книги / Общая электротехника и электроника. Физические основы и элементная база электроники

оси у. Тогда под действием электрического поля электроны начнут дви­ гаться внутри кристалла по направлению оси z, под действием лоренцовой силы отклоняться в направлении, перпендикулярном направлению напря­ женности магнитного поля Н, т.е. по оси х. Таким образом, на одной грани, например А, будет накапливаться отрицательный заряд, а на грани В - по­ ложительные ионы донорной примеси. Этот процесс накопления будет происходить до тех пор, пока электрическое поле, которое возникает меж­ ду гранями А и В9не создаст силу, которая скомпенсирует силу Лоренца. При этом устанавливается постоянная ЭДС Холла на гранях А и В, которая находится следующим образом [3]:

где R] - постоянный коэффициент, Л = — ; R - коэффициент Холла; цо - ^0

магнитная проницаемость полупроводника; / - ток в направлении оси z; В индукция, вызванная магнитным полем; Ь - толщина пластинки в на­ правлении магнитного поля.

Датчики Холла широко применяются для измерения электромагнит­ ных моментов двигателей постоянного тока, измерения активной мощно­ сти в цепях переменного тока, в качестве множительных элементов и квад­ раторов в различных регуляторах и т.д.

5. Ф ОТО ПОЛУП РОВОДНИКОВЫ Е П РИ БО РЫ

Л е к ц и я 14

Полупроводниковые приборы, принцип действия которых основан на преобразовании световой энергии в электрическую, называются фотополупроводниковыми. Принцип действия этих приборов основан на внут­ реннем фотоэффекте, суть которого в следующем. При действии светового потока на полупроводник возникает избыточная концентрация носителей заряда за счет энергии кванта света фотона hv, которая отдается электрону и переводит его из валентной зоны в зону проводимости. Прибор, в кото­ ром используется это явление, называют фоторезистором. К фотополупроводниковым приборам относятся также фотоэлектрические приборы с р-л-переходом и светоизлучающие приборы.

5.1. Фоторезисторы

Существуют различные типы фоторезисторов. Наибольшее примене­ ние получили фоторезисторы, изготовленные на основе сульфида кадмия, селенида кадмия и сернистого свинца. Фоточувствительный слой фотосо­ противления может быть получен путем прессования тонких пластинок из порошкообразного полупроводника с последую­ щим спеканием, либо путем нанесения тонкого слоя полупро­ водника на диэлектрическую подложку из стекла, слюды, кера­ мики методом химического или вакуумного осаждения, либо методом изготовления тонких пластинок из монокристаллического полупроводникового материала. Электроды наносятся на

Рис. 5.1 фоточувствительный слой методом вжигания или осаждения металла в вакууме. Эту конструкцию помещают в пластмассо­ вый или металлический корпус, который имеет светоприемное окно, через

которое освещается вся фоточувствительная площадка (рис. 5.1).

5.1.1. Основные характеристики и параметры фоторезистора

Вольт-амперная характеристика представляет собой зависимость светового тока от напряжения при постоянном световом потоке. Световой ток представляет собой сумму темнового тока и фототоков: /с = /ф + /т, где

напряжения связана с эффектом на контактах между отдельными зернами или кристаллами материала полупроводника и при больших значениях на­ пряжения с явлением насыщения.

Световая, или люкс-амперная, характеристика - это зависимость фототока от светового потока или освещенности при постоянном напряже­ нии, приложенном к фотосопротивлению. При малой освещенности чувст­ вительность наибольшая и зависимость близка к линейной (рис. 5.3). При

большой освещенности хара1сгеристика вы­ поласкивается и зависимость тока от осве­ щенности может быть приближенно опреде­ лена как [3]

/ ф = а4ё ,

где /ф - фототок; А - постоянный коэффици­ ент, зависящий от типа фоторезистора; Е - освещенность в люксах.

Спектральная характеристика - это зависимость фототока от длины волны све­ тового потока при постоянном напряжении.

На рис. 5.4 приведены усредненные спектральные характеристики для сернисто-кадмиевых, селенисто-кадмиевых и сернисто-свинцовых фотосо­ противлений. Сернисто-кадмиевые имеют максимальную чувствитель­ ность в видимой области спектра, селенисто-кадмиевые - в красной облас­

один из недостатков, который ограничивает область его применения. Дру­ гим недостатком является зависимость его характеристик и параметров от температуры.

Основные параметры и схема включения. К основным параметрам фоторезистора относятся рабочее и максимально допустимое напряжения, допустимая мощность рассеяния, общий ток и фототок, темновое сопро­ тивление и кратность изменения сопротивления, удельная и интегральная чувствительность, постоянная времени измене­

ния фотодатчика и др.

Схема включения фоторезистора пред­ ставлена на рис. 5.6. В качестве нагрузки может быть включено электромеханическое реле, ко­ торое срабатывает при определенном световом потоке, коммутируя различные электрические цепи. Источник питания может быть как посто­ янным, так и переменным. Основными досто­

инствами фотосопротивления являются его высокая чувствительность и большая допустимая мощность рассеивания, что позволяет включать фо­ тосопротивления в цепь нагрузки без предварительного усиления фото­ тока.

