Розрахунок та проектування приладу оптоелектроніки: фототиристор

Міністерство освіти і науки України

Запорізька державна інженерна академія

Факультет електроніка та електронних технологій

Кафедра фізичної та біомедичної електроніки

Пояснювальна записка

до курсового проекту

з дисципліни: «Твердотіла електроніка»

на тему: «Розрахунок та проектування приладу

оптоелектроніки: фототиристор»

Виконала:

Керівник проекту:

Дата здачі на перевірку:

Дата перевірки:

Дата захисту:

Запоріжжя, 2009

РЕФЕРАТ

Курсова робота містить 27 стор., 14 рис., 12 використаних джерел, 2
плакати.

Ціль роботи: Розглянути, що таке фототиристор, за яким принципом працює
фототиристор, що таке фотоефект. Провести розрахунки фототранзистор.

Задачі роботи:

розглянути загальні відомості про фототиристори;

розрахувати лінійну залежність токів в фотоелементах;

розглянути конструкції різних видів фототранзисторів їх характеристики,
та параметри принципи дії;

розрахувати параметри та характеристики фототранзистора на
гетеропереходах.

ОПТОЕЛЕКТРОНІКА, ТРАНЗИСТОР, ФОТОТРАНЗИСТОР, ФОТОТИРИСТОР, ФОТОЕФЕКТ,
КОЛЕКТОР, БАЗА, еМІТЕР, ІНЖЕКЦІЯ, рекомбінація, Р-N-ПЕРЕХІД,
ГЕТЕРОПЕРЕХІД

ЗМІСТ

ВСТУП

I Фототиристор

Загальні відомості

Принцип дії фототиристора

II Фотоефект

Внутрішній фотоефект

Фотопровідність

переході

Зовнішній фотоефект

III Розрахунок параметрів і характеристик фототранзистора на
гетеропереходах

Висновок

Використана література

ВСТУП

Оптоелектроніка є одним з найактуальніших напрямків сучасної
електроніки. Оптоелектронні прилади характеризуються виключно
функціональною широтою, вони успішно використовуються у всіх галузях
інформаційних систем для генерації, перетворення, передачі, зберігання
та відображення інформації. При створенні оптоелектронних приладів
використовується багато нових фізичних явищ, синтезуються унікальні
матеріали, розробляються над прецизійні технології. Оптоелектроніка
досягає стадії промислової зрілості, але це тільки перший етап, бо
перспективи розвитку багатьох її напрямків практично безмежні. Нові
напрямки частіше за все виникають як наслідок та інтеграція ряду вже
відомих досліджень оптоелектроніки і традиційної мікроелектроніки:
такими є інтегральна оптика та волоконно-оптичні лінії зв’язку; оптичні
запам’ятовуючі пристрої, що спираються на лазерну технологію та
голографію; оптичні транспаранти засновані на фотоелектрониці та
нелінійній оптиці; плоскі без вакуумні засоби відображення інформації та
ін.

Оптоелектроніку як науково-технічний напрямок характеризують три
відмітні риси:

1. Фізичну основу оптоелектроніки складають явища, методи та засоби, для
яких принципові сполучення і нерозривність оптичних та електронних
процесів.

2. Технічну основу оптоелектроніки визначають конструктивно-технологічні
концепції сучасної мікроелектроніки: мініатюризація елементів;
переважний розвиток твердотілих площинних конструкцій; інтеграція
елементів та функцій; використання спеціальних матеріалів і методів
прецизійної групової обробки.

3. Функціональне призначення оптоелектроніки полягає в рішенні задач
інформатики: генерації (формуванні) інформації шляхом перетворення
зовнішніх впливів в відповідні електричні та оптичні сигнали; передачі
інформації; перетворенні інформації [1].

I. ФОТОТИРИСТОР

1.1 Загальні відомості

переході під дією світлового потоку. Для управління фото тиристором в
його корпусі передбачено вікно для пропускання світлового потоку.
Відчутною перевагою фототиристора перед тиристорами, що керуються
електричним сигналом, є відсутність гальванічного зв’язку між силовими
пристроями і системою їх управління.

Фототиристор – оптоелектронний пристрій, що має структуру, схожу із
структурою звичайного тиристора та відрізняється від останнього тим, що
вмикається на напругою, а світлом, що освітлює затвор. При освітленні
фототиристора в напівпровіднику генеруються носії заряду обох знаків
(електрони та дірки), що приводить до збільшення потоку через тиристор
на величину фотоструму.

стрибком після подолання певного потенційного бар’єру.

