Современные элементы электронных и оптоэлектронных приборов. Оптоэлектронные полупроводниковые приборы - полупроводниковые выпрямители. Применение оптронов и приборов для отображения информации

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.................

Оптоэлектроника - это раздел наукн и техники, в ротором изучаются вопросы генерации, обработки, запоминания и хранения информации на основе совместного использования электрических и оптических ивлений. Оптоэлектронные приборы используют при своей работе электромагнитное излучение оптического диапазона.

Современная микроэлектроника не решила проблему всеобщей микроминиатюризации электронной аппаратуры. Такие традиционные элементы, как трансформаторы, разъемные контакты, конденсаторы большой емкости плохо совмещаются с интегральными компонентами из-за больших габаритов. Особые трудности вызывает обеспечение электрической изоляции при связи двух систем: высоковольтной и низковольтной. В частности, такая задача возникает при создании устройств управления высоковольтными установками большой электроэнергии. Здесь на помощь приходит оптоэлектроника. Применение оптического канала связи позволяет обеспечить надежную электрическую изоляцию любых систем, исключить громоздкие реактивные и контактные компоненты, повысить надежность работы оборудования.

Элементная база оптоэлектроники включает в себя:

1) оптоизлучатели - преобразователи электрической энергии в световую;

2) фотоэлектрические приемники излучения (фотоприемники) - преобразователи световой энергии в электрическую;

3) приборы для электрической изоляции при передаче энергии и информации по световому каналу - оптоэлектронные приборы (оптопары);

4) световоды.

Ограничимся рассмотрением наиболее часто применяющихся в промышленной электронике полупроводниковых оптопар, источников или приемников некогерентного излучения.

Полупроводниковым излучателем света является светоизлучающий диод. Известно, что при рекомбинации носителей, т. е. возвращении электрона из зоны проводимости в валентную зону, излучается квант энергии. Наиболее интенсивно рекомбинация происходит вблизи перехода, когда основные носители преодолевают потенциальный барьер и рекомбинируют. Для создания светоизлучающих диодов используют сложные полупроводниковые материалы, у которых квант энергии излучается в оптическом (или инфракрасном) диапазоне, например фосфид галлия, арсенид галлия или карбид кремния. Излучение происходит при пропускании через прибор тока в прямом направлении. Конструкция прибора обеспечивает передачу света от перехода без значительных потерь в толще полупроводника. ВАХ светоизлучающих диодов аналогична характеристикам обычных кремниевых и германиевых диодов.

Светоизлучающие диоды выпускаются в виде отдельных элементов или групп (матриц) для индикации информации в виде букв, цифр и различных символов. Они входят также в состав оптопар. Обозначение светоизлучающего диода на схемах приведено на рис. 1.20, а.

Рис. 1.20. Схемные обозначения светоизлучающего диода (а), фотодиода (б), фототранзистора (в), фототиристора (г) и диодного оптрона (д)

К числу фотоприемников относятся фотодиоды, фототранзисторы, фототиристоры и другие приборы. В § 1.1 было упомянуто явление термогенерации, т. е. перехода электрона из валентной зоны в зону проводимости при нагреве. Аналогичный переход может произойти, если на слой полупроводника воздействовать светом. В результате увеличения числа неосновных носителей увеличивается проводимость вещества (появление фотопроводимости). При облучении светом перехода увеличивается ток неосновных носителей, т. е. увеличивается обратный ток этого перехода: где - световой поток.

На этом основана работа фотодиода, к которому подключается источник обратного напряжения через сопротивление нагрузки . При увеличении Ф увеличивается и растет падение напряжения на нагрузке Обозначение фотодиода на схемах приведено на рис. .

Работа фототранзистора также основана на фотопроводимости. В транзисторе без вывода базы во внешнюю цепь (т е. при ) ток в соответствии с (1.4) определяется

При облучении базы или области коллекторного перехода изменяется ток неосновных носителей пропорционально изменяется . В транзисторе с ОЭ ток усиливается в раз, поэтому мощность сигнала может быть выше, чем в фотодиоде, при том же уровне напряжений источника питания Е. Обозначение фототранзистора приведено на схеме рис. 1.20, в.

Принцип действия фототиристора (схемное обозначение приведено на рис. 1.20,г) на изменении тока воздействии светового облучения. При отсутствии управляющего электрода ток тиристора описывается выражением, получаемым из (1.9):

В фототиристоре . При увеличении светового потока растет и анодный ток . Как показано в § 1.7, при этом увеличиваются коэффициенты , а при достижении тиристор открывается. Таким образом, рост тока при увеличении светового потока стимулирует отпирание тиристора. Ток открытого тиристора может во много раз превышать значение .

