6. Yarımkeçirici fotoelektron cihazlar Əsas anlayışlar

6. Yarımkeçirici fotoelektron cihazlar

6.1. Əsas anlayışlar
Müxtəlif mühitlərdə işığın udulması nəticəsində sərbəst yükdaşıyıcıların yaranması və bu yükdaşıyıcılarla bağlı baş verən hadisələr fotoelektrik hadisələri adlanır. Bu hadisələr xarici və daxili fotoeffektlə bağlıdır. Xarici fotoeffekt enerjisi çıxış işindən (elektronun maddədədn çıxarılması üçün lazım olan enrji) az olmayan işıq kvantlarının təsiri ilə elektronun maddədən qopmasıdır. Bu hadisə fotoelektron emissiyası da adlanır. Xarici fotoeffekt bərk halda olan keçiricilərdə baş verir və elektrovakuum cihazlarının işinin əsasını təşkil edir. Daxili fotoeffekt işığın təsirilə yarımkeçiricidə yükdaşıyıcıların generasiyası və nəticədə elektrikkeçiriciliyinin dəyişməsidir (fotokeçiricilik). Bu hadisəyə fotorezistiv effekt də deyilir, belə ki, daxili fotoeffekt zamanı yarımkeçiricinin xüsusi müqaviməti azalır. Daxili fotoeffekt zamanı müxtəlif elektrik hərəkət qüvvələri yaranır ki, bu da fotovoltaik və ya fotoqalvanik effektlər adlanır.

Bircins yarımkeçirici lövhənin üzərinə J₀ intensivlikli monoxromatik işıq şüaları düşürsə, həmin işığın bir hissəsi səthdən əks olunur (J_R)

(5.1)

R – qaytarma əmsalı adlanır. Beləliklə kristalın həcminə J₀(1-R) intensivlikli işıq daxil olacaq. Udulma nəticəsində kristalın dərinliyinə getdikcə işığın intensivliyi azalır:

(5.2)

x – işıqlanan səthdən olan məsafə, J_x – səthdən x məsafədə işığın intensivliyi,  - verilmiş kristalda işığın udulma əmsalıdır. Udulma əmsalının düşən işıq kvantlarının h enerjisindən və ya  dalğa uzunluğundan asılılığı udulma spektri adlanır. İşıq kvantlarının enerjisindən asılı olaraq udulma müxtəlif mexanizmlər üzrə baş verə bilər. Şək.6.1-də müxtəlif udulma mexanizmlərini əks etdirən spektral asılılıq göstərilmişdir.

Şək.6.1
Məxsusi udulma. Udulan işıq kvantlarının enerjisi

(5.3)

şərtini ödəyirsə məxsusi qəfəs atomları ionlaşır, yə’ni elektronlar valent zonadan keçiricilik zonasına keçirlər (1 əyrisi). Məxsusi udulma zamanı bərabər miqdarda sərbəst elektron və deşiklər yaranır. (5.3) şərtindən məxsusi udulmanın maksimal dalğa uzunluğunu tə’yin etmək olar

. (5.4)

Mə’lumdur ki, temperatur dəyişdikjə qadağan olunmuş zonanın eni də dəyişir:

(5.5)

Əksər yarımkeçirijilər üçün b=(26)10^-4 eV/K. Aydındır ki, E_g dəyişdikdə _max - spektrin maksimumu da yerini dəyişməlidir.

Eksiton udulma. Bə’zi hallarda valent zonadan həyəcanlanan elektron deşik ilə rabitəni qırmır, keçiricilik zonasına keçmir, deşik ilə bağlı sistem əmələ gətirir. Belə sistem eksiton, eksiton yaranması ilə nəticələnən udulma isə eksiton udulma adlanır (2 əyrisi). Eksiton qadağan olunmuş zonada, keçiricilik zonası yaxınlığında enerji səviyyələri yaradır. Eksiton udulması nəticəsində yeni yükdaşıyıcılar yaranmır. Çünki eksitonu təşkil edən elektron və deşik bağlı halda hərəkət edir, yə’ni neytral sistemdir. Deməli, eksiton udulması nəticəsində kristalın elektrik keçiriciliyi artmır. Müxtəlif defektlərlə, kristal qəfəsi ilə toqquşduqda eksiton ya rekombinasiya edir, ya da dağılır. Birinci halda həyəcanlanmış elektron valent zonasına qayıdır, ikinci halda isə elektron ilə deşiyin rabitəsi qırılır və sərbəst elektron-deşik cütü yaranır.

