- 18 -

4.5. SENSORY (optoelektroniczne)

Podstawą działania

elementów optoelektronicznych

jest zjawisko

przetwarzania energii

promieniowania optycznego

w energię elektryczną

lub zjawisko odwrotne.

Ultra-

fiolet

Podczerwień

0,01

nm

0,1
nm

10

nm

0,1

m



1

m



10

m



100

m



1

cm

10

cm

1

m

10

m

X



Zakres fal radiowych

Długość fali

f

c





0

(4.13)

FOTOEMITERY

ELEMENTY OPTOELEKTRONICZNE

FOTODETEKTORY

DIODY
(LED)

LASERY
PÓŁPRZEWODNIKOWE

FOTODIODY

FOTOTRANZYSTORY

FOTOREZYSTORY

TRANSOPTORY

- 19 -

W półprzewodnikowych

detektorach promieniowania

(fotodetekto-

rach) jest wykorzystywane

wewnętrzne zjawisko fotoelektryczne

–

polegające na

generacji swobodnych nośników ładunku wskutek absorpcji
promieniowania optycznego.

Rozróżnić przy tym można dwa zasadnicze

mechanizmy absorpcji

:

międzypasmowy

– prowadzący do

uwolnienia elektronu i dziury.

domieszkowy

– prowadzący do

uwolnienia elektronu lub dziury.

Zachodzi gdy energia fotonu
(W

f

=hf) jest większa od szerokości

pasma

zabronionego

półprzewodnika (W

g

).

Zachodzi gdy W

f

< W

g

jest

większa od energii jonizacji
materiału domieszki (W

j

).

Stąd można określić długofalowy próg absorpcji promieniowania
(maksymalną

długość

detekowanej

fali)

pochłanianego

przez

półprzewodnik (czyli wykrywany przez fotodetektor):

j

g

W

c

h

W

c

h

0

max

0

max

lub













(4.14)

1

2

3

4

5

5,6

0,4

0,2

0,4

0,6

0,8

1

Si

PbS

PbSe

HgCdTe

 

m

W

zg

lę

dn

a

cz

uł

o

ść

w

id

m

ow

a

- 20 -

4.5.1. FOTOREZYSTORY

Rezystancja fotorezystora R

E

zmienia

się

pod

wpływem

padającego

promieniowania (nie zależy od kierunku
przyłożonego napięcia).

R

E

f

Dielektryk

Półprzewodnik

Strumień światła wywołuje generację

par

elektron-dziura

w

warstwie

półprzewodnika. Ta dodatkowa liczba
elektronów i dziur powoduje zwiększenie
konduktancji (zmniejszenie rezystancji)
półprzewodnika i w efekcie zwiększenie
przepływającego przez fotorezystor prądu.

Zależność

rezystancji

R

E

fotorezystora od natężenia oświetlenia
E

v

może być w przybliżeniu opisana

wzorem empirycznym:



















E

E

R

R

E

0

0

(4.15)

gdzie:
R

0

– jest rezystancją przy natężeniu

oświetlenia E

0

(zwykle 10 lx),



– stały współczynnik, zależny głównie od

rodzaju półprzewodnika (np. dla CdS
=0.51.5)

2 10

4



100

RE E

( )

1 10

3



10

E

10

100

1 10

3

5000

1 10

4

1.5 10

4

2 10

4

- 21 -

4.5.2. FOTODIODY

Fotodioda to dioda, która w obudowie

ma umieszczoną soczewkę umożliwiającą
oświetlenie jednego z obszarów złącza.

Oświetlenie złącza PN powoduje:

1)

przy pracy bez polaryzacji napięciem
zewnętrznym – powstanie napięcia
fotowoltaicznego;

2)

przy pracy w układzie z polaryzacją
zewnętrzną (wsteczną) – wzrost prądu.

P N

zaporowo!

Wyjaśnienie:

W oświetlonym złączu PN w warstwie zaporowej i jej otoczeniu

następuje generacja świetlna par elektron-dziura. Z warstwy zaporowej
dziury są unoszone do obszaru P a elektrony do N.

