Yarımkeçirici Fotoelektron şüalandırıcı cihazlar

 YARIMKEÇİRİCİ FOTOELEKTRON CİHAZLARI

İşıq şüasının enerjisini elektrik enerjisinə və tərsinə çevirən elektron cihazlarına fotoelektron fotoelektrik cihazları deyilir. İş prinsipinə görə yarımkeçirici fotoelektron cihazlarını üç qrupa bölmək olar: fotoelektron şüalandırıcıları, fotoelektron şüaqəbulediciləri, optoelektron cütləri. 

Fotoelektron şüalandırıcı cihazlar

Şüalandırıcı cihazlar elektrik enerjisini müəyyən uzun- luqlu dalğaların optik şüalanma enerjisinə çevirirlər. Enerjinin belə çevrilmə mexanizmi yük daşıyıcılarının yarımkeçi- ricilərdə şüalandırıcı rekombinasiyası ilə əlaqədardır. Şüa- landırıcı cihazların işi lüminessensiya hadisəsinə istinad edir. Lüminessensiya deyəndə xarici təsirdən maddənin elektronlarının həyəcanlanması nəticəsində yaranan optik şüalanma nəzərdə tutulur. Xarici təsir mənbəyi elektrik sahəsi olanda bu hadisə elektrolüminessensiya adlanır.

İşıq saçmanın davamiyyətinə görə lüminessensiya iki növ olur: 1) flüoressensiya (işıq seli, elektron seli, rentgen şüası, elektrik sahəsi və cərəyanının təsirindən maddənin işıq şüalanması); 2) fosforessensiya (millisaniyədən bir neçə saata kimi davam edən uzun müddətli işıqsaçma).

Şüalanma prosesləri ilə əlaqədar olan enerjinin tam həyəcanlanma enerjisinə nisbətinə lüminessensiyanm effektivliyi deyilir. Temperatur artdıqca effektivlik azalır.

Lüminessensiya xassələrinə malik olan maddələrə lüminofor deyilir. Həyəcanlanma mənbəyindən asılı olaraq fotolüminoforlar, katodlüminoforları, rentgen lüminoforları, elektrik lüminoforları mövcuddur. Elektronikada əsasən elektrik lüminoforlan istifadə edilir. Bunlar elektrolüminessent çevirici- lərdə və işıq diodlarmda istifadə edilir.

Elektrolüminessent çevirici lövhələrindən birinin yaxınlığında lüminofor yerləşdirilmiş kondensatordan ibarətdir. Onun işıq saçma parlaqlığı belə təyin edilir:

. Burada U-qida mənbəyinin gərginliyi; к və b-gərginliyin tezliyindən asılı parametrlərdir.

Elektrolüminessent çeviricinin xarakteristikaları lümi- noforun materialından və konstruksiyadan asılıdır. Material rolunu ya dielektrikdə asılı şəkildə olan fosforun kiçikdis- persli tozu (tozşəkilli fosforlar), ya da vakuumda buxarlanma üsulu ilə alınmış bircins polikristal nazik qat (fosfor sub- limatı) oynayır. Birinci növ elementlər yalnız 50-300 V dəyişən gərginlikdə işləyir. Fosfor sublimat qatı çox nazik olduğundan ikinci növ cihazlar 2-2,5 V amplitudlu sabit və dəyişən gərginlikdə işləyir. İşıqsaçma fosforun və aşqarların növündən asılı olaraq spektrin dalğa uzunluğunun görünən hissəsində 0,45 mkm-dən (mavi işıq) 0,6 mkm-ə (sarı- narmcı işıq) baş verir.

Elektrolüminessent çeviricilərin iş müddəti az olur, onlar stabil işləmirlər - bir müddətdən sonra işıqlanmanm parlaqlığı azalır, onlar həm də ətalətli olurlar (yanma və sönmə vaxtı 10’3-10’4 saniyə həddində olur). Belə çeviricilər böyük gücləndirmə əmsalına malik şüalanma çeviricilərində və gücləndiricilərində, kiçik ölçülü ekranlarda və tablolarda, məntiq elementlərində və digər alçaq tezlikli dövrələrdə işlədilir.