5.2. Фотоэлектрические приборы с р-л-переходом

Принцип действия этих приборов основан на фотогальваническом эффекте. Суть его заключается в следующем. При облучении р-н-перехода световым потоком под действием фотонов происходит генерация свобод­ ных электронов и дырок, которые вследствие диффузионных сил смеща­ ются в обедненную область и попадают под воздействие внутреннего элек­ трического поля. Это поле тормозит движение основных носителей и ус­ коряет движение неосновных, перемещая их в соседнюю область. В ре­ зультате этого в обедненном p -слое накапливается избыточный заряд ды­ рок, а в области п - избыточный заряд электронов, которые образуют нар- и-переходе дополнительную разность потенциалов, называемую фотоэлектродвижущей силой £ф.

Фотогальванический эффект используется в вентильных фотоэлемен­ тах, фотодиодах, фототранзисторах и фототиристорах.

5.2.1. Фотодиоды и вентильные фотоэлементы

Это приборы, которые имеют один р-и-переход и могут работать с внешним источником питания и без него. В первом случае они называются фотодиодами, а во втором - вентильными фотоэлементами.

Схема включения фотодиода представлена на рис. 5.7. В этой схеме к фотодиоду прикладывается обратное напряжение питания Un. При подаче

светового потока за счет фотогальвани­ ческого эффекта величина обратного тока возрастает и на сопротивлении появляет­ ся напряжение UBblx. Вольт-амперная ха­ рактеристика фотодиода (рис. 5.8) может быть представлена уравнением

где /ф - фототок, вызванный дополнительными носителями, образовавши­ мися на /?-л-переходе за счет светового потока.

Значительное изменение тока в обратной ветви позволяет использо­ вать фотодиод в схемах измерения светового потока и физических вели­ чин, связанных с изменением светового потока, т.е. в тех же случаях, что и фоторезистор. Однако фотодиод имеет значительно лучшие частотные свойства, что расширяет область его применения. Спектральная, световая и частотная характеристики, а также основные параметры фотодиода такие же, как и у фоторезистора, поэтому здесь не рассматриваются. Конструк­ ция их подобна обычному диоду, только в корпусе предусмотрено свето­ проницаемое окно, через которое свет попадает на /?-«-переход.

Вентильные фотоэлементы могут быть получены путем диффузии ак­ цептора на монокристалл кремния «-типа или донора на монокристалл кремния /?-типа. Толщина слоя присадки составляет единицы микрон, по­ этому этот слой является проницаемым для света. Для защиты от внешней среды р-и-переход помещают в пластмассовый корпус и рабочую поверх­

ность покрывают прозрачным лаком в той области спектра, в которой должен работать данный элемент. Схема включения фотоэлемента показа­ на на рис. 5.9. Основной характеристикой вентильного фотоэлемента явля­ ется световая характеристика (рис. 5.10).

С увеличением величины нагрузочного сопротивления фототок фото­ элемента уменьшается. Спектральная характеристика имеет такой же вид, как и у фогорезистора, но максимум ее находится в области спектра, близ­ кого к области максимума распределения энергии в солнечном спектре. К основным параметрам вентильного фотоэлемента относятся интегральная чувствительность и коэффициент полезного действия, т.е. отношение мак­ симальной мощности, которую можно получить от фотоэлемента, к общей мощности излучения, падающей на фотоэлемент. КПД кремниевых эле­ ментов составляет 10-20 %. Напряжение холостого хода одного элемента - 0,5 В, ток короткого замыкания составляет единицы миллиампер. Соби­ рая фотоэлементы в батареи, можно получить достаточно большую мощ­ ность и напряжение на выходе этой батареи. Современная технология по­ зволяет создавать солнечные матричные батареи, представляющие собой пластину кремния с большим количеством соединенных между собой мик­ рофотоэлементов. С помощью таких солнечных батарей можно получать десятки киловатт полезной мощности с квадратного метра. Используются вентильные фотоэлементы в тех случаях, когда другие виды получения электрической энергии невозможны (спутники, космические станции, вы­ сокогорные обсерватории и т.д,).

5.2.2. Фототранзисторы

Конструктивно фототранзисторы устроены так же, как и обычные транзисторы, только в корпусе предусмотрено светопроницаемое окно и толщина эмиттера является проницаемой для светового потока, который облучает переход база - эмиттер. В этом случае за счет фотогальваниче­ ского эффекта на переходе появляются дополнительные носители, которые усиливаются транзистором, создавая коллекторный ток, в р раз больший базового тока. Вид вольт-амперная характеристики и фоторезисторов

(рис. 5.11) такой же, как и обычных транзисторов, но семейство характери­ стик получается при разных световых потоках (Ф).

Спектральная, световая, частотная характеристики и параметры фото­ транзисторов аналогичны характеристикам и параметрам фотосопротивле­ ния. Основное достоинство их - большая интегральная чувствительность.

