نظام التعيين للأجهزة الإلكترونية الضوئية والإلكترونية الضوئية. جامعة موسكو الحكومية لفنون الطباعة

مصادر الإشعاع الضوئي المستخدمة في الإلكترونيات الضوئية، بشكل عام، متنوعة للغاية. ومع ذلك، فإن معظمها (المصابيح المتوهجة الصغيرة ومصابيح تفريغ الغاز، وبواعث المسحوق والأفلام الكهربائية، والمصابيح الكاثودية الفراغية والعديد من الأنواع الأخرى) لا تفي بمجموعة المتطلبات الحديثة بأكملها وتستخدم فقط في أجهزة معينة، وخاصة في أجهزة المؤشرات و جزئيا في optocouplers.

عند تقييم احتمالات مصدر معين، يتم لعب الدور الحاسم من خلال حالة تجميع المادة المضيئة النشطة (أو المادة التي تملأ حجم العمل). من بين جميع الخيارات الممكنة (الفراغ، الغاز، السائل، الصلب)، يتم إعطاء الأفضلية لمادة الحالة الصلبة، و"داخلها" لمادة أحادية البلورية لأنها توفر أكبر قدر من المتانة والموثوقية للأجهزة.

يتكون أساس الإلكترونيات الضوئية من مجموعتين من الباعثات:

1) المولدات الضوئية للإشعاع المتماسك (الليزر)، ومن بينها ليزر أشباه الموصلات الذي ينبغي تمييزه؛

1) ثنائيات أشباه الموصلات الباعثة للضوء بناءً على مبدأ التلألؤ الكهربائي بالحقن التلقائي.

جهاز أشباه الموصلات الضوئية هو جهاز أشباه الموصلاتانبعاث أو تحويل الإشعاع الكهرومغناطيسي الحساس لهذا الإشعاع في المناطق المرئية والأشعة تحت الحمراء و (أو) فوق البنفسجية من الطيف، أو استخدام هذا الإشعاع للتفاعل الداخلي لعناصره.

يمكن تقسيم أجهزة أشباه الموصلات الضوئية إلى بواعث أشباه الموصلات ومستقبلات الإشعاع والمقرنات الضوئية والدوائر الإلكترونية الضوئية المتكاملة (الشكل 2.1).

باعث أشباه الموصلات هو جهاز أشباه الموصلات الضوئية الذي يحول الطاقة الكهربائية إلى طاقة الإشعاع الكهرومغناطيسي في المناطق المرئية والأشعة تحت الحمراء والأشعة فوق البنفسجية من الطيف.

يمكن للعديد من بواعث أشباه الموصلات أن تبعث فقط موجات كهرومغناطيسية غير متماسكة. وتشمل هذه بواعث أشباه الموصلات في المنطقة المرئية من الطيف - أجهزة عرض معلومات أشباه الموصلات (الثنائيات الباعثة للضوء، ومؤشرات إشارة أشباه الموصلات، والمقاييس والشاشات)، بالإضافة إلى بواعث أشباه الموصلات في منطقة الأشعة تحت الحمراء من الطيف - الثنائيات الباعثة للأشعة تحت الحمراء.

بواعث أشباه الموصلات متماسكة- هذه هي أشعة ليزر أشباه الموصلات مع أنواع مختلفة من الإثارة. يمكنها إصدار موجات كهرومغناطيسية ذات سعة وتردد وطور واتجاه انتشار واستقطاب معين، وهو ما يتوافق مع مفهوم التماسك.

الإلكترونيات الضوئية هي فرع من فروع الإلكترونيات مخصص لنظرية وممارسة إنشاء أدوات وأجهزة تعتمد على تحويل الإشارات الكهربائية إلى إشارات ضوئية والعكس صحيح.

تستخدم الإلكترونيات الضوئية نطاقًا من الطول الموجي يتراوح من 0.2 ميكرومتر إلى 0.2 مم. الجهاز الإلكتروني البصري عبارة عن مزيج من مصدر الإشعاع وجهاز الاستقبال. يتم استخدام مصابيح LED المستندة إلى GaAs كمصدر للإشعاع، ويتم استخدام الثنائيات الضوئية والترانزستورات الضوئية المستندة إلى Si ككاشفات ضوئية.

