ELEKTRONICKÉ SOUČÁSTKY 6 . Optoelektronick é sou čá stk y (Detektory a generátory záření)

1. ELEKTRONICKÉ SOUČÁSTKY6. Optoelektronické součástky (Detektory a generátory záření) Prof. Ing. Pavel Bezoušek, CSc

2. 30 300 3k 30k 300k 3M 30M 300M f [Hz] Zvukové kmitočty Rádiové kmitočty ELF f Krátké vlny Střední v. Dlouhé v. Ultrazvuk Infrazvuk Slyšitelný zvuk VKV UKV [m] 10M 1M 100k 10k 1k 100 10 1 Poznámky: vlnová délka  = c/f; ELF = Extra Low Frequency k = 103, M = 106 Optoelektronické součástkyPřehled elektromagnetického vlnění

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

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

5. 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 fotonůs 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

6. hf = DE E E E hf = DE hf hf = DE hf = DE DE=hf DE DE Spontánní emise fotonu Stimulovaná emise fotonu Pohlcení 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: Při všech reakcích musí být zachována energie a hybnost. (energie fotonu E = hf = hc/l, hybnost fotonu p = h/= E/c)

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

8. 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.

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

10. Polovodičové detektory zářeníFotoodpor – 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:

11. Polovodičové detektory zářeníFotoodpor – 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 nutnoaby 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

12. Polovodičové detektory zářeníFotoodpor – vlastnosti, použití • VLASTNOSTI: • 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

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

14. I Lavinový režim I0+If I0 U Hradlový režim Odporový režim Polovodičové detektory zářeníFotodioda – princip a režimy činnosti • 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:

15. Vlastní polovodič P N I I w Fotodioda PINOdporový režim činnosti Struktura diody PIN: Popis funkce: ..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

16. Fotodioda PINVlastnosti, aplikace Vlastnosti: Aplikace: • Přijímače v optických komunikacích. • Detektory záření s krátkou reakční dobou. • Proud za tmyI0~ 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 Schématická značka:

17. Vlastní polovodič P+ P I N+ I E EC x 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) E0 Předpětí diody v blízkosti průrazného napětí UB

18. Lavinová fotodioda Vlastnosti, aplikace Vlastnosti: • 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.

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

20. Hradlová fotodioda Fotočlánek – vlastnosti, použití 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%

21. Fototranzistor Funkce, použití 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:

22. Fototyristor Funkce, použití Funkce: • 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.

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

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

25. I [mA] GaAs 50 SiC 25 -4 U [V] 1 2 -25 -50 Svítivky – LEDFunkce 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

26. Svítivky – LEDVlastnosti, aplikace 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

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

28. P+ GaAs P AlGaAs N nebo P GaAs N AlGaAs N+ GaAs Polovodičový laserse dvěma heteropřechody Struktura: Popis funkce: • 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

29. Vlastnosti: P[W] 4 Prahový proud 2 4 8 2 6 I[A] Polovodičový laserVlastnosti, použití 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.

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