Prof. Ing. Pavel Bezoušek, CSc ELEKTRONICKÉ SOUČÁSTKY 6. Optoelektronické součástky (Detektory a generátory záření) Prof. Ing. Pavel Bezoušek, CSc

Poznámky: vlnová délka  = c/f; ELF = Extra Low Frequency Optoelektronické součástky Přehled elektromagnetického vlnění f [Hz]  [m] 30 300 3k 30k 300k 3M 30M 300M 10M 1M 100k 10k 1k 10 1 Zvukové kmitočty Ultrazvuk Rádiové kmitočty Krátké vlny VKV UKV ELF f Poznámky: vlnová délka  = c/f; ELF = Extra Low Frequency k = 103, M = 106 Slyšitelný zvuk Infrazvuk 100 Dlouhé v. Střední v.

Přehled elektromagnetického vlnění f [Hz]  [m] 300M 3G 30G 300G 3T 30T 300T 3000T 1 0,1 0,01 1mm 10m Mikrovlnné kmitočty Decimetrové Optické záření Daleké infra Ultra- fialové UKV f 1m 0,1m Centimetrové Milimetrové Sub-milimetrové 0,1mm Blízké infra Viditelné Infračervené záření Rádiové kmitoč. Poznámky: M =106 , G = 109, T = 1012,  = 10-6

Pásmo optických kmitočtů f [Hz]  [m] 0,3T 3T 30T 300T 3 000T 0,1mm 10m Mikrovlnné kmitočty Optické záření Daleké infračervené Ultrafialové záření f 1m 0,1m Milimetrové Sub-milimetrové Blízké infračervené Viditelné Infračervené 10nm 1nm Roentgen záření hf [eV] 0,001 0,124 1,24 12,4 0,012 124 1240 1mm 30 000T Pozn.: T = 1012,  = 10-6, n = 10-9, h = 6,63.10-34 Js, 1eV = 1,6.10-19 J

Vlnově - korpuskulární dualismus Na elektromagnetické záření pohlížíme jako na spojitou vlnu a současně jako na proud částic – fotonů Fotony mají energii rovnou E = h.f = h.c/, kde h = 6,63.10-34 Js je Planckova konstanta Interakce elektromagnetického záření s látkou probíhá zásadně prostřednictvím interakce jednotlivých fotonů s částicemi látky Na kmitočtech, kde E = h.f  k.T/2 (kde k = 1,38.10-23 J/K je Boltzmannova konstanta, T je absolutní teplota) nelze rozeznat jednotlivé interakce mezi tepelnými fluktuacemi – záření se jeví spíše jako spojité vlnění Této meze: kT/2 = 2,06.10-21 J = 0,012 eV se dosahuje právě na dolním okraji optického pásma kmitočtů

Stimulovaná emise fotonu Spontánní emise fotonu Interakce fotonu s látkou Foton optického záření interaguje v látce zejména s elektrony ve vyšších hladinách – ve valenční zóně, ve vodivostní zóně a na hladinách v zakázaném pásu. Typy interakcí: DE hf = DE Stimulovaná emise fotonu E E hf DE=hf Pohlcení fotonu hf = DE DE Spontánní emise fotonu E Při všech reakcích musí být zachována energie a hybnost. (energie fotonu E = hf = hc/l, hybnost fotonu p = h/= E/c)

Fotoefekty Jevy, související s absorpcí fotonů. Absorpce záření látkou (přeměna v teplo) Vnitřní fotoefekt (změna vodivosti) Vnější fotoefekt (emise elektronů z polovodiče) Pohlcení fotonu na elektronu ve vodivostní zóně a zpětný přechod elektronu doprovázený vyzářením fononu NEJČASTĚJŠÍ PŘÍPAD Foton hf Fonon kT E Foton hf E Eg Valenční zóna Vodivostní zóna Pohlcení fotonu ve valenční zóně a uvolnění elektronu do vodivostní zóny (hf  Eg ŔÍDKÝ PŘÍPAD (1,0 – 2 %) Foton hf E Valenční zóna Vodiv. zóna Zakázaný pás Pohlcení fotonu na elektronu ve valenční zóně a jeho uvolnění do volného prostoru (hf  We ) VÝJMEČNÝ PŘÍPAD Zakáz. pás