İşıq diodu p-n keçidə malik olan və elektrik enerjisini spektrin görünən hissəsində optik şüalanmaya çevirən ya- rımkeçirici şüalandırıcı cihazdır.

Cihazın işinin əsasını elektron-deşik keçidindən injek- siya edən yükdaşıyıcılarm öz-özünə şüalandırıcı rekombina- siyası ilə əlaqədar olan elektrolüminessensiya hadisəsi təşkil edir. Şüalanma bilavasitə ifrat yükdaşıyıcılarm rekombinasiyasmdan yaranır, keçiddə və keçidə yaxın yarımkeçirici qatlarda baş verir. Təsvir edən işıq diodlarma göstərilən tələblərdən ən başlıcası şüalanmanın spektrin görünən sahəsində baş verməsidir. Burada əsas rolu zonalararası şüalandırıcı rekombinasiya oynadığından yarımkeçiricinin qadağan olunmuş zonasının eni müəyyən qiymətə malik olmalıdır. İşıq diodlarmı hazırlamaq üçün qallium fosfid (görünən işıq) və qallium arseniddən (infraqırmızı) istifadə olunur. İşıq diodu düz qoşulmuş p-n keçiddən ibarət olur (şəkil 9.1 ö). Düz istiqamətdə verilmiş gərginliyin təsirindən keçiddə potensial səddinin hündürlüyü azalır və yükdaşıyıcılarm injeksiyası başlayır: elektronlar n qatından p qatma, deşiklər isə əks istiqamətdə injeksiya edir. Alman cərəyanda elektron toplananı daha böyük olur.

Elektronlar n qatından p qatma hərəkət etdikcə keçiricilik zonasındaki yüksək enerji zonasından valent zonasındaki alçaq enerji səviyyəsinə keçir. Keçiddə və ona yaxın sahədə yükdaşıyıcılarm öz-özünə rekombinasiyası baş verir. Rekombinasiya nəticəsində enerji kvantı - foton ayrılır. Qadağan olunmuş zonanın eninin müəyyən qiymətində bu enerji görünən işıq seli şəklində ayrılır. Başqa sözlə, rekombinasiyada ayrılan enerji ilkin yarımkeçiricinin qadağan

olunmuş zonasının enindən asılıdır. Dalğanın uzunluğu və şüalanmanın rəngi yarımkeçiricinin materialından və hazırlanma texnologiyasından asılıdır. Germanium və silisiumun qadağan olunmuş zonalarının eni nisbətən çox böyük olmur və ayrılan enerji əsasən

yarımkeçiricinin kristallik qəfəsəsinə verilib onun qızmasına sərf olunur. İşıq diodunun hazırlandığı materiallar üçün qadağan olunmuş zonanın eni böyük olduğundan rekombinasiya

nəticəsində ayrılan enerjinin bir hissəsi yarımkeçiricinin daxilində udulur, bir hissəsi isə ətraf mühitə şüalanır. Ona görə gözə görünən (xarici) kvant çıxışı daxili kvant çıxışından

az olur. Şüalanmanın parlaqlığı və gücü diodun konstruksiyasından da asılıdır. Dioddan nə qədər çox cərəyan buraxıla bilərsə (artıq qızmağa yol verilmədən), parlaqlıq və şüalanma gücü bir o qədər yüksək olar. Cərəyanın artmasından onların çoxalması belə izah olunur. Rekombinasiya nəticəsində

qeyri-əsas yükdaşıyıcılarm ifrat konsentrasiyasmm azalmasının intensivliyi onların ilkin konsentrasiyasma mütənasibdir. Ona görə düz cərəyan artdıqca injeksiya prosesi daha aktiv gedir və daşıyıcıların ilkin konsentrasiyası daha yüksək olur. Ən geniş tətbiq olunan qırmızı, yaşıl və sarı işıq saçan diodlardır. İşıq diodunun dövrəyə qoşulma sxemi şəkil 9.1c-də göstərilmişdir. Müqavimət diodun dövrəsindəki cərəyanı məhdudlaşdırır. Diodun cərəyanı və onda düşən gərginlik düşküsü belə təyin edilir. 