1.2 Принцип дії фототиристора

Основне досягнення фототиристорів – здатність переключати значні струми
і напруги слабкими світловими сигналами – використовується в пристроях
«силової» оптоелектроніки, таких, як системи управління виконавчими
механізмами, випрямлячами ті перетворювачами.

Цей пристрій використовується в керованих світлом випрямлячах та
найбільш ефективний в управлінні сильними струмами при високих напругах.
Швидкість відповіді на світло – менше 1 мкс.

Фототиристори зазвичай виготовляють з кремнію, спектральна
характеристика така ж як і в інших світлочутливих елементів з кремнію.

Як і фототранзистори, фототиристори часто використовуються спільно з
подібними за характеристиками випромінювачами, у вигляді оптопар.

II ФОТОЕФЕКТ

2.1 Внутрішній фотоефект

Зміна електричного опору напівпровідника під дією випромінення
називається фоторезистивним ефектом. Додаткова провідність, обумовлена
носіями заряду,що створені оптичною генерацією, носить назву
фотопровідності.

повинна бути не менше ширини забороненої зони, тобто

2.1

Рисунок 2.1 – Схема можливих оптичних переходів, що обумовлюють
фотопровідність

, довгохвильовий край спектру фотопровідності буде знаходитись при

2.2

, довгохвильова межа спектру фотоструму буде складати

2.3

нижче краю валентної зони, тому

2.4

Власна полоса поглинання, що завжди має яскраво виражену довгохвильову
межу, в принципі може мати і короткохвильову. Однак в багатьох
напівпровідників зона провідності перекривається дозволеними зонами,
створюючи суцільну зону. Тому спектральний розподіл фоточутливості в
залежності від енергії фотонів або довжини хвилі світла повинно
простягатися далеко в короткохвильову область. Але із збільшенням
енергії фотонів збільшується коефіцієнт власного поглинання, а отже,
буде мати місце і збільшення фотопровідності.

Рисунок 2.2 – Спектральний розподіл фотоструму деяких напівпровідників в
області власного поглинання

Якщо квантова ефективність залишається постійною, то при великих
енергіях область поглинання, а отже, область генерації фотоносіїв
розміщується поблизу поверхні напівпровідника. В при поверхневій області
напівпровідника час життя носіїв заряду менше, ніж в об’ємі зразку.
Зміна часу життя не рівноважних носіїв заряду приведе до зменшення
фотопровідності в області коротких довжин хвиль (рис. 2.2).

, то спектр фотоструму розміщений в довгохвильовій області по
відношенню до спектру власної фотопровідності. В якості прикладу на рис.
2.3 наведений спектр фотоструму германію, легованої міді і цинку.

При екситонному поглинанні світла має місце створення пов’язаної пари
електрон-дірка, яка є електрично нейтральним утворенням. Тому екситонне
поглинання спочатку не веде до виникнення вільних носіїв заряду. Однак в
реальних кристалічних структурах екситони не можуть дисоціювати при
взаємодії з фононами, домішковими центрами і дефектами решітки.

Рисунок 2.3 – Спектр фотоструму германію, легованого міддю та цинком

Рисунок 2.4 – Спектри відображення (крива 3) та фотоструму монокристала
окису цинку до (крива 2) та після травлення (крива 1)

Стан поверхні напівпровідника можна легко змінити шляхом різних впливів
на неї (механічне, хімічне і таке інше). Таким чином можна змінити
характер спектру фотоструму, обумовленого екситонним поглинанням. Для
прикладу на рис.2.4 представлені спектри фотоструму монокристала ZnO.
Положення максимумів екситонних смуг поглинання А, В і С (вказано
стрілками) визначено із спектру відображення (крива 3). Видно, що
максимуми смуг екситонного поглинання відповідають мінімумам на кривій
фотоструму (крива 2). Травлення поверхні такого кристалу призводить до
випадку, коли максимумам поглинання відповідають максимуми фотоструму
(крива 1).

Поглинання світла вільними носіями заряду та коливаннями решітки
безпосередньо не можуть призвести до змін концентрації носіїв заряду.
Однак зростання концентрації носіїв заряду в цих випадках може виникати
в результаті вторинних ефектів, коли поглинання світла значно збільшує
кінетичну енергію вільних носіїв заряду, які потім віддають свою енергію
на збудження носіїв заряду.

2.2 Фотопровідність

і рівна:

2.5

Так як, темнова провідність

то фотопровідність напівпровідника, обумовлена безпосередньою дією
випромінення, є

2.6

. Тоді кількість світової енергії, що поглинеться за одиницю часу в
одиниці об’єму цієї речовини

2.7

в одиниці об’єму напівпровідника за одиницю часу для області власного
поглинання утворюються надлишкові електрони і дірки в кількості

2.8

, який зазвичай називають квантових виходом фотоіонізації, визначає
число пар носіїв заряду, що утворюються одним поглинутим фотоном, якщо
інтенсивність світла вимірювати числом квантів в секунду на одиницю
поверхні.