Polovodičové detektory záření Polovodičové součástky, založené na vnitřním fotoefektu 1) Fotoodpor – polovodič, jehož vodivost je ovlivňována počtem uvolněných párů elektron – díra. 2) Fotodioda – odporový režim (dioda PIN): Dioda je předepnuta do závěrného směru. – lavinová fotodioda (APD): Dioda je předepnuta do závěru, těsně před lavinový průraz. – hradlový režim (fotočlánek): dioda je bez vnějšího předpětí. Generuje napětí a proud. 3) Fototranzistor – proud báze je řízen fotony dopadajícího záření. 4) Fototyristor – sepnutí tyristoru je vyvoláno proudem hradla v důsledku dopadajícího záření.

S příčným elektrickým polem S podélným elektrickým polem Polovodičové detektory záření Fotoodpor – struktury Tenká vrstva vlastního polovodiče nanesená na keramickou podložku opatřená dvěma kontakty. Struktury: S příčným elektrickým polem polovodičová vrstva 2 m keramika U S podélným elektrickým polem polovodičová vrstva 2 m keramika U Vodivost fotoodporu v nepřítomnosti záření je nízká. Dopadne-li na součástku záření o vlnové délce, kratší než kritická, vodivost fotoodporu výrazně vzroste.

Polovodičové detektory záření Fotoodpor – princip … měrná vodivost polovodiče … hustoty elektronů a děr nn,p mají složku ni, generovanou teplem a složky nnf,pf, generované fotony Fotoefekt: Rekombinace: V rovnováze platí: Kde: Nf je hustota dopadajících fotonů  je pohltivost fotonů polovodičem m-1 n,p je kvantová výtěžnost fotoefektu. Potom:

Polovodičové detektory záření Fotoodpor – princip … vodivost fotoodporu Skládá se ze složky G0, která závisí na teplotě T a ze složky Gf, závisející na hustotě dopadajících fotonů Nf a na vlnové délce záření  (resp. na spektru záření) w, l … jsou šířka a délka odporové vrstvy mezi kontakty d … je tloušťka polovodičové vrstvy Přitom 0 musí být velmi nízké, d musí být velmi nízké. Pro dostatečnou vodivost Gfo je nutno aby šířka w byla velká a délka l velmi krátká  vysoká kapacita Cfo fotoodporu. Rychlost změny vodivosti fotoodporu je tedy limitována: dobou života nosičů (e ~ 0,1 – 10 s) časovou konstantou Cfo/Gfo

Polovodičové detektory záření Fotoodpor – vlastnosti, použití jednoduchá a levná součástka (amorfní polovodič) lze zhotovit pro všechna optická vlnová pásma dobrá citlivost odpor závisí na teplotě při malé intenzitě ozáření má fotoodpor vysokou impedanci pomalá reakce odporu na změnu ozáření POUŽITÍ: jednoduché měření intenzity ozáření – vhodná kompenzace teplotní závislosti G0 nutné stálé spektrum dopadajícího záření nelze použít pro optické komunikace v důsledku pomalé reakce na změny ozáření

Polovodičové detektory záření Fotoodpor – kompenzace tepelné závislosti Můstkové zapojení senzoru záření s fotoodporem Fotoodpor exponovaný zářením Fotoodpor zastíněný Gfo1 Gfo2  U1 G1 G2=G1 U2

Polovodičové detektory záření Fotodioda – princip a režimy činnosti U I I0 I0+If Hradlový režim Odporový režim Lavinový režim Na diodu dopadá optické záření   krit. V polovodiči se generují páry elektron-díra Ty, které jsou v dosahu vyčerpané oblasti přechodu disociují (driftují pod vlivem pole na opačné trany) a vytvoří proud If Proud bez záření: Proud se zářením:

Fotodioda PIN Odporový režim činnosti Struktura diody PIN: Popis funkce: I Vlastní polovodič w P N ..hustota fotoproudu Nezávisí na době života nosičů na rozdíl od fotoodporu! Kapacita diody je velmi malá Doba reakce tr je omezena dobou průchodu nosiče přes vrstvu I: tr = w/vmax  100 m/3 000 m/s = 3,3 ns Mezní kmitočty 10 – 100 MHz Oblast I je zcela vyprázdněná. Bez záření protéká diodou malý zbytkový proud I0 Fotony záření zde po dopadu generují páry elektron-díra Pod vlivem el. pole se díry pohybují k P a elektrony k N Tak vzniká fotoproud If

Fotodioda PIN Vlastnosti, aplikace Proud za tmy I0 ~ 10-8 A pro  = 0,9 m závisí silně na teplotě. Citlivost nižší, než fotoodpory (~ 0,6 A/W) kvůli menším rozměrům. Kapacita diody 1 až 2 pF. Mezní kmitočty až stovky MHz. Poměrně nízká úroveň šumu. Vhodné pro některé komunikační účely Přijímače v optických komunikacích. Detektory záření s krátkou reakční dobou. Schématická značka:

Předpětí diody v blízkosti průrazného napětí UB Lavinová fotodioda (APD) Struktura, funkce Funkce: Struktura P+IPN+: Bez záření diodou prochází pouze malý zbytkový proud I0. Po dopadu záření se zejména ve vyprázdněné vrstvě I generují dvojice elektron-díra. Ihned se oddělují a vysokým el. polem E0 jsou z oblasti I vytaženy. Elektrony vstupují do PN přechodu s vysokým polem a generují lavinový průraz. Počet elektronů se mnohonásobně zvýší (až 100x) I Vlastní polovodič P+ N+ P E x EC E0 Předpětí diody v blízkosti průrazného napětí UB

Lavinová fotodioda Vlastnosti, aplikace Vysoká citlivost až 50 A/W Mezní kmitočet až 1 GHz Vyšší šum než PIN diody Potřeba vysokého napájecího napětí (20 až 100 V) Závislost zesílení na teplotě Materiál: InP pro ~1,6 m Kapalná epitaxe (vrstvy narůstají – krystalizují z kapalné fáze) Aplikace: Především pro širokopásmové optické komunikace v pásmech 1 – 10 m .

Zatěžovací charakteristika el. zdroje: Charakteristika fotodiody: Hradlová fotodioda Funkce Zatěžovací charakteristika el. zdroje: Charakteristika fotodiody: U I U I Otočit o 90° Světelný tok W/m2 4 1 2 3

Hradlová fotodioda Fotočlánek – vlastnosti, použití Jako sluneční článek je zejména zdrojem energie pro satelitní elektroniku, případně v nepřístupných oblastech Jako dioda pro měření intenzity světla – pomalá reakce Vysoká kapacita přechodu Cj Dlouhá reakční doba  ms Nepotřebuje napájení – sám je zdrojem napětí a proudu Účinnost na viditelné záření: monokrystal. Si: 18% polykrystal Si: 10% amorfní Si: 7%

Fototranzistor Funkce, použití Bipolární tranzistor s nevyvedenou bází Záření dopadá na vyprázdněnou oblast přechodu báze – kolektor. Generované nosiče otevírají přechod báze – emitor Vzniklý bázový proud je tranzistorem zesílen Mezní kmitočty až do stovek MHz Zejména ve funkci optočlenu v kombinaci s LED. Schématická značka:

Fototyristor Funkce, použití Tyristor s nevyvedeným hradlem Záření dopadá na vyprázdněnou oblast přechodu J2, polarizovaného v závěrném směru Generované nosiče otevírají přechod hradlo – katoda Další vývoj je shodný s procesem u běžného tyristoru Použití: Zejména pro galvanické oddělení ovládací elektroniky a výkonné části.

