1. Optoelektronikai alapfogalmak

Átírás

1 1. Optoelektronikai alapogalmak 1. Optoelektronikai alapogalmak Az optoelektronika jelentősége az ipari alkalmazások valamint a számitástechika és hiradástechnika területén egyre növekszik. Az iparban alkalmazott optoelektronikai szenzorok, mérőeszközök, az inormatikában elterjedt megjelenítők, adattárolók, adatátviteli eszközök vagy videó képalkotók aránya az egyéb elektronikai eszközökhöz képest jelentősen növekszik, használva az ilyen eszközökben rejlő sebességi, miniatürizálási és zavarvédettségi tulajdonságokat. A jegyzet célja a jelentősebb eszközök és alkalmazásaik bemutatása. 1.1 Fénytani alapogalmak Optikai sugárzások alatt a 100 nm és 50 µm közötti hullámhossztartományban levő elektromágneses sugárzást kell érteni. A ény megnevezés csak az emberi szem által észlelt és értékelt optikai sugárzásra vonatkozik, tehát a ény mint elektromágneses sugárzás alatt, a 0,38-0,76 µm hullámhosszúságú tartományt értjük. Az elektromágneses sugárzás lényegét vizsgálva megállapítható, hogy a sugárzás a sérleti eltételeknek megelelően egyszer hullámként máskor részecskék (korpuszkulák) áramaként viselkedik. Ezért a sugárzás leírásakor két szempontot kell igyelembe venni. A sugárzás hullámszemléletén a hullámmozgásra jellemző intererencia, elhajlási és polarizációs jelenségeket értjük, amelyek könnyen megmagyarázhatók a hullámsorozat periódikus jellegével. Az elméleti izikában az elektromágneses sugárzás terjedését a Maxwell egyenletekkel hullámolyamatként tárgyaljuk. A ény terjedési sebessége légüres térben (vákuumban), valamint 8 megközelítően a levegőben is c =, m / s. Gyakorlati számítások céljára megelel a 0 8 c 0 = 3 10 m / s kerekített érték. A ény hullámhossza meghatározható az alábbi összeüggés szerint: c =, (1.1) ahol: - : a ény hullámhossza - c: a ény sebessége ( km/s) - : a ény rekvenciája A részecskeelmélet a sugárzásnak részecske jelleget tulajdonít. A ény a terjedési térben tehát nem olytonosan oszlik meg, hanem diszkrét adagokban, úgynevezett kvantumokban terjed, amelyeket énykvantumoknak vagy otonoknak nevezünk. Minden egyes otont nyugalmi tömeg nélküli elemi részecskének tentünk, amely énysebességgel mozog. Minnél rövidebb a sugárzási idő, annál inkább a részecske jelleg lép előtérbe a hullámjelleggel szemben. Egy sugárzási kvantum (oton), egy bizonyos, asugárzási rekvenciától üggő energiaértéknek elel meg, ssebb értéket az adott rekvencia mellett nem vehet el. A sugárzási kvantum energiája és rekvenciája között az alábbi összeüggés érvényes: E oton = h (1.) 34 ahol: - h = W s, a Plank éle állandó - : a sugárzás rekvenciája Hz-ben Az optikai tartományban az egyes kvantumok energiamennyiségének a nagyságrendje olyan csi, hogy az ilyen sugárzás kvantumszerkezete a szokásos mérési módszerekkel és megigyeléssel nem állapítható meg. Minden kvantum az atomok és molekulák energiaváltozásának következtében keletkezik. Az optoelektronikában a ontos sugárzások az atomok külső elektronpályáiból indulnak. Normál állapotban minden elektron a izikailag lehetséges legalacsonyabb szinten helyezkedik el és itt meghatározott értékű helyzeti és mozgási energiával rendelkezik. Gerjesztés útján (pl. elektromos, hő, vagy sugárzási energia közlésével) az elektronk átmenetileg elhagyhatják alaphelyzetüket és magassabb szintet oglalhatnak el, megelelően nagyobb energiatartalommal. Ez az állapot nem stabil, ezért a gerjesztett elektronok 1

2 1. Optoelektronikai alapogalmak igen rövid idő múlva alaphelyzetbe térnek vissza, miközben sugárzáskvantumot bocsájtanak, amelynek a rekvenciája az (1.) egyenlet értelmében a két szint között ennálló energiakülönbözetnek elel meg. Az (1.1) és (1.) egyenletekből számítható a oton hullámhossza, ha a otonenergia E ismert: c h = (1.3) E A oton energiáját legtöbbször elektronvoltban (ev) adjuk meg. Egy elektronvoltnak elel meg az a mozgási enrgia, amely az 1V eszültségkülönbségű elektromos téren az elektront áthajtja. Az elektronvoltnak SI egységben való ejezéséhez az összeüggés: 19 1eV = 1,60 10 J (Ws) Az (1.3) egyenlet egyszerűsíthető, ha a konstansokat számértékükkel helyettesítjük be: Ebből következően a számértékegyenlet: ,6 10 m Ws 19 E 1,60 10 s Ws ev = / 1,4 [ µ m] = (1.4) E [ ev ] Az (1.4) egyenletből megállapítható, hogy egy elektromágneses hullám hullámhosszúsága annál ssebb, minél nagyobb a oton energiája. A ényelektromos eszközök elektromágneses sugárzást bocsátanak amikor áram halad keresztül rajtuk, vagy ordítva, ha elektromágneses sugárzás éri elületüket, az elektromágneses sugárzás elnyelésével elektromos mennyiségek változtatására alkalmasak. A híradástechnikához hasonlóan, a sugárorrásokat adóknak, a sugárdetektorokat vevőknek nevezzük. 1. Optikai spektrum Az optikai sugárzások a hullámhossz üggvényében három tartományra bonthatók: 100 nm-380 nm ultraibolya (UV) tartomány, altartományai: nm (UV-C) nm (UV-B) nm (UV-A) 380 nm-760 nm látható ény 760 nm-50 µm inravörös (IR) tartomány, altartományai: µm nagyon közeli IR (IR-A) 1-3 µm közeli IR (IR-B) 3-8 µm rövidhullámú IR (IR-C) 8-14 µm hosszúhullámú IR (IR-C) µm távoli IR (IR-C) A látható énysugarakat (0,38-0,76 µm) az emberi szem szinek szerint érzékeli. Néhány szinhez tartozó hullámtartomány: ibolya - 0,46 µm kék - 0,50 µm zöld - 0,56 µm sárga - 0,59 µm borostyán - 0,61 µm vörös - 0,66 µm A szinérzetet tehát a hullámhossz, mig a ényerősségérzetet a megvilágitás erőssége határozza meg.

3 1. Optoelektronikai alapogalmak 1.3 Az emberi szem érzékenysége A teljes látható ény tartományban a szem relatív érzékenysége nem egyenletes. Látható az alábbi görbéből, hogy a szem kb. 540 nm hullámhossz környékén a legérzékenyebb, ami a sárga/zöld szín határának elel meg. kék zöld sárga vörös 1.1 ábra Relativ érzékenység 1.4 Detektálási küszöbök A detektorok a rendszerben ellépő zajok eletti jeltartományt tudják csak detektálni. A detektálási küszöb meghatározására szolgál a NEP (noise equivalent power), vagyis a zajjal egyenértékű jelteljesítmény, amely azt a hasznos jelet mutatja, ami elett a detektálás már végrehajtható. Ez a paraméter azonban nem tartalmazza a sávszélesség (B) és a detektálási elület (A d ) hatását, ezért csak az azonos elven működő szenzorok jellemzésére alkalmas. A NEP-ből meghatározható a detektálási küszöb: 1 D = NEP A különböző ajtájú szenzorok összehasonlítására a normalizált detektálási küszöbérték (D*) alkalmas, amely igyelembe veszi a ent jelzett paramétereket is: D * = D B A d mértékegysége: [mhz 1/ /W]. 1. ábra Detektorok detektálási tartománya 3

4 1. Optoelektronikai alapogalmak A detektor csak a küszöbérték elett, egy meghatározott hullámhossz tartományban képes a jelet detektálni. Hőmérséklet hatása: a becsapódó otonok hatására lyuk-elektron párok generálódnak. Ugyanez a olyamat játszódik le a hőmérséklet hatására is. A két jelenség nehezen elválasztható egymástól ezért az optoelektronikai eszközök erősen hőmérséklet-üggőek. Öregedés jelensége: az optoelektronikai eszközök jelentős részénél megigyelhető a paraméterek változása (romlása) az idővel. Ezt a jelenséget nevezzük öregedésnek. 1.5 Fénytechnikai alapmennyiségek A ény mennyiségi jellemzésére használt ontosabb mennyiségek a következők: A ényáram A ény terjedésére merőleges, tetszőleges nagyságú elületen időegység alatt áthaladó ényenergia mennyiség. Dimenziója tehát teljesítmény. Jele Φ (luxus), énytechnikai mértékegysége a lumen (lm). Néhány ényorrás ényárama : - 60W-os izzó: 0,71 klm - 36W-os énycső: 3klm - 50 W-os nátriumlámpa: 7,5 klm 1.5. A ényerősség Pontszerű ényorrás ényerőssége az a ényenergia mennyiség, amelyet meghatározott irányban, időegység alatt az 1m sugarú gömb 1m elületén át (egységnyi térszögbe) sugároz: Φ A I =, Ω = Ω r ahol Ω a térszög nagysága, mértékegysége a szteradián (sr), r - a ényorrás és a gömbelület közötti távolság, A - a gömbelület nagysága. A ényerősség jele I, mértékegysége a candela (cd). 1 cd = 1 lm/sr. Deiníció szerint 1 cd = 1/60 cm elületű, a platina dermedési hőmérsékletével azonos hőmérsékletű eketetest sugárzása A megvilágitás A megvilágitás erőssége a szemlélő előtt megjelenő, megvilágitott A elület világosságára jellemző és a sugárzott teljesítmény és a besugárzott elület elemi hányadosa: Φ E = A Jele E, mértékegysége a lux (lx). 1 lx = 1 lm/m. Jellemző értékek: - a napény megvilágitási erőssége nyitott területen, délben, nyáron: lux - telihold tiszta égbolt esetén: 0, lux - irodai munkahely megvilágitási erőssége: 500 lux - közvilágitás: lux 1.6 A ényelektromos jelenség A sugárzási jelenségek és a késöbb tárgyalandó otonemisszió izikai magyarázatához szükséges az atom- és sávmodell ismerete (lásd: Bevezető áttentés - Félvezető anyagok izikája). Az atommodel- a legegyszerűbb ormában írja le az atom térbeli elépítését. A sávmodell az elektronok energiájáról ad elvilágosítást mind az egyes atomokban, mind több atom kapcsolatában. A bennünket érdeklő tartományok: a vegyértékkötési (valenci) sáv, a vezetési sáv és a kettő között elhelyezkedő tiltott sáv. A ényelektromos jelenség alapja az, hogy az elektromágneses sugárzás energiát ad át a sugárzásnak tett test elektronjainak. A megnövekedett energiájú elektron a vezetési sávba kerül 4

5 1. Optoelektronikai alapogalmak és mozgó töltéshordozóvá válhat a élvezető belsejében (belső ényelektromos jelenség), vagy a lépési munkának megelelő ékezőpotenciált leküzdve, is léphet a test belsejéből Ez az elektronemisszió (külső ényelektromos hatás) Belső ényelektromos hatás A élvezető anyagok saját vezetőképességgel rendelkeznek, melynek értéke igen alacsony. A saját vezetőképesség nő energiabevezetés útján (pl. melegítés, sugárzás, elektromos áram). Az anyag elmelegedése a hőrezgések elerősödéséhez vezet, ezáltal több kristálykötés szakad el, és több vezetési elektron keletkezik. Ezek a töltéshordozók részt vehetnek az áramvezetési olyamatban, és növelik az anyag vezetőképességét. Az anyag többletenergiához juthat megvilágítás révén is, mivel a ényt alkotó otonok (ha megelelő energiával rendelkeznek) szétzuzzák a kristálykötéseket és elektron-lyuk párok keletkeznek, az alábbi ábra szerint. E c E =h. - Vezetési sáv E v + Vegyérték sáv 1.4 ábra Elektron-lyuk párok keletkezése megvilágított élvezetőben Feltételezve, hogy egy oton elnyelődése egy sáv-sáv átmeneten (1.4 ábra) keresztül következik be, ez szükségessé teszi, hogy a otonok legalább akkora energiájúak legyenek, ami megelel az E c -E v sávtávolságnak (vezetési sáv - vegyértéksáv): E = h E Szilicium esetében (a sávtávolság. Ec Ev = 1, 106eV ) a ény minimális hullámhossza: c c h min = = = 1,1 µm E c E v Tehát szilicium alapú élvezetőkben ahhoz, hogy meginduljon a töltéshordozó párok keletkezése, a ény hullámhosszának < 1, 1µm értékűnek kell lennie (germánium alapú élvezetők esetén: < 1,85µm). A ényerősséget növelve a keletkező szabad elektronok és lyukak száma szaporodik, és nő az anyag vezetőképessége. Azt a jelenséget, amely során egy élvezető anyag saját vezetőlépessége énysugárzás hatására megnő, belső otoelektromos hatásnak nevezzük. A p-n átmenetű élvezetőknél úgynevezett záróréteg ényelektromos hatás keletkezik, amely elméletileg ugyancsak belső ényelektromos hatás. A énysugárzás ssebb-nagyobb mértékben minden élvezető alkatrész elektromos viselkedését beolyásolja. Ezért ahol a jelenség nem kívánatos, általában ényzáró tokozást c E v 5

6 1. Optoelektronikai alapogalmak alkalmaznak. A belső otoelektromos hatás jelenségét elhasználjuk ényérzékeny élvezető elemek készítésére Külső otoelektromos hatás Ha az elektromágneses sugárzás - esetünkben optikai sugárzás - beeső otonjainak az energiája nagyobb, mint a besugárzott anyag elektronjainak a lépési munkája, akkor az anyagból szabad elektronok léphetnek. Azt a legssebb energiaértéket amely a lépési munkának elel meg, ényelektromos küszöbértéknek nevezzük. A sugárzás hullámhosszúsága az (1.4) egyenlet alapján az E otonenergia üggvénye. Ha a képletbe az E helyébe a W lépési munka értékét helyettesítve számítható az a h határhullámhosszúság, amely alatt a besugárzott anyag a sugárzásra érzékennyé válik és szabad elektronokat ad le: [ µ m] 1,4 W Az alkáli émek egy vagy több betöltött héjon kívül egy további, csak egyetlen elektront tartalmazó héjjal rendelkeznek. Ennek az egyetlen elektronnak a lépéséhez egésszen s gerjesztési energia is elég (pl. Na esetén,8ev, Li esetén,ev, Cs esetén 1,94eV). Az alkáli émek tehát előnyösen használhatók ott, ahol külső ényelektromos hatás elérése kívánatos. Monokromatikus sugárzásnál a bocsájtott elektronok száma a sugárzás erősségével arányosan növekszik, ha a otonok energiája nem ssebb a lépési munkánál. A otoenergia és a lépési munka közötti különbséget E m mozgási energiaként átveszi az elektron és annak megelelő sebességgel mozog a térben: E m = E W [ ev ] h c = W Jellemző példák a külső ényelektromos hatásra: otokatód, otosokszorozó, képcsövek. 1.7 A p-n átmenet viselkedése ényhatás esetén Az 1.5 ábra a p-n átmenet egyszerűsített elépítését mutatja. A donorral szennyezett n sáv körülveszi az akceptorral szennyezett p sávot. Külső eszültségorrás nélkül a szabad elektronok és lyukak állandó rendezetlen termikus mozgásban vannak. Ennek a mozgásnak az a következménye, hogy a zárórétegen keresztül néhány elektron a p zónába, és ordírva, néhány lyuk az n zónába jut, ahol az ellentétes töltéshordozókkal rekombinálódik. Ezáltal a határelület mindkét oldalán egy keskeny sáv mozgó töltéshordozó szegénnyé vállik és csak a kristályrácsban erőssen kötött pozitív donorionok (az n tarományban) illetve negatív akceptorionok (a p tartományban) maradnak vissza. Ezek az ionok a lyuk- és elktronszegény zárórétegben tértöltést hoznak létre, amelynek az elektromos tere egyre jobban hátráltatja a töltéshordozók diundálását a határelületeken keresztül. A olyamat végén egyensúlyi állapot keletkezik: a diúziósáram és az elektromos tér által keletkező szivárgásiáram (dritáram) egyensúlyban van. Ebben az állapotban a külső vezetéseken mérhető eszültség nem keletkezik. Ha a p-n záróréteget kívülről optikai sugárzás éri, és megelelő energiával rendelkező otonok hatolnak be a p-n átmenetbe, akkor a belső ényelektromos hatás következtében helyi töltéshordozó párok keletkeznek. A tértöltés tartományban jelen levő elektromos erőtér a keletkezett töltéshordozó párokat szétválasztja, ahogy az 1.5 ábrán is látható. Az újonan keltkezett elektronok az n tartományba, a lyukak a p tartományba kerülnek. Ennek az az eredménye, hogy a élvezetőben a besugárzatlan állapothoz viszonyítva megváltoznak a potenciálviszonyok és a besugárzott élvezető réteg külső kapcsain eszültség mérhető. A szétválasztott töltéshordozók elé olyó áramként megjelenhetnek a külső áramkörben. A megvilágított p-n átmenet nem csak generátorként alkalmazható. Záróirányú külső eszültség hatására a záróréteg sugárdetektorként viselkedik. Besugárzás nélkül a zárórétegen 6

7 1. Optoelektronikai alapogalmak elhanyagolható záróirányú áram olyik. A záróréteg besugározásával az említett módon növekszik a szabad töltéshordozók száma és a záróáram érezhetően megnő. Az 1.6 ábra a megvilágított p-n átmenet jelleggörbéjét szemlélteti. A otoáram mind nyitóirányú, mind záróirányú külső eszültség esetén is záróirányban olyik. 1.5 ábra Megvilágított p-n átmenet Ennek következtében a megvilágított p-n átmenet jelleggörbéje (E=Eo) a megvilágítás nélküli jelleggörbéhez (E=0) képest leelé tolódik el, ahogy az ábrán is látható. 1.6 ábra Megvilágított p-n átmenet jelleggörbéje Ha a p-n átmenet az I. vagy a III. tartományban üzemel, otodiódáról beszélünk. A IV. tartományban a p-n átmenet generátor üzemben dolgozik és ilyenkor otoelemnek nevezzük. A otoelem egy bizonyos megvilágításnál P ph hatásos teljesítményt ad le (az ábrán, a szürke tartomány) amelynek értéke a megvilágítás erősségétől, hullámhosszától és a munkapont megválasztásától ügg. 7