Такпм образом, управляемые полупроводниковые приборы (транзистор и тирнстор) в качестве сигнала управления могут использовать товое излучение.

При использовании в качестве фотоприемника фототранзистора может быть получено усиление тока. Общим недостатком оптопар является нелинейность зависимости выходного сигнала от входного, обусловленная нелинейностью характеристик оптопар.

Передача информации от излучателя к фотоприемнику может производиться с помощью световодов: гибких шлангов, состоящих из отражающей оболочки и сердцевины из органического или неорганического стекла. Передача информации по световодам обеспечивает полную защищенность от электромагнитных помех.

Оптоэлектронные приборы находят все более широкое применение в информационной и энергетической электронике, в различных устройствах для передачи и отображения информации.

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.

Рис. 2.17. Схема и модуляционная характеристика электрооптического модулятора

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.

Следует упомянуть еще о трех отличительных чертах, которые, по мнению известного специалиста в области оптоэлектроники Юрия Романовича Носова, характеризуют ее как научно-техническое направление.

Физическую основу оптоэлектроники составляют явления, методы, средства, для которых принципиальны сочетание и неразрывность оптических и электронных процессов. В широком смысле оптоэлектронное устройство определяется как прибор, чувствительный к электромагнитному излучению в видимой, инфракрасной (ИК) или ультрафиолетовой (УФ) областях, или прибор, излучающий и преобразующий некогерентное или когерентное излучение в этих же спектральных областях.

Техническую основу оптоэлектроники определяют конструктивно-технологические концепции современной микроэлектроники: миниатюризация элементов; предпочтительное развитие твердотельных плоскостных конструкций; интеграция элементов и функций.

Функциональное назначение оптоэлектроники состоит в решении задач информатики: генерации (формировании) информации путем преобразования различных внешних воздействий в соответствующие электрические и оптические сигналы; переносе информации; переработке (преобразовании) информации по заданному алгоритму; хранении информации, включающем такие процессы, как запись, собственно хранение, неразрушающее считывание, стирание; отображение информации, т.е. преобразование выходных сигналов информационной системы к воспринимаемому человеком виду.

В отличие от рассмотренных выше фотоприемников, как бы точечного типа (или дискретных, от discrete - рассматривать отдельно, расчлененно), существуют фотоприемники, которые способны воспринимать все изображение целиком, со всеми его перепадами яркостей (или светлот), цветов, полутонов. К таким приемникам относится большой класс приборов, разработанных для телевидения, но представляющих интерес в данном случае как естественный (и исторический) мостик между вакуумными приборами (типа ФЭУ) и твердотельными матричными приемниками (типа приборов с зарядовой связью). В телевидении эти приборы называют передающими трубками.

Идея создания передающей трубки с фотопроводящей мишенью принадлежит нашему соотечественнику, электротехнику Александру Алексеевичу Чернышеву (1882-1940), который высказал ее в 1925 г. Однако первые эксплуатационные образцы таких трубок появились лишь в 1950 г., после того как были разработаны полупроводниковые слои, меняющие свою электропроводность под действием света . Примером такой передающей трубки является видикон (рис. 2.3
).

Многоэлементные фотодиодные приемники предназначены для преобразования двухмерной (распределенной по площади) оптической информации от изображения в одномерную временную последовательность электрических сигналов. Они выпускаются в виде линеек и матриц. В линейках фотодиоды расположены в ряд (строку, линию) с равномерным небольшим шагом, а матричные представляют собой набор таких линеек. Параметры некоторых многоэлементных твердотельных фотодиодов (Multi-Element Monolithic Type Photodiodes), выпускаемых японской фирмой Hamamatsu Photonics K.K. (Solid State Division), приведены а табл. 2.7 .

Таблица 2.7.

Параметры некоторых многоэлементных фотодиодов

Шифр прибора	Число элементов	Размеры элемента, мм	Область спектральной чувствительности, мкм	Основная область применения
S1651	2ґ2	0,30ґ0,60	0,40–1,06	Дисководы оптических дисков
S1671	2ґ2	1,70ґ2,80	0,40–1,06	Датчики позиционирования
S2311	35...46	4,40ґ0,94	0,19–1,10	Многоканальные спектрофотометры, анализаторы цвета, оптического спектра
S2312	35...46	4,40ґ0,94	0,19–1,00
S2313	35...46	4,40ґ0,94	0,19–1,05

Развертка изображения осуществляется последовательным считыванием сигналов каждого из фотодиодов линейки, а в матричном варианте - путем поочередного опроса каждой линейки (и каждого фотодиода в линейке). В линейке одни электроды, например аноды фотодиодов, объединены в одну шину (рис. 2.5), а другие, в данном случае - катоды, выведены на коммутатор (например, на транзисторных ключах). Коммутатор подключает каждый фотодиод к измерительной цепи, которая в простейшем случае может включать в себя источник питания и сопротивление нагрузки. В электронике режим последовательного опроса состояний большого числа элементов и передачи их на один вход называется мультиплексным (а устройство, организующее такой опрос, - мультиплексором ) .

