Оптоэлектроника

Оптоэлектроника — это отрасль электроники, посвященной теории и практике создания приборов и устройств, основанных на преобразовании электрических сигналов в оптические и наоборот.

В оптоэлектронике используется диапазон длин волн 0,2 мкм — 0,2 мм. Оптоэлектронный прибор — это совокупность источника и приемника излучения. В качестве источника излучения применяют светодиоды на основе GaAs, как фотоприемники — фотодиоды и фототранзисторы на основе Si.

Отличительной и особенностью оптоэлектронных приборов (ОЭП) от других является то, что элементы в них оптически связаны, но электрически изолированы друг от друга. Благодаря этому легко обеспечивается согласованность высоко- и низковольтных и высокочастотных цепей.

Оптоэлектроника развивается по двум независимым направлениям:

  1. Оптическое;
  2. Электронно-оптическое.

Оптическое направление базируется на эффектах взаимодействия твердого тела с электромагнитным излучением (голография, фотохимия, электрооптика). Электронно-оптическое направление использует принцип фотоэлектрического преобразования при внутреннем фотоэффекте с одной стороны, и фотолюминесценции — с другой (замена гальванической и магнитной связи на оптическую, оптоволоконные линии связи).

На оптоэлектронном принципе могут быть созданы безвакуумные аналоги электронных устройств и систем:

  • дискретные и аналоговые преобразователи электрических сигналов (усилители, генераторы, ключевые элементы, элементы памяти, логические схемы, линии задержки и др.)
  • преобразователи оптических сигналов (усилители света и изображения, плоские экраны, которые передают и воспроизводят изображение)
  • устройства воспроизведения информации (индикаторные экраны, цифровые табло, картинная логика и др.).

Основными факторами, которые обусловливают развитие оптоэлектроники, являются:

  • разработка сверхчистых материалов,
  • разработка  совершенной технологии новых современных приборов и устройств,
  • подготовка высококвалифицированных кадров.

Для изготовления активных и пассивных элементов оптоэлектроники широко применяются:

  • полупроводниковые материалы, редкоземельные металлы и их сплавы,
  • диэлектрические соединения,
  • пленочные материалы,
  • фоторезисты,
  • диффузанты.

В настоящее время номенклатура материалов, используемых в оптоэлектронике достаточно широка. К ним относятся вещества высокой чистоты, чистые металлы и сплавы со специальными электрофизическими свойствами, диффузанты, различные полупроводниковые соединения в виде порошков и монокристаллов, монокристаллические пластины из кремния, арсенида и фосфида галлия, фосфида индия, сапфир, гранат, различные вспомогательные материалы — технологические газы, фоторезисты, абразивные порошки и др.

Важнейшими материалами оптоэлектроники является такие вещества, как: GaAs, BaF2, CdTe (для изготовления подложек) структуры GaAlAs / GaAs / GaAlAs (электрооптические модуляторы) SiO2 (материал для изоляции), Si, CdHgTe, PbSnSe (фотодиоды, фототранзисторы). В некоторых ИМС используются Ni, Cr, и Ag. Технология производства оптоэлектронных интегральных микросхем (ОЭИМС) постоянно совершенствуется на основе разработки новых физико-технологических процессов.

ОЭП имеют следующие преимущества:

  • возможность пространственной модуляции световых пучков и их значительного пересечения при отсутствии гальваническим связей между каналами;
  • большую функциональную нагрузку световых пучков благодаря возможности изменения многих их параметров (амплитуды, направления, частоты, фазы, поляризации).

Оптоэлектронные приборы — это приборы, принцип действия которых построен на использовании электромагнитного излучения оптического диапазона.

К основным группам оптоэлектронных приборов относят следующие:

  • светоизлучающие диоды и лазеры;
  • фотоэлектрические приемники излучения — фоторезисторы и фотоприемники с р-n-переходом;
  • приборы, управляющие излучением — модуляторы, дефлекторы и др.; приборы для отображения информации — индикаторы;
  • приборы для электрической изоляции — оптроны;
  • оптические каналы связи и оптические запоминающие устройства.