Схема включения фототранзистора представлена на рис. 5.12. В дан­ ной схеме вывод базы отсутствует. В некоторых фототранзисторах база выводится наружу. В этом случае на базу можно подавать напряжение смещения и, следовательно, получать линейный участок характеристик в схемах измерения светового потока или производить температурную ком­ пенсацию погрешности.

5.2.3. Фототиристоры и фотодинисторы

Это четырехслойная полупроводниковая структура с тремя или двумя выводами, которая включается световым потоком, для чего в корпусе име­ ется светоприемное окно, пропускающее световой поток на одну из баз ти­ ристора. Семейство вольт-амперных характеристик (рис. 5.13) имеет такой же вид, как и обычных тиристоров, только напряжение открывания U0TK изменяется за счет светового потока. Спектральная, световая, частотная характеристики и параметры такие же, как и у фотоэлемента. Достоинст­ во - большая мощность и напряжение, которое может коммутировать дан-

ный прибор. Наличие управляющего электрода в схеме включения (рис. 5.14) позволяет закрывать тиристор в цепях постоянного тока или вводить температурную компенсацию.

5.3.Светоизлучающие приборы

Воптоэлектронике существует две группы излучателей: светоизлу­ чающие полупроводниковые диоды и оптические генераторы когерентного излучения (лазеры).

Оптический диапазон спектра включает в себя ультрафиолетовое, ви­ димое и инфракрасное излучение. Реальный луч света представляет собой наложение волн, генерируемых большим числом возбужденных атомов. При этом возможны два случая. Первый - это когда каждый атом генери­ рует независимо от другого свою частоту, фазу и направление единичного вектора, и при этом получаем некогерентное излучение. Во втором случае колебания всех атомов, участвующих в излучении, согласованны, т.е. час­ тота, фаза и вектор совпадают или постоянны во времени, и при этом по­ лучаем когерентное излучение. Генерация света осуществляется с исполь­ зованием либо теплового, либо люминесцентного излучения. При темпера­

турах более 2000 °С частота спектра теплового излучения приходится на видимую область. Люминесценция - это излучение, мощность которого превышает мощность теплового излучения при данной температуре. Это возможно за счет энергии внешнего воздействия, когда, например, за счет светового потока электроны люминесцирующего вещества переходят на более высокие энергетические уровни, а затем, возвращаясь на более низ­ кие уровни, испускают фотон с длиной волны оптического диапазона. Ес­ ли переход излучающих атомов не связан с внешним воздействием, то мо­ мент испускания и вектор поляризации каждого фотона случайны. В этом случае мы получаем спонтанное некогерентное излучение. Если же на люминесцирующую поверхность действует свет с частотой, соответствующей резонансной частоте этих атомов, то возможен такой эффект, что все ато­ мы одновременно излучают фотоны, неотличимые от тех, которые их воз­ буждают. В этом случае мы получаем когерентное излучение, которое на­ зывается вынужденным или индуцированным.

5.3.1. Светоизлучающие диоды

Светоизлучающие диоды выполняются на полупроводниках типа А В , в которых наиболее сильно проявляется инжекционная электролю­ минесценция. Если из полупроводника такого типа изготовить /?-л-переход и приложить к нему прямое напряжение, то за счет инжекции в базе будут накапливаться неосновные носители, которые, рекомбинируясь, вызовут

свечение. Для генерации видимого спектра нужны полупроводники с ши­ риной запрещенной зоны ~ 1,7 эВ. При меньшей ширине запрещенной зо­ ны происходит излучение инфракрасного диапазона (ИК), при большей ширине - ультрафиолетового. Рекомбинация электронов и дырок может происходить при прямых и непрямых переходах. При рекомбинации вы­ полняется закон сохранения не только энергии (W$ = Av), но и импульса

(Рф= Ау/С).

Рис. 5.15

Зависимость энергии электрона в зоне проводимости и дырки в ва­ лентной зоне от импульса представлена на рис. 5.15. В первом случае (рис. 5.15, а) переход называется прямым, он не вызывает изменения коле­ бательного состояния решетки. Во втором случае (см. рис. 5.15, б) реком­ бинация электрона и дырки сопровождается изменением колебательного состояния решетки полупроводника и переход электрона из ЗП в ВЗ носит название непрямого перехода. При этом фононы (колебания решетки) рас­ пространяются со значительно меньшей скоростью, чем фотоны и могут унести значительно больший импульс Рф при меньшей энергии. Вероят­ ность такого перехода ничтожно мала, однако она сильно возрастает, если есть разрешенные уровни различных примесей в запрещенной зоне. При этом процесс рекомбинации идет в два этапа: сначала электроны уходят на уровень примеси, а затем переходят в валентную зону. В зависимости от ширины запрещенной зоны и расположения энергетических уровней ре­ комбинированных ловушек в ней процесс рекомбинации может сопровож­ даться излучением в области оптического спектра. В качестве полупровод­ никового материала широко используются арсенид галия, фасфид галия, карбид кремния, сульфид кадмия и др.