В матричном варианте фотодиоды подключаются одним электродом к горизонтальной шине (те же аноды), а другим - к вертикальной (катоды). Шины, в свою очередь, также подключены к коммутаторам (мультиплексорам), которые, как и в случае с линейкой, включают последовательно каждый из фотодиодов в измерительную цепь. В результате организованного мультиплексирования последовательное подключение вертикальных шин образует развертку по строке (линии, ряду), а переход с одного горизонтального ряда на следующий - развертку по кадру. Так, на выходе схемы образуется последовательность импульсов (видеосигнал), амплитуда которых соответствует освещенности того или иного элемента матрицы.

Фотодиодные линейки и матрицы используются в современных спектрофотометрах, сканерах и других устройствах ввода оптической информации.

Перечисленные в начале данной главы характерные черты оптоэлектронных приборов и устройств позволяют обрисовать признаки отличия оптоэлектронных источников излучения. К таким общим чертам, как миниатюрность элементов и, в большинстве случаев, твердотельность, конструктивность изготовления по плоскостным технологиям (присущую интегральным микросхемам), можно добавить, исходя из информационной составляющей определения оптоэлектроники, управляемость и связанные с этим узконаправленность и быстродействие. Более детально эти признаки будут раскрыты при дальнейшем рассмотрении, но исходя даже из знакомства с предыдущим материалом можно сказать, что такими характеристиками могут обладать полупроводниковые излучатели.

В основе работы источников излучения оптического диапазона лежит одно из следующих физических явлений: тепловое излучение, разряд в газовой среде, люминесценция, индуцированное излучение. Действие излучающих диодов основано на явлении люминесценции , а точнее - электролюминесценции . Для возникновения люминесценции в полупроводнике необходимо привести его в возбужденное состояние с помощью каких-либо внешних источников энергии. При воздействии электрического поля или тока возникает электролюминесценция.

История создания излучающих диодов ведется от упомянутого в первой главе «свечения Лосева». В 1923 г. О.В. Лосев, исследуя точечно-контактные карбидокремниевые детекторы, обнаружил, что при пропускании через них электрического тока может возникнуть зеленовато-голубое свечение . Практического применения тогда этот эффект не получил, но в 1955 г. ученые обнаружили инфракрасное излучение при пропускании тока через диод на кристалле арсенида галлия (GaAs). В 1962 г. другой полупроводник (на основе фосфида галлия) засветился красным светом. Эти две даты и определяют время рождения светодиодов.

Возбужденные электроны (а возбуждаются они электрическим полем), переходя из зоны проводимости в валентную зону, испускают кванты энергии. Согласно зависимости, связывающей энергию и частоту излучаемых колебаний (произведение энергии [эВ] на длину волны [мкм] равно числу 1,23), для излучения в видимом и ближнем инфракрасном диапазонах спектра требуется энергия 1-3 эВ . Именно в этих пределах находится энергия, необходимая для преодоления запрещенной зоны у кремния (Si), арсенида галлия (GaAs) и фосфида галлия (GaP): 1,12; 1,4; 2,27 эВ.

Создавая полупроводниковые материалы, с помощью тех или иных примесей (в строго определенных пропорциях) ученые и технологи научились получать полупроводниковые источники, излучающие в диапазоне от инфракрасного до голубого (наиболее сложно реализуемого, особенно по мощности, излучения). Параметры некоторых светодиодов на основе различных полупроводников приведены в табл. 2.9 .

Таблица 2.9.

Параметры различных по цвету свечения излучающих диодов

Цвет свечения	Длина волны, мкм	Материал полупроводника	Напряжение питания, В (при 10 мА)	Мощность излучения, мкВт (при токе 10 мА)
Зеленый	0,565	Ga–P	2.2–2,4	1,5–8,0
Желтый	0,583	Ga–P–As	2,0–2.2	3,0–8,0
Оранжвый	0,635	Ga–P–As	2,0–2.2	5,0–10,0
Kрасный	0,655	Ga–As–P	1,6–1,8	1,0–2,0
ИK	0,900	Ga–As	1,3–1,5	100,0–500,0

Характеристики, представленные в табл. 2.9, иллюстрируются на рис. 2.7
(на графике вольт-амперных характеристик выделена область, определяемая напряжениями питания в достаточно узком диапазоне 1,2-2,5 В, и следует заметить, что у большинства светодиодов уровни предельных обратных напряжений также невелики - в пределах 2,5-5 В, поэтому в цепь питания светодиода необходимо, как правило, включать ограничительное сопротивление). Графики спектральных характеристик свидетельствуют о достаточно узких полосах излучения светодиодов (во второй графе табл. 2.9 указаны значения длин волн максимумов излучения), имеющих ширину (на уровне 0,5 от максимального излучения) в несколько десятков нанометров.

