Жартылай өткізгішті аспаптардың сипаттамаларын зерттеуге арналған зертханалық аспапты жобалау

Оптоэлектроника қондырғыларында  ақпараттарды басқарылатын жарық көздерінен фотоқабылдағышқа жеткізу оптикалық  сәулені өткізу қызметін атқаратын  жарық өткізетін орта арқылы (ауа, вакуум) арқылы таратылады. Сәуле түзулері электр өткізгіштер қызметін атқарып (эквиваленті болып табылады) үлкен өткізгіштік қабілетімен сипатталады да, бір секунд ішінде бірнеше гигабайт өте үлкен жылдамдықпен ақпаратты өткізетін, бір жарықөткізгіште бірнеше каналды қолдана алатын қабілеті бар. Оптикалық сәулелену толқын ұзындықтарына оңай ақ бөлінеді, сондықтан да бір жарықөткізгіште (световод) бірнеше ақпаратты арнаны (каналды) біріктіруге болады. 

Жарықөткізгіште электр өрісінің болмауы өрт- және жарылу қауіпсіздігінен  сақтайды. Бұл қасиеттер байланыс жолдарын жасау кезінде және мекемелерде автоматты қондырғыларды орналастыру кезінде өте қажет.

Оптоэлектронды қондырғылар  интегралды технологиямен жасалуы  мүмкін. Оптикалық интегралды сұлбалар кең жолақты жібере алатын, дірілге  төзімді, сенімділігі мықты, үнемді, аз көлемді және аз салмақты қасиеттерге ие.

Сәулелендіретін аспаптар электр энегиясын белгілі бір  толқын ұзындығы бар немесе тар дипазонды  толқын ұзындығы бар оптикалық сәулеге  айналдырады.

Басқарылатын оптикалық  сәуле көздеріне келесі физикалық  құбылыстар жатады, олар:

–температураның жарықтануы;

–газоразрядтық сәулелену;

–электролюминесценция;

–индуцияланған сәулелену.

Шалаөткізгішті сәулеленетін аспаптардың жұмыс істеу принциптері  электролюминесценция құбылысына негізделген. Бұл жарықтың электр өрісі арқасында  денелерден сәулеленуі. Электролюминесценция  люминесценцияның жеке түрі болып есептеледі. Оптоэлектронды шалаөткізгішті аспаптарда, үлкен  өткізбейтін аймағы бар кристаллды қоспалы шалаөткізгіштердің  люминесценциясы қолданылады.  Қатты, сұйық және газ тәрізді денелер  люминесценцияланады.

Электомагнитті толқынның  жақсы таралуына жағдай туғызатын  диапазон жиілігін ортаның мөлдір терезесі деп атайды.

Оптикалық электрониканың маңыздылығы. Оптикалық дипазонды  әрі қарай игеру және қазіргі  кезде жақсы дамыған радиофизика, радиотехника және электроника әдістерін қолдану бірнеше принципті жағдайлармен анықталады.

Олар:

–оптикалық дипазондағы  электр тербелісінің жиілігі, радиодипазонға қарағанда өте жоғары. Мысалы, көрінетін  және жақындағы инфрақызылды аудан  спектріндегі жарық тербелісінің жиілігі (~10¹⁵...10¹³ Гц) радио- және теледидар ауданындағы радиотолқын жиілігіне қарағанда миллион рет артық.

–ақпарат фотондар арқылы таратылады. Кәдімгі электрондық  аспаптарда негізгі тасымалдаушылар  электрондар болса, ал фотондар электрлі нейтралды бөлшектер, олар өзара және сыртқы электр және магнит өрістерімен әрекеттеспейді.

–оптикалық әдіспен  ақпаратты жазу, сақтау және өңдеу  ЭЕМ жасау үшін жаңа мүмкіндіктерді ашады. Ол бір жағынан голография әдісі негізінде ақпараттарды паралелл түрде өңдеу, екінші жағынан оптикалық жақтау қондығыларында ақпараттарды жазу кезінде олардың тығыздығын (~10 бит/см²) жоғарылатады.

Элементтік база. Оптоэлектрондық аспаптардың негізгі айырмашылығы жоғарғы жиілікті тербелісі мен және оған сәйкес оптикалық сәуленің аз шамалы толқын ұзындығы бар, сәле жарығын аз қолданатын және оны тез түзете алатын мүмкіндігі бар,  электрлік нейтралды оптикалық сәулеленудің квантын қолдану. Сондықтан да осы жағдайларды ескере отырып, когереттік сәулеленгіштерді қолданады.