(рисунок 2.5).

Рисунок 2.5 – Зміна за часом концентрації носіїв заряду, збуджених
світлом

‚

JLxz(

h“

???????hu

jO…

jUel

jV=

j(ue

jCae

jfI

j”µ

j\J

jE/

j?d

Стаціонарні концентрації надлишкових носіїв заряду можна визначити,якщо
використати рівняння безперервності, в якому генераційний член записаний
у вигляді (2.8) в припущенні однорідної генерації. Тому

2.9

2.10

а стаціонарна фотопровідність дорівнює:

2.11

визначає питому фоточутливість напівпровідника

2.12

Якщо один з членів в лапках співвідношення (2.11) значно більше іншого
(за рахунок різниці в значеннях рухливості або часу життя електронів і
дірок), то фотопровідність визначається носіями заряду одного знаку і її
називають монополярною. В цьому випадку

2.13

Рисунок 2.6 – Залежність квантового виходу (число збуджених електронів
на один поглинутий фотон) від енергії фотона в германії Т=300 К (а) і
кремнії (б)

Вираз для стаціонарного значення щільності фотоструму буде мати вигляд:

2.14

, можна визначити квантовий вихід ?. На рис. 2.6, а наведена
спектральна характеристика квантового виходу для германію та кремнію.
Видно, що при 300 К аж до 2.7 еВ для германію та до 3 еВ у кремнію ?=1.
При подальшому зростанні енергії фотона квантовий вихід різко
збільшується. Це відбувається тому, що поглинання фотону настільки
великою енергією супроводжується виникненням «гарячих» носіїв заряду, що
мають енергію, достатню для утворення вторинних електронно-діркових пар
шляхом ударної іонізації. Оскільки ширина забороненої зони кремнію
зменшується при підвищенні температури, то межа росту квантового виходу,
як видно з рис. 2.6, б, зміщується в бік менших енергій.

переході

перехід.

переходу і струми при термодинамічній рівновазі (а) та при освітленні
(б, в)

переходу має вигляд, що зображений на рис. 2.7, а. в цьому випадку
струми обумовлені вільними носіями заряду, що генерують за рахунок
теплового збудження, та в рівновазі сумарний струм дорівнює нулю. При
прийнятому позначенні струмів, я це зроблено на рис.2.7, а, умова
рівноваги буде записана у вигляді

2.15

В цьому рівнянні кожна пара струмів електронів і дірок дорівнює нулю

2.16

області є не що інше, як електронна та діркова складові струму
насичення в вольт-амперній характеристиці діода. Повний струм насичення

2.17

область (рис.2.7, в).

перехід:

2.18

, як видно з рис.2.7, в рівні своїм значенням в рівновазі:

2.19

збільшуються і стають рівними:

2.20

2.21

Об’єднуючи вирази (2.19 – 2.21), отримаємо:

2.22

2.23

звідки маємо:

2.24

Рівняння (2.24) є рівнянням фотодіода для будь-якого режиму.

. Тоді

2.25

переходу, то

2.26

Цей вираз справедливий для випадку, коли все світло, що падає на
напівпровідник поглинається. Враховуючи (2.26) вираз (2.25) прийме
вигляд:

2.27

, маємо:

2.28

, користуючись розкладанням в ряд, отримаємо

2.29

тобто вентильна фото-ЕРС при низькому рівні збудження пропорційна
інтенсивності світла.

Отримані залежності вентильної фото-ЕРС від інтенсивності збуджуючого
світла достатньо добре узгоджуються з експериментальними даними, як це
видно з рис.2.8 та 2.9, на яких проведені вольт-амперна та люкс-амперна
характеристики для германієвого фотодіода в вентильному режимі. З
рис.2.8 виходить, що малим струмам відповідає граничне для даного
освітлення значення фото-ЕРС.

Рисунок 2.8 – Вольт-амперна характеристика в вентильному режимі
фотодіода

Рисунок 2.9 – Люкс-амперна характеристика в вентильному режимі
германієвого фотодіоду

. Тому вентильна фото-ЕРС залежить від ступеня легування, а, звідси,
від положення рівня Фермі. Практично ця межа відповідає ширині
забороненої зони [2].