Tək işıq diodlarmdan başqa, işıq diodu matrisaları da buraxılır ki, bunlar da digər fotoelektron qurğuları ilə birlikdə optik açıb-bağlayıcılarda və yaddaş xanalarında istifadə edilir.

İşıq diodları yüksək etibarlığa, böyük iş müddətinə, kiçik işçi gərginliyə və sərf olunan gücə, az çəkiyə, kiçik ölçülərə malik olduğundan onlar müxtəlif elektron qurğularında geniş tətbiqat tapmışlar.

Lazerlər monoxromatik şüalanma generatorudur (ingiliscə Light Amplifıcation by Stimulated Emission of Radia- tion - işığın induksiya şüalanması ilə gücləndirilməsi sözündəndir).

Lazerlərin iş prinsipi kvant sistemlərinin həyəcanlanmış vəziyyətlərinin istifadəsinə əsaslanır. Xarici enerjinin təsirindən həyəcanlanmış elektronlar daha yüksək enerji səviyyələrinə keçirlər və bu zaman ya işıq enerjisi fotonları, ya da istilik enerjisi fotonları şüalandırılır. Kvant sisteminin enerjisinin şüalanması öz-özünə (spontan olaraq) və məcburi (induksiya edilərək) baş verə bilər. İnduksiya yolu ilə vəziyyətin dəyişməsi isə yalnız xarici təsir nəticəsində mümkün olur.

Fəzada paylanmış kvant sistemlərinin öz-özünə şüalanması qeyri-koherent (təşkil olunmamış) olur. Belə şüalanmada enerji geniş tezlik spektrində paylanır. İnduksiya edilmiş şüalanmada işıq dalğaları eyni tezliyə və eyni yayılma istiqamətinə malik olurlar. Belə şüalanmaya monoxromatik və ya koherent (təşkil olunmuş) şüalanma deyilir. İnduksiya edilmiş şüalanmanın əsasını kvant sisteminin hissəciklərinin yuxarı enerji səviyyələrindən aşağı enerji səviyyələrinə keçməsi zamanı artıq enerji ayrılması prosesi təşkil edir. İnduksiya edilmiş şüalanma əldə etmək üçün həcmdə müəyyən qaydada paylanmış böyük miqdarda həyəcanlanmış atomlara malik olan mühit lazımdır. Həyəcanlanmış atomları müəyyən tezlikli işıq kvantları ilə işıqlandırıb elə vəziyyət yaratmaq olar ki, işığın şüalanması onun udul- masmdan qat-qat intensiv olsun. Kvant optik cihazların işi bu hadisəyə əsaslanır. Generasiya edilən rəqslərin tezliyindən asılı olaraq kvant optik cihazları iki qrupa bölünürlər: santimetrli və millimetrli dalğalar şüalandıran cihazlar-ma- zerlər və optik diapazonda işləyən cihazlar-lazerlər.

Lazer generasiyasını üç üsulla həyata keçirmək olar:

1) atomların elektron örtükləri arasındakı keçidlər arasında;

2) molekulların fırlanma - rəqsetmə spektrindən istifadə əsasında; 

3) yarımkeçiricinin keçiricilik zonası ilə valent zonası arasındakı keçidlər əsasında. 

Bu üç prinsip bütün maddələri əhatə edir və ona görə lazerlər üçün istənilən materialdan istifadə oluna bilər. Hal-hazırda bərk gövdəli qaz və yarımkeçirici lazerlər geniş yayılmışdır.