Оптоэлектрониканың физикалық  негізі. Оптикалық сәулелену келесі түрлерге бөлінеді: пайда болу табиғатына байланысты (жылудық, люминесценттілік), спектрлік құрамына байланысты (мысалы, ақ жарық, монохромды жарық), электрлік және магниттік векторлардың бағытты реттелуіне байланысты (табиғи, сызықты поляризацияланған,, эллипсті, біртіндеген), когерентілік дәрежесі бойынша (когеренті, когерентті емес), сәуле ағынының шашырауы (бағытталған, диффузиялық, араласқан) және т.б. бөлінеді.

Өлшеуіш аспаптардың  тіркеіуімен, оптикалық сәуле энергиясының соңғы сигналға түрлену принципі бойынша, барлық фотоқабылдағыштарды негізгі екі топқа бөлуге болады. Бірінші топқа оптикалық сәуле энергиясын электр тогына түрлендіретін термоэлементтер (болометрлер), қатты денелі және вакуумдық фотоэлементтер жатады. Екінші топқа фотоэмульсиондық қабаттар мен адам көзі жатады. Бұл жағдайда оптикалық сәуле энергиясы фотопластинкаға жағылған фотоэмульсиялық қабатта болатын  фотохимиялық реакцияның пайда болуына немесе адам көзі торындағы нервтер аяшаларының қозуына әкеліп соғады. Адам көзі жоғары сезімталдылығы бар фотоқабылдағыш қатарына жатады, ол 380...780 нм диапазонды толқын ұзындығы бар жарыққа әсер етеді.

 

 

1.5.2 Фотодиодты зерттеу

 

Жартылай өткізгішті сәуле қабылдағыштар–бұл  спектрдің көрінетін инфрақызыл және ультракүлгін облыстарындағы электромагнитті сәулеленуге сезімтал немесе электромагнитті сәулелену энергиясын электр энергиясына түрлендіретін оптоэлетронды жартылай өткізгішті аспап.

Фотоқабылдағыш аспаптардың (фотоқабылдағыштар) жұмысы қатты денелерде ішкі фотоэффектті пайдалануға негізделген.  Жартылай өткізгіштер жұтатын кванттар зарад тасымалдаушыларды, не атом торынын, не атом қоспасынан босатады. Осы өткелдердің әрқайсысына осы материалға сипаттас минималды энергия қажет болғандықтан, фотоқабылдағыштың әрбір түрінде келесі формуламен анықталатын ұзын толқынды шекара λ_гр  болады:

λ_гр = 1,24 / (Е₂ –Е₁),                                    (1.8)

мұндағы λ_гр – мкм-мен өрнектеледі; Е₂, Е₁ - в эВ.

Е₂-Е₁ айырымы–«аймақ–аймақ» немесе «приместі деңгей–аймақ» (сурет 1.9, а) өткелдеріндегі энергетикалық саңылау. Е₂ Е_п-ге сәйкес келеді; Е_х-те Е_в-ге сәйкес келеді.

р–n-өткел негізіндегі фотоқабылдағыштың жұмыс істеу принципін қарастырамыз (сурет 1.9, б). Фотон жұтылған кезде жартылай өткізгіште электрон-кемтік жұбы қалыптасады. Оларды бөлген кезде фототок пайда болады, онда электрондар n–аймағына жылжыса, ал кемтіктер р-өткеліне жылжиды.

Фотон жасаған электрон–кемтік жұбының бөліну ықтималдығы олар электрлік өрістің ықпалының астында тұрған жартылай өткізгіш облысында қалыптасса ғана жоғары болады. Бөліну альтернативасы электрон-кемтік жұбының кәдімгі рекомбинциясы болып табылады, бұл кезде зарядтың ығысу болмайды және осылайша фототок үлесіне қосылмайды. Электрлік өріс жартылай өткізгіш аспап кристалында біркелкі таралмайды. р– және n–түрлі диффузиондық облыстарда өріс олардың арасындағы біріккен қабатқа қарағанда біршама әлсіз болады. Фотоқабылдағышты жұмысы эффектифті болуы үшін фотондардың көп бөлігі біріккен қабатта жұтылуы қажет, яғни фотондар біріккен қабаттан тыс шыққанша жұтылмауы қажет.