Вышеперечисленные группы приборов осуществляют генерацию, преобразование, передачу и хранение информации. Носителями информации в оптоэлектронике являются нейтральные в электрическом смысле частицы — фотоны, которые нечувствительны к воздействию электрических и электромагнитных полей, не взаимодействуют между собой и создают однонаправленную передачу сигнала, что обеспечивает высокую помехозащищенность и гальваническую развязку входных и выходных цепей. Оптоэлектронные приборы принимают, превращают и генерируют излучение в видимой, инфракрасной и ультрафиолетовой областях спектра.

Принцип действия оптоэлектронных приборов основан на использовании внешнего или внутреннего фотоэффекта. 

Внешним фотоэффектом называется выход свободных электронов из поверхностного слоя фотокатода во внешнюю среду под действием света.

Внутренним фотоэффектом называется свободное перемещение внутри вещества электронов, освобожденных от связей в атомах под действием света, и изменяющих его электропроводность или даже вызывающих появление ЭДС на границе двух веществ (р-n-переходе).

ОЭП нашли широкое применение в автоматических контрольных и измерительных системах, вычислительной технике, фототелеграфии, звуковоспроизводящей аппаратуре, кинематографии, спектрофотометрии, для преобразования световой энергии в электрическую, в автоматике для решения электрических цепей.

Оптрон

Оптрон — полупроводниковый прибор, в котором конструктивно объединены источник и приемник излучения, связанные между собой оптической связью. В источнике излучения электрические сигналы превращаются в световые, действующих на фотоприемник и создают в нем опять же электрические сигналы. Если оптрон имеет только один излучатель и один приемник излучения, то его называют оптопарой или элементарным оптроном.

Микросхема, состоящая из одной или нескольких оптопар с дополнительными устройствами для согласования и усиления сигнала, называется оптоэлектронной интегральной микросхемой. На входе и выходе оптрона всегда используются электрические сигналы, а связь входа и выхода происходит благодаря световому сигналу.

Фоторезистор

Фоторезисторы — это полупроводниковые резисторы, изменяющие свое сопротивление под воздействием светового потока. В зависимости от спектральной чувствительности фоторезисторы делят на две группы: для видимой части спектра и для инфракрасной части спектра. Для изготовления фоторезисторов используют соединения Cd и Pb. Чувствительные элементы изготавливают из монокристаллов или поликристаллов этих соединений.

Обозначение фоторезисторов ранних выпусков:

  • 1 элемент — буквы, обозначающие тип прибора (ФС — фотосопротивление),
  • 2 элемент — буква, обозначающая материал светочувствительного элемента (А — сернистый свинец, К — сернистый кадмий, Д — селенистий кадмий),
  • 3 элемент — цифра, которая обозначает тип конструктивного исполнения.
  • буква Б перед цифрой — герметичный вариант исполнения,
  • П — пленочный материал фоточувствительного элемента,
  • М — монокристаллический материал фоточувствительного элемента.
  • буква Т — тропический вариант, предназначенный для эксплуатации в условиях повышенных температур и влажности.
Принцип строения и схема включения фоторезистора

Обозначение современных фоторезисторов:

  • 1 элемент — буквы, обозначающие тип прибора (СФ — сопротивление фоточувствительное),
  • 2 элемент — цифра, которая означает материал светочувствительного элемента (2 — сернистый кадмий, 3 — селенистий кадмий, 4 — селенистый свинец),
  • 3 элемент — цифра, которая означает порядковый номер разработки.

Фоторезисторы имеют высокую стабильность параметров. Изменение фототока является достаточно точной характеристикой его состояния. При длительной эксплуатации наблюдается стабилизация фототока, при этом его величина может изменяться на 20 — 30%. Фоторезисторы чувствительны к быстрой смене температур. Хранить фоторезисторы следует при температуре 5 — 35оС и влажности не более 80%.

