Главная Операционные усилители



Глава 15

ОПТОЭЛЕКТРОНИКА

Оптоэлектроника охватывает класс электрических и электронных устройств, которые при взаимодействии со светом дают такие эффекты, как протекание тока, возникновение разности потенциалов или изменение сопротивления. Большинство авторов наряду с устройствами, реагирующими на свет оптического (видимого) диапазона, включают в эту категорию и устройства, которые реагируют на инфракрасный и ультрафиолетовый свет. Б данной книге мы рассмотрим фотовольтаиче-ские элементы, фоторезисторы, фототранзисторы и устройства, использующие эти элементы, такие, как оптроны или оптоизо-ляторы.

Фотоэлектрический эффект

Б 1887 г. физик Генрих Герц в одном из своих экспериментов заметил, что некоторые вещества под воздействием света испускают свободные электроны. Другой физик, Макс Планк, как будто специально дождавшись начала двадцатого столетия, предложил в 1900 г. теорию, согласно которой свет может существовать только в виде некоторых дискретных сгустков энергии, которые он назвал фотонами. Б 1905 г. Альберт Эйнштейн развил эту теорию. Он постулировал, что содержание энергии в фотоне пропорционально частоте (цвету) света. Это выражается соотношением

E = hv, (15.1)

где £ -энергия; /г -постоянная Планка (6,63-10-* Дж-с), у - частота света.

Каждый материал характеризуется так называемой работой выхода, т. е. энергией, требуемой для высвобождения электрона. Если энергия фотона (15.1) превышает этот уровень, электрон будет освобожден. Освобожденный электрон приобретает кинетическую энергию, равную разности между энергией фотона и работой выхода, или

Ь = £о+£кин. (15.2)

где Ео - работа выхода; кии - кинетическая энергия испущенного электрона.



Следовательно, фотоэлектрический эффект зависит от двух факторов: частоты падающего луча света и работы выхода материала. Для каждого данного материала существует частота света (или, если хотите, цвет), ниже которой электроны не испускаются, так как энергия фотона не превышает работы выхода.

Интересно заметить, что в 1905 г. Эйнштейн опубликовал четыре статьи, завоевавшие ему признание среди физиков. Из них наиболее широкую известность получили статьи, посвященные теории относительности, но Нобелевскую премию по физике он получил за работы по фотоэлектрическому эффекту. За давностью лет трудно судить, из-за чего это произошло: то ли из-за крайнего консерватизма части комитета или из-за того, что они просто не смогли понять всего значения его теории. Тем не менее этот факт показывает, что иногда история является лучшим судьей, чем отдельные личности.

Явление фотопроводимости возникает в полупроводниковом материале в тех случаях, когда фотон способен передать валентному электрону количество энергии, достаточное для перевода его в зону проводимости. Благодаря этому явлению свет влияет в известной мере на проводимость р-п-перехода. Если переход смещен в прямом направлении, этот эффект маскируется большим количеством протекающих носителей заряда Однако в переходе, смещенном в обратном направлении, нормальный ток в отсутствие света ограничен током утечки, который крайне мал. Падение света на переход приводит к заметному возрастанию тока. Даже в обычном стеклянном диоде, смещенном в обратном направлении, этот эффект в некоторой степени заметен.

Когда р-п-переход является частью транзистора, сконст-, руированного таким образом, что свет может попадать на базу, фототок увеличивается пропорционально усилению транзистора по постоянному току. Это выражается соотношением

I = {I-h,) + I, (15.3>

где /к -ток коллектора; / - фототок базы; йфэ - 3-усиление транзистора по постоянно.му току.

Фотоэмиссия и светодиоды

Когда в атом попадает энергия в каком-либо виде, то существует вероятность того, что часть ее будет поглощена. Б этой ситуации энергетические уровни некоторых электронов могут возрастать, не нарушая принципа сохранения энергии. Б используемой нами орбитальной модели атома это соответствует перескоку электрона (рис. 15.1) на орбиту или в зону, более удаленную от ядра. Б течение некоторого времени электрон может оставаться в этом возбужденном состоянии, однако в



i3>

Возбужденное энергетическое состояние

Исходное состояние (неооздуокденное)

Рис. 15.1. Когда возбужденный электрон переходит на более высокий энергетический уровень, его состояние неустойчиво. Когда он возвращается в исходное состояние, излучается фотон.

какой-то момент он должен возвратиться в основное состояние, или состояние покоя. Опять же по принципу сохранения энергии при этом требуется, чтобы электрон освободил количество энергии, равное разности между энергетическими уровнями двух различных состояний. Энергия может выделяться в виде тепла, рентгеновского излучения или излучения видимого света.

В р-п-переходе, смещенном в прямом направлении, электроны, инжектированные в п-область под воздействием источника питания, получают избыточный уровень энергии, позволяющий им пересекать р-п-барьер. Эта энергия может быть отдана, когда электрон рекомбинирует с дыркой и становится электрически нейтральным. Отданная энергия может выделяться в виде инфракрасного или видимого излучения.

В кремниевых и германиевых диодах фотоны, выделяемые при этом процессе, соответствуют обычно инфракрасному диапазону, но в диодах на арсениде галлия GaAs энергетические уровни расположены выше, в результате чего излучение попадает в красный, видимый диапазон. Светоизлучающие диоды •создают излучение красного, желтого и зеленого цветов. В некоторых светодиодах красно-зеленого излучения диоды с крас-

~Ю00 Ом калибровпа


Ртутная батарея, 1,36 В

О-1 мА пост:


Рис. 15.2. Измеритель интенсивности света, использующий фотосопротивление. 256



0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 33 34 35 36 37 38 39 40 41 42 43 44 45 46 47 48 49 50 51 52 53 54 55 56 57 58 59 60 61 62 63 64 65 66 67 68 69 70 71 72 73 74 75 76 77 78 79 80 81 82 [83] 84 85 86 87 88 89 90 91 92 93 94 95 96 97 98 99 100 101 102 103 104 105 106 107 108 109 110 111 112 113 114 115 116 117 118 119 120 121 122 123 124 125 126


0.035