Біріккен қабаттың өлшемі, қандай кернеу болмасын, р–n–өткелінің жанындағы материалдың меншікті кедергісі жоғары болатын аспаптарда үлкен болады. Сол уақытта кристалдың қарама-қарсы жазықтарында омикалық байланыстарды орнату үшін төменгі меншікті кедегі қажет. р–n–өткелі бар фотоқабылдағыштарды, мысалы күн батареяларын, р–типті қоспаны диффузиялау әдісімен кіші меншікті кернеуі бар n-типті материалда жасайды. Диффузиялық р-қабатының аз қалыңдығы кішкентай толқын ұзындығы бар фотондарға жоғарғы сезімталдылығын қамтамасыз етеді, бірақ  үлкен толқын ұзындығы бар фотондарға жоғарғы сезімталдықты құру үшін біріккен облысты кеңейту қажет, ол үшін жоғарғы кері ығысу керек. р-типті қоспаның терең диффузиясы кіші толқын ұзындықты сәулеленуге сезісмталдығын нашарлатады, бірақ «ақырындап» өтуді жасағанның арқасында үлкен толқын ұзындықты сәулеленуге жақсы сезімталдықты қамтамасыз етуге қажет ығысудың кернеуін азайтуға мүмкіндік береді. р– және n–облыстарының арасындағы кіші кері ығысу кезінде кіші және үлкен толқын ұзындықты фотондарға сезімталдықты күшейту үшін i-қабат деп аталатын жоғарғы меншікті кедергісі бар қабат қолданылады. i-қабатты фотоқабылдағыштар р–i–n–құрылым деп аталады. Мұндай құрылғыда жұқа диффузионды  n –облысы (сәулелену ағыны келіп түсетін) және жоғарғы омдық кремний пластинаның екінші жағында аса жоғары р–облысы болады. р–i–n–құрылымды фотоқабылдағыштардың i–қабатында нөлдік ығысудың өзінде біріккен қабат р–қабатынан i–қабатының тереңдігінің жартысына дейін таралатын жоғарғы меншікті кернеу бар. 5 В-ке дейінгі кері ығысуда бірігу n-қабатқа дейін таралады және «айқасу» эффектісі байқалады. Кедергі 200В-тан артық болғандықтан, сәулелену ағыны өте жоғары болғанда, і–қабатының толық бірігуін қамтамасыз ету үшін жұмыс режимін айқасу кернеуінен асатын кері кернеуде орнатқан дұрыс. Бұл аса жақсы сызықтық пен тезәрекеттілікті қамтамасыз ететді.

 

 

Сурет 1.12. Фотоқабылдағыш аспаптың жұмыс істеу принципі:

а - энергетикалық диаграмма; б - р-n-өткеліндегі  процестер; в- құрылымда электр өрісінің таралуы; Е_пр –қоспа деңгейінің энергиясы; 1 – «аймақ-аймақ» өткелі; 2- «валентті аймақ-қоспа  деңгей» өткелі; 3 - «қоспалыі деңгей-өткізгіш аймақ» өткелі

 

Фотоқабылдағыштың сапасы кванттық эффектілік параметрінің енгізілуімен бағалануы керек. Идеалды жағдайда әрбір фотон фототоктың бір электронын генерациялауы қажет. Кванттық эффективтілік η, осылайша, фотонға электрондар саны ретінде өзгереді.

Параметр жұмысшысы  бұл – фотосезгіштік S_ф, А/Вт,

S_ф = η (λ / 1,24) = I_ф / Ф_е,                         (1.9)

мұнда λ–фотонның толқын ұзындығы, мкм; I_ф–фототок, А; Ф_е – сәулелену ағыны, Вт.

Фотоқабылдағыштардың  параметрлері. Сезімталдық (сезгіштік) фотоқабылдағыштың маңызды параметр болып табылады. Бұл параметрді белгілі бір дәрежеде электрондық өткізгіштігі бар аспаптардағы күшейту коэффицентіне сәйкес деп есептеуге болады. Жалпы жағдайда фотоқабылдағғыштың сезгіштігі оның кірісіне бірлік оптикалық сигналды бергенде, оның шығысындағы электрлік күйдің өзгерісін көрсетеді.

Оптикалық сәулелену энергетикалық  және жарық параметрлерімен сипаттала алады. Сипаттайтын параметрге сәйкес фотоқабылдағыш сәулелену ағынына S_фе, жарық ағынына   S_фν ,  сәулеленуге S_Ее  және жарықтануға сезімтал болып келеді.

Өлшенетін электрлік параметрге сәйкес фотоқабылдағыш шығысында фотоқабылдағыштың тоқтық және вольттік сезгіштіктері болады. Егер өлшенетін шама фототоқ болса, онда тоқтық сезгіштікті (S_I) аламыз. Өлшенетін шамасы фотосигналдың кернеуі болып табылатын фотоқабылдағыштың сезгіштігі вольттік сезгіштік деп аталады (S_V).

Фотоқабылдағыштың сезгіштігі сәулелену параметріне тәуелді болады, сондықтан бұл тәуелділікті ескеру үшін статикалық және динамикалық дифференциал сезгіштік түсінігін енгіземіз, мұнда статикалық сезгіштік өлшенетін шамалардың тұрақты мәндерінің қатынасымен анықталады.

Сезгіштік түсетін сәулеленудің толқын ұзындығына байланысты болады. Сол себепті фотоқабылдағыштың  берілген спектрлік құрамның монохроматты емес сәулеленуіне сезгіштігін интегралды және монохроматты сезгіштік деп екіге бөледі. Монхроматты сезгіштік дегеніміз – бұл фотоқабылдағыштың монохроматты сәулеленуге сезгіштігі.

