Целью работы является экспериментальное иследование характеристик фоточувствительных и светоизлучающих приборов.

Краткие теоретические сведения.

Оптоэлектронные полупроводниковые приборы можно разделить на две группы: излучающие и фоточувтсвительные (фотоприемные). К первой группе относятся светодиоды и полупроводниковые лазерные излучатели, а ко второй – фотодиоды, фототранзисторы, фототиристоры, фоторезисторы и ряд других.

Введение. Современное поле оптоэлектроники является чрезвычайно широким, охватывающим изучение устройств, работа которых связана с оптическими и электрическими явлениями, такими как различные типы фоточувствительных ячеек, светогенераторы, модуляторы, дисплеи и т.д. мы ограничимся изучением излучающих устройств и детекторов света.

Определение Оптоэлектроника - это исследование и применение электронного оборудования, которое обеспечивает, обнаруживает и контролирует свет. Оптоэлектронные устройства представляют собой электрические преобразователи для оптических или оптических к электрическим или приборы, которые используют такие устройства в своей работе.

Светодиод представляет собой прибор с p-n переходами между слоями полупроводниковых материалов, входящих в его состав. Он преобразует энергию протекающего через него тока в электромагнитное некогерентное излучение.

При прохождении через диод прямого тока в зоне p-n перехода происходит рекомбинация электронов и дырок. Этот процесс может сопровождаться электромагнитным излучением с частотой, определяемой соотношением:

Эти устройства преобразуют электрическую энергию в световую энергию. Они излучают свет при активации электрической энергией. Эти устройства генерируют небольшой электрический сигнал, когда они подсвечиваются, таким образом преобразуя световую энергию в электрическую.

Светодиоды - это те, которые доступны в виде красочных лампочек, которые поставляются в оптоэлектронных устройствах, бытовой технике , игрушках и многих других местах. Светоизлучающие диоды представляют собой диоды, которые влияют на производство света, когда через них протекает электричество. Диоды обладают свойством, которое пропускает ток только в одном направлении, а не в другом.

– величина, соответствующая ширине запрещенной зоны полупроводника,– постоянная Планка. Однако, одновременно с данным (излучательным) механизмом рекомбинации действует и безызлучательный, связанный в частности с поглощением энергии кристаллической решеткой. При изготовлении светодиодов его влияние стремятся уменьшить. Эффективность преобразования электрической энергии в световую оценивается величиной, называемой внутренним квантовым выходом. Он определяется отношением числа излученных фотонов к количеству прорекомбинировавших пар носителей.

Светоизлучающие диоды. Эти примеси называются атомами-донорами, поскольку они вносят относительно «свободный» электрон в структуру. Эти примеси называются акцепторными атомами, поскольку число электронов недостаточно для завершения ковалентных связей решетки, что приводит к дыре, которая быстро примет электрон. Электроны и дырки могут двигаться под действием электрического поля, и при их рекомбинации образуется фотон или частица света. Эта рекомбинация требует, чтобы энергия несвязанного свободного электрона переносилась в другое состояние.

Как следует из (5.1), длина волны излучения светодиода

обратно пропорциональна ширине запрещенной зоны полупроводника. У диодов, из германия, кремния и арсенида галлия, максимум излучаемой энергии приходится на инфракрасную область, и, кроме того, у германиевых и кремниевых диодов велика вероятность безызлучательной рекомбинации.

Эти тексты также могут быть интересными

В кремнии и германии большинство находится в форме тепла, а излучаемый свет ничтожен. Эти ошибки вызваны наличием гармоник в сети, а также точностью измерения тестового оборудования. Может ли судья полагаться на первобытные факты, которые не только утверждались в партиях, но которые должны были быть приобретены каким-либо иным способом, или он мог бы основывать свое решение только на фактах, возбужденных сторонами? Зачем использовать объем знаний в управлении проектами? . Проект «Плазменная оптоэлектроника» участвует в экспериментальных и восходящих исследованиях органической электроники, от реализации устройств, их оптоэлектронной характеристики, до моделирования их физических свойств.

Для изготовления светодиодов, излучающих в видимом диапазоне, применяются специальные полупроводниковые материалы – фосфид галлия, нитрид галлия, карбид кремния и другие с большой шириной запрещенной зоны. В современных светодиодах используются гетеропереходы, то есть полупроводниковые структуры на основе материалов с разной шириной запрещенной зоны.

Область органической электроники включает в себя различные технологии с использованием основных устройств. Светоизлучающие диоды в области плоских дисплеев и малоэнергетического освещения Полевые транзисторы в логических схемах - память для обеспечения кочевой или несетевой электропроводки. Деятельность группы разрабатывается в рамках местного, национального и международного сотрудничества с партнерами из академического мира, а также региональной и национальной промышленной структурой.

Паровое осаждение с ионным пучком

Большинство оптоэлектронных компонентов используют катоды, полученные вакуумным испарением. Паровое осаждение с ионным пучком включает осаждение путем испарения на подложке и одновременное воздействие на подложку пучка энергетических ионов. Этот метод приводит к изменениям оптических, электрических, механических и химических свойств осажденного слоя. Этот метод позволяет, в частности, уплотнять осажденные слои, чтобы ограничить диффузию кислорода и воды внутри компонентов. После этого улучшается срок службы компонентов.

На рис. 5.1 приведены зависимости интенсивности излучения светодиодов из различных материалов от длины волны (спектральные характеристики), там же показано условное обозначение светодиода на электрических схемах.

Рис. 5.1. Спектральные характеристики и обозначение светодиодов на электрических схемах.

Разработка наноструктурированных неорганических полупроводников

В этом контексте в лаборатории были разработаны мягкие методы ионно-лучевого напыления. Гибридные оптоэлектронные компоненты, использующие свойства органического и неорганического вещества в том же устройстве, сегодня продемонстрировали важный потенциал для разработки конкурентоспособных недорогих решений. В этом контексте нас интересует синтез неорганических нанокристаллов оксиды металлов с хорошо контролируемой морфологией, используемыми в активных слоях наших устройств, а также осаждение неорганических тонких слоев методом аэрозольного пиролиза, используемого в качестве прозрачных проводящих электродов, блокирующих слоев или буферных слоев в лабораторно разработанных компонентах.

Вольтамперная характеристика светодиода (рис. 5.2) похожа на характеристику обычного полупроводникового диода. Ее особенность состоит в том, что величины прямых напряжений могут достигать нескольких вольт (из-за большой ширины запрещенной зоны), а обратные напряжения невелики вследствие малой толщины p-n перехода. При электрическом пробое светодиода, вследствие ударной ионизации в объеме p-n перехода также может возникнуть излучение электромагнитной энергии. Однако, интенсивность излучения в таком режиме мала, и он не находит практического применения.

Новые разрабатываемые технологии

Вкладывание органических материалов путем лазерной абляции. . Явление лазерной абляции может быть использовано для производства тонких органических слоев: оно имеет то преимущество, что позволяет производить слои контролируемой толщины и хорошего качества кристалла при температуре окружающей среды. Чтобы избежать деградации молекулярной структуры соединения, необходимо работать при низкой плотности потока, близкой к пороговому флюенсу. Лазерная абляция также позволяет проводить выборочное травление через маску ранее нанесенных слоев.

Рис. 5.2. Вольтамперные характеристики светодиодов.

Важной характеристикой светодиода является яркостная, то есть зависимость яркости излучения от величины прямого тока. Яркость определяется отношением силы света к площади светящейся поверхности. Примерный вид такой характеристики приведен на рис. 5.3. Ее загибы на начальном и конечном участках объясняются тем, что при малых и больших токах увеличивается вероятность безызлучательной рекомбинации.

Разработка электродов на основе углеродных нанотрубок. . С электрической точки зрения, нанотрубки имеют особенность быть либо металлическими, либо полупроводниковыми в зависимости от их геометрии. При помощи подходов к решению мы стремимся разработать и оптимизировать электроды на основе углеродных нанотрубок.

Разработка гибридных компонентов путем совместного осаждения. . Принцип совместного осаждения гибридных компонентов. В качестве нового подхода мы предлагаем совместное осаждение органического материала путем испарения и неорганического материала путем ионного напыления. Такие гибридные слои также могут быть использованы в качестве барьерных слоев для инкапсуляции компонентов.

Рис. 5.3. Яркостная характеристика светодиода.

Светодиоды, в отличие от других излучающих приборов (ламп накаливания и т.п.), являются очень быстродействующими (безынерционными). Время, за которое световой поток, формируемый светодиодом при подаче прямоугольного импульса прямого тока, достигает максимума, лежит в пределах от единиц микросекунд до десятков наносекунд.

Оптоэлектронные устройства

Органические и гибридные фотогальванические элементы

Фотогальванические ячейки позволяют превращать световую энергию в электрическую энергию путем поглощения фотонов, а затем создавать и, наконец, перенос свободных зарядов в активном слое, состоящем из донорных и принимающих электронов материалов. Органические клетки, основанные на небольших конъюгированных молекулах или полупроводниковых полимерах, имеют то преимущество, что они разрабатываются с низкой стоимостью на гибких подложках.

Для органических солнечных элементов основными задачами являются. Контроль морфологии в нанометровом масштабе как для компонентов на основе испарившихся малых молекул, так и для клеток на основе конъюгированных полимеров и растворимых молекулярных акцепторов.

Светодиоды характеризуются следующими основными параметрами: длина волны максимума излучения или цвет свечения; яркость или сила света при заданном прямом токе ; прямое падение напряжения при заданном прямом токе и максимально допустимые прямой ток, обратное напряжение и мощность, рассеиваемая светодиодом.

Фотодиод представляет собой полупроводниковый прибор, p-n переход которого открыт для действия внешнего излучения. Если к выводам полупроводникового диода не подключены внешние источники напряжений, то p-n переход находится в равновесном состоянии. При этом разность потенциалов на выводах диода равна нулю, а на границе раздела слоев полупроводника существует внутреннее электрическое поле, препятствующее перемещению основных носителей через p-n переход.

Оптимизация электродов с использованием методов ионного пучка. Моделирование активных зон клеток для улучшения их характеристик и их продолжительности жизни. Оптимизация электродных конструкций солнечных элементов на основе испаренных малых молекул. Параллельно с органическими компонентами мы недавно начали производство и оптоэлектронную характеристику гибридных фотогальванических элементов на основе наноструктурированных оксидов металлов. В основном нас интересуют сенсибилизированные клетки красителями в твердом состоянии, потенциальная производительность которых может В дополнение к сенсибилизированным клеткам мы также продолжаем разработку обычных гибридных компонентов.

Под действием электромагнитного излучения (при освещении), в объеме перехода происходит разрыв связей электронов с атомами – генерация электронно-дырочных пар. Данное явление называется внутренним фотоэффектом. Поле p-n перехода будет перемещать образовавшиеся дырки в область p -полупроводника, а электроны соответственно в n -полупроводник, разделяя генерируемые носители. При этом на внешних краях полупроводниковых слоев появится некоторая разность потенциалов («+» на аноде диода, «–» на его катоде) и одновременно на величину этой разности уменьшится высота потенциального барьера p-n перехода.

Основные усилия направлены на точный контроль наномасштабных архитектур за счет недорогого развития нанопористых слоев оксидов металлов. Принцип сенсибилизированных клеток красителя в твердом состоянии. Контакт: Тьерри Триго, Бруно Лукас. Команда разрабатывает новые технологии для производства электронных схем на основе органических транзисторов. Цель состоит в том, чтобы получать недорогие продукты из-за используемых материалов и применяемых методов производства. две области исследований в основном развиты в лаборатории.

Прозрачные органические транзисторы. Гибкие схемы, полученные методами печати. Изучаются с теоретической точки зрения. Физика органических полупроводников. Решения печатных технологий. Состояние интерфейсов: в соответствии с методами осаждения и осажденными материалами.

Генерируемая фотодиодом, под действием света, разность потенциалов, называется фото э.д.с.