2.4 Зовнішній фотоефект

є енергія, яку має електрон, що вийшов з напівпровідника і має в
вакуумі практично нульову кінетичну енергію. Енергія ?, що відділяє межу
зони від провідності від рівня вакууму, є енергія електричного
зростання. Величина Ф, дорівнює різниці енергій, відповідних рівню Фермі
і рівню вакууму, є робота виходу.

є найменша енергія фотона, яка достатня, для того, щоб вивести
електрон з напівпровідника.

Рисунок 2.10 – Залежність зовнішнього фотоефекту від ступеня легування
напівпровідника

Рисунок 2.11 – Збудження, розсіяння та вихід електронів з
напівпровідника

У власного або виродженого напівпровідника, коли рівень Фермі
знаходиться в забороненій зоні (рис.2.10, а), емісія електронів під дією
світла відбувається із валентної зони. Тому

2.30

2.31

(рис.2.10, б) маємо

2.32

нижче межі валентної зони (рис.2.10, в)

2.33

описується залежністю

2.34

визначається механізмом розсіяння.

Рисунок 2.12 – Спектральне розподілення квантового виходу електронів з
CdTe. Поріг фотоефекту дорівнює приблизно 5 еВ

[3].

III РОЗРАХУНОК ПАРАМЕТРІВ І ХАРАКТЕРИСТИК ФОТОТРАНЗИСТОРА НА
ГЕТЕРОПЕРЕХОДАХ

Параметри фото транзистора на гетеропереходах:

ВАХ фототранзистора;

Енергетичні характеристики;

Спектральні характеристики;

Пороговий потік Фn;

Виявляюча властивість Д;

;

Тонова чутливість;

;

Вихідні данні:

х1 (GaAs) = 4,53 eB; х1 (Ge) = 4,66 eB

?0=0,15 eB; р0=1014 см-3;

I0=10-12 A; n0=1015 см-3;

Т= 300 К; q=1.6·1019 Кл

Діелектрична стала вираховується за формулами:

3.1

3.2

На межі гетеропереходів при х=0 повинна виконуватись умова
безперервності нормальної складової електричної індукції:

3.3

?1(х) і ?2(х), х=0 знаходимо

3.4

3.5

3.6

Повна контактна різниця потенціалів на межах гетеропереходів дорівнює
співвідношенню:

3.7

Тепер знайдемо товщину об’ємного заряду:

Тепер розрахуємо товщину об’ємного заряду:

Вольт-амперна характеристика фототранзистора:

3.8

– зворотне зміщення.

– пряме зміщення.

I, A 0 100 200 300 400

U, B 0 3,86E-09 7,73E-09 1,16E-08 1,55E-08

Виходячи з отриманих результатів будуємо ВАХ

Рисунок 3.1 – Вольт-амперна характеристика фототранзистора

ВИСНОВКИ

Основною позитивною якістю фототиристорів – здатність переключати значні
струми і напруги слабкими світловими сигналами – використовується в
пристроях «силової» оптоелектроніки, таких, як системи управління
виконавчими механізмами, випрямлячами ті перетворювачами.

Недоліком фототиристорів є велика інерційність, що обмежує їх
використання в якості швидкодіючих вимикачів.

Цей пристрій використовується в керованих світлом випрямлячах та
найбільш ефективний в управлінні сильними струмами при високих напругах.

ВИКОРИСТАНА ЛІТЕРАТУРА

Смірнов А.Г Квантова електроніка і оптоелектроніка. Мінськ. 1987р. –
196стр.

Фістуль В.І. Ведення в фізику напівпровідників. Москва. 1984р. – 352стр.

Шалімова К.В. Фізика напівпровідників. Москва. 1985р. – 392стр.

Пасинков В.В., Чирків Л.К. Напівпровідникові прилади. Москва. 1987р. –
480стр.

Мартинов В.Н., Кольцов Г.І. Напівпровідникова оптоелектроніка. Москва.
1999р. – 400стр.

Коган Л.М. Напівпровідникові світло-випромінюючі діоди. Москва. 1983р. –
208стр.

Уерт Ч., Томсон Р. Фізика твердого тіла. Москва. 1972р. – 558стр.

Пикус Г.Е. Основи теорії напівпровідникових приладів. Москва. 1965р. –
153стр.

Бьюб Р. Фотопровідність твердих тіл. Москва. 1962р. – 558стр.

Маслов А.А. Електронні напівпровідникові прилади. Москва. 1967р. –
398стр.

ГромовВ.С., Зайцев Ю.В. Напівпровідникові термоелектричні перетворювачі.
Москва. 1985р. – 120стр.

Ривкін С.М. Фотоелектричні явища в напівпровідниках. Москва. 1963р. –
220стр.

Нашли опечатку? Выделите и нажмите CTRL+Enter