Важной характеристикой любого излучателя является направленность излучения. Пространственное распределение излучения характеризуется фотометрическим телом излучателя, а в случае его симметрии - диаграммой направленности. На рис. 2.7 приведено несколько типовых диаграмм, характерных для излучателей разных видов (ненаправленные характерны для ламп накаливания, луч - для лазеров). Диаграммы со слабовыраженной направленностью характерны для индикаторных светодиодов в пластмассовых корпусах (для них важен сам факт свечения или тушения), а для излучающих диодов, используемых в датчиках или записывающих устройствах, характерны направленные и остронаправленные диаграммы излучения.

Поскольку рабочее питание на излучающие диоды подается в прямом направлении (свечение возникает при положительном потенциале на анодном выводе диода), для работы на переменном токе выпускаются диодные сборки, в которых (см. рис. 2.7) два диода включены встречно-параллельно. В этом варианте каждый диод работает только полпериода синусоидального цикла. При этом важно не забыть, что ограничительное сопротивление в цепи питания диода не должно допустить повышенных обратных напряжений на запертом диоде.

Выпускаются также диодные сборки (см. рис. 2.7), дающие световой поток с изменяемым цветом свечения. В таких сборках объединяются два диода с разным цветом свечения (как правило, зеленый и красный), что позволяет излучать не только тот или иной основной цвет, но и промежуточные (например, желто-зеленый, желтый, оранжевый). Пока не созданы диоды с интенсивным свечением синего цвета, равным по яркости зеленому и красному, иначе на таких диодных сборках можно было бы создавать полноцветные светодиодные табло и экраны ().

Строго говоря, под светом подразумевается видимое человеческим глазом излучение, поэтому и светодиодами следует называть диоды, излучающие в видимом диапазоне спектра. Однако физические параметры излучения прилегающей к видимой зоне инфракрасной области спектра мало чем (кроме частоты колебаний) отличаются от световых волн, поэтому термин «светодиод» часто применяют и к ИК-диодам, хотя термин «излучающий диод» в этом случае более точен.

Естественным развитием элементной базы класса излучающих диодов можно считать появление светодиодных сборок в виде цифровых, буквенно-цифровых и графических индикаторов, широко используемых в индикаторных панелях и табло. В этом назначении они используются и в полиграфии. Сведения об этих элементах можно найти в справочной литературе, например .

Для того чтобы высветить тот или иной символ, необходимо управлять свечением (или гашением) каждого элемента. С этой целью, как и в фотодиодных линейках и матрицах (см. п. 2.2.1), питание на отдельные элементы светодиодных линеек и матриц подается в мультиплексном режиме. При этом если в сборке общее число элементов равно m, то каждый из элементов работает как бы в мигающем режиме, зажигаясь на 1/m времени цикла обегания всех элементов. Если частота циклов мультиплексирования выше 10-15 Гц, то по закону Тальбота мигающие элементы кажутся светящимися постоянно, но с меньшей яркостью (яркость может быть повышена путем пропускания через светодиод большего тока).

Выпускаемые в различных исполнениях светодиодные линейки и матрицы (рис. 2.8) нашли применение в полиграфических сканирующих и записывающих устройствах. В сканерах они используются в качестве линейных осветителей (например, в ручном сканере, описываемом в гл. 4). В записывающих головках рекордеров, имиджсеттеров, цифровых печатных машин светодиодные линейки и матрицы осуществляют запись информации на светочувствительный материал - фотопленку, фоторезисторную пленку, электрографический цилиндр и т.п. ().

Особенностью этих элементов является необходимость синхронизации их работы с высокочастотным информационным сигналом (каждый импульс сигнала предназначается определенному светодиоду в линейке или матрице). Задача подключения в требуемый момент того или иного светодиода к источнику сигнала выполняется электронными коммутаторами, управляемыми по циклическим программам.

Особый класс излучающих диодов составляют так называемые лазерные диоды (полупроводниковые лазеры), но до их рассмотрения следует ознакомиться с особенностями лазерного излучения.