. Ее величина зависит от светового потока (рис. 5.4), но фото э.д.с. не может превысить контактной разности потенциалов. Это объясняется тем, что направления внешнего и внутреннего полей противоположны и с увеличениемуменьшается суммарное электрическое поле, вызывающее перемещение носителей зарядов. При равенстве фото э.д.с. исила, вызывающая перемещение носителей исчезнет. Величина разности потенциалов, образующаяся на выводах фотодиода при разомкнутой внешней цепи называется напряжением холостого хода .

Архитектура органических цепей. Типичные характеристики органического транзистора, нанесенного на гибкую подложку. Кроме того, мы разрабатываем другие продвинутые компоненты, основанные на использовании органических транзисторов, таких как фотоэлементы. Действительно, различные эффекты могут быть получены в твердых телах поглощением или испусканием фотона материалом, таким как фотопроводность или фотовольтаический эффект, которые непосредственно связаны с транспортными механизмами. Фототранзистор, который использует фотопроводящие свойства активного слоя транзистора, может быть использован в качестве светоизвлекаемого переключателя в качестве усилителя оптической сетки в качестве схемы обнаружения или в качестве датчика.

Рис. 5.4. Зависимость фото э.д.с. и тока короткого замыкания p-n перехода от величины светового потока.

Если выводы диода с освещенным p-n переходом замкнуть накоротко, то по проводнику потечет электрический ток, называемый фототоком , обусловленый направленным перемещением образовавшихся в зоне перехода свободных носителей. Их движение будет происходить под действием внутреннего электрического поля перехода. При освещенном фотодиоде этот ток будет поддерживаться за счет энергии светового излучения, вызывающего генерацию электронно-дырочных пар. При нулевом сопротивлении внешней цепи такой ток называется током короткого замыкания.

Органические светодиоды

Органический транзистор на гибкой подложке при возбуждении света. Временной отклик транзистора для разных напряжений стока и в зависимости от освещения. Контактное лицо: Реми Антоний, Бруно Лукас. Органические светоизлучающие диоды позволяют преобразовывать электрическую энергию в энергию света. Структуры имеют сэндвич-тип с одним или несколькими органическими слоями, расположенными между двумя электродами, один из которых прозрачен для излучаемой длины волны. Применение электрического поля к выводам компонента позволяет вводить носители нагрузки, которые будут мигрировать в органические слои, а рекомбинация этих носителей приводит к возникновению квазичастицы, называемой экситоном.

Величина фототока , как и величина фото-э.д.с., пропорциональна световому потоку (рис. 5.4), но соответствующая зависимость

не имеет ярко выраженного участка насыщения, так как при любом количестве образовавшихся носителей, электрическое поле, воздействующее на них будет равно полю контактной разности потенциалов.

Длина волны излучаемого света и других оптоэлектронных характеристик зависит от характера излучающего слоя. Характеристики фотоэлемента в темноте и под освещением. Эти компоненты позволяют, например, передавать информацию путем поддержания электрической изоляции, которая также может использоваться для оценки их производительности с точки зрения продолжительности жизни или термической стабильности.

Передовые методы определения характеристик

Измерение подвижности нагрузок и явления транспорта

Таким образом, характеристики органических компонентов сильно зависят от подвижности носителей и транспортных механизмов. Следовательно, для оценки этих деликатных параметров, которые необходимо измерить, мы разработали метод измерения подвижности на основе диэлектрических измерений: экстраполяция на очень низкой частоте в представлении диэлектрических потерь в зависимости от частоты позволяет получить проводимость продолжается. Тогда, исходя из характеристики плотности тока в зависимости от напряжения, определяется плотность носителей, чтобы окончательно определить их подвижность.

Таким образом при наличии внешних источников света, фотодиод может служить в качестве генератора э.д.с. или тока, т.е. выполнять функции преобразователя световой энергии в электрическую. На этом принципе основано действие солнечных преобразователей (батарей). Описанный режим работы фотодиода (без внешних источников) называется вентильным.

Вольтамперная характеристика фотодиода, т.е. зависимость тока через него от величины внешнего приложенного напряжения определенным образом связана с освещенностью. Очевидно, если p-n переход не освещен, то вольтамперная характеристика фотодиода будет идентична соответствующей характеристике обычного диода. Этой ситуации соответствует график на рис. 5.5 для

=0.

Рис. 5.5. Вольтамперные характеристики фотодиода.

При подаче на затемненный фотодиод обратного напряжения через него будет протекать так называемый темновой ток , определяемый, как и для обычного диода соотношением:

(5.2)

где – ток насыщения,– температурный потенциал,

- приложенное напряжение. При освещении p-n перехода запертого диода в его объеме и прилегающих областях будут генерироваться пары носителей. Они станут увлекаться внешним электрическим полем к краям полупроводниковых слоев и через диод потечет обратный ток

(5.3)

где – темновой ток,– ток, создаваемый носителями, рожденными электромагнитным излучением (фототок). Этот ток условно имеет отрицательный знак. Так как величина фототока пропорциональна световому потоку

, то с ростом освещенности обратная ветвь ВАХ фотодиода будет практически параллельно смещаться вниз, как показано на рис. 5.5. Данный режим работы фотодиода (при обратном смещенииp-nперехода) называется фотодиодным.

Если на фотодиод подать напряжение равное нулю, то это будет соответствовать его короткому замыканию и, как отмечалось ранее, через внешнюю цепь будет протекать некоторый ток, называемый током короткого замыкания

.

При смене полярности напряжения на диоде внешнее электрическое поле включается встречно с полем фото э.д.с., что вызывает уменьшение потока носителей через p-n переход и соответственно снижение обратного тока. Когда прямое напряжение достигнет некоторой величины, ток диод прекратится. Величина этого напряжения соответствует режиму холостого хода и будет равна

, генерируемой диодом при заданной освещенности и разомкнутой внешней цепи. Дальнейший рост отпирающей разности потенциалов вызовет протекание через диод прямого тока, зависимость которого от напряжения описывается соотношением, аналогичным (5.2)

, а суммарный ток будет равен

.

Фотодиоды обычно используются как датчики освещенности и работают при обратном смещении, то есть в фотодиодном режиме. Они характеризуются следующими параметрами: – темновой ток (обратный ток затемненного фотодиода при заданной температуре и обратном напряжении);

– интегральная, или

– дифференциальная фоточувствительность. Последняя часто определяется как отношение изменения обратного тока

к вызвавшему его изменению светового потока

.

Чувствительность фотодиода зависит от длины волны подающего света. Данная зависимость для фотодиодов, изготовленных из различных материалов и его обозначение на принципиальных схемах приведены на рис. 5.6.

Рис. 5.6. Спектральные характеристики фотодиода и его обозначение на электрических схемах.

Так как биполярный транзистор представляет собой структуру, содержащую p-n переходы, то управление током в нем, может быть осуществлено не только при изменении соответствующих напряжений, но и путем освещения области базы. Транзистор, для которого предусмотрен такой режим работы, называется фототранзистором. В отсутствие освещенности его вольтамперные характеристики идентичны аналогичным характеристикам обычного транзистора.

Под воздействием светового потока в p-n переходах базовой области будут генерироваться электронно-дырочные пары. Полем запертого коллекторного перехода электроны (для n-p-n транзистора) будут втягиваться в область коллектора, увеличивая его ток. Данная ситуация аналогична работе фотодиода в режиме обратного смещения.

Дырки, возникшие при освещении фототранзистора (n-p-n типа), остаются в базе, увеличивая ее положительный потенциал, что приводит к повышению интенсивности инжекции электронов из эмиттера. Дополнительные электроны, достигнув коллекторного перехода, втянутся его полем в область коллектора и создадут дополнительное приращение коллекторного тока. Полный коллекторный ток фототранзистора при включении его по схеме с общим эмиттером будет описываться соотношением:

– сквозной коллекторный ток,– фототок коллекторного перехода, величина которого зависит от внешней освещенности. Из (5.4) следует, что коллекторным током фототранзистора можно управлять как по цепи базы, так и изменяя величину светового потока. Фоточувствительность такого транзистора примерно в

раз больше чувствительности фотодиода.

Семейство выходных вольтамперных характеристик фототранзистора приведено на рис. 5.7. Там же представлена эквивалентная схема фототранзистора в виде комбинации обычного транзистора и фотодиода.

Рис. 5.7. Вольтамперные характеристики, обозначение и эквивалентное представление биполярного фототранзистора.

Если комбинированное управление током коллектора не требуется, то фототранзистор может не иметь базового вывода. Данный режим работы называется режимом с «оторванной» или свободной базой. Фототранзистор при этом обладает не только максимальной чувствительностью, но и максимальной нестабильностью своих параметров. С целью повышения стабильности вывод базы через резистор может быть соединен с эмиттерным контактом.

Фототиристоры представляют собой переключающие полупроводниковые приборы, напряжение включения которых может изменяться под воздействием на соответствующие p-n переходы светового потока. Условие включения тиристора выглядит следующим образом:

, гдеи– коэффициенты передачи эквивалентных транзисторов. В отсутствие освещенности вольтамперная характеристика фототиристора аналогична характеристике обычного переключающего прибора (динистора или тиристора при

). Освещение переходов фототиристора вызывает рост токов соответствующихтранзисторов и их коэффициентов передачи. Это приведет к уменьшению напряжения включения структуры, как показано на рис. 5.8. В случае достаточно интенсивного освещения фототиристор будет включен при любом значении прямого напряжения, как и тиристор при токе управления большем тока спрямления.

Рис. 5.8. Вольтамперные характеристики и обозначение фототиристора.

Таким образом, подав на затемненный фототиристор некоторое напряжение, а затем кратковременно осветив p-n переход, прибор можно перевести во включенное состояние. Выключить фототиристор, как и обычный переключающий прибор, удается лишь при уменьшении анодного тока до значения, меньшего, чем ток удержания. Фототиристор может иметь и дополнительный вывод – управляющий электрод, что позволяет включать его при подаче как электрического, так и светового сигнала.

Фоторезистором называется двухэлектродный полупроводниковый прибор, сопротивление которого зависит от внешней освещенности. В отличие от ранее рассмотренных приборов, фоторезистор не содержит выпрямляющих переходов и является линейным элементом, т.е. его вольтамперная характеристика описывается при любой полярности напряжения соотношением:

, где– ток, протекающий через фоторезистор,– сопротивление при заданной освещенности. Вольтамперные характеристики фоторезистора и его обозначение на электрических схемах приведены на рис. 5.9.

Рис. 5.9. Вольтамперные характеристики и обозначение фоторезисторов на электрических схемах.

Основными параметрами фоторезистора являются: темновое сопротивление (сопротивление при световом потоке

), кратность изменения сопротивления, равная отношению темнового сопротивления к сопротивлению при заданной освещенности. Фоторезисторы, как и фотодиоды, неодинаково реагируют на световые потоки с разными длинами волн. Наиболее чувствительными к инфракрасному излучению являются фоторезисторы, изготовленные из селенида и сульфида свинца, а при работе в видимом диапазоне используются фоторезисторы из селенида и сульфида кадмия.

Излучатель света и фотоприемник могут помещаться в один корпус, образуя прибор, называемый оптроном или оптопарой. В зависимости от комбинаций излучателей и приемников света существуют различные виды оптронов. Структура и обозначения на принципиальных схемах некоторых из них приведены на рис. 5.10.

Рис. 5.10. Обозначение на электрических схемах различных видов оптронов.

Описание лабораторной установки.

Установка для проведения лабораторной работы № 5 «Исследование оптоэлектронных приборов » состоит из лабораторного и измерительного стендов, внешний вид передних панелей которых приведен на рис.1.8 и 5.11.

Лабораторный стенд содержит в своем составе регулируемый источник питания с диапазоном изменения выходного напряжения 015В и ограничителем тока нагрузки на уровне 60мА. Тумблер включения источника питания, ручка регулировки напряжения и выходные гнезда размещены в правой части панели лабораторного стенда. Там же расположена кнопка с надписью «Выкл. Е», при нажатии которой выходное напряжение отключается от гнезда с маркировкой «+».