من السمات المميزة للأجهزة الإلكترونية الضوئية (OED) عن غيرها أنها متصلة بصريًا، ولكنها معزولة كهربائيًا عن بعضها البعض. وهذا يجعل من السهل ضمان الاتساق بين دوائر الجهد العالي والمنخفض والدوائر ذات التردد العالي.

تتطور الإلكترونيات الضوئية في اتجاهين مستقلين:

1. بصري؛
2. الكهربائية الضوئية.

يعتمد الاتجاه البصري على تأثيرات تفاعل المادة الصلبة مع الإشعاع الكهرومغناطيسي (التصوير المجسم، الكيمياء الضوئية، البصريات الكهربائية). يستخدم الاتجاه الكهروضوئي مبدأ التحويل الكهروضوئي مع التأثير الكهروضوئي الداخلي من ناحية، والتألق الضوئي من ناحية أخرى (استبدال الاتصال الجلفاني والمغناطيسي بخطوط اتصال بصرية من الألياف الضوئية).

بناءً على مبدأ الإلكترونيات الضوئية، يمكن إنشاء نظائرها الخالية من الفراغ للأجهزة والأنظمة الإلكترونية:

• المحولات المنفصلة والتناظرية للإشارات الكهربائية (مكبرات الصوت والمولدات والعناصر الرئيسية وعناصر الذاكرة والدوائر المنطقية وخطوط التأخير وما إلى ذلك)
• محولات الإشارات الضوئية (مضخمات الضوء والصورة، والشاشات المسطحة التي تنقل الصور وتعيد إنتاجها)
• أجهزة التشغيل (شاشات العرض، شاشات العرض الرقمية، منطق الصورة، وما إلى ذلك).

العوامل الرئيسية التي تحدد تطور الإلكترونيات الضوئية هي:

• تطوير المواد فائقة النقاء،
• تطوير التكنولوجيا المثالية للأدوات والأجهزة الحديثة الجديدة،
• تدريب الموظفين المؤهلين تأهيلا عاليا.

يتم استخدام ما يلي على نطاق واسع لتصنيع العناصر الإلكترونية الضوئية النشطة والسلبية:

• المواد شبه الموصلة والأتربة النادرة وسبائكها،
• اتصالات عازلة,
• مواد الفيلم,
• مقاومات الضوء,
• الناشرون.

حاليًا، مجموعة المواد المستخدمة في الإلكترونيات الضوئية واسعة جدًا. وتشمل هذه المواد عالية النقاء، والمعادن النقية والسبائك ذات الخصائص الفيزيائية الكهروفيزيائية الخاصة، والمواد الناشرة، ومركبات أشباه الموصلات المختلفة على شكل مساحيق وبلورات مفردة، ورقائق السيليكون أحادية البلورية، والزرنيخيد وفوسفيد الغاليوم، وفوسفيد الإنديوم، والياقوت، والعقيق، ومختلف أنواع المعادن. المواد المساعدة - غازات المعالجة، مقاومات الضوء، المساحيق الكاشطة، إلخ.

المواد الأكثر أهمية للإلكترونيات الضوئية هي مواد مثل: GaAs، BaF 2، CdTe (لتصنيع الركائز)، هياكل GaAlAs / GaAs / GaAlAs (المعدلات الكهروضوئية)، SiO 2 (مادة عازلة)، Si، CdHgTe، PbSnSe (الثنائيات الضوئية، الترانزستورات الضوئية). تستخدم بعض المرحلية Ni وCr وAg. يتم باستمرار تحسين تكنولوجيا إنتاج الدوائر المتكاملة الإلكترونية الضوئية (OEIMC) بناءً على تطوير العمليات الفيزيائية والتكنولوجية الجديدة.

تتمتع OEPs بالمزايا التالية:

• إمكانية التعديل