Yarımkeçiricilərin lazerlərdə aktiv maddə kimi istifadə olunması f.i.ə. artırmağa, şüalanmanın modulyasiya zolağını genişləndirməyə və lazerlərin ölçülərini azaltmağa imkan verir. İşıq ötürən sistemli rabitə və məlumat ötürən qurğularda, avtomatikanın və idarəetmənin bir çox sistemlərində məhz bu lazerlərdən istifadə olunur. Yarımkeçirici lazerlər yanları səylə cilalanmış kub və ya paralelepiped şəklində hazırlanır. Yan səthlərinin üçü şüanı əks etdirən qatla örtülür və rezonator rolunu oynayır. Dördüncü yan səth ya- rımşəffaf olur və bu səthdə şüalanma baş verir. Lazer diod- larmda ilkin material kimi n qatma selen və ya tellur, p qatına isə kadmium əlavə olunmuş qallium arsenid istifadə edilir.

Yarımkeçirici lazerləri fərqləndirən xüsusiyyətlər aşağıdakılardır:

1) şüalanma prosesləri enerji zonaları arasında baş verir;

2) lazer diodlarmm ölçüləri kiçik, aktiv hissənin qalınlığı az olur və buna görə şüalanma selinin ayrılması nisbətən böyük olur;

3) səviyyələrin doldurulması dioddan cərəyan keçirilməsi ilə əldə edilir, bu cərəyan səviyyələrin lazımi qədər doldurulmasını təmin edir. Bu halda çox yüksək tezliklərə qədər (bir neçə qiqahers) modulyasiya həyata keçirmək olur, çünki şüalanmanın öz tezliyi çox yüksəkdir. p-n və p-p+ keçidli qallium, aliminium və arsen birləşməsi əsasında yaranmış və koherent şüalanmanı lifli işıq ötürən xəttə verə bilən struktur şəkil 9.3-də göstərilmişdir.

Bu strukturda p tipli aktiv qallium-arsenid zonası şüanı sındırma xassəsi aktiv qatdan pis olan iki alüminium-qallium-arsen qatı arasında yerləşir. Buna görə aktiv hissə generasiya edilən şüalanmanın müəyyən hissəsinə görə pilləvari işıq ötürücüsü xüsusiyyətinə malik olur. Daşıyıcıların yüksək konsentrasiyaya malik olduğu aktiv zonada ensiz kanal yaratmaq üçün lazer diodunun həcminin bir hissəsini (bu hissələr ştrixlənmişlər) protonlarla bombardman edirlər. Şüalanma qallium-arsenid qatında yaranan şəffaf güzgüdən götürülür. Cərəyanın müəyyən qiymətinə qədər şüalanma koherent olur və cihaz işıq şüalandıran diod kimi işləyir. Cərəyan sərhəd qiymətinə çatanda diod lazer şüalanması generasiya edir: çıxan işıq fazaya görə sinxronlaşdırılmış və koherent olur. Bundan sonra cərəyan artdıqca çıxış gücü mütənasib artır. Həssaslıq təxminən 200mkVt/mA həddində olur. Diodun aktiv sahəsində temperaturun dəyişməsi çıxış gücünü və dalğa uzunluğunu dəyişdirir. Lazer diodundan çıxan işıq konus şəkilli olur, onun en kəsiyi şüalanma başladığı yerdən aktiv qat boyunca dartılmış olur və mənbədən aralıqda en kəsiyi ellips şəklində 90° dəyişir.

İşıq diodlarmdan fərqli olaraq, lazer diodları elektron- deşik keçidinə paralel yönəlmiş polyarizasiya müstəvisində hissəcə polyarizə edilmiş işıq şüalandırır.

Yarımkeçirici lazerlər üçün həyacanlanmanm müxtəlif növləri: p-n keçidindən injeksiya, optik həyacanlanma, elektron seli ilə həyacanlanma, selvari deşilmə istifadə olunur. İnjeksiya tipli lazerlər elektrik enerjisini bilavasitə koherent şüalanmaya çevirir. Onların f.i.ə. böyük, sərf etdiyi güc az və iş müddəti çox olur. Mənfi cəhətləri cərəyanın sərhəd sıxlığının qiymətinin böyük olması və cihazın işinin temperaturdan çox asılı olmasıdır.

Optik-kvant generatorları optik lokatorlarda, indikasiya qurğularında, televiziyada və müxtəlif hesablayıcı qurğularda istifadə edilir.

Elektronika- Hümbətov Ramiz