Кроме этого имеются два источника тока, величины которых задаются соответствующими переключателями. Ток базы может устанавливаться равным нулю, 0,1мкА, 1мкА, 10мкА, а ток второго источника– 0, 0,5мА, 10мА, 20мА и 30мА.

В данной лабораторной работе исследуются характеристики светодиодов АЛ336Б (VD1) с красным, АЛ336Г (VD2) с зеленым сетом свечения и инфракрасного светодиода АЛ107А (VD3).

Резистор номиналом 680 Ом служит для ограничения величины прямого тока через светодиоды. Кроме этого проводится исследование фотоприемников различного типа, входящих в состав оптронов диодного АОД101А (U1), транзисторного АОТ128А (U2), тиристорного АОУ103В (U3) и резисторного ОЭП10 (U4). Резисторы

(величиной 1 кОм) и

(величиной 10 кОм) используются при исследовании оптрона в режиме передачи аналоговых сигналов, проводимом в работе № 6.

Включение лабораторного стенда осуществляется тумблером «Вкл.». О функционировании источника питания свидетельствует загорание зеленого светодиода, расположенного у данного тумблера.

Порядок проведения лабораторной работы.

1. Домашняя подготовка.

В ходе домашней подготовки требуется, пользуясь справочной литературой, определить и записать в рабочую тетрадь основные параметры исследуемых в данной работе полупроводниковых приборов. Кроме того, необходимо зарисовать схемы для проведения измерений и таблицы для записи результатов исследований.

2. Проведение лабораторной работы.

2.1. Исследование вольтамперных характеристик светодиодов.

Собрать, используя диод VD1, схему, приведенную на рис. 5.12.

Рис. 5.12. Схема для исследования прямой ветви вольтамперной характеристики светодиодов.

Установить ручку регулятора напряжения в крайнее левое положение (

); предел измеренияPV1 – 1,5В, предел измерения PA1 – 10мА. Включить питание лабораторного стенда.

Увеличивая вращением ручки регулятора вправо напряжение источника питания, провести измерения зависимости падения напряжения на диоде от величины прямого тока, устанавливая его значения равными: 0мА, 1мА, 3мА, 5мА, 10мА, 20мА, 30мА, 40мА, 50мА. Заполнить полученными данными первую строку таблицы:

(мА)
(В)
(В)
(В)

Провести аналогичные измерения для диодов VD2, VD3. Их подключение необходимо проводить при обесточенном лабораторном стенде.

Собрать, используя диод VD1, схему, приведенную на рис. 5.13.

Рис. 5.13. Схема для исследования обратной ветви вольтамперной характеристики светодиодов.

Установить предел измерения PA1 – 0,1мА, PV1 – 15В. Изменяя регулятором запирающее напряжение на диоде, провести измерение обратного тока и заполнить первую строку таблицы:

(В)
(мА)
(мА)
(мА)

Провести аналогичные измерения для диодов VD2, VD3.

2.2. Исследование вольтамперных характеристик фотодиода.

В цикле данных исследований используется арсенид-галлиевый фотодиод, входящий в состав диодного оптрона U1.

2.2.1. Исследование прямой ветви вольтамперной характеристики фотодиода.

Собрать схему, приведенную на рис. 5.14.

Рис. 5.14. Схема для исследования прямой ветви вольтамперной характеристики фотодиода.

Установить регулятор напряжения в крайнее левое положение (

), переключатель, задающий ток– в нулевое состояние, предел измерения вольтметраPV1 – 0,75В, миллиамперметра PA1 – 10мА.

Увеличивая выходное напряжение источника питания, задать прямые токи фотодиода равными указанным в таблице на рис. 5.15, измерить падение напряжения на нем и заполнить полученными данными первую строку таблицы.

Устанавливая переключателем с надписью «I» значения тока светодиода равными 5, 10, 20 и 30мА и, тем самым, увеличивая освещенность фотодиода, провести аналогичные измерения.

(мА)
(В)									мА
(В)									мА
(В)									мА
(В)									мА
(В)									мА

Рис. 5.15. Таблица для записи результатов исследований прямой ветви вольтамперной характеристики фотодиода.

2.2.2. Исследование напряжения холостого хода и тока короткого замыкания фотодиода.

Отсоединить от схемы (рис. 5.14) источник питания и, задавая ток через светодиод равным 0,5, 10, 20 и 30мА, измерить значения напряжения холостого хода фотодиода при его работе в вентильном режиме. Зафиксировать полученные результаты в таблице:

(мА)
(В)

Для измерения тока короткого замыкания собрать схему, приведенную на рис. 5.16. Задавая токи через светодиод в соответствии с указанными в вышеприведенной таблице, измерить величины токов короткого замыкания фотодиода и занести полученные результаты в нижнюю строку таблицы.

Рис. 5.16. Схема для измерения тока короткого замыкания фотодиода при его работе в вентильном режиме.

2.2.3. Исследование промежуточной ветви вольтамперной характеристики фотодиода при работе в вентильном режиме.

Собрать схему, приведенную на рис. 5.17.

Рис. 5.17. Схема для исследования вольтамперной характеристики фотодиода.

Задать ток светодиода равным 5 мА. Изменяя напряжение на выходе источника питания, установить ток через фотодиод равным нулю. Данное напряжение должно быть близко к измеренному ранее значению

при соответствующем токе светодиода. Уменьшая напряжение до нуля, провести измерения токов фотодиода для трех-пяти его значений и занести полученные результаты в таблицу:

(В)
(мА)

Величина прямого тока при нулевом напряжении источника питания должна быть близка к соответствующему значению

. Провести цикл аналогичных измерений для токов через светодиод, равных 10, 20 и 30мА.

2.2.4. Исследование обратной ветви вольтамперной характеристики фотодиода.

Собрать схему, приведенную на рис. 5.18.

Рис. 5.18. Схема для исследования обратной ветви вольтамперной характеристики фотодиода.

Установить ток через светодиод равным нулю, напряжение источника питания – близким к нулю, предел измерения PV1 – 15В, предел измерения PA1 – 0,1мА.

Провести измерения зависимости обратного тока фотодиода от величины запирающего напряжения и заполнить соответствующими данными первую строку таблицы, приведенной на рис. 5.19. Устанавливая ток через светодиод равным 5, 10, 20 и 30мА, проделать аналогичные измерения и результаты занести в ту же таблицу.

(В)
(мА)								мА
(мА)								мА
(мА)								мА
(мА)								мА
(мА)								мА

Рис. 5.19. Таблица для записи результатов при исследовании обратной ветви вольтамперной характеристики фотодиода.

2.3. Исследование выходных характеристик фототранзистора.

В ходе данных исследований используется фототранзистор, входящий в состав транзисторного оптрона

.

Собрать схему, приведенную на рис. 5.20.

Рис. 5.20. Схема для исследования выходных характеристик фототранзистора.

Установить токи иравными нулю, ручку регулятора напряжения – в крайнее левое положение, предел измеренияPA1 – 0,1мА, предел измерения PV1 – 15В.

Провести измерения тока коллектора транзистора при напряжении источника питания, равном 0, 1, 3, 6, 9, 12 и 15В, и результаты занести в соответствующую строку таблицы, приведенной на рис. 5.21. Устанавливая токи базы равными 1, 5 и 10мкА, провести аналогичные измерения для неосвещенного транзистора (при

= 0). Записать полученные результаты в соответствующие строки таблицы.

Установить ток светодиода равным 20мА и провести цикл аналогичных измерений.

(В)
(мА)
(мА)								мкА
(мА)								мкА
(мА)								мкА
(мА)									мА
(мА)								мкА
(мА)								мкА
(мА)								мкА

Рис. 5.21. Таблица для записи результатов исследования выходных характеристик фототранзистора.

2.4. Исследование фототиристора.

При выполнении данного пункта используется фототиристор, входящий в состав тиристорного оптрона

.

Собрать схему, приведенную на рис. 5.22.

Рис. 5.22. Схема для исследования фототиристора.

Установить ток через фотодиод равным нулю, ручку регулятора выходного напряжения – в крайнее левое положение, предел измерения PV1 – 15В.

Увеличивая напряжение источника питания, попытаться включить тиристор. Если он включен, то загорится светодиод VD2. Измерить величину

. Уменьшить напряжение питания до нуля и нажать кнопку «Выкл. Е» для перевода тиристора в исходное состояние. Задавая ток светодиода равным 2, 5, 10 и 20мА, провести аналогичные измерения и результаты занести в таблицу:

(мА)
(В)

Установить ток светодиода равным нулю. Выключить тиристор. Задать максимальное напряжение источника питания и, последовательно увеличивая ток через светодиод, включить тиристор. Попытаться выключить его путем снижения тока светодиода до нулевого значения.

2.5. Исследование фоторезистора.

При выполнении данного пункта лабораторной работы исследуются характеристики фоторезистора, входящего в состав оптрона

.

Собрать схему, приведенную на рис. 5.23.

Рис. 5.23. Схема для исследования фоторезистора.

Установить ток равным нулю, ручку регулятора напряжения – в крайнее левое положение (

), предел измеренияPV1 – 15В, PA1 – 0,1мА.

Изменяя напряжение на фоторезисторе, провести замеры протекающего через него тока и результаты занести в первую строку таблицы, приведенной на рис. 5.24. Последовательно увеличивая значения токов через лампочку накаливания, провести аналогичные измерения и записать результаты в соответствующие строки таблицы.

(В)
(мА)							мА
(мА)							мА
(мА)							мА
(мА)							мА
(мА)							мА

Рис. 5.24. Таблица для записи результатов исследований вольтамперной характеристики фоторезистора.

Изменить полярность напряжения источника питания и измерительных приборов (собрать схему, приведенную на рис. 5.25). Провести цикл аналогичных измерений и результаты зафиксировать в таблице.

Рис. 5.25. Схема для исследования вольтамперной характеристики фоторезистора при обратной полярности напряжения.

3. Обработка экспериментальных результатов.

3.1. Обработка результатов, полученных при выполнении пункта 2.1.

Построить на одном листе миллиметровки прямые и обратные ветви вольтамперных характеристик исследованных диодов, взяв масштаб по оси токов и напряжений для прямой ветви 5мА/см, 0,5В/см и, соответственно, для обратной ветви 0,1мА/см и 1,5В/см.

3.2. Обработка результатов пунктов 2.2.12.2.4 лабораторной работы.

Построить на одном листе миллиметровки семейство полных вольтамперных характеристик фотодиода при различных уровнях освещенности, задаваемых током светодиода. Масштаб по оси токов для прямой ветви вольтамперной характеристики выбрать равным 5мА/см, по оси напряжений 0,1В/см. При построении обратной ветви масштабы взять равными 0,1мА/см и 1,5В/см. Отметить на характеристиках величины напряжений холостого хода и токов короткого замыкания.

По данным, полученным в пункте 2.2.2, построить зависимости

и

, где– ток через светодиод. Масштабы по осям, на которых откладываются значения соответствующих величин, выбрать равными 5мА/см – по оси токов; 0,1В/см – по оси

и 0,2мА/см – по оси

.

3.3. Обработка результатов, полученных при выполнении пункта 2.3.

Построить на одном листе миллиметровки семейство выходных характеристик фототранзистора при различных значениях тока светодиода. По оси напряжений масштаб выбрать равным 1В/см, а по оси токов 2мА/см.

3.4. Обработка результатов пункта 2.4 лабораторной работы.

Построить зависимость напряжения включения фототиристора от тока светодиода, выбрав масштаб по оси токов 2мА/см, а по оси напряжений 3В/см. Объяснить полученные при выполнении данного пункта результаты.

3.5. Обработка результатов пункта 2.5.