Основными отличительными чертами лазерного излучения являются монохроматичность, когерентность и лучевая направленность. Чтобы представить, насколько лазерное излучение «монохроматичнее» светодиодного (которое представляется тоже одноцветным), можно сопоставить степень монохроматичности того и другого вида источников, которая оценивается отношением ширины полосы спектра излучения к длине волны максимума спектральной характеристики. Для светодиодов степень монохроматичности оценивается величинами порядка 0,05 - 0,1, а для лазеров - менее 0,000001 . То есть длину волны лазерного излучения определяют с точностью до третьего-четвертого знака после запятой, иначе говоря, лазер излучает практически строго на одной длине волны.

Для завершения обзора элементной базы источников излучения следует сказать несколько слов об источниках свечения, которые, являясь излучателями, не предназначены для освещения объектов или засветки фоточувствительных материалов, а представляют собой светящиеся плоскости (матрицы, панели), используемые в качестве индикаторов, дисплеев, экранов для представления монохромного или цветного изображения. К таким источникам относятся газоразрядные индикаторы, плазменные и люминесцентные панели и экраны. Строго говоря, их уже сложно относить к элементной базе, но элементарные понятия об их принципе действия целесообразно изложить в данном разделе.

Плазменные панели

Разряд в газовой среде, используемый, как упоминалось выше, для накачки газовых лазеров, является физической основой работы плазменных панелей. Устройство простейшей плазменной панели иллюстрируется на рис. 2.11
.

Между двумя стеклянными обкладками плазменной панели располагается перфорированная прокладка, плотно прилегающая к стеклам. По периферии этот «сэндвич» залит герметиком. Воздух из внутренней полости откачан, и она заполнена газом, способным светиться при наличии высокой (100 В и более) разницы потенциалов между электродами горизонтальной и вертикальной ориентации (верхние электроды прозрачны), нанесенными на поверхности стеклянных обкладок, обращенные друг к другу. Таким образом получается матрица, в которой можно засветить газовым разрядом любой элемент, подав на соответствующую пару электродов электрическое напряжение. Электрический разряд приводит газ (находящийся в соответствующем отверстии перфорированной прокладки) в состояние плазмы, что и позволяет индицировать на панели тот или иной элемент изображения.

Число элементов изображения на плазменной панели может достигать нескольких миллионов точек, поэтому такие панели дают возможность представлять изображение любой сложности. В полиграфии подобные дисплеи широко используются на пультах управления печатных, резальных и других машин. В настоящее время появляются полноцветные экраны, способные прийти на смену электронно-лучевым кинескопам компьютерных мониторов.

Люминесцентные экраны

В оптоэлектронных устройствах оптические информационные сигналы распространяются, как правило, в специальных средах - для защиты сигналов от помех, придачи им желательного направления распространения и, при необходимости, управления - например, в режиме «пропустить-отклонить». Часто оптическая среда подбирается специально - для осуществления того или иного физического эффекта. Поэтому в данном разделе рассматриваются оптические среды и различные физические эффекты и явления, реализуемые в этих средах. Для управления световым потоком используются различные оптические элементы: линзы, призмы, отражатели и дефлекторы (зеркала), фильтры, модуляторы, а также слои жидких кристаллов, тонкие магнитные пленки, меняющие свою прозрачность под действием магнитного поля и др. . Направление светового потока по криволинейной траектории осуществляется с помощью элементов волоконной оптики - световодов .

К оптически активным относятся среды и вещества, способные воздействовать на поляризованный свет. Оптическая активность бывает естественной (присущей самому веществу без посторонних воздействий) и искусственной (приобретаемой при воздействии извне). Прежде чем углубиться в эту область, необходимо остановиться на понятии поляризации света .

Поляризации света связана небольшая история . В 1808 г. молодой французский физик Этьен Луи Малюс зашел после работы в Люксембургский сад Парижа, недалеко от Сорбоннского университета, и присел на скамеечку отдохнуть напротив дворца Екатерины Медичи (приобретенного ею в свое время у графа Люксембургского, от которого и осталось название как сада, так и дворца). Лучи заходящего солнца играли на окнах прекрасного здания, и Малюс, с детства любивший рассматривать окружающее через различные стеклышки, достал из кармана кристаллик исландского шпата и взглянул через него на сверкающие стекла. Поворачивая кристаллик, Этьен заметил, что при определенных углах отражение солнечных лучей на окнах меркнет. На следующий день, придя в лабораторию, он уже более тщательно проверил этот эффект и убедился в его повторяемости. Так была открыта поляризация света.

Суть этого явления заключается в упорядоченности ориентации векторов напряженностей электрического (Е) и магнитного (Н) полей световой волны в плоскости, перпендикулярной световому лучу (рис. 2.15
).