Шуылдық және босағалық параметрлер. Фотоқабылдағыштың шығысында пайдалы сигналдан басқа кездейсоқ амплтудалы және спектрлі хаостық сигнал–бұл фотоқабылдағыштың шуылы, болады. Фотоқабылдағышқа қарасты шуыл көздері ішкі, сондай-ақ сыртқы бола алады. Шуыл кіріс сәулеленудің кез келген аз шамасын тіркеуге мүмкіндік бермейді, себебі ол шуыл фонында ажыратыла алмай қалады. Тиімді құрастырылған фотоқабылдағышта аз кіріс сигналы бар сезгіштік тек аспаптың өзіндік шуылыдың деңгейімен анықталады. Шуылдар кездейсоқ (флюктуациондық) процестермен анықталады, және шуыл деңгейін ықтималдық параметрлермен сипаттайды: математикалық күтумен (шуылдың орташа деңгейі), орта квадраттық шамамен немесе дисперсиямен. Шуыл қуатының спектр бойымен таралуы шуылдың спектрлік тығыздығымен – жиіліктің бірлік жолағындағы шуылмен беріледі.

Фотоқабылдағыштарда жартылай өткізгіштерге  тән шуыл түрлерімен (жылулық, бөлшектік  және т.б.) бірге радиациондық (фотондық) шуыл қосылады, ол фотоқабылдағышқа түсетін оптикалық сигналдың флюктуациясымен анықталады.

Әдетте фотоқабылдағыш шуылын сандық түрде тоқ шуылымен немесе кернеу шуылымен сипаттайды. Шуыл тоғы I_ш дегеніміз флюктуациондық тоқтың көрсетілген жиілік жолағында фотоқабылдағыштар арқылы өтетін орта квадраттық мәні. Шуылдың кернеуі дегеніміз – кернеу флюктуациясының фотоқабылдағыш тізбегіндегі берілген жүктеме кернеуінің орта квадраттық мәні.

Фотоқабылдағыштың сезгіштігінің  шуылмен байланысын сандық түрде  фототоқтың орта квадраттық мәні тоқ шуылының орта квадраттық мәніне тең болғандағы фотоқабылдағышқа түсіп тұрған сәулелену ағынының орта квадраттық мәніне тең фотоқабылдағыштың босағалық ағынымен Ф_п, анықтайды. Сөйтіп, егер фотоқабылдағышқа сәулелену ағыны әсер етсе Ф, онда фотоқабылдағыш шығысында бірмезеттік шуыл сигналы I_ш және пайдалы сигнал I_ф пайда болады. Егер сәулелену ағыны босағалық ағынға Ф_ПОр тең болса, онда тоқ шуылы және фототоқ теңеседі, яғни 

I_ш = I_ф  бұл кезде Ф = Ф_пор.

Шуыл, шуыл өлшенетінжиілік жолағына тәуелді болғандықтан, Ф_пор мәні жиілікке тәуелді болады. Сондықтан фотоқабылдағыш босағасын жиілікті өткізу жолағына қатысты алынған, берілген спектрі бар синусоидалы-модульденген минималды орта квадраттық шама ретінде бірлік жиілік жолағында (Ф_пор1)  жиі анықтайды.

Фотоқабылдағыш шуылының деңгейі  фотосезгіш элемент ауданына тәуелді  болады. Осы тәуелділікті сипаттау үшін Ф'_пор1 параметрі – фотоқабылдағыштың меншікті босағалық ағыны енгізілнді.

Ф'_пор1=Ф_пор1 / S,                                   (1.10)

мұнда Ф_пор1 – бірлік жиілік жолағындағы ағын; S- фотоқабылдағыштың фотосезгіш элементінің ауданы.

Сөйтіп, меншікті поргтық ағын дегеніміз – бұл фотосезгіш элементке қатысты бірлікке жатқызылған, фотоқабылдағыштың бірлік жиілік жолағындағы ағыны.

Фотоқабылдағыштардың  сипаттамалары. Фотоқабылдағыштардың негізгі сипаттамалары: вольт-амперлік, спектрлік және энергетикалық сипаттамалары.

ВАС–фотоқабылдағыштың шығысында  кернеудің шығыс тоққа (фототок) тәуелділігі. Спектрлік сипаттама – фотоқабылдағыштың сезгіштігінің фотоқабылдағышқа түсетін монохроматты сәулеленудің толқын ұзындығына тәуелділігі. Энергетикалық сипаттама фототоқтың фотоқабылдағышқа түсетін сәулелену ағынына тәуелділігі. Энергетикалық сипаттама дәрежелік функциямен сипатталады.