Построить на одном листе миллиметровки семейство вольтамперных характеристик фоторезистора при обоих полярностях подаваемого напряжения, выбрав масштаб по оси токов 5мА/см, а по оси напряжений 3В/см.

Определить по данным характеристикам сопротивление фоторезистора в области нулевых значений напряжений при разных освещенностях, построить график зависимости сопротивления фоторезистора от величины тока, протекающего через источник излучения.

Сак А.В. Прогнозирование и планирование экономики (Документ)

Клиначев Н.В. Теория систем автоматического регулирования (Документ)

Бочаров А.Б. Учебно-методический комплекс по курсу Логика (Документ)

Бахарев П.В. Арбитражный процесс. Учебно-методический комплекс (Документ)

Старова Л.И. Анализ производственно-хозяйственной деятельности предприятия (Документ)

Светлицкий И.С. Экономическая теория (Документ)

Данильченко А.В. (и др.) Мировая экономика: Учебно-методический комплекс (Документ)

Гуткович Е.М. Учебно-методический комплекс по дисциплине Банковское право (Документ)

n1.doc

Тема 4.1 Основы оптоэлектроники. Классификация оптоэлектронных устройств.
Оптоэлектроника является важной самостоятельной областью функциональной электроники и микроэлектроники. Оптоэлектронный прибор - это устройство, в котором при обработке информации происходит преобразование электрических сигналов в оптические и обратно.

• 
  Существенная особенность оптоэлектронных устройств состоит в том, что элементы в них оптически связаны, а электрически изолированы друг от друга.

Благодаря этому легко обеспечивается согласование высоковольтных и низковольтных, а также высокочастотных и низкочастотных цепей. Кроме того, оптоэлектронным устройствам присущи и другие достоинства: возможность пространственной модуляции световых пучков, что в сочетании с изменениями во времени дает три степени свободы (в чисто электронных цепях две); возможность значительного ветвления и пересечения световых пучков в отсутствие гальванической связи между каналами; большая функциональная нагрузка световых пучков ввиду возможности изменения многих их параметров (амплитуды, направления, частоты, фазы, поляризации).

Оптоэлектроника охватывает два основных независимых направления - оптическое и электронно-оптическое. Оптическое направление базируется на эффектах взаимодействия твердого тела с электромагнитным излучением. Оно опирается на голографию, фотохимию, электрооптику и другие явления. Оптическое направление иногда называют лазерным.

Электронно-оптическое направление использует принцип фотоэлектрического преобразования, реализуемого в твердом теле посредством внутреннего фотоэффекта, с одной стороны, и электролюминесценцией, с другой. В основе этого направления лежит замена гальванических и магнитных связей в традиционных электронных цепях оптическими. Это позволяет повысить плотность информации в канале связи, его быстродействие, помехозащищенность.

Основным элементом оптоэлектроники является оптрон. Различают оптроны с внутренней (рис. 9.4, а) и внешними (рис. 9.4, б ) фотонными связями. Простейший оптрон представляет собой четырехполюсник (рис. 9.4, а), состоящий из трех элементов: фотоизлучателя 1 , световода 2 и приемника света 3, заключенных в герметичном светонепроницаемом корпусе. При подаче на вход электрического сигнала в виде импульса или перепада входного тока возбуждается фотоизлучатель. Световой поток по световоду попадает в фотоприемник, на выходе которого образуется электрический импульс или перепад выходного тока. Этот тип оптрона является усилителем электрических сигналов, в нем внутренняя связь фотонная, а внешние - электрические.

Другой тип оптрона - с электрической внутренней связью и фотонными внешними связями (рис. 9.4, б ) - является усилителем световых сигналов, а также преобразователем сигналов одной частоты в сигналы другой частоты, например сигналов инфракрасного излучения в сигналы видимого спектра. Приемник света 4 преобразует входной световой сигнал в электрический. Последний усиливается усилителем 5 и возбуждает источник света 6.

В настоящее время разработано большое число оптоэлектронных устройств раз-

Личного назначения. В микроэлектронике, как правило, используются только те оптоэлектронные функциональные элементы, для которых имеется возможность интеграции, а также совместимость технологии их изготовления с технологией изготовления соответствующих интегральных микросхем.

Фотоизлучатели . К источникам света оптоэлектроникой предъявляются такие требования, как миниатюрность, малая потребляемая мощность, высокие эффективность и надежность, большой срок службы, технологичность. Они должны обладать высоким быстродействием, допускать возможность изготовления в виде интегральных устройств.

Наиболее широкое распространение в качестве электролюминесцентных источников получили инжекционные светодиоды, в которых испускание света определяется механизмом межзонной рекомбинации электронов и дырок. Если пропускать достаточно большой ток инжекции

Рис. 9.5. К объяснению принципа действия инжекционного светодиода

через p - n -переход (в прямом направлении), то часть электронов из валентной зоны перейдет в зону проводимости (рис. 9.5). В верхней части валентной зоны образуются свободные состояния (дырки), а в нижней части зоны проводимости - заполнение состоя-

Ния (электроны проводимости). Такая инверсная заселенность не является равновесной и приводит к хаотическому испусканию фотонов при обратных переходах электронов. Возникающее при этом в р- n -переходе некогерентное свечение и является электролюминесценцией. Фотон, испускаемый при люминесцентном переходе из заполненной части зоны проводимости в свободную часть валентной зоны, вызывает индуцированное излучение идентичного фотона, заставив еще один электрон перейти в валентную зону. Однако фотон такой же энергии (от ∆ E = E 2 - E 1 до ∆ E =2? E ) не может поглотиться, так как нижнее состояние свободно (в нем нет электронов), а верхнее состояние уже заполнено. Это означает, что p - n -переход прозрачен для фотонов такой энергии, т. е. для соответствующей частоты. Наоборот, фотоны с энергией, большей ∆ E +2? E , могут поглощаться, переводя электроны из валентной зоны в зону проводимости. В то же время для таких энергий индуцированное испускание фотонов невозможно, так как верхнее исходное состояние не заполнено, а нижнее состояние заполнено. Таким образом, вынужденное излучение возможно в узком диапазоне около частоты, соответствующей энергии запрещенной зоны ∆Е с шириной спектра ? E .

Наилучшими материалами для светодиодов являются арсенид галлия, фосфид галлия, фосфид кремния, карбид кремния и др. Светодиоды имеют высокое быстродействие (порядка 0,5 мкс), но потребляют большой ток (около 30 А/см 2). В последнее время разработаны светодиоды на основе арсенида галлия - алюминия, мощности которых составляют от долей до нескольких милливатт при прямом токе в десятки миллиампер. К. п. д. светодиодов не превышает 1 - 3%.

Перспективными источниками света являются инжекционные лазеры, позволяющие концентрировать высокие энергии в узкой спектральной области при высоких к. п. д. и быстродействии (десятки пикосекунд). Эти лазеры можно изготовлять в виде матриц на одном базовом кристалле по той же технологии, что и интегральные микросхемы. Недостатком простых инжекционных лазеров является то, что они имеют приемлемые характеристики лишь при использовании охлаждения до очень низких температур. При нормальной температуре галлий-арсенидовый лазер имеет малую среднюю мощность , низкий к. п. д. (порядка 1%), небольшие стабильность работы и срок службы. Дальнейшее усовершенствование инжекционного лазера путем создания перехода сложной структуры с использованием гетеропереходов (гетеропереход - граница между слоями с одинаковыми типами электропроводности, но с разной шириной запрещенной зоны) позволило получить малогабаритный источник света, работающий при нормальной температуре с к. п. д. 10 - 20% и приемлемыми характеристиками.

Фотоприемники. Для преобразования световых сигналов в электрические используют фотодиоды, фототранзисторы, фоторезисторы, фототиристоры и другие приборы.

Фотодиод представляет собой смещенный в обратном направлении p - n -переход, обратный ток насыщения которого определяется количеством носителей заряда, порождаемых в нем действием падающего света (рис. 9.6). Параметры фотодиода выражают через значения тока, протекающего в его цепи. Чувствительность фотодиода, которую принято называть интегральной, определяют как отношение фототока к вызвавшему его световому потоку Ф ? . Порог чувствительности фотодиодов оценивают по известным значениям интегральной (токовой) чувствительности и темнового тока I d , т. е. тока, протекающего в цепи в отсутствие облученности чувствительного слоя.

Основными материалами для фотодиодов являются германий и кремний. Кремниевые фотодиоды обычно чувствительны в узкой области спектра (от? = 0,6 – 0,8 мкм до? = 1,1 мкм) с максимумом при? = 0,85 мкм, а германиевые фотодиоды имеют границы чувствительности? = 0,4 - 1,8 мкм с максимумом при? ? 1,5 мкм. В фотодиодном режиме при напряжении питания 20 В темновой ток кремниевых фотодиодов обычно не превышает 3 мкА, в то время как у германиевых; фотодиодов при напряжении питания 10 В он достигает 15-20 мкА.

Фототранзисторы представляют собой приемники лучистой энергии с двумя или с большим числом р-п- переходов, обладающие свойством усиления фототока при облучении чувствительного слоя. Фототранзистор соединяет в себе свойства фотодиода и усилительные свойства транзистора (рис. 9.7). Наличие у фототранзистора оптического и электрического входов одновременно позволяет создать смещение, необходимое для работы на линейном участке энергетической характеристики, а также компенсировать внешние воздействия. Для обнаружения малых сигналов напряжение, снимаемое с фототранзистора, должно быть усилено. В этом случае следует увеличить сопротивление выхода переменному току при минимальном темновом токе в цепи коллектора, создавая положительное смещение на базе.

Световоды. Между источником и приемником света в оптроне находится световод. Для уменьшения потерь при отражении от границы раздела светодиода и проводящей среды (световода) последняя должна обладать большим коэффициентом преломления. Такие среды называются иммерсионными. Иммерсионный материал должен обладать также хорошей адгезией к материалам источника и приемника, обеспечивать достаточное согласование по коэффициентам расширения, быть прозрачным в рабочей области и т. д. Наиболее перспективными являются свинцовые стекла с показателем преломления 1,8-1,9 и селеновые стекла с показателем преломления 2,4-2,6. На рис. 9.8 показано поперечное сечение твердотельного оптрона с иммерсионным световодом.

В качестве световодов в оптоэлектронике находят применение тонкие нити стекла или прозрачной пластмассы. Это направление получило название волоконной оптики. Волокна покрывают светоизолирующими материалами и соединяют в многожильные световые кабели. Они выполняют те же функции по отношению к свету, что и металлические провода по отношению к току. С помощью волоконной оптики можно: осуществлять поэлементную передачу изображения с разрешающей способностью, определяемой диаметром световолокна (порядка 1 мкм); производить пространственные трансформации изображения благодаря возможности изгибания и скручивания волокон световода; передавать изображения на значительные расстояния и т. д. На рис. 9.9 показан световод в виде кабеля из светопроводящих волокон.

Интегральная оптика. Одним из перспективных направлений функциональной микроэлектроники является интегральная оптика, обеспечивающая создание сверхпроизводительных систем передачи и обработки оптической информации. Область исследований интегральной оптики включает распространение, преобразование и усиление электромагнитного излучения оптического диапазона в диэлектрических тонкопленочных волноводах и волоконных световодах. Основным элементом интегральной оптики является объемный или поверхностный оптический микроволновод. Простейший симметричный объемный оптический микроволновод представляет собой локализованную по одной или двум пространственным измерениям область с показателем преломления, превышающим показатель преломления окружающей оптической среды. Такая оптически более плотная область есть нечто иное, как канал или несущий слой диэлектрического волновода.

