Владимир Поляков - Посвящение в радиоэлектронику
Есть еще один вид излучения — люминесценция. Его мощность превышает, и часто очень намного, интенсивность теплового излучения при данной температуре. Люминесценцию называют «холодным светом». Чтобы возникла люминесценция, необходимо внешнее воздействие нетеплового характера. Хорошо знакомый нам экран электронно-лучевой трубки светится под ударами электронов. В полупроводниковых светодиодах используется электролюминесценция возбуждение атомов проходящим через диод электрическим током.
Возбужденные атомы полупроводника оказываются на метастабильном энергетическом уровне. Возвращаясь в основное состояние, они и излучают квант света. Если возвращение атомов в равновесное состояние происходит самопроизвольно, вне связи с внешними воздействиями, то излучение оказывается некогерентным. Так излучают обычные светодиоды, используемые как индикаторы в электронной аппаратуре. Выпускаются и семисегментные цифровые индикаторы на основе светодиодов. Они применяются в некоторых калькуляторах и часах.
Наибольшее распространение в светодиодах получили такие полупроводники, как арсенид галлия (GaAs) и фосфид галлия (GaP). Используются и тройные соединения, например GaAlAs, GaAlP и др. В зависимости от материала и технологии изготовления получают красный, оранжевый, зеленый и даже синий цвета свечения. Выпускаются и ИК излучающие диоды. Светодиоды могут иметь размеры от нескольких миллиметров до долей миллиметра. Потребляемый ими ток составляет десятки миллиампер при напряжении 2… 3 В. Коэффициент полезного действия светодиодов невелик, и мощность оптического или ИК излучения не превосходит нескольких милливатт.
Светодиоды.
Полупроводниковый лазер имеет такой же излучающий p-n переход, как и светодиод, но структура его существенно отличается. Кристалл полупроводника полируют с торцов, чтобы получить зеркальные стенки, между которыми образуется оптический резонатор. Плотность тока через p-n переход лазера должна быть выше, чтобы интенсивнее переводились атомы на метастабильный уровень Далее, как и в любом лазере, благодаря оптическому резонатору происходит индуцированное излучение на одной определенной длине волны.
Полупроводниковые лазеры имеют заметно худшую когерентность излучения по сравнению с газовыми и даже твердотельными. Угол расходимости светового пучка у них тоже больше. Но зато полупроводниковые лазеры имеют и неоспоримые достоинства: миниатюрность, экономичность и надежность в работе, низковольтное питание. В ряде случаев эти преимущества оказываются решающими.
Итак, мы знаем, как генерируется оптическое излучение, проще говоря — свет. Теперь надо его принять, зарегистрировать. Для этой цели служат фотоприемники.
Полупроводниковый лазер.
Фотодиоды и фототранзисторы
Собственно, с фотоприемниками мы уже знакомы по главе, посвященной телевидению. Вакуумные фотоэлементы и фотоумножители продержались значительно дольше радиоламп, но теперь и они уступают место миниатюрным и чувствительным кремниевым или арсенидгаллиевым фотодиодам. В полупроводниковых фотоприемниках наблюдается внутренний фотоэффект, кванты света «выбивают» электроны в атомах толщи полупроводника. Ставшие свободными электроны создают ток через p-n переход, который регистрируется.
Различают два режима работы фотодиодов: собственно фотодиодный и фотовольтаический. В фотодиодном режиме на p-n переход подастся запирающее напряжение. В темноте ток через закрытый переход оказывается весьма малым. Но стоит осветить переход как ток резко возрастет. Разумеется, за счет «выбитых» квантами света электронов и образовавшихся на их месте «дырок».
В фотовольтаическом режиме на p-n переход не подают напряжения — оно само возникает под действием света. Происходит это оттого, что кванты света сообщают носителям — заряда дополнительную энергию, помогающую им преодолевать потенциальный барьер p-n перехода. «Информационные» фотоприемники, служащие для регистрации оптических сигналов, чаще всего работают в фотодиодном режиме, а солнечные батареи в фотовольтаическом режиме, развивая напряжение в несколько десятых долей вольта на каждый элемент.
