Файл: Конспект.doc

Конструкція інжекційного напівпровідникового лазера (а) та лазера на квантових ямах (б)

• Лазерні діоди можуть бути декількох типів. В основної їх частини робочі шари зроблені дуже тонкими, і така структура може генерувати випромінювання тільки в напрямку, паралельному до них. З іншого боку, якщо хвилевід зробити досить широким в порівнянні з довжиною хвилі, він зможе працювати вже в декількох поперечних режимах. Такий діод називається багатомодовим. Застосування таких лазерів можливо в тих випадках, коли від пристрою потрібна висока потужність випромінювання, і не ставиться умова гарної збіжності променя (тобто допускається його значне розсіювання). Такими областями застосувань є: друкуючі устрою, хімічна промисловість, накачування інших лазерів.

• Довжина хвилі випромінювання лазерного діода залежить від ширини забороненої зони між енергетичними рівнями p- і n-областей напівпровідника.

• У зв'язку з тим, що випромінюючий елемент достатньо тонкий, промінь на виході діода, внаслідок дифракції, практично відразу розходиться. Для компенсації цього ефекту і отримання тонкого променя необхідно застосовувати лінзи, що фокусують. Для багатомодових широких лазерів найбільш часто застосовуються циліндричні лінзи. Для одномодових лазерів, при використанні симетричних лінз, перетин променя буде еліптичних, оскільки розбіжність у вертикальній площині перевищує розбіжність в горизонтальній. Багатомодові лазерні діоди можуть мати вихідну оптичну потужність в безперервному режимі від 500 мВт до 8 Вт, а квазінеперервні лазерні лінійки - до 150 Вт.

Вигляд типового твердотільного лазера та лазерної указки

Напівпровідникові фотоприймачі

• Фотоприймачі призначені для перетворення світлових сигналів в електричні. У напівпровідникових фотоприладах використовується внутрішній фотоефект, який полягає в тому, що при опроміненні електрони напівпровідникового кристала набирають додаткової енергії, що необхідна для вивільнення їх з ковалентних зв’язків. Тому в напівпровідниках з’являються додаткові носії електричного заряду, які збільшують їх електропровідність.

Фоторезистори

Фоторезисторами називають напівпровідникові прилади, електричний опір яких змінюється під дією світла. Конструктивно фоторезистор складається з діелектрика 3, на який нанесено світлочутливий шар напівпровідника 1, і зовнішніх електродів 2 (рис. а).

• Схема вмикання фоторезистора до електричного кола показана на рис. б. Увімкнення джерела Е не залежить від полярності, оскільки фоторезистор не має вентильних властивостей.

• Вихідним матеріалом для виготовлення світлочутливого шару фоторезистора є PbS, CdSe або CdS

Будова (а), схема вмикання (б) та статична характеристика (в) фоторезистора

Напівпровідникові фотоприймачі

• За відсутності світла (світловий потік Ф=0) фоторезистор має великий темновий опір, і при прикладенні зовнішньої напруги через нього протікає малий темновий струм I_Т. Під дією світла опір фоторезистора зменшується, і через нього проходить струм

I=C + I_Т,

де С - коефіцієнт пропорціональності;

Ф - світловий потік;

I_Т - темновий струм (темновий опір фото резистора – сотні кілоомів).

Залежність I= f(Ф) при Е=const відповідно до формули показана на рис. в.

При низьких рівнях освітлення залежність I= f(Ф) можна вважати лінійною:

I=C_ФФ + I_Т,,

де C_Ф- інтегральна чутливість фоторезистора.

• Недоліками фоторезисторів є нелінійність характерис­тики I= f(Ф) та мала швидкодія (граничні частоти приладу не перевищують 1 кГц).

• Фоторезистори застосовують як оптоелектронні датчики, а також як фотоприймачі в оптронах.

Фотодіоди

• У фотодіодах кристал напівпровідника обернений до скляного вікна, через яке надходить світловий потік. Під дією світла на p–n перехід фотодіода внаслідок явища внутрішнього фотоефекту в областях біля переходу відбувається додат­кова генерація пар “електрон-дірка”. Під дією дифузійного поля p–n переходу фотодірки переміщуються до p-області, а фотоелектрони – до n області. При цьому створюється фото ЕРС E_Ф= (0,1  1,0) В, залежність якої від світлового потоку показана на рис. 1.

• Під дією цієї фото ЕРС у зовнішньому колі фотодіода протікає фотострум I_Ф, що збігається за напрямком зі зворотним струмом p-n – переходу (рис. 2).

• Оскільки фотострум протікає незалежно від струму, який викликається зовнішнім джерелом напруги, то вираз для повного струму може бути записаний у вигляді I=I_S(- 1)

де I_S - струм насичення (екстракції) – переходу; U - зовнішня напруга; I_Ф - фотострум.

• Дія фото ЕРС на p–n перехід еквівалентна додатковому зворотному зміщенню переходу, наслідком чого є збільшення зворотного струму фотодіода на величину I_Ф .

• Сім’я ВАХ фотодіода показана на рис. 3.

До пояснення принципу дії фотодіода

Фотодіоди

• Оскільки фото ЕРС і пряма напруга ввімкнені назустріч одна одній, то при їх рівності струм діода дорівнює нулю, що відповідає режимові холостого ходу. ЕРС холостого ходу при I = 0 можна визначити за формулою: E_Ф=_Тln()

• Цю фото ЕРС знаходять також з ВАХ.

• Фотодіоди використовують у двох режимах: вентиль­ного фотоелемента (рис. 1) та фотодіодному (рис. б). У першому режимі фотодіод використовують як джерело струму, датчик, що генерує ЕРС E_Ф, у чутливому індикаторі випромінювання або сонячній батареї. Фото ЕРС може досягати 1 В. У цьому режимі робоча точка пересувається вздовж осі на ВАХ залежно від інтенсивності світла.

• У другому режимі (рис. 2) фотодіод працює на зворотній гілці ВАХ як фоторезистор, опір якого залежить від світлового потоку. Робоча точка може займати будь-яке положення між осями U_ЗВ, I_ЗВ, залежно від напруги джерела U і світлового потоку Ф.

• Фотострум залежить не тільки від потоку Ф, але і від довжини хвилі світлового випромінювання, яке діє на p–n перехід. Цей факт ілюструє спектральна характеристика рис. 3.

• Параметрами фотодіода є: темновий струм I_Т  струм, що проходить через діод при робочій напрузі і відсутності світла; U_роб - робоча напруга  напруга на діоді у фотодіодному режимі; S_Ф=I_Ф/Ф  інтегральна чутливість.

Спектральна характеристика германієвого фотодіода

Фотоприймачі з внутрішнім підсиленням

• До таких фотоприймачів належать фототранзистори та фототиристори.

• Крім перетворення світлової енергії в електричну з утворенням фотоструму, як у фотодіодах, фототранзистор ще й підсилює цей фотострум.

• Розглянемо роботу фототранзистора у ССЕ в режимі з вимкненою базою (I_Б=0) (рис. ).