К основным параметрам фоторезисторов относят:

  1. Темновой ток ( Iт ) — ток, проходящий через фоторезистор при рабочем напряжении через 30 с после снятия освещенности 200 лк.
  2. Световой ток ( Iс ) — ток, проходящий через фоторезистор при рабочем напряжении и освещенности 200 лк от источника света с цветовой температурой 2850 К.
  3. Температурный коэффициент фототока ( ТК Iф ) — изменение фототока при изменении температуры фоторезистора на 1о С.
  4. Рабочее напряжение ( Uф ) — напряжение, которое можно приложить к фоторезистора при длительной эксплуатации без изменения его параметров сверх допустимого.
  5. Темновой сопротивление ( Rт ) — сопротивление фоторезистора при температуре 20о С через 30 с после снятия освещенности 200 лк.
  6. Удельный чувствительность ( К0 ) — отношение фототока к произведению величин светового потока, падающего на него и приложенного напряжения: К0 = Iф / ( ФUф ), где Ф — световой поток, лм.
  7. Постоянная времени ( t ) — время, в течение которого фототок изменяется на нормированную величину при его освещении.
  8. Мощность рассеяния ( Ррас. ) — максимально допустимая мощность, фоторезистор может рассеивать при непрерывном электрическом погрузке и температуре окружающей среды, не изменяя параметров сверх нормы, установленной техническими условиями.
  9. Сопротивление изоляции ( Rи ).
  10. Длинноволновая граница ( l ).

  Основными характеристиками фоторезисторов являются:

  1. Вольт-амперная ( )) — зависимость светового, темнового или фототока (при Ф = const ) от приложенного напряжения.
  2. Световая или люкс-амперная (Е)) — зависимость фототока от светового потока, падающего или освещенности (при const ).
  3. Спектральная )) — зависимость фототока от длины волны светового потока (при const ).
  4. Частотная (IФ = f (FФ )) — зависимость фототока от частоты модуляции светового потока (при U = const).

Высокая интегральная чувствительность позволяет использовать резисторы даже без усилителей, а малые габариты являются причинами их широкого применения.Основные недостатки фоторезисторов — их инерционность и сильное влияние температуры, приводит к большому разбросу характеристик.

Фотодиод

Фотодиоды  это полупроводниковые диоды, в которых используется внутренний фотоэффект. Световой поток управляет обратным током фотодиодов. Под действием света на электронно-дырочный переход происходит генерация пар носителей заряда, проводимость диода растет и увеличивается обратный ток. Такой режим работы называется фотодиодным режимом. Второй тип режима — фотогенераторный. В отличие от фотогенераторного для фотодиодного режима необходимо использовать внешний источник питания.

Схема включения фотодиода для работы в фотодиодном режиме

Основные параметры фотодиодов:

  • интегральная чувствительность (~ 10 мА / лм): рабочее напряжение (10 — 30 В);
  • темновой ток (~ 2 — 20 мкА).

Основные характеристики фотодиодов:

  • вольт-амперная (I = f (U)) — зависимость светового, темнового или фототока (при Ф = const) от приложенного напряжения;
  • энергетическая ( IФ = (Ф)) — зависимость фототока от светового потока (при const ) — линейная, мало зависит от напряжения.
Вольт-амперные характеристики фотодиода для фотодиодного режима

В лавинных фотодиодах происходит лавинное размножения носителей в p-n переходе и за счет этого в десятки раз возрастает чувствительность. Фотодиоды с барьером Шоттки имеют высокое быстродействие. Фотодиоды с гетеропереходами работают как генераторы ЭДС. Германиевые фотодиоды используют как индикаторы инфракрасного излучения; кремниевые — для преобразования световой энергии в электрическую (солнечные батареи для автономного питания различной аппаратуры в космосе) селеновые — для изготовления фотоэкспонометров и свето-технических измерений, поскольку их спектральная характеристика близка к спектральной характеристики глаза человека.

Фототранзистор

Фототранзисторы — это полупроводниковые приборы с двумя p-n переходами, предназначенные для преобразования светового потока в электрический ток. От обычного биполярного транзистора фототранзистор конструктивно отличается тем, что в его корпусе предусмотрено прозрачное окно, через которое свет может попадать на область базы.