Электромагнитная природа света отражается в колебаниях двух векторов (Е и Н) во взаимно перпендикулярных плоскостях, в направлении распространения светового луча (поскольку направление векторов Е и Н взаимно перпендикулярны, далее будет рассматриваться ориентация только вектора Е).

Если в излучении присутствуют колебания широкого оптического диапазона (например, в дневном свете), то такой свет не поляризован, так как ориентация вектора Е не упорядочена. При сложении гармонических колебаний результирующий вектор для любого момента времени равен сумме всех векторов, учитывающей их величины и направления в данный момент (см. на рис. 2.15 пример сложения четырех векторов: а + b + c + d = g). Поэтому сложение направленных в разные стороны векторов, меняющих к тому же свою величину с различными частотами, дает хаотическую ориентацию результирующего вектора Е.

Даже если взять колебания одной частоты, но с непостоянными соотношениями по фазе, то и в этом случае свет не будет поляризован, так как меняющееся расхождение фаз даст неупорядоченную ориентацию результирующего вектора Е (см. на рис. 2.15 примеры сложения пар синусоид, сдвинутых по фазе на заданный угол). Только колебания постоянной частоты с неизменным фазовым сдвигом (а именно такие колебания называют когерентными) дают упорядоченность ориентации результирующего вектора Е.

Результирующий вектор любого направления можно разложить в прямоугольной системе координат на две составляющие - х и у. В общем случае синусоидальные колебания этих составляющих могут иметь фиксированное расхождение по фазе. При этом траектория движения конца результирующего вектора будет описываться (в плоскости, перпендикулярной направлению светового луча) уравнением эллипса. В случае расхождения фаз на 90° эллипс будет превращаться в круг, а при разности фаз 0 или 180° - вырождаться в прямую. Любой из этих (а также промежуточных) случаев свидетельствует об упорядоченной ориентации вектора Е и, следовательно, о том, что свет поляризован (т.е. направлен, от греч. polos - полюс, ось, направление).

В гл. 3 поляризаторами .

Если разместить параллельно на одной оптической оси друг за другом два поляризатора, развернув их кристаллические оси под прямым углом (второй кристалл в этом случае называется анализатором), то через такую сборку свет не пройдет: анализатор не пропустит световой поток, прошедший через поляризатор, в силу перпендикулярности его кристаллической структуры плоскости поляризации света. Но если разместить между этими пластинками электрооптический кристалл (например, кристалл ниобата лития), то получится управляемый оптический затвор: при подаче на кристалл напряжения он будет поворачивать плоскость поляризации света и тот пройдет через анализатор, в противном же случае затвор не пропустит свет (рис. 2.16
).

). Однако в реальности полоса пропускания ограничивается трудностями модуляции высокого напряжения и емкостью конденсатора, создаваемого обкладками кристалла. К тому же при малых расстояниях (d) между обкладками существует опасность пробоя этого промежутка высоким напряжением, прикладываемым к модулятору.

Акустооптические кристаллы

Наряду с электрооптическими модуляторами в полиграфических оптоэлектронных устройствах применяются также акустооптические модуляторы , в основу действия которых положен акустооптический эффект, возникающий в некоторых средах. Под действием акустической волны в такой оптической среде, например кристалле, происходят изменения показателя преломления, причем эти изменения распространяются в среде по мере прохождения в нем акустических волн, так что внутри кристалла образуется как бы дифракционная решетка, отклоняющая направление прохождения светового потока от нормального, когда акустическая волна отсутствует. Принцип действия акустооптического модулятора иллюстрируется на рис. 2.18
.

В этом устройстве применено два элемента, используемых в оптоэлектронике, - акустооптический кристалл и пьезокристалл. Переменное напряжение ультразвуковой частоты подается на пьезокристалл, механически соединенный с акустооптическим кристаллом. Согласно уравнению обратного пьезоэффекта электрические колебания вызывают в пьезокристалле механические вибрации с ультразвуковой частотой, которые физически передаются акустооптическому кристаллу. Волны ультразвуковых вибраций вызывают в акустооптическом кристалле неоднородности показателя преломления, попадая на которые луч дифрагирует (отражается) под углом Брэгга и не проходит по прямому направлению.

См. гл. 1) не находили практического применения. Жидким кристаллам, молекулы которых имеют продолговатую нитевидную форму, за что они получили название нематических (от греч. nema - нить), свойственна упорядоченность в расположении (укладке) молекул. Нитевидность (несколько нанометров в длину и несколько ангстрем в ширину) обусловлена цепочечной структурой молекул. Например, на рис. 2.19 приведена формула молекулы жидкого кристалла МВВА (метилоксибензилиден-бутиланилин) и некоторые виды укладки подобных молекул в жидком и жидкокристаллическом состояниях .

