background image

- 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

background image

- 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

dn

a

cz

o

ść

w

id

m

ow

a

background image

- 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 

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

background image

- 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



background image

- 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

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).

background image

- 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 

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, 

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)