П римером несимметричного поверхностного диэлектрического волновода может служить тонкая пленка оптически прозрачного диэлектрика или полупроводника с показателем преломления, превышающим показатель преломления оптически прозрачной подложки. Степень локализации электромагнитного поля, а также отношение потоков энергии, переносимых вдоль несущего слоя и подложки, определяются эффективным поперечным размером несущего слоя и разностью показателей преломления несущего слоя и подложки при заданной частоте излучения. Сравнительно простым и наиболее подходящим для твердотельных оптических устройств является оптический полосковый микроволновод, выполненный в виде тонкой диэлектрической пленки (рис. 9.10), нанесенной на подложку методами микроэлектроники (например, вакуумным напылением). С помощью маски на диэлектрическую подложку можно наносить с высокой степенью точности целые оптические схемы. Применение электронно-лучевой литографии обеспечило успехи в создании как одиночных оптических полосковых волноводов, так и оптически связанных на определенной длине, а впоследствии расходящихся волноводов, что существенно для создания направленных ответвителей и частотно-избирательных фильтров в системах интегральной оптики.

Оптоэлектронные микросхемы. На

Основе оптоэлектроники разработано большое число микросхем. Рассмотрим некоторые оптоэлектронные микросхемы, выпускаемые отечественной промышленностью. В микроэлектронике наиболее широко применяют оптоэлектронные микросхемы гальванической развязки. К ним относят быстродействующие переключатели, коммутаторы аналоговых сигналов, ключи и аналоговые оптоэлектронные устройства, предназначенные для использования в системах функциональной обработки аналоговых сигналов.

Основным элементом любой оптоэлектронной микросхемы является оптронная пара (рис. 9.11, а, б), состоящая из источника света 1 , управляемого входным сигналом, иммерсионной среды 2, оптически связанной с источником света, и фотоприемника 3. Параметрами оптронной пары являются сопротивление развязки по постоянному току, коэффициент передачи тока (отношение фототока приемника к току излучателя), время переключения и проходная емкость.

На базе оптоэлектронных пар создаются оптоэлектронные микросхемы различного назначения.

Рис. 9.11. Схема и технологическое выполнение оптронной пары:

1 – источник света; 2 – иммперсионная среда; 3 – фотоприемник.

Тема 4.2 ЭЛЕМЕНТЫ ОПТОЭЛЕТРОННЫХ УСТРОЙСТВ
1. Оптоэлектронный переключатель представляет гибридную микросхему, содержащую оптоэлектронную пару и усилитель. В переключателе используются высокоэффективные светодиоды на основе apceнида галлия, легированного кремнием, и быстродействующие кремниевые p - i - n -фотодиоды. Иммерсионной средой является халькогенидное стекло с показателем преломления 2,7. Коэффициент передачи тока в оптоэлектронной паре составляет 3-5 при нормальной температуре, времена включения (сумма времен задержка и нарастания фронта) 100-250 пс, гальваническая развязка цепи светодиода и фотоприемника по постоянному току 10 9 Ом. Микросхема выполнена в круглом металлостеклянном корпусе типа ТО-5.

2. Оптоэлектронный ключ предназначен для коммутации высоковольтных цепей переменного и постоянного токов. Он имеет четыре независимых канала, каждый из которых содержит две оптоэлектронные пары, состоящие из светодиода и высоковольтного p - i - n - фотодиода. Фотодиоды соединены встречно-последовательно, поэтому сопротивление ключа в запертом состоянии (в отсутствие тока через светодиоды) независимо от полярности приложенного напряжения определяется темновым сопротивлением смещенного в обратном направлении p - i - n -фотодиода; значение его составляет примерно 10 9 Ом.

3. Транзисторный ключ предназначен для коммутации постоянных напряжений до 50 В. Прибор имеет два независимых канала, каждый из которых содержит оптоэлектронную пару, состоящую из арсенидгаллиевого светодиода и кремниевого n - p - i - n -фототранзистора. Оптоэлектронная пара имеет коэффициент передачи тока 2, номинальный рабочий ток 10 мА, быстродействие в режиме усиления 100-300 нс.

4.Коммутатор аналоговых сигналов предназначен для применения в системах селективной обработки аналоговых сигналов. Электрическая схема одного канала коммутатора приведена на рис. 9.12. Канал содержит оптоэлектронную пару, состоящую из арсенидгаллиевого светодиода и двух встречно включенных n - i - n -фотодиодов, выполненных в одном монокристалле.

На рис. 9.13 показаны электрические схемы некоторых других типов оптоэлектронных микросхем. Ключевая микросхема (рис. 9.13, а ) включает в себя быстродействующую диодную оптоэлектронную пару, согласованную с монолитным кремниевым усилителем. Она предназначена для замены трансформаторных и релейных связей в логических устройствах ЭВМ и дискретной автоматики. Аналоговый ключ (рис. 9.13, б ) относится к

Линейным схемам с оптоэлектронным управлением. При мощности управляющего сигнала 60-80 мВт параметры прерывателя достигают значений, необходимых для стандартных полупроводниковых микросхем. Оптоэлектронные маломощные реле постоянного тока (рис. 9.13, в) предназначены для замены аналоговых

электромеханических реле с быстродействием в миллисекундном диапазоне и гарантируемым числом срабатываний 10 4 -10 7 .

Представляют интерес оптоэлектронные микросхемы серии 249, в которую входят четыре группы приборов, представляющих собой электронные ключи на основе электролюминесцентных диодов и транзисторов. Электрическая схема всех групп

Приборов одинакова (рис. 9.14). Конструктивно микросхемы оформлены в прямоугольном плоском корпусе интегральных микросхем с 14 выводами и имеют два изолированных канала, что уменьшает габариты и массу аппаратуры, а также расширяет функциональные возможности микросхем. Светодиоды выполнены на основе кремния и имеют п + - p - n i - n + - структуру. Наличие двух каналов в ключе позволяет использовать его в качестве интегрального прерывателя аналоговых сигналов и получать высокий коэффициент передачи сигнала (10-100) при включении фототранзисторов по схеме составного транзистора.

Оптоэлектронные приборы
Работа оптоэлектронных приборов основана на электронно-фотонных процессах получения, передачи и хранения информации.

Простейшим оптоэлектронным прибором является оптоэлектронная пара, или оптрон. Принцип действия оптрона, состоящего из источника излучения, иммерсионной среды (световода) и фотоприемника, основан на преобразовании электрического сигнала в оптический, а затем снова в электрический.

Оптроны как функциональные приборы обладают следующими преимуществами перед обычными радиоэлементами:

Полной гальванической развязкой «вход – выход» (сопротивление изоляции превышает 10 12 – 10 14 Ом);

Абсолютной помехозащищенностью в канале передачи информации (носителями информации являются электрически нейтральные частицы – фотоны);

Однонаправленностью потока информации, которая связана с особенностями распространения света;

Широкополосностью из-за высокой частоты оптических колебаний,

Достаточным быстродействием (единицы наносекунд);

Высоким пробивным напряжением (десятки киловольт);

Малым уровнем шумов;

Хорошей механической прочностью.

По выполняемым функциям оптрон можно сравнивать с трансформатором (элементом связи) при реле (ключом).

В оптронных приборах применяют полупроводниковые источники излучения – светоизлучающие диоды, изготовляемые из материалов соединений группы А III B V , среди которых наиболее перспективны фосфид и арсенид галлия. Спектр их излучения лежит в области видимого и ближнего инфракрасного излучения (0,5 – 0,98 мкм). Светоизлучающие диоды на основе фосфида галлия имеют красный и зеленый цвет свечения. Перспективны светодиоды из карбида кремния, обладающие желтым цветом свечения и работающие при повышенных температурах, влажности и в агрессивных средах.

Светодиоды, излучающие свет в видимом диапазоне спектра, используют в электронных часах и микрокалькуляторах.

Светоизлучающие диоды характеризуются спектральным составом излучения, который достаточно широк, диаграммой направленности; квантовой эффективностью, определяемой отношением числа испускаемых квантов света к количеству прошедших через p -n -переход электронов; мощностью (при невидимом излучении) и яркостью (при видимом излучении); вольт-амперными, люмен-амперными и ватт-амперными характеристиками; быстродействием (нарастанием и спадом электролюминесценции при импульсном возбуждении), рабочим диапазоном температур. При повышении рабочей температуры яркость светодиода падает и снижается мощность излучения.

Основные характеристики светоизлучающих диодов видимого диапазона приведены в табл. 32, а инфракрасного диапазона – в табл. 33.
Таблица 32 Основные характеристики светоизлучающих диодов видимого диапазона

Таблица 33. Основные характеристики светоизлучающих диодов инфракрасного диапазона

Тип диода	Полная мощность излучения, мВт	Постоянное прямое напряжение, В	Длина волны излучения, мкм	Время нарастания импульса излучения, нс	Время спада импульса излучения, нс	Масса, г
АЛ103 А, Б АЛ106 А – Д АЛ107 А, Б	0,6 – 1 (при токе 50 мА) 0,2 – 1,5 (при токе 100 мА) 6 – 10 (при токе 100 мА) 1,5 (при токе 100 мА) 0,2 (при токе 20 мА) 10 (при токе 50 м А)	1,6	0,95	200 – 300	500	0,1

Светоизлучающие диоды в оптоэлектронных приборах соединяются с фотоприемниками иммерсионной средой, основным требованием к которой является передача сигнала с минимальными потерями и искажениями. В оптоэлектронных приборах используют твердые иммерсионные среды – полимерные органические соединения (оптические клеи и лаки), халькогенидные среды и волоконные световоды. В зависимости от длины оптического канала между излучателем и фотоприемником оптоэлектронные приборы можно подразделить на оптопары (длина канала 100 – 300 мкм), оптоизоляторы (до 1 м) и волоконно-оптические линии связи – ВОЛС (до десятков километров).

К фотоприемникам, используемым в оптронных приборах, предъявляют требования по согласованию спектральных характеристик с излучателем, минимуму потерь при преобразовании светового сигнала в электрический, фоточувствительности, быстродействию, размерам фоточувствительной площадки, надежности и уровню шумов.

Для оптронов наиболее перспективны фотоприемники с внутренним фотоэффектом, когда взаимодействие фотонов с электронами внутри материалов с определенными физическими свойствами приводит к переходам электронов в объеме кристаллической решетки этих материалов.

Внутренний фотоэффект проявляется двояко: в изменении сопротивления фотоприемника под действием света (фоторезисторы) либо в появлении фото-эдс на границе раздела двух материалов – полупроводник-полупроводник, металл-полупроводник (вентильные фотоэлементы, фотодиоды, фототранзисторы).

Фотоприемники с внутренним фотоэффектом подразделяют на фотодиоды (с p -n -переходом, МДП-структурой, барьером Шоттки), фоторезисторы, фотоприемники с внутренним усилением (фототранзисторы, составные фототранзисторы, фототиристоры, полевые фототранзисторы).

Фотодиоды выполняют на основе кремния и германия. Максимальная спектральная чувствительность кремния 0,8 мкм, а германия – до 1,8 мкм. Они работают при обратном смещении на p -n -переходе, что позволяет повысить их быстродействие, стабильность и линейность характеристик.

Наиболее часто в качестве фотоприемников оптоэлектронных приборов различной сложности применяют фотодиоды p - i -n -структуры, где i – обедненная область высокого электрического поля. Меняя толщину этой области, можно получить хорошие характеристики по быстродействию и чувствительности за счет малой емкости и времени пролета носителей.

Повышенными чувствительностью и быстродействием обладают лавинные фотодиоды, использующие усиление фототока при умножении носителей заряда. Однако у этих фотодиодов недостаточно стабильны параметры в диапазоне температур и требуются источники питания высокого напряжения . Перспективны для использования в определенных диапазонах длин волн фотодиоды с барьером Шоттки и с МДП-структурой.

Фоторезисторы изготовляют в основном из поликристаллических полупроводниковых пленок на основе соединения (кадмия с серой и селеном). Максимальная спектральная чувствительность фоторезисторов 0,5 – 0,7 мкм. Фоторезисторы, как правило, применяют при малой освещенности; по чувствительности они сравнимы с фотоэлектронными умножителями – приборами с внешним фотоэффектом, но требуют низковольтного питания. Недостатками фоторезисторов являются низкое быстродействие и высокий уровень шумов.