Напряжение питания подается на эмиттер и коллектор, его коллекторный переход оказывается закрытым, а эмиттерный — открытым. База остается свободной. При освещении фототранзистора в его базе генерируются электроны и дырки. В коллекторном переходе происходит распределение электронно-дырочных переходов, достигших в результате диффузии, границы перехода. Дыры (неосновные носители зарядов в полупроводнике), перебрасываются полем перехода в коллектор, увеличивая его собственный ток, а электроны (основные носители зарядов) остаются в базе, снижая ее потенциал. Снижение потенциала базы приводит к образованию дополнительной прямого напряжения на эмиттерном переходе и усиления инжекции дырок из эмиттера в базу. Инжектированных в базу дырки, достигая коллекторного перехода, вызывают дополнительное увеличение тока коллектора.

Структурная схема биполярного фототранзистора со свободной базой (а) и схема включения фототранзистора (б)

Ток коллектора освещенного фототранзистора оказывается достаточно большим; отношение светового тока к темнового достигает нескольких сотен.

Применяют два варианта включения фототранзисторов:

  • диодное — с использованием только двух выводов (эмиттера и коллектора)
  • транзисторное — с использованием трех выводов, когда на вход подают не только световой, но и электрический сигнал.

В оптоэлектронике, автоматике и телемеханике фототранзисторы используют для тех же целей, что и фотодиоды, но они уступают им по порогу чувствительности и температурному диапазону. Чувствительность фототранзисторов растет с интенсивностью их освещения.

Фототиристор

Фототиристор — это полупроводниковый прибор с четырехслойной p-n-p-n структурой, который сочетает в себе свойства тиристора и фотоприемника и преобразует световую энергию в электрическую.

При отсутствии светового сигнала и управляющего тока фототиристор закрыт и через него проходит только темновой ток. Открывается фототиристор световым потоком, который поступает на базы p2 и n1 через «окно» в его корпусе и создает электронно-дырочные пары. Это приводит к возникновению первичных фототоков и образования общего фототока. Из этого следует, что при поступлении светового потока на базы p2 и n1 возрастает эмиттерный ток, коэффициент передачи тока α от эмиттера к коллектору является функцией освещенности, которая меняет ток p-n nepexoда. Сопротивление фототиристора изменяется в пределах от 0,1 Ом (в открытом состоянии) до 10 8Ом (в закрытом), а время переключения составляет величину 10-5— 10-6 с.

Структура фототиристора

Из световой характеристики Iпр. = (Ф) при Uпр. = Const видно, что при включении фототиристора ток через него возрастает до Iпр. = Епр. Rнагр. и больше не меняется, то есть фототиристор имеет два стабильных состояния и может быть использован как элемент памяти. По вольтамперной характеристике Iпр. = Uпр.) при Ф = const (Ф 2 > Ф1> Фо) видно, что с увеличением светового потока напряжение и время включения уменьшаются.

Характеристики фототиристора: а — световая, б — ВАХ, в — зависимость времени  включения от светового потока

Преимуществами фототиристоров являются:

  • высокая погрузочная способностью при малой мощности управляющего сигнала;
  • возможность получать необходимый исходный сигнал без дополнительных каскадов усиления;
  • наличие памяти, то есть поддержка открытого состояния после снятия управляющего сигнала;
  • большая чувствительность;
  • высокое быстродействие.

Вышеуказанные свойства фототиристоров позволяют упростить схемы, исключив из них усилители и релейные элементы, что очень важно в промышленной электронике, например в высоковольтных преобразователях. Чаще всего фототиристоры используют для коммутации световым сигналом мощных электрических сигналов.

Таким образом, несмотря на то, что оптоэлектроника была одним из первых направлений радиоэлектроники, она сохранила важное значение до настоящего времени, в отличии от многих, канувших в лету, технологий.

Добавить комментарий

Ваш e-mail не будет опубликован.