Технология изготовления фотодиодов почти не отличается от технологии изготовления обычных полупроводниковых приборов. На кристалле полупроводника методом эпитаксиального выращивания или ионною легирования создают слои с p и n проводимостями. Один вывод образует контакт с подложкой, а другой — тонкий, прозрачный для света слой металла. Параметры фотодиодов совершенствуются в двух главных направлениях:- повышение чувствительности и уменьшение инерционности. С этой целью предложен ряд новых структур: четырехслойные с гетеропереходом, фотодиоды с барьером Шотки (контакт металл-полупроводник), отличающиеся особенно высоким быстродействием, кремниевые p-i-n диоды, которые все более вытесняют прибор с p-n переходом. Структура p-i-n содержит слои полупроводника с p и n проводимостями, разделенные очень тонким i-слоем окиси кремния — изолятором. Обратный ток перехода в p-i-n структуре чрезвычайно мал, что увеличивает чувствительность к слабым световым потокам. Энергия носителей заряда, возбужденных квантами падающего света, оказывается вполне достаточной, чтобы преодолеть тонкий слой изолятора и создать фототок.
Кремниевый p-i-n фотодиод.
Фототранзистор в отличие от фотодиода обладает внутренним усилением и благодаря этому — повышенной чувствительностью. Фототранзисторы с p-n переходами изготавливаются по стандартной планарной технологии кремниевых интегральных схем. От обычного n-p-n транзистора фототранзистор отличается только тем, что у него в области эмиттерного перехода имеется прозрачное окно, пройдя которое свет попадает в базу. Образовавшиеся благодаря действию квантов света носители заряда создают ток базы. Ток коллектора в соответствии с принципом работы транзистора получается в h21Э раз больше. Типичное значение коэффициента передачи тока кремниевого транзистора составляет 50…200.
Из других типов фотоприемников следует упомянуть фоторезисторы. Как правило, они также изготавливаются из полупроводника, но p-n переходов не имеют, т. е. ведут себя как обычные омические сопротивления. Темновое сопротивление фоторезистора обычно велико и может достигать нескольких мегаом. Под действием света в толще полупроводника появляются свободные носители заряда, резко снижающие сопротивление фоторезистора. Если в вашем подъезде установлен автомат включения лестничного освещения с наступлением темного времени суток, то можете быть уверены, что датчиком служит фоторезистор, обычно типа ФСК-1 или ФСК-2.
Фототранзистор.
Большие трудности возникают при создании фотоприемников для ИК области спектра. Дело в том, что для «вырывания» электрона из атома полупроводника при фотоэффекте квант света должен совершить определенную работу, называемую работой выхода. Следовательно, энергия кванта должна быть больше работы выхода для данного вещества. Но энергия квантов уменьшается с увеличением длины волны. Кремниевые фотоприемники эффективно работают только в видимой части спектра до длин волн 0,8…0,9 мкм. Германий, а также тройные соединения, такие как InGaAs, GaAsSb, позволяют продвинуться в длинноволновую область до 2… 3 мкм. А для приема в дальней ИК области (10…12 мкм) необходимо использовать уже другие физические принципы. Обнадеживающие результаты дают пироэлектрические приемники. В них используются вещества, создающие электрический заряд при воздействии тепла. Пироприемник обычно содержит и усилитель на полевом транзисторе с изолированным затвором, имеющий очень высокое входное сопротивление (гигаомы), согласующееся с высоким сопротивлением пироэлемента.
Рассмотрев способы генерации и приема оптического излучения, перейдем к устройствам, в которых используются описанные приборы.
Лидары, светодальномеры, оптроны…
Ассортимент подобных устройств огромен. Не будем заниматься их перечислением, а рассмотрим некоторые из них.
Лидар, или оптический локатор с лазером в качестве передатчика, внешне напоминает обыкновенный спаренный телескоп. Принцип действия его точно такой же, как и у известного нам радиолокатора. Импульсы мощного лазера, дополнительно сфокусированные оптической системой одного из телескопов, посылаются в направлении исследуемого объекта. Отраженный или рассеянный сигнал достигает приемной трубы-телескопа и воздействует на фотоприемник. По задержке отраженного импульса определяют расстояние до объекта, а по положению телескопов — его угловые координаты. Точность их измерения лидером намного превосходит точность любого радиолокатора. Так, например, угловые координаты можно определить с точностью до угловой секунды, а дальность — до нескольких десятков сантиметров. Что это значит? Можно, например, на расстоянии 200 км следить за стыковкой двух космических аппаратов, сблизившихся до расстояния в несколько метров.