Со временем были получены жидкие кристаллы, сохраняющие свои свойства в достаточном для практического использования диапазоне температур. А свойства ЖК таковы, что под действием даже слабого электрического поля в тонком (несколько микрометров) слое укладка и движение молекул изменяются, что сопровождается изменением его оптических параметров и проявлением некоторых токовых или полевых эффектов (не раскрывая сущности каждого, можно для сведения просто перечислить некоторые из используемых на практике эффектов: эффект динамического рассеяния, «твист»-эффект, эффект «гость-хозяин»).

В оптоэлектронике используется свойство жидких кристаллов изменять свою оптическую плотность под действием приложенной к электродам (между которыми находится слой ЖК) разницы потенциалов. Эта особенность ЖК нашла применение в широком спектре индикаторных приборов и экранов.

Сами по себе жидкие кристаллы не светятся, но если положить ЖК на светоотражающую подложку (или осветить на просвет), то контраст оптических плотностей двух состояний ЖК (под напряжением и без него) вполне достаточен для визуального различения. Главным недостатком ЖК в этом смысле является сравнительно (например, с кинескопами или плазменными панелями) небольшой угол наблюдения - лучше всего смотреть на ЖК-изображение по нормали, а при больших углах отклонения от нее изображение исчезает.

Этот недостаток становится менее ощутим при использовании свойства ЖК (например, с «твист»-эффектом) влиять на линейно поляризованный свет. Принцип действия «твист»-эффекта иллюстрируется на рис. 2.20
. На поверхности стеклянных обкладок, обращенных к ЖК, наносится ориентант (в виде прозрачной пленки), который укладывает прилегающие к нему молекулы в заданном направлении.

Если ориентация молекул ЖК у противоположных обкладок будет взаимно перпендикулярной благодаря соответствующим направлениям ориентирующих пленок, то укладка жидкого кристалл окажется «закрученной» (слово «твист» - англ. - означает поворот, скручивание) на 90°. Это происходит в силу способности молекул поддаваться даже слабым направляющим воздействиям - каждая молекула старается принять такое же направление, как и соседние.

При освещении жидкого кристалла линейно поляризованным светом, совпадающим по направлению поляризации с входным ориентантом, такая «закрутка» в укладке молекул приводит к повороту направления линейной поляризации светового потока, прошедшего через ЖК, на те же 90°. Если же приложить к электродам небольшое напряжение, то под действием электрического поля (более сильного, чем действие ориентанта) укладка молекул теряет скрученность и они выстраиваются по нормали к поверхности электродов. Новая укладка контрастно изменяет оптическую плотность электризованных участков и одновременно устраняет эффект поворота направления поляризации пропускаемого через ЖК линейно поляризованного света.

Оптики -

Принцип действия призмы (рис. 2.21
) основан на зависимости показателя преломления среды, через которую пропускается свет, от длины волны электромагнитных колебаний, проще говоря, цвета. Эта зависимость в первом приближении описывается формулой Коши (по имени французского математика Cauchy A.L. ). Зависимость эта нелинейная. Показатель преломления увеличивается с уменьшением длины волны. Это приводит к эффекту разложения белого цвета, пропускаемого через призму.

Призма усиливает различимость эффекта, так как лучи разных цветов, отклоняясь под разными углами, проходят к тому же разные расстояния, и на выходе из нее спектр оказывается более растянутым. Если за призмой установлена линейка фотоприемников (или белый экран), то это позволяет определять спектральный состав излучения. Примерные зависимости изменения показателя преломления от длины волны можно оценить по следующим данным :

Длина волны [нм], (цвет)	Стекло (кварц)	Исландский шпат
687 (красный)	1,541	1,653
656 (оранжевый)	1,542	1,655
589 (желтый)	1,544	1,658
527 (зеленый)	1,547	1,664
486 (голубой)	1,550	1,668
431 (сине-фиолетовый)	1,554	1,676
400 (фиолетовый)	1,558	1,683

Другой принцип заложен в явлении спектрального разложения света на дифракционной решетке (см. рис. 2.21). Эффект дифракции света сказывается у краев экранов, малых отверстий, узких щелей, когда расстояния светлых промежутков становятся соизмеримы с длиной световой волны. В таких условиях лучи, касающиеся края препятствия, отклоняются от прямолинейной траектории падающего света, при этом синус угла отклонения прямо пропорционален и кратен длине волны (т.е. угол отклонения тем больше, чем больше длина волны). Вокруг малого единичного отверстия в результате дифракции наблюдаются дифракционные кольца чередующихся светлых и темных участков (в формулу входит показатель кратности или порядка явления k. Вокруг одиночной щели кольца преобразуются в полосы, затухающие по мере удаления от просвета (в обе стороны). Если такие щели расположены в ряд и близко друг к другу (размеры щелей и перегородок одного порядка малости), то образуется дифракционная решетка, за которой, при размещении там белого экрана, можно увидеть спектр падающего на решетку светового луча. Дифракционные решетки делают и на отражение - тогда на зеркальную поверхность наносят тонкие риски (до нескольких тысяч рисок на миллиметр).