Наиболее распространенными фотоприемниками с внутренним усилением являются фототранзисторы и фототиристоры. Фототранзисторы чувствительнее фотодиодов, но менее быстродействующие. Для большего повышения чувствительности фотоприемника применяют составной фототранзистор, представляющий сочетание фото- и усилительного транзисторов, однако он обладает невысоким быстродействием.

В оптронах в качестве фотоприемника можно использовать фототиристор (полупроводниковый прибор с тремя p - n -переходами, переключающийся при освещении), который обладает высокими чувствительностью и уровнем выходного сигнала, но недостаточным быстродействием.

Многообразие типов оптронов определяется в основном свойствами и характеристиками фотоприемников. Одно из основных применений оптронов – эффективная гальваническая развязка передатчиков и приемни­ков цифровых и аналоговых сигналов. В этом случае оптрон можно использовать в режиме преобразователя или коммутатора сигналов. Оптрон характеризуется допустимым входным сигналом (током управления), коэффициентом передачи тока, быстродействием (временем переключения) и нагрузочной способностью.

Отношение коэффициента передачи тока к времени переключения называется добротностью оптрона и составляет 10 5 – 10 6 для фотодиодных и фототранзисторных оптронов. Широко используют оптроны на основе фототиристоров. Оптроны на фоторезисторах не получили широкого распространения из-за низкой временной и температурной стабильности. Схемы некоторых оптронов приведены на рис. 130, а – г.

В качестве когерентных источников излучения применяют лазеры, обладающие высокой стабильностью, хорошими энергетическими характеристиками и эффективностью. В оптоэлектронике для конструирования компактных устройств используют полупроводниковые лазеры – лазерные диоды , применяемые, например, в волоконно-оптических линиях связи вместо традиционных линий передачи информации – кабельных и проводных. Они обладают высокой пропускной способностью (полоса пропускания единицы гигагерц), устойчивостью к воздействию электромагнитных помех, малой массой и габаритами, полной электрической изоляцией от входа к выходу, взрыво- и пожаробезопасностью. Особенностью ВОЛС является использование специального волоконно-оптического кабеля, структура которого представлена на рис. 131. Промышленные образцы таких кабелей имеют затухание 1 – 3 дБ/км и ниже. Волоконно-оптические линии связи используют для построения телефонных и вычислительных сетей, систем кабельного телевидения с высоким качеством передаваемого изображения. Эти линии допускают одновременную передачу десятков тысяч телефонных разговоров и нескольких программ телевидения.

В последнее время интенсивно разрабатываются и получают распространение оптические интегральные схемы (ОИС), все элементы которых формируются осаждением на подложку необходимых материалов.

Перспективными в оптоэлектронике являются приборы на основе жидких кристаллов, широко используемые в качестве индикаторов в электронных часах. Жидкие кристаллы представляют собой органическое вещество (жидкость) со свойствами кристалла и находятся в переходном состоянии между кристаллической фазой и жидкостью.

Индикаторы на жидких кристаллах имеют высокую разрешающую способность, сравнительно дешевы, потребляют малую мощность и работают при больших уровнях освещенности.

Жидкие кристаллы со свойствами, схожими с монокристаллами (нематики, наиболее часто используют в световых индикаторах и устройствах оптической памяти. Разработаны и широко применяются жидкие кристаллы, изменяющие цвет при нагревании (холестерики). Другие типы жидких кристаллов (смектики) используют для термооптической записи информации.

Оптоэлектронные приборы, разработанные сравнительно недавно, получили широкое распространение в различных областях науки и техники, благодаря своим уникальным свойствам. Многие из них не имеют аналогов в вакуумной и полупроводниковой технике. Однако существует еще много нерешенных проблем, связанных с разработкой новых материалов, улучшением электрических и эксплуатационных характеристик этих приборов и развитием технологических методов их изготовления.

Раздел 5. Устройства на приборах с зарядовой связью (ПЗС).

Современная наука активно развивается в самых разных направлениях, стремясь охватить все возможные потенциально полезные сферы деятельности. Среди всего этого следует выделить оптоэлектронные приборы, которые используются как в процессе передачи данных, так и их хранения или обработки. Они используются практически везде, где применяется более или менее сложная техника.

Что это такое?

Под оптоэлектронными приборами, которые также известны как оптроны, понимают специальные приборы полупроводникового типа, способные отправлять и принимать излучение. Эти элементы конструкции носят названия фотоприемника и светоизлучателя. Они могут иметь разные варианты связи между собой. Принцип функционирования подобных изделий основан на преобразовании электричества в свет, а также обратной этой реакции. Как следствие, одно устройство может отправлять определенный сигнал, а другое его принимает и «расшифровывает». Используются оптоэлектронные приборы в:

• блоках связи аппаратуры;
• входных цепях измеряющих устройств;
• высоковольтных и сильноточных цепях;
• мощных тиристорах и симисторах;
• релейных устройствах и так далее.

Все такие изделия могут быть классифицированы по нескольким базовым группам, в зависимости от их отдельных компонентов, конструкции или других факторов. Об этом ниже.

Излучатель

Оптоэлектронные приборы и устройства оснащаются системами передачи сигнала. Их называют излучателями и в зависимости от типа, изделия разделяются следующим образом:

• Лазерные и светодиоды. Такие элементы относятся к самым универсальными. Для них характерны высокие показатели коэффициента полезного действия, весьма узкий спектр луча (этот параметр также известен как квазихроматичность), достаточно широкий диапазон работы, поддержание четкого направления излучения и очень высокая скорость работы. Устройства с подобными излучателями работают очень долго и крайне надежно, отличаются небольшими размерами и отлично показывают себя в сфере микроэлектронных моделей.
• Электролюминесцентные ячейки. Такой элемент конструкции показывает не особо высокий параметр качества преобразования и работает не слишком долго. При этом, устройствами весьма тяжело управлять. Однако именно они лучше всего подходят для фоторезисторов и могут использоваться для создания многоэлементных, многофункциональных структур. Тем не менее в силу своих недостатков, сейчас излучатели такого типа используются достаточно редко, только тогда, когда без них действительно нельзя обойтись.
• Неоновые лампы. Отдача света этих моделей сравнительно невысока, а также они плохо выдерживают повреждения и работают недолго. Отличаются большими размерами. Используются крайне редко, в отдельных видах приборов.
• Ламы накаливания. Такие излучатели применяются только в резисторном оборудовании и больше нигде.

Как следствие, светодиодные и лазерные модели оптимально подходят практически для всех сфер деятельности и лишь в некоторых областях, где по-другому нельзя, применяются другие варианты.

Фотоприемник

Классификация оптоэлектронных приборов также производится и по типу этой части конструкции. В качестве принимающего элемента могут использоваться разные типы изделий.

• Фото- тиристоры, транзисторы и диоды. Все они относятся к универсальным устройствам, способным работать с переходом открытого типа. Чаще всего в основе конструкции лежит кремний и из-за этого изделия получают достаточно широкий спектр чувствительности.
• Фоторезисторы. Это единственный альтернативный вариант, главным преимуществом которого является изменение свойств очень сложным образом. Это помогает реализовывать всевозможные математические модели. К сожалению, именно фоторезисторы инерционны, что значительно сужает сферу их применения.

Прием луча - это один из самых базовых элементов любого подобного устройства. Только после того как он сможет быть получен, начинается дальнейшая обработка, и она будет невозможна при недостаточно высоком качестве связи. Как следствие, конструкции фотоприемника уделяется огромное внимание.

Оптический канал

Особенности конструкции изделий может неплохо показать используемая система обозначений фотоэлектронных и оптоэлектронных приборов. В том числе это касается и канала передачи данных. Выделяют три основных их варианта:

• Удлиненный канал. Фотоприемник в такой модели отдален на достаточно серьезное расстояние от оптического канала, образуя специальный световод. Именно такой вариант конструкции активно применяется в компьютерных сетях для активной передачи данных.
• Закрытый канал. Такой тип конструкции использует специальную защиту. Она превосходно предохраняет канал от внешнего воздействия. Применяются модели для системы гальванической развязки. Это достаточно новая и перспективная технология, сейчас непрерывно совершенствующаяся и постепенно заменяющая собой электромагнитные реле.
• Открытый канал. Такая конструкция подразумевает наличие воздушного зазора между фотоприемником и излучателем. Используются модели в системах диагностики или разнообразных датчиках.

Спектральный диапазон

С точки зрения этого показателя, все виды оптоэлектронных приборов можно разделить на два вида:

• Ближний диапазон. Длина волны в данном случае колеблется в пределах 0,8-1,2 мкм. Чаще всего такая система применяется в устройствах, использующих открытый канал.
• Дальний диапазон. Тут длина волны уже 0,4-0,75 мкм. Применяется в большинстве видов остальных изделий такого типа.

Конструкция

По этому показателю оптоэлектронные приборы разделяются на три группы:

• Специальные. Сюда входят устройства оснащенными несколькими излучателями и фотоприемниками, датчиками присутствия, положения, задымленности и так далее.
• Интегральные. В таких моделях дополнительно используются специальные логические схемы, компараторы, усилители и другие устройства. Кроме всего прочего, выходы и входы у них гальванически развязаны.
• Элементарные. Это самый простой вариант изделий, в которых приемник и излучатель присутствуют только в одном экземпляре. Они могут быть как тиристорными, так и транзисторными, диодными, резистивными и вообще, любыми другими.

В приборах могут использоваться все три группы или каждая по отдельности. Конструктивные элементы играют существенную роль и напрямую воздействуют на функциональность изделия. В то же время сложное оборудование может использовать и самые простейшие, элементарные разновидности, если это будет целесообразно. Но верно и обратное.

Оптоэлектронные приборы и их применение

С точки зрения использования устройств все они могут разделяться на 4 категории:

• Интегральные схемы. Применяются в самых разных приборах. Используется принцип между разными элементами конструкции при помощи отдельных частей, которые изолированы друг от друга. Это не дает взаимодействовать компонентам никаким образом, кроме того, который был предусмотрен разработчиком.
• Изоляция. В этом случае используются специальные оптические резисторные пары, их диодные, тиристорные или транзисторные разновидности и так далее.
• Преобразование. Это один из самых распространенных вариантов использования. В нем ток трансформируется в свет и применяется именно таким образом. Простой пример - всевозможные лампы.
• Обратное преобразование. Это уже полностью противоположный вариант, в котором именно свет трансформируется в ток. Используются для создания всевозможных приемников.

Фактически, сложно представить себе практически любое устройство, работающее на электричестве и лишенное какого-то варианта оптоэлектронных компонентов. Они могут быть представлены в небольшом количестве, но все равно будут присутствовать.

Итоги

Все оптоэлектронные приборы, тиристоры, диоды, полупроводниковые приборы - это конструктивные элементы разных видов оборудования. Они позволяют человеку получать свет, передавать информацию, обрабатывать или даже хранить ее.

Оптоэлектроника использует оптические и электронные явления в веществах и их взаимные связи для передачи, обработки и хранения информации. Элементной базой оптоэлектроники являются оптоэлектронные приборы - оптроны.

Оптроном называется устройство, состоящее из связанных между собой оптически (посредством светового луча) светоизлучателя и фотоприемника и служащее для управления и для передачи информации.

Оптрон представляет собой единую конструкцию, состоящую из источника и приемника излучения, связанных между собой оптическим каналом. Структурная схема оптрона приведена на рис. 8.8.

Рис.8.8. Структурная схема оптрона

Входной сигнал, например электрический ток I вх, преобразуется в светоизлучателе СИ в световой поток Ф , энергия которого пропор­циональна входному сигналу. По оптическому каналу ОК световой поток направляется в фотоприемник ФП, где преобразуется в пропорциональное световому потоку значение выходного электрического тока I вых. С помощью устройства управления оптическим каналом УОК можно управлять световым потоком путем изменения физических свойств самого оптического канала.