Polovodičové generátory záření Polovodičové součástky, založené na emisi záření při rekombinaci elektronů a děr Nejčastější typy rekombinací: Přímá nezářivá rekombinace (nejčastější případ) teplo hf = Eg Přímá zářivá rekombinace kvantová účinnost do 30% hf  Eg Eg Nepřímá zářivá rekombinace kvantová účinnost do několika % E

Polovodičové generátory záření Svítivka – LED (Light Emitting Diode) Polovodičová dioda, předepnutá do propustného směru a vyzařující nekoherentní optické záření Struktura: Schématická značka: Substrát GaAs Mezivrstva GaAsP GaAsP GaAsP typ P Typ N 20 m 25 m 100 m 300 m

VA charakteristika LED: Svítivky – LED Funkce VA charakteristika LED: Přechod je polarizován v propustném směru – teče velký proud. Elektrony přecházejí z GaAsP typu N do GaAsP typu P, kde rekombinují Část rekombinací je zářivá (kvantová účinnost 8% až 30%) Jednotlivé fotony jsou navzájem nekoherentní a unikají do okolí přes tenkou vrstvu GaAsP typu P U [V] I [mA] 1 2 -4 25 50 -50 -25 GaAs SiC

Svítivky – LED Vlastnosti, aplikace Rychlost reakce omezena dobou života   1 – 10 s Vlnová délka záření závisí na materiálu a jeho dotacích, např.: GaAs: Eg = 1,43 eV, přímý přechod  = 0,9 m,  ~ 25% GaP: Eg = 2,24 eV, nepřímý přechod  = 0,69 m,  ~ 6% (červená) GaP/Cd: nepřímý,  = 0,56 m (zelená) SiC:   0,5 m (modrá) Signalizace Optrony Úzkopásmové optické komunikace Problémy: Bílá barva Vícebarevné LED Stárnutí – difuze poruch a příměsí

Polopropustné zrcadlo Polovodičový laser (Light Amplification by Stimulated Emmision of Radiation) Polovodičová dioda, předepnutá do propustného směru, vyzařující koherentní optické záření N nebo P GaAs N AlGaAs N+ GaAs P+ GaAs P AlGaAs ~ 100 m ~ 1 m hf Heteropřechod 1 Heteropřechod 2 Aktivní oblast Polopropustné zrcadlo Zrcadlo

Polovodičový laser se dvěma heteropřechody Struktura: Popis funkce: N nebo P GaAs N AlGaAs N+ GaAs P+ GaAs P AlGaAs Diodou protéká proud o vysoké hustotě až 100MA/m2 Aktivní oblast GaAs mezi dvěmi vrstvami AlGaAs je vyplněna plazmou z elektronů a děr, které zářivě rekombinují. Stěny po stranách kvádru diody tvoří zrcadla, odrážející fotony dovnitř. Pravé zrcadlo je polopropustné (propouští asi 5% dopadajícího záření) V aktivní oblasti je vysoká koncentrace elektronů a děr i vysoká koncentrace fotonů Dochází k synchronizovaným přechodům elektronů což vede ke koherentnímu záření Oba heteropřechody GaAs - AlGaAs mají dvojí funkci: udržují elektrony a díry v úzké vrstvě GaAs ( 1m) ve vysoké koncentrci díky odlišným optickým vlastnostem (než GaAs) odrážejí fotony dovnitř této vrstvy – udržují vysokou koncentraci fotonů

Polovodičový laser Vlastnosti, použití 2 4 6 8 I[A] P[W] Prahový proud Použití: Optické komunikace do několika Gb/s Měření vzdálenosti, zaměřování, značkování, ukazovátko Obrábění, dělení materiálu, nastavování odporů v hybridní inegraci Operace očí, mozku Projekce obrazů, světelné efekty Dokud se nedosáhne prahového proudu, dioda vydává pouze slabé spontánní záření. Potom se záření stane koherentním a výstupní výkon postupně roste.

Optický vazební člen Tranzistorový optočlen – funkce, použití Uspořádání, funkce: Použití: Pro Galvanické oddělení obvodů Oddělení VN obvodů při regulaci Odstranění rušení Oddělení dálkových spojů I1 I2 Společné pouzdro Parametry: Dioda LED na vstupní straně optočlenu vyzařuje infračervené záření, které zachycuje fototranzistor, umístěný ve stejném pouzdře. Proudový přenos I2/I1 Linearita Oddělovací napětí (Umax  5 kV) Mezní kmitočet