   рекомбинирующей   электронно-дырочкой  пары при этом отдается третьему свободному носителю  в форме  кинетической  энергии,  которую он  постепенно растрачивает при соударениях с решеткой.

            Относительная  роль  различных  механизмов рекомбинации   описывается   введением   понятия   внутреннего квантового выхода  излучения hint,  определяемого отношением вероятности  излучательной рекомбинации  к полной  (излучательной  и  безызлучательной) вероятности рекомбинации (или, иначе, отношением числа генерированных квантов к числу инжектированных за то же время неосновных носителей заряда). Значение hint является важнейшей характеристикой материала, используемого в светодиоде; очевидно, что 0 hint100%.

            Создание    избыточной    концентрации    свободных   носителей  в   активной  (излучающей)   области  кристалла светодиода     осуществляется     путем     инжекции    их  р   -   n-переходом,   смещенным  в   прямом  направлении.

            “Полезной” компонентной тока, поддерживающей  излучательную рекомбинацию в активной области диода, является  ток  электронов  In     (рис.2.2,а), инжектируемых   р   -   n-переходом.   К   “бесполезным” компонентам прямого тока относятся:

            1.  Дырочная  составляющая  Ip,  обусловленная инжекцией  дырок  в  n-область  и  отражающая  тот факт, что  р - n-переходов с  односторонней инжекцией  не бывает,  Доля этого  тока тем  меньше чем  сильнее легирована n-область по сравнению с р-областью.

            2.  Ток  рекомбинации (безызлучательной)  в области объемного  заряда  р  -  n-перехода  Iрек.  В полупроводниках  с  большой  шириной  запрещенной  зоны  при  малых прямых  смещениях  доля  этого  тока может  быть заметной.

            3.  Туннельный  ток Iтун ,  обусловленный “просачиванием” носителей  заряда  через  потенциальный  барьер. Ток  переносится  основными носителями  и вклада  в излучательную  рекомбинацию   не  дает.   Туннельный  ток тем  больше,  чем  уже  р -  n-переход, он  заметен при сильной  степени  легирования  базовой  области  и  при больших прямых смещениях.

            4. Ток поверхностных утечек Iпов,  обусловленный отличием  свойств  поверхности полупроводника  от свойств объема   и   наличием   тех  или   иных  закорачивающих включений.

Эффективность р  - n-перехода  характеризуется коэффициентом инжекции:

                                                      (2.5)

Очевидно, что  пределы возможного  изменения g те же, что и у hint, т. е. 0 g 100%.

            При  выводе  излучения  из  области  генерации имеют место следующие виды потерь энергии (рис. 2.2,6):

            1. Потери на самопоглощение (лучи 1). Если длина волны генерируемых квантов в точности соответствует  формуле (2.4),  то она  совпадает с  “красной границей” поглощения (см.  ниже), и  такое излучение  быстро поглощается   в  толще   полупроводника  (самопоглощение).В  действительности,  излучение в   прямозонных полупроводниках  идет  не  по  приведенной  выше идеальной, схеме. Поэтому  длина  волны  генерируемых  квантов несколько больше, чем по (2.4):

            2. Потери на полное внутреннее отражение (лучи 2).Известно, что при падении лучей света на границу раздела оптически плотной среды (полупроводник) с оптически менее плотной (воздух) для части этих лучей выполняется условие полного внутреннего отражения такие лучи, отразившиеся внутрь кристалла, в конечном счете теряются за счет самопоглощения.

            3. Потери  на обратное  и торцевое  излучение (луч 3  и  4).

Количественно      эффективность вывода оптической энергии из кристалла характеризуется  коэффициентом вывода Копт определяемым отношением мощности излучения, выходящего в  нужном направлении, к мощности излучения, генерируемой внутри кристалла. Так  же, как и для коэффициентов hint и g , всегда выполняется условие 0 Копт 100%.

            Интегральным показателем излучеательной способности светодиода является величина внешнего квантового выхода hext. Из сказанного ясно, что hext= hint g Копт.

            Перейдем к приемному блоку.  Принцип действия    используемых в оптронах фотприемников основан на внутреннем  фотоэффекте , заключающемся в отрыве электронов от атомов внутри тела под действием электромагнитного      (оптического)  излучения.

            Кванты    света,    поглощаясь    в    кристалле,    могут   вызывать   отрыв   электронов  от   атомов  как   самого  полупроводника,  так  и  примеси.  В  соответствии  с этим говорят     о собственном     (беспримесном)      и     примесном поглощении      (фотоэффекте).       Поскольку      концентрация примесных     атомов     мала,     фотоэлектрические     эффекты, основанные   на    собственном   поглощении,    всегда   существеннее,   чем   основанные   на   примесном.    Все   используемые   в   оптронах   фотоприемники  “работают”   на  беспримесном   фотоэффекте.   Для   того   чтобы   квант    света   вызывал  отрыв электрона  от атома,  необходимо выполнение  очевидных   энергетических  соотношений:

Eф1=hn1Ec-Ev                                                                      (2.6)

Eф2=hn2Ec-Et                                                                      (2.7)

             Таким  образом,  собственный  фотоэффект  может  иметь место  лишь при  воздействии на  полупроводник излучения  с  длиной  волны,  меньшей некоторого  значения lгр:

Страницы: 1, 2, 3