Розрахунок та проектування приладу оптоелектроніки фототиристор (стр. 1 из 4)
Міністерство освіти і науки України
Запорізька державна інженерна академія
Факультет електроніка та електронних технологій
Кафедра фізичної та біомедичної електроніки
Пояснювальна записка
до курсового проекту
з дисципліни: «Твердотіла електроніка»
на тему: «Розрахунок та проектування приладу
оптоелектроніки: фототиристор»
Запоріжжя, 2009
РЕФЕРАТ
Курсова робота містить 27 стор., 14 рис., 12 використаних джерел, 2 плакати.
Ціль роботи: Розглянути, що таке фототиристор, за яким принципом працює фототиристор, що таке фотоефект. Провести розрахунки фототранзистор.
Задачі роботи:
- розглянути загальні відомості про фототиристори;
- розрахувати лінійну залежність токів в фотоелементах;
розглянути конструкції різних видів фототранзисторів їх характеристики, та параметри принципи дії;
- розрахувати параметри та характеристики фототранзистора на гетеропереходах.
ОПТОЕЛЕКТРОНІКА, ТРАНЗИСТОР, ФОТОТРАНЗИСТОР, ФОТОТИРИСТОР, ФОТОЕФЕКТ, КОЛЕКТОР, БАЗА, еМІТЕР, ІНЖЕКЦІЯ, рекомбінація, Р-N-ПЕРЕХІД, ГЕТЕРОПЕРЕХІД
ЗМІСТ
ВСТУП
I Фототиристор
1.1 Загальні відомості
1.2 Принцип дії фототиристора
II Фотоефект
2.1 Внутрішній фотоефект
2.2 Фотопровідність
2.3 Фотоефект в
переході2.4 Зовнішній фотоефект
III Розрахунок параметрів і характеристик фототранзистора на гетеропереходах
Висновок
Використана література
ВСТУП
Оптоелектроніка є одним з найактуальніших напрямків сучасної електроніки. Оптоелектронні прилади характеризуються виключно функціональною широтою, вони успішно використовуються у всіх галузях інформаційних систем для генерації, перетворення, передачі, зберігання та відображення інформації. При створенні оптоелектронних приладів використовується багато нових фізичних явищ, синтезуються унікальні матеріали, розробляються над прецизійні технології. Оптоелектроніка досягає стадії промислової зрілості, але це тільки перший етап, бо перспективи розвитку багатьох її напрямків практично безмежні. Нові напрямки частіше за все виникають як наслідок та інтеграція ряду вже відомих досліджень оптоелектроніки і традиційної мікроелектроніки: такими є інтегральна оптика та волоконно-оптичні лінії зв’язку; оптичні запам’ятовуючі пристрої, що спираються на лазерну технологію та голографію; оптичні транспаранти засновані на фотоелектрониці та нелінійній оптиці; плоскі без вакуумні засоби відображення інформації та ін.
Оптоелектроніку як науково-технічний напрямок характеризують три відмітні риси:
1. Фізичну основу оптоелектроніки складають явища, методи та засоби, для яких принципові сполучення і нерозривність оптичних та електронних процесів.
2. Технічну основу оптоелектроніки визначають конструктивно-технологічні концепції сучасної мікроелектроніки: мініатюризація елементів; переважний розвиток твердотілих площинних конструкцій; інтеграція елементів та функцій; використання спеціальних матеріалів і методів прецизійної групової обробки.
3. Функціональне призначення оптоелектроніки полягає в рішенні задач інформатики: генерації (формуванні) інформації шляхом перетворення зовнішніх впливів в відповідні електричні та оптичні сигнали; передачі інформації; перетворенні інформації [1].
I. ФОТОТИРИСТОР
1.1 Загальні відомості
В основі принципу дії фото тиристора лежить явище генерації носіїв заряду в напівпровіднику, точніше в
переході під дією світлового потоку. Для управління фото тиристором в його корпусі передбачено вікно для пропускання світлового потоку. Відчутною перевагою фототиристора перед тиристорами, що керуються електричним сигналом, є відсутність гальванічного зв’язку між силовими пристроями і системою їх управління.Фототиристор – оптоелектронний пристрій, що має структуру, схожу із структурою звичайного тиристора та відрізняється від останнього тим, що вмикається на напругою, а світлом, що освітлює затвор. При освітленні фототиристора в напівпровіднику генеруються носії заряду обох знаків (електрони та дірки), що приводить до збільшення потоку через тиристор на величину фотоструму.