Sərbəst yükdaşıyıcılar tərəfindən udulma. Mə’lum olduğu kimi yükdaşıyıcıların valent və keçiricilik zonaları çoxlu sayda bir-birinə çox yaxın yerləşmiş enerji səviyyələrindən ibarətdir. Bir sıra hallarda isə hər bir enerji zonası bir neçə altzonadan ibarət olur. Sərbəst yükdaşıyıcılar - elektron və deşiklər işıq kvantlarını udaraq eyni bir zona daxilində başqa enerji səviyyələrinə və ya altzonalara keçə bilərlər. Belə udulma sərbəst yükdaşıyıcılar tərəfindən udulma adlanır (3 əyrisi). Belə udulma nəticəsində yükdaşıyıcıların konsentrasiyası, eləcə də kristalın elektrik keçiriciliyi dəyişmir.

Aşqar udulma aşqar atomlarının ionlaşmasına səbəb olur. Aşqar udulma nəticəsində elektron donor səviyyədən keçiricilik zonasına və ya valent zonasından akseptor səviyyəsinə keçir. Birinci halda sərbəst elektron, ikinci halda isə sərbəst deşik yaranır. Aşqar udulma yaranması üçün işıq kvantının enerjisi aşqarın ionlaşma enerjisi tərtibində olmalıdır. Odur ki, aşqar udulma spektrin daha uzundalğalı oblastında müşahidə olunur (4 əyrisi).

İşığın udulması nəticəsində yaranan yükdaşıyıcılar yarımkeçiricinin keçiriciliyinin artmasına səbəb olur. Bu zaman kristalın qazandığı əlavə keçiricilik fotokeçiricilik adlanır.

İşığın yalnız məxsusi və aşqar udulması əlavə yükdaşıyıcılar yaratdığı üçün məxsusi və aşqar fotokeçiricilik seçilir. Fotokeçiriciliyin spektral asılılığında məxsusi və aşqar fotokeçiriciliyə uyğun olan maksimumlar müşahidə edilir ki, bu maksimumlar udulma spektrindəki uyğun maksimumlarla eyni enerjilərə təsadüf edir.

6.2. Yarımkeçirici işıq diodları
Yarımkeçirici işıq diodları elektrik enerjisini işıq enerjisinə çevirən p-n keçidli dioddur. İşıq diodları dövrəyə düz istiqamətdə qoşulur. Dioddan düz cərəyan axdıqda elektron və deşiklərin p-n keçid və onun yaxınlığında intensiv rekombinasiyası nəticəsində şüalanma yaranır. Yaranan şüaların böyük əksəriyyətinin xaricə çıxması üçün işıq diodları yarımkürə şəklində həzırlanır. İşıq diodları, şüalanma rekombinasiyası üstün olan yarımkeçirici materiallardan hazırlanır. Bu məqsədlə GaAs, GaP, SiC bərk məhlullarından istifadə olunur. GaAs diodlarının şüalanması yaxın infraqırmızı oblasta düşür (_max=0,920,96 mkm), qalan diodlar görünən oblastda şüalanır. Həm də eyni bir yarımkeçiriciyə müxtəlif aşqarlar vurmaqla və bərk məhlullarda tərkibi dəyişməklə şüalanmanın rəngini dəyişmək olar.

Görünən diapazonda işləyən işıq diodlarının əsas xarakteristikaları şüalanma parlaqlığının (B) və ya işıq şiddətinin (I_y) dioddan axan cərəyandan asılılıq əyrisi və spektral xarakteristikadır. İnfraqırmızı oblastda işləyən işıq diodları üçün parlaqlıq xarakteristikası əvəzinə şüalanma gücünün cərəyandan asılılıq əyrisindən istifadə olunur. İşıq diodları üçün həm parlaqlıq, həm də güc xarakteristikaları əsasən xətti xarakterlidir.

İşıq diodlarının spektral xarakteristikası şüalanmanın parlaqlığının şüalanan işığın dalğa uzunluğundan asılılığını göstərir. Başqa sözlə, bu xarakteristika yaradılan şüaların spektrin hansı hissəsinə uyğun gəldiyini göstərir.İşıq diodlarının əsas parametrləri işıqlanmanın zaman sabiti (10^-9san.) və f.i.ə.-dir (bir neçə faiz).

Şək.5.2.
6.3. Fotoqəbuledicilər

Fotoqəbuledici – işıq selinin təsiri ilə hər hansı parametri dəyişən, yəni işığa reaksiya verən cihazdır. Hazırda iş prinsipi xarici və daxili fotoeffektə, eləcə də işığın istilik təsirinə əsaslanan müxtəlif fotoqəbuledicilər mövcuddur. Lakin onlardan ən geniş tətbiq sahələri tapanlar daxili fotoeffektə əsaslanan cihazlardır.

Fotorezistor. İşığın yarımkeçirici materialda məxsusi və aşqar udulması zamanı əlavə tarazsız yükdaşıyıcıları yaranır və yarımkeçiricinin keçiriciliyi artır (müqaviməti azalır). Bu hadisədən istifadə olunan yarımkeçirici rezistorlar fotorezistor adlanır (şək.5.3).

Şək.5.3.

Fotorezistorlar əsasən CdS, CdSe, PbS və PbSe materiallarından hazırlanır. İşıq kvantlarının təsirilə yarımkeçirici materialda əlavə elektron-deşik cütlərinin yaranması üçün fotonun enerjisi (h) yarımkeçiricinin qadağan zolağının enerjisindən (E_g) böyük olmamalıdır, yəni h E_g. Yarımkeçiricilərin qadağan zolağının eni fərqləndiyindin, onların fotokeçiriciliyi spektrin müxtəlif hissələrində müşahidə olunur. Başqa sözlə, müxtəlif fotorezistorlar spektrin müxtəlif hissələrində fotohəssasdır.

F otorezistorların əsas xarakteristikası fotocərəyanın (işığın təsirilə yaranan əlavə cərəyan) işıqlanmadan (E) asılılıq əyrisidir (şək.5.3.). Buna lüks-amper xarakteristikası deyilir. Lüks–amper xarakteristikası fotorezistora tətbiq olunan gərginliyin sabit qiymətlərində çıxarılır. Göründüyü kimi, tətbiq olunmuş gərginliyin qiyməti artdıqca fotocərəyanın qiyməti artır. Fotorezistorların əsas parametrləri nominal qaranlıq müqaviməti (onun qiyməti 100-lərlə kOm olur) və cərəyana görə inteqral həssaslığıdır – S=I_f /F, Burada I_f – fotocərəyan, F- işıq selidir (ölçü vahidi–Vt və lümen:Lm). Fotorezistorlar aşağı tezliklərdə işləyir və nisbətən ətalətli cihazlardır.

Fotodiod. Fotodiod (FD) işıq kvantlarına həssas olan yarımkeçirici dioddur (şək.5.5).

Şək.5.5.

İşığın təsirilə p-n keçid və onun yaxınlığında əlavə elektron-deşik cütləri yaranır və p-n keçiddəki elektrik sahəsi onları ayırır: elektronlar n-hissəyə, deşiklər isə p-hissəyə keçir. Əgər p-n keçid xarici dövrəyə birləşdirilmişsə, onda p-n keçid dövrəsindən əks istiqamətdə cərəyan axır və keçidin əks cərəyanı artır.

Əgər p-n keçid dövrəsi açıqdırsa, onda tarazsız əsas yükdaşıyıcıların uyğun hissələrə yığılması nəticəsində p-n keçidin potensial cəpəri böyüyür, yəni fotoelektrik hərəkət qüvvəsi meydana çıxır. Beləliklə, p-n keçidli fotoelektrik cihazı həm xarici elektrik mənbəyi, həm də onsuz işləyə bilir. Xarici mənbə ilə işləmə rejimi fotodiod rejimi (bu halda p-n keçid əks istiqamətdə qoşulur), xarici mənbəsiz iş rejimi isə fotoqenerator və ya fotoelement rejimi adlanır. Fotoelementlər günəş batareyalarında tətbiq olunur.

Fotodiod, müxtəlif işıq selləri üçün çıxarılmış VAX ailəsilə xarakterizə olunur. İşıq seli sıfır olduqda (F=0) VAX adi diodun əyrisidir və koordinat başlanğıcından keçir. F0 olduqda əyrilər aşağı və sağa doğru sürüşür. Əyrilərin III rübdə yerləşən hissəsi fotodiod rejiminə, IV rübdə yerləşən hissəsi isə fotogenerasiya rejiminə uyğundur. Əyrilərin ordinat oxu ilə kəsişmə nöqtələri qısa qapanma cərəyanı (I_q.q), absis oxu ilə kəsişmə nöqtələri isə açıq dövrə gərginliyi (U_a.d.) adlanır.

Fotodiodlar Ge, Si və GaAs-dən hazırlanır. Fotodiodlar fotorezistorlara nisbətən cəldişləyən cihazlardır. Onlar 10⁷10⁹ Hs tezliklərdə işləyə bilir.

Fototranzistor. Fototranzistor öz quruluşu ilə adi bipolyar tranzistordan onunla fərqlənir ki, burada baza təbəqəsi işıqlandırıla bilər. Fototranzistor dövrəyə ÜE sxemi üzrə qoşulur və I_b=0 götürülür, yəni baza çıxışı açıq olur.


Şək.5.6.

Bazanı işıqlandırdıqda, orada elektron-deşik cütləri yaranır. Qeyri-əsas daşıyıcılar kollektor və emitter keçidlərinin elektrik sahəsi vasitəsilə kollektor və emitter təbəqələrinə keçir və kollektor dövrəsindən, fotodiodda olduğu kimi, I_f fotocərəyanı axır. Əsas daşıyıcılar (deşiklər) bazada qalaraq emitter keçidinin potensial çəpərinin hündürlüyünü azaldır. Bu isə emitterdən bazaya injeksiya cərəyanını artırır. Nəticədə, kollektor cərəyanı əlavə artır. Beləliklə, fototranzistor fotocərəyanı həm də, gücləndirir.

Fototranzistorun çıxış xarakteristikaları ÜE sxemli tranzistorun xarakteristikaları ilə eynidir. Lakin burada I_b cərəyanları əvəzinə müxtəlif işıq selləri götürülür.

Fototiristor. Fototiristor (şək.5.7) elə tiristora deyilir ki, işıqlanma artdıqca onun açılma gərginliyi azalır. Fototiristorlar adi tiristorlardan onunla fərqlənir ki, burada tiristoru bağlı haldan açıq hala keçirmək üçün idarəedici cərəyan əvəzinə işıq selindən istifadə olunur. Bu zaman tiristorun orta təbəqələrindən biri işıqlandırılır. Bağlı haldan açıq hala keçid adi tiristorlarda olduğu kimi baş verir. Fototiristorlarda cərəyanın güclənmə əmsalı baza oblastında işığın udulması zamanı yükdaşıyıcıların generasiyası və bunun hesabına cərəyanın artması nəticəsində baş verə bilər.

Şək.5.7.

Optronlar. Daxilində şualandırıcı və fotoqəbuledicisi olan və bir-birilə optiki və konstruktiv əlaqəli yarımkeçirici optoelektron cihazı optron adlanır. Optronu təşkil edən elementlərə optocütlər deyilir.

Optronun iş prinsipi enerjinin ikiqat çevirilməsinə əsaslanır. Giriş elektrik siqnalı ilə idarə olunan şüalandırıcıda elektrik enerjisi optiki şüalanmaya çevirilir. Çıxışda yerləşən fotoqəbuledicidə əksinə işıq şüası (enerjisi) elektrik cərəyanı və ya gərginliyi yaradır. Beləliklə, optronlarda giriş və çıxış siqnalları elektrik siqnallarıdır, yəni xarici dövrə ilə əlaqə elektrikidir, daxildə elementlər arası əlaqə optiki siqnallar vasitəsilə olur, yəni optronda giriş və çıxış dövrələri arasında qalvanik (elektriki) əlaqə yoxdur. Başqa sözlə, optronda çıxış və giriş dövrələri arasında əks əlaqə yoxdur. Elektron sxemlərində giriş və çıxış dövrələrinin bir–birindən qalvanik təcrid olunması, idarəolunmanın optik yolla olması və yüksək cəldliyi optronların ənböyük üstünlüyüdür.

Optronun quruluş sxemi üç hissədən ibarətdir: şüalandırıcı (Ş), optik kanal (mühit) və fotoqəbuledici (FQ). Müasir optronlarda şüalandırıcı kimi işıq diodlarından istifadə olunur. Optronlarda işıq diodları əsasən GaAs, GaP və s. kimi materiallarından hazırlanır.

Şək.5.8.
Optronun keyfiyyəti enerjinin şüalandırıcıdan qəbulediciyə verilməsindən asılıdır. Şüanın itkisini azaltmaq üçün optronlarda immersion optik sistemdən istifadə olunur. Belə sistemdə şüalandırıcı, optik kanal və qəbuledici materiallarının sındırma əmsalları çox yaxın olmalıdır. Optronlarda optik mühit kimi xüsusi növ şəffaf yapışqandan istifadə edilir.

Optronlarda fotoqəbuledici kimi fotorezistior, fotodiod, fototranzistor və fototiristorlardan istifadə olunur. Bu qəbuledicilər əsasən Si-dən hazırlanır. Si-dən hazırlanmış fotoqəbuledicilərin spektral həssaslığı görünən və yaxın infraqırmızı oblastı əhatə edir. Optronlarda çıxış siqnalını gücləndirmək üçün fotoqəbuledici kimi fototranzistor, fototiristor ilə bərabər tərkib tranzistoru və bəzən əlavə gücləndiricidən də istifadə olunur.

Optronların əsas xarakteristikaları giriş, çıxış və ötürmə xarakteris­tikalarıdır. Giriş xarakteristikası şüalandırıcının (işıq diodunun) düz VAX-ıdır. Optronun çıxış xarakteristikası fotoqəbuledicinin çıxış VAX-ıdır. Ötürmə xarakteristikası optronun çıxış cərəyanının (I_çıx) giriş cərəyanından (I_gir) asılılıq əyrisidir; bu zaman çıxış gərginliyi sabit götürülür- I_çıx=f(I_gir), U_çıx=const. Şəkildə işıq diodu ilə bipolyar tranzistordan ibarət optocüt göstərilmişdir.