Таким образом, в оптронах осуществляется двойное преобразование энергии: электрической в световую и световой снова в электрическую. Это придает оптронам ряд совершенно новых свойств и позволяет на их основе создавать электронные устройства с исключительно своеобразными параметрами и характеристиками. Так, применение оптронов позволяет осуществить почти идеальную электрическую развязку между элементами устройства (сопротивление до 10 16 Ом, проходная емкость до 10 -4 пФ). Кроме того, могут быть эффективно использованы такие свойства оптронов, как однонаправленность информации, отсутствие обратной связи с выхода на вход, высокая помехозащищенность, широкая полоса пропускание (от нуля до сотен и даже тысяч мегагерц), совместимость с другими (полупроводниковыми) приборами. Это дает возможность использовать оптроны для модулирования сигналов, измерений в высоковольтных цепях, согласования низкочастотных цепей с высокочастотными и низкоомных с высокоомными.

К недостаткам оптронов следует отнести зависимость их параметров от температуры, низкие КПД и коэффициент передачи.

Рисунок 8.9. Устройство оптрона: 1 - выводы: 2 - фотоприемник: 3 - корпус; 4 - оптическая среда; 5 - светодиод

Устройство оптрона показано на рис.8.9 В качестве излучателей в оптронах используют обычно светодиоды на основе арсенида-фосфида галлия GaAsP или алюминий-арсенида галлия GaAlAs, характеризующиеся большой яркостью, высоким быстродействием и длительным сроком службы. Кроме того, они хорошо согласуются по спектральным характеристикам с фотоприемниками на основе кремния. В качестве фотоприемников могут использоваться фоторезисторы, фотодиоды, фототранзисторы и фототиристоры.

Фотодиоды и фототранзисторы как приемники излучения получили в оптронах наибольшее распространение, поскольку по своим характе­ристикам и параметрам они могут работать совместно с интегральными микросхемами. Фототиристоры широко применяются в оптронах в качестве ключевых усилителей мощности, управляемых световым излучением. Передача светового излучения в оптронах осуществляется через оптический канал, роль которого могут играть различные среды. Назначение оптического канала - передача максимальной световой энергии от излучателя к приемнику. Передающей средой могут быть воздух, различные иммерсионные среды, а также оптические световоды длиной 1 м и более. Световолоконные оптические линии связи позволяют довести пробивное напряжение изоляции между входом и выходом оптрона до 150 кВ, что дает возможность применять оптроны для измерений в высоковольтных цепях.

Входными параметрами оптронов являются: номинальный вход­ной ток светодиода в прямом направлении I вх.ном и падение напря­жения на нем в прямом направлении U вх при номинальном значении входного тока; входная емкость С вх в заданном режиме; максимально допустимый входной ток I вх.макс; максимально допустимое обратное напряжение на входе U вх.обр.макс.

Выходными параметрами оптронов являются: максимально допус­тимое обратное напряжение U вх.обр.макс, прикладываемое к выходу; максимально допустимый выходной ток I вых.макс; выходная емкость С вых; световое R св и темновое R т выходные сопротивления (для фоторезисторных оптронов).

Из передаточных параметров исходными являются коэффициент передачи тока К I =(I вых / I вх)100, либо дифференциальный коэффици­ент передачи тока К I д = (dI вых / dI вх)100, выраженные в процентах.

Быстродействие оптрона оценивают при подаче на его вход прямоуголь­ного импульса по времени задержки t з д от момента подачи импульса до момента достижения выходным током значения 0,1 I вых.обр.макс, а также по времени нарастания t нар выходного тока от 0,1 до 0,9 его максимального значения. Суммарное время задержки и нарастания называют временем включения t вкл. Быстродействие фотоприемника характеризуется его частотными свойствами, т.е. такой частотой синусоидально модулированно­го светового потока, при которой чувствительность фотоприемника вследствие инерционности уменьшается в раз.

Приведем краткое описание некоторых типов наиболее распространенных промышленных оптронов.

Фотодиодный оптрон. Условное графическое обозначение его приведено на рис. 8.10,а . В качестве излучателя используется светодиод на основе арсенида галлия.

В качестве фотоприемников в диодных оптронах используются кремниевые фотодиоды, которые хорошо согласуются по спектральным характеристикам и быстродействию с арсенид-галлиевыми светодиодами.

Коэффициент передачи тока диодного оптрона мал (K I = 1,0 1,5%), однако диодные оптроны являются самыми быстродействующими.

Как элемент электрической цепи фотоприемник диодного оптрона может работать в двух режимах: фотопреобразователя с внешним источни­ком питания и фотогенератора без внешнего источника питания.

Если учесть зависимость светового потока светодиода оптрона от тока I вх через светодиод, то можно найти зависимость тока I н нагрузочного резистора R н или напряжения U н на нем от входного тока оптрона, т.е. I н = f(I вх ) или U н = φ (I вх ) .

Надо учитывать, что для передачи максимальной энергии требуется согласование нагрузочного резистора с выходным сопротивлением оптрона.

Фототранзисторный оптрон (рис. 8.10, б ).По сравнению с фотодиодным оптроном в качестве фотоприемника в нем используется кремниевый фототранзистор. Являясь усилителем базового тока, фототранзистор имеет существенно более высокую чувствительность, чем фотодиод, поэтому коэффициент передачи тока фототранзисторного оптрона K I = 50 100 %, а оптрона с составным фототранзистором – до 800% и более.

Рисунок 8.10. Условные графические обозначения оптронов: фотодиодного (а), фототранзисторного (б), фоторезисторного (в), фототиристорного (г)

Недостатком фототранзисторов является то, что они по сравнению с фотодиодами гораздо более инерционны и имеют быстродействие 10 -4 – 10 -5 с.

Фоторезисторный оптрон (рис.8.10,в ).В качестве фотоприемника в оптронах иногда используют фоторезисторы на основе селенида или сульфида кадмия (CdSe,CdS), а в качестве излучателя - спектрально согласующиеся с ними светодиоды на основе фосфида или арсенида-фосфида галлия (GaP, GaAsP). Быстродействие фоторезисторных оптронов целиком определяется быстродействием фотоприемника, которое составляет 100-200 мкс.

Фототиристорный оптрон (рис. 8.10,г ) включает в себя фототиристор в качестве фотоприемника. Быстродействие фототиристорного оптрона определяется временем выключения фототиристора, в течение которого прибор переходит из открытого состояния в закрытое, оно составляет десятки микросекунд.

В зависимости от типа фотоприемника оптроны могут применяться в электронных устройствах для переключения, преобразования, согласования, модуляции и т.д. Они могут использоваться также в качестве малогабаритных импульсных трансформаторов, реле для коммутации напряжений и токов, в автогенераторах, цепях обратной связи и т.д.

Оптроны с открытым оптическим каналом служат в качестве раз­личных датчиков (перемещения, «края объекта» и др.). В устройствах передачи информации часто применяют оптоэлектронные интегральные микросхемы, в которых в одном корпусе объединены оптроны и интегральная микросхема. Фотоприемник такой микросхемы может быть изготовлен в том же кристалле кремния, что и транзисторная микросхема, как одно целое.

Оптоэлектронные устройства с управляемым световодом можно использовать в качестве логических ячеек преобразователей частоты, в устройствах переключения индикаторов, индикаторах вида жидкости, устройствах измерения малых перемещений, сенсорных устройствах очувствления роботов и т.д. Эти устройства обладают высоким быстродействием, помехозащищенностью, возможностью применения в агрессивных и взрывоопасных средах.

В последнее время при изготовлении оптоэлектронных устройств источник и приемник излучения оказывается возможным удалять из зоны измерения (от объекта контроля) на десятки метров с помощью элементов волоконной оптики - волоконных световодов (жгутов из нитей стекловолокна).

Оптоэлектронные устройства широко применяют в вычислительной технике, автоматике, контрольно-измерительных устройствах. В дальнейшем применение этих устройств будет расширяться по мере улучшения их характеристик: надежности, долговечности и температурной стабильности.

Оптоэлектроника – область электроники, где в качестве носителей информации используются электро-магнитные волны оптического диапазона (10нм – 1мм).

Широкое освоение оптического диапазона определяется рядом принципиальных преимуществ световых волн по сравнению с ра­диоволнами:

1) большой информационной емкостью оптической связи, что обусловлено очень высокой частотой световых волн. Так в видимом участке спектра f ~ (101... 1015) Гц для передачи обычного телевизионного изображения необходима полоса частот f = 6 мГц, поэтому в УКВ и дециметровом диапазонах можно разместить до нескольких сотен телевизионных каналов. В оптическом диапазоне это число возрастает до сотен миллионов и более;

2) высокой направленностью излучения из-за малого отнош. длины волны к размерам апертуры излучателя;

4) высокой плотностью записи информации в оптических за­поминающих устройствах, что открывает новые перспективы для построения ЭВМ последующих поколений.

Для реализации этих преимуществ необходимы прежде всего оптоэлектронные приборы, имеющие хорошие характеристики. Оптоэлектронные приборы - это устройства, в которых основные процессы происходят с участием фотонов. В зависимости от осо­бенностей протекающих процессов все оптоэлектронные приборы можно разделить на три группы:

1) светоизлучатели, преобразующие электрическую энергию в оптическое излучение (светодиоды, полупроводниковые лазеры, люминесцентные конденсаторы);

2) фотоприемники (фотодетекторы), которые преобразуют оп­тическое излучение в электрические информационные сигналы (фоторезисторы, фотодиоды, фототранзисторы и т.д.);

3) солнечные преобразователи, преобразующие оптическое из­лучение в электрическую энергию (солнечные батареи, фотовольтические приборы).

Помимо указанных приборов, в различных областях науки и техники широко используются оптоэлектронные пары - полупроводниковые приборы, состоящие из светоизлучающего и фотоприемного элементов, между которыми существует оптическая связь через посредство оптического канала, обеспечивающего электриче­скую изоляцию между входом и выходом(последовательного преобразования «ток-свет-ток»). Светоизлучатель, фотоприемник и оптический канал, реализующий гальваническую раз­вязку между входом и выходом, конструктивно объединены в одном корпусе.

Для применения в различных электронных устройствах служат оптоэлектронные интегральные схемы - интегральные микросхемы, в которых осуществляется оптическая связь между отдельными узлами или компонентами с целью изоляции их друг от друга (гальванической развязки).

Содержание

Оптоэлектронные приборы
Основные характеристики светоизлучающих диодов видимого диапазона
Основные характеристики светоизлучающих диодов инфракрасного диапазона
Оптоэлектронные приборы в широком понимании
Список использованных источников

Оптоэлектронные приборы
Работа оптоэлектронных приборов основана на электронно-фотонных процессах получения, передачи и хранения информации.
Простейшим оптоэлектронным прибором является оптоэлектронная пара, или оптрон. Принцип действия оптрона, состоящего из источника излучения, иммерсионной среды (световода) и фотоприемника, основан на преобразовании электрического сигнала в оптический, а затем снова в электрический.
Оптроны как функциональные приборы обладают следующими преимуществами перед обычными радиоэлементами:
полной гальванической развязкой «вход – выход» (сопротивление изоляции превышает 10 12 – 10 14 Ом);
абсолютной помехозащищенностью в канале передачи информации (носителями информации являются электрически нейтральные частицы – фотоны);
однонаправленностью потока информации, которая связана с особенностями распространения света;
широкополосностью из-за высокой частоты оптических колебаний,
достаточным быстродействием (единицы наносекунд);
высоким пробивным напряжением (десятки киловольт);
малым уровнем шумов;
хорошей механической прочностью.
По выполняемым функциям оптрон можно сравнивать с трансформатором (элементом связи) при реле (ключом).
В оптронных приборах применяют полупроводниковые источники излучения – светоизлучающие диоды, изготовляемые из материалов соединений группы А III B V , среди которых наиболее перспективны фосфид и арсенид галлия. Спектр их излучения лежит в области видимого и ближнего инфракрасного излучения (0,5 – 0,98 мкм). Светоизлучающие диоды на основе фосфида галлия имеют красный и зеленый цвет свечения. Перспективны светодиоды из карбида кремния, обладающие желтым цветом свечения и работающие при повышенных температурах, влажности и в агрессивных средах.

Светодиоды, излучающие свет в видимом диапазоне спектра, используют в электронных часах и микрокалькуляторах.
Светоизлучающие диоды характеризуются спектральным составом излучения, который достаточно широк, диаграммой направленности; квантовой эффективностью, определяемой отношением числа испускаемых квантов света к количеству прошедших через p -n -переход электронов; мощностью (при невидимом излучении) и яркостью (при видимом излучении); вольт-амперными, люмен-амперными и ватт-амперными характеристиками; быстродействием (нарастанием и спадом электролюминесценции при импульсном возбуждении), рабочим диапазоном температур. При повышении рабочей температуры яркость светодиода падает и снижается мощность излучения.
Основные характеристики светоизлучающих диодов видимого диапазона приведены в табл. 1, а инфракрасного диапазона – в табл. 2.

Таблица 1 Основные характеристики светоизлучающих диодов видимого диапазона

Тип диода	Яркость, кд/м 2 , или сила света, мккд		Цвет свечения	Постоянный прямой ток, мА	Масса, г
КЛ101 А – В АЛ102 А – Г АЛ307 А – Г	10 – 20 кд/м 2 40 – 250 мккд 150 – 1500 мккд	5,5 2,8 2,0 – 2,8	Желтый Красный, зеленый Красный, зеленый	10 – 40 5 – 20 10 – 20		0,03 0,25 0,25

Светоизлучающие диоды в оптоэлектронных приборах соединяются с фотоприемниками иммерсионной средой, основным требованием к которой является передача сигнала с минимальными потерями и искажениями. В оптоэлектронных приборах используют твердые иммерсионные среды – полимерные органические соединения (оптические клеи и лаки), халькогенидные среды и волоконные световоды. В зависимости от длины оптического канала между излучателем и фотоприемником оптоэлектронные приборы можно подразделить на оптопары (длина канала 100 – 300 мкм), оптоизоляторы (до 1 м) и волоконно-оптические линии связи – ВОЛС (до десятков километров).

Таблица 2. Основные характеристики светоизлучающих диодов инфракрасного диапазона

Тип диода	Полная мощность излучения, мВт	Постоянное прямое напряжение, В	Длина волны излучения, мкм	Время нарастания импульса излучения, нс	Время спада импульса излучения, нс	Масса, г
АЛ103 А, Б АЛ106 А – Д АЛ107 А, Б АЛ108 А АЛ109 А АЛ115 А	0,6 – 1 (при токе 50 мА) 0,2 – 1,5 (при токе 100 мА) 6 – 10 (при токе 100 мА) 1,5 (при токе 100 мА) 0,2 (при токе 20 мА) 10 (при токе 50 м А)	1,6 1,7 – 1,9 2 1,35 1,2 2,0	0,95 0,92 – 0,935 0,95 0,94 0,94 0,9 – 1	200 – 300 10 – 400 – 300	500 20 – 1000 – 500	0,1 0,5 0,2 0,15 0,006 0,2

К фотоприемникам, используемым в оптронных приборах, предъявляют требования по согласованию спектральных характеристик с излучателем, минимуму потерь при преобразовании светового сигнала в электрический, фоточувствительности, быстродействию, размерам фоточувствительной площадки, надежности и уровню шумов.
Для оптронов наиболее перспективны фотоприемники с внутренним фотоэффектом, когда взаимодействие фотонов с электронами внутри материалов с определенными физическими свойствами приводит к переходам электронов в объеме кристаллической решетки этих материалов.
Внутренний фотоэффект проявляется двояко: в изменении сопротивления фотоприемника под действием света (фоторезисторы) либо в появлении фото-эдс на границе раздела двух материалов – полупроводник-полупроводник, металл-полупроводник (вентильные фотоэлементы, фотодиоды, фототранзисторы).
Фотоприемники с внутренним фотоэффектом подразделяют на фотодиоды (с p -n -переходом, МДП-структурой, барьером Шоттки), фоторезисторы, фотоприемники с внутренним усилением (фототранзисторы, составные фототранзисторы, фототиристоры, полевые фототранзисторы).
Фотодиоды выполняют на основе кремния и германия. Максимальная спектральная чувствительность кремния 0,8 мкм, а германия – до 1,8 мкм. Они работают при обратном смещении на p -n -переходе, что позволяет повысить их быстродействие, стабильность и линейность характеристик.
Наиболее часто в качестве фотоприемников оптоэлектронных приборов различной сложности применяют фотодиоды p-i -n -структуры, где i – обедненная область высокого электрического поля. Меняя толщину этой области, можно получить хорошие характеристики по быстродействию и чувствительности за счет малой емкости и времени пролета носителей.
Повышенными чувствительностью и быстродействием обладают лавинные фотодиоды, использующие усиление фототока при умножении носителей заряда. Однако у этих фотодиодов недостаточно стабильны параметры в диапазоне температур и требуются источники питания высокого напряжения. Перспективны для использования в определенных диапазонах длин волн фотодиоды с барьером Шоттки и с МДП-структурой.
Фоторезисторы изготовляют в основном из поликристаллических полупроводниковых пленок на основе соединения (кадмия с серой и селеном). Максимальная спектральная чувствительность фоторезисторов 0,5 – 0,7 мкм. Фоторезисторы, как правило, применяют при малой освещенности; по чувствительности они сравнимы с фотоэлектронными умножителями – приборами с внешним фотоэффектом, но требуют низковольтного питания. Недостатками фоторезисторов являются низкое быстродействие и высокий уровень шумов.
Наиболее распространенными фотоприемниками с внутренним усилением являются фототранзисторы и фототиристоры. Фототранзисторы чувствительнее фотодиодов, но менее быстродействующие. Для большего повышения чувствительности фотоприемника применяют составной фототранзистор, представляющий сочетание фото- и усилительного транзисторов, однако он обладает невысоким быстродействием.
В оптронах в качестве фотоприемника можно использовать фототиристор (полупроводниковый прибор с тремя p-n -переходами, переключающийся при освещении), который обладает высокими чувствительностью и уровнем выходного сигнала, но недостаточным быстродействием.
Многообразие типов оптронов определяется в основном свойствами и характеристиками фотоприемников. Одно из основных применений оптронов – эффективная гальваническая развязка передатчиков и приемников цифровых и аналоговых сигналов. В этом случае оптрон можно использовать в режиме преобразователя или коммутатора сигналов. Оптрон характеризуется допустимым входным сигналом (током управления), коэффициентом передачи тока, быстродействием (временем переключения) и нагрузочной способностью.
Отношение коэффициента передачи тока к времени переключения называется добротностью оптрона и составляет 10 5 – 10 6 для фотодиодных и фототранзисторных оптронов. Широко используют оптроны на основе фототиристоров. Оптроны на фоторезисторах не получили широкого распространения из-за низкой временной и температурной стабильности. Схемы некоторых оптронов приведены на рис. 4, а – г.

В качестве когерентных источников излучения применяют лазеры, обладающие высокой стабильностью, хорошими энергетическими характеристиками и эффективностью. В оптоэлектронике для конструирования компактных устройств используют полупроводниковые лазеры – лазерные диоды, применяемые, например, в волоконно-оптических линиях связи вместо традиционных линий передачи информации – кабельных и проводных. Они обладают высокой пропускной способностью (полоса пропускания единицы гигагерц), устойчивостью к воздействию электромагнитных помех, малой массой и габаритами, полной электрической изоляцией от входа к выходу, взрыво- и пожаробезопасностью. Особенностью ВОЛС является использование специального волоконно-оптического кабеля, структура которого представлена на рис. 5. Промышленные образцы таких кабелей имеют затухание 1 – 3 дБ/км и ниже. Волоконно-оптические линии связи используют для построения телефонных и вычислительных сетей, систем кабельного телевидения с высоким качеством передаваемого изображения. Эти линии допускают одновременную передачу десятков тысяч телефонных разговоров и нескольких программ телевидения.

В последнее время интенсивно разрабатываются и получают распространение оптические интегральные схемы (ОИС), все элементы которых формируются осаждением на подложку необходимых материалов.
Перспективными в оптоэлектронике являются приборы на основе жидких кристаллов, широко используемые в качестве индикаторов в электронных часах. Жидкие кристаллы представляют собой органическое вещество (жидкость) со свойствами кристалла и находятся в переходном состоянии между кристаллической фазой и жидкостью.
Индикаторы на жидких кристаллах имеют высокую разрешающую способность, сравнительно дешевы, потребляют малую мощность и работают при больших уровнях освещенности.
Жидкие кристаллы со свойствами, схожими с монокристаллами (нематики, наиболее часто используют в световых индикаторах и устройствах оптической памяти. Разработаны и широко применяются жидкие кристаллы, изменяющие цвет при нагревании (холестерики). Другие типы жидких кристаллов (смектики) используют для термооптической записи информации.
Оптоэлектронные приборы, разработанные сравнительно недавно, получили широкое распространение в различных областях науки и техники, благодаря своим уникальным свойствам. Многие из них не имеют аналогов в вакуумной и полупроводниковой технике. Однако существует еще много нерешенных проблем, связанных с разработкой новых материалов, улучшением электрических и эксплуатационных характеристик этих приборов и развитием технологических методов их изготовления.

Оптоэлектронный полупроводниковый прибор - полупроводниковый прибор, действие которого основано на использовании явлений излучения, передачи или поглощения в видимой, инфракрасной или ультрафиолетовой областях спектра.

Оптоэлектронные приборы в широком понимании представляют собой устройства , использующие оптическое излучение для своей работы: генерации, детектирования, преобразования и передачи информационного сигнала. Как правило, эти приборы включают в себя тот или иной набор оптоэлектронных элементов. В свою очередь, сами приборы можно подразделить на типовые и специальные, считая типовыми те из них, которые серийно производятся для широкого применения в различных отраслях промышленности, а специальные устройства выпускаются с учетом специфики конкретной отрасли - в нашем случае, полиграфии.

Все многообразие оптоэлектронных элементов подразделяют на следующие группы изделий: источники и приемники излучения, индикаторы, элементы оптики и световоды, а также оптические среды, позволяющие создавать элементы управления, отображения и запоминания информации. Известно, что любая систематизация не может быть исчерпывающей, но, как верно отметил наш соотечественник, открывший в 1869 г. периодический закон химических элементов, Дмитрий Иванович Менделеев (1834-1907), наука начинается там, где появляется счет, т.е. оценка, сравнение, классификация, выявление закономерностей, определение критериев, общих признаков. Учитывая это, прежде чем приступить к описанию конкретных элементов, следует хотя бы в общих чертах дать отличительную характеристику оптоэлектронных изделий.
Как было сказано выше, главным отличительным признаком оптоэлектроники является связь с информацией. К примеру, если в какой-то установке для закалки стальных валов используется лазерное излучение, то вряд ли закономерно относить эту установку к оптоэлектронным устройствам (хотя сам источник лазерного излучения имеет на это право).
Было также отмечено, что к оптоэлектронным относят обычно твердотельные элементы (в Московском энергетическом институте издано учебное пособие по курсу «Оптоэлектроника» под названием «Приборы и устройства полупроводниковой оптоэлектроники»). Но это правило не очень жесткое, так как в отдельных изданиях по оптоэлектронике подробно рассматривается работа фотоумножителей и электронно-лучевых трубок (они относятся к типу электровакуумных приборов), газовых лазеров и других устройств, которые не являются твердотельными. Однако в полиграфии упомянутые устройства широко используют наравне с твердотельными (в том числе и полупроводниковыми), решая схожие задачи, поэтому в данном случае они имеют полное право на рассмотрение.
и т.д.................