Фототиристор має чотиришарову
структуру, яку як і в звичайних тиристорах, можна представити у вигляді комбінації двох транзисторів, що мають позитивний зворотній зв’язок за струмом. Перехід фототиристора під дією світлового керуючого сигналу із закритого стану в відкритий здійснюється при досягненні рівня струму спрацювання 
стрибком після подолання певного потенційного бар’єру.1.2 Принцип дії фототиристора
Якщо до аноду прикладена позитивна напруга (по відношенню до катода), то в темному режимі граничні переходи будуть зміщені в прямому, а середній перехід – в зворотному напрямку, і фототиристор буде знаходитись в закритому стані. При освітлені переходу в тонкій базі відбувається генерація пар електрон-дірка. Електрони з поверхні дифундують в глибину діркового шару і вільно проходять через середній перехід к аноду. При певній інтенсивності випромінювання, що відповідає світловій потужності
, концентрація електронів зростає, що призводить до лавинного помноження носіїв заряду з наступним включенням фототиристора. Максимум спектральної чутливості лежить у діапазоні 
.Основне досягнення фототиристорів – здатність переключати значні струми і напруги слабкими світловими сигналами – використовується в пристроях «силової» оптоелектроніки, таких, як системи управління виконавчими механізмами, випрямлячами ті перетворювачами.
Цей пристрій використовується в керованих світлом випрямлячах та найбільш ефективний в управлінні сильними струмами при високих напругах. Швидкість відповіді на світло – менше 1 мкс.
Фототиристори зазвичай виготовляють з кремнію, спектральна характеристика така ж як і в інших світлочутливих елементів з кремнію.
Як і фототранзистори, фототиристори часто використовуються спільно з подібними за характеристиками випромінювачами, у вигляді оптопар.
II ФОТОЕФЕКТ
2.1 Внутрішній фотоефект
Зміна електричного опору напівпровідника під дією випромінення називається фоторезистивним ефектом. Додаткова провідність, обумовлена носіями заряду,що створені оптичною генерацією, носить назву фотопровідності.
При внутрішньому фотоефекті первинним актом є поглинання фотону. Тому процес створення вільних носіїв заряду буде відбуватися по-різному залежно від особливостей процесу поглинання світла напівпровідником. При межзонних переходах має місце власна фотопровідність (перехід 1, рис.2.1). Для напівпровідників з прямими зонами при вертикальних переходах енергія фотона
повинна бути не менше ширини забороненої зони, тобто 
2.1 
Рисунок 2.1 – Схема можливих оптичних переходів, що обумовлюють фотопровідність
У випадку непрямих переходів, коли збереження квазіімпульсу забезпечується за рахунок випромінення фотона з енергією
, довгохвильовий край спектру фотопровідності буде знаходитись при 
2.2Для сильно легованого напівпровідника
типу, коли рівень Фермі розміщений вище зони провідності на величину 
, довгохвильова межа спектру фотоструму буде складати 
2.3в сильно легованому напівпровіднику
типу рівень Фермі лежить на величину нижче краю валентної зони, тому 
2.4Власна полоса поглинання, що завжди має яскраво виражену довгохвильову межу, в принципі може мати і короткохвильову. Однак в багатьох напівпровідників зона провідності перекривається дозволеними зонами, створюючи суцільну зону. Тому спектральний розподіл фоточутливості в залежності від енергії фотонів або довжини хвилі світла повинно простягатися далеко в короткохвильову область. Але із збільшенням енергії фотонів збільшується коефіцієнт власного поглинання, а отже, буде мати місце і збільшення фотопровідності.
Рисунок 2.2 – Спектральний розподіл фотоструму деяких напівпровідників в області власного поглинання
Якщо квантова ефективність залишається постійною, то при великих енергіях область поглинання, а отже, область генерації фотоносіїв розміщується поблизу поверхні напівпровідника. В при поверхневій області напівпровідника час життя носіїв заряду менше, ніж в об’ємі зразку. Зміна часу життя не рівноважних носіїв заряду приведе до зменшення фотопровідності в області коротких довжин хвиль (рис. 2.2).