Такие элементы разложения сложного света на составляющие цвета используются в современных спектрофотометрах, приборах калибровки мониторов, компьютерных системах управления цветом (color management systems - CMS). Другая задача различения сложной окраски - разделение на зональные составляющие для последующего полиграфического синтеза цвета (на базе триады голубой, пурпурной и желтой красок + черная) - цветоделение.

Цветоделение осуществляется, как правило, с помощью зональных светофильтров - красного (red - R), зеленого (green - G) и синего (blue - B), либо для этих целей применяют дихроичные зеркала. На рис. 2.22
приведены спектральные характеристики светофильтров R, G и B, рекомендуемые европейским (ФРГ) стандартом DIN 16 536, и примерные характеристики дихроичных зеркал .

Светофильтры пропускают свет только своей зоны спектра, задерживая световые потоки остальных цветовых оттенков, поэтому если взять, например, синий фильтр и посмотреть через него на отпечаток, сделанный желтой краской на белой бумаге (кстати, без фильтра желтое на белом различается с трудом), то глаз увидит черный отпечаток на фоне синего - лучи желтого цвета через синий фильтр не пройдут. Чем меньше будет желтого на отпечатке, тем менее черным покажется этот участок за синим фильтром. Этот эффект позволяет измерять оптические плотности основных красок полиграфической триады (голубой, пурпурной, желтой) на оттисках с помощью денситометров, в которых устанавливаются зональные фильтры: синий - для желтой краски, зеленый - для пурпурной, красный - для голубой (черная измеряется за визуальным фильтром, имеющим спектральную характеристику, близкую к характеристике человеческого зрения).

Дихроичные зеркала тоже не пропускают излучение одной из зон видимого спектра (поэтому их также называют дихроичными фильтрами), отражая эти лучи, как зеркало, - это придает им новое свойство в отличие от светофильтров, так как не прошедшие через зеркало лучи могут использоваться в другом измерительном канале, если они будут туда направлены. Поставив друг за другом два разных по характеристикам (см. рис. 2.22) зеркала, можно произвести деление светового потока на лучи красной, зеленой и синей зоны: первое зеркало отразит волны красной зоны и пропустит зеленые и синие, которые разделятся на втором зеркале - синие отразятся, а зеленые будут пропущены через него.

Как уже было сказано в начале этой главы , отличительной чертой оптоэлектроники является миниатюризация элементов, их интеграция с целью переработки больших объемов информации. Поэтому и те элементы традиционной оптики, которые были описаны выше, в приложении к оптоэлектронным приборам изготавливаются зачастую в совершенно специфическом виде, по технологиям, применяемым в производстве оптоэлектронных элементов. Например, зональные фильтры для матричного ПЗС могут представлять собой тонкую пленку, размещенную на поверхности матрицы, с нанесенными микроскопическими триадами цветов, в виде синих, зеленых и красных штришков или точек, каждая из которых предназначается для своей элементарной ПЗС-ячейки размером 5×5 мкм.

Сказав о пленочных светофильтрах, в заключение следует упомянуть о многослойных диэлектрических структурах, применяемых в системах оптической связи в случаях, когда из смешанного света с различными длинами волн необходимо выделить свет с одной определенной длиной волны . Такие структуры представляют собой многослойный «бутерброд» с чередованием тонких слоев диэлектриков двух типов с различными показателями преломления. Каждый слой имеет толщину, равную четверти длины волны выделяемого излучения. Падающий на структуру свет частично отражается от каждой из границ раздела двух сред. Отраженные лучи выделенной длины волны, будучи одночастотными и сдвинутыми на четверть волны, т.е. когерентными, интерферируют (складываются), усиливаясь по амплитуде (см. пример такого сложения на ранее приведенном рис. 2.10). Свет других длин волн такого эффекта не имеет, так как либо проходит через структуру не отражаясь, а если и отражается, то не синфазно, а следовательно, и не когерентно - для него интерференция безрезультатна.

Изложенные в этой главе понятия о базовых элементах, присутствующих в том или ином наборе в каждом оптоэлектронном устройстве, позволяют перейти к рассмотрению типовых приборов этого направления, широко применяемых в полиграфии.

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).