W przypadku złącza rozwartego

nośniki te są magazynowane tworząc
ładunki nieskompensowane – powstaje
siła elektromotoryczna – złącze jest

ogniwem fotoelektrycznym

.

Gdy złącze jest spolaryzowane

zaporowo, to nośniki generowane
przez światło wypływają do obwodu
zewnętrznego, zwiększając wartość
prądu w obwodzie – złącze pracuje
jako

fotodioda

.

U

I

E





= 0

E



>E >E





E



E



- 22 -

5. UKŁADY SCALONE

Układ scalony - mikrostruktura (mikrominiaturowy układ elektroniczny),

spełniająca określoną funkcję układową, w której
wszystkie lub część elementów wraz z połączeniami są
wykonane

nierozłącznie

w

jednym

cyklu

technologicznym wewnątrz lub na wspólnym podłożu.

Ze względu na

skalę scalenia

(stopień integracji) wyróżnia się układy:



małej skali scalenia

SSI

(

Small Scale Integration

), zawierające do

100 elementów;



średniej skali scalenia

MSI

(

Medium SI

), zawierające 100

1000

elementów;



wielkiej skali scalenia

LSI

(

Large SI

), zawierające 10

3

10

5

elementów;



bardzo wielkiej skali scalenia

VLSI

(

Very LSI

), zawierające

10

5

10

6

elementów;



super (ultra) wielkiej skali scalenia

SLSI

(

Super LSI

)

(

ULSI

)

(

Ultra

LSI

), zawierające powyżej 10

6

elementów.

Ze względu na

rodzaj techniki elektronicznej

wyróżnia się układy:



analogowe

- operujące sygnałem ciągłym w czasie;



cyfrowe

- ................?................;



mieszane

- ................?................

Ze względu na

rodzaj elementów czynnych

wyróżnia się układy:



bipolarne

– realizowane za pomocą tranzystorów bipolarnych;



unipolarne

- realizowane za pomocą tranzystorów polowych

(MOS).

- 23 -

Ze względu na

procedurę produkcji

wyróżnia się układy:



standardowe

-

wytwarzane wielkoseryjnie, z ustalonym schematem

elektrycznym i charakterystykami układu, bez możliwości zmian, za
wyjątkiem zawczasu przewidzianych

;



specjalizowane ASIC

(Application Specific Integrated Circuits) -

produkowane na zamówienie, nawet w niewielkich seriach, ze schematem
elektrycznym i charakterystykami układu określonymi przez odbiorcę w
ramach ustalonej przez producenta procedury

;



programowalne układy logiczne

– ich schemat funkcjonalny jest

ustalany przez końcowego użytkownika.

Ze względu na

sposób wykonania (technologię)

wyróżnia się układy:

monolityczne

hybrydowe

wszystkie elementy wraz z ich
połączeniami

są

wykonane

wewnątrz

i

na

powierzchni

warstwy

półprzewodnikowej

(krzemowej).

elementy elektroniczne są trwale
zamontowane

na

wspólnym

podłożu

dielektrycznym,

na

którym są również wykonane
wszystkie połączenia pomiędzy
elementami.

Elementami

scalonego

układu

hybrydowego mogą być elementy
elektroniczne

(wykonane

różnymi

technologiami)

nadające

się

do

mikromontażu, w tym – monolityczne
układy scalone.

Warstwa

półprzewodnikowa,

w

której wykonane są elementy MUS,
stanowi górną część półprzewodnikowej
płytki podłożowej (krzemowej). Warstwa
ta wraz z połączeniami i podłożem
stanowi

tzw.

strukturę

półprzewodnikową MUS.

Strukturę półprzewodnikową lokuje

się w

trakcie

mikromontażu

na

specjalnym

metalowym

szkielecie,

którego fragmenty, po rozdzieleniu w
późniejszej fazie produkcji, staną się
końcówkami układu.

W następnej fazie mikromontażu za

pomocą złotego drutu wykonuje się
połączenia

końcowych

węzłów

elektrycznych struktury z końcówkami
układu.

Ze względu na grubość warstw
rozróżnia się układy:

cienkowarstwowe (warstwy ok. 2
mikrometrów)

grubowarstwowe (warstwy od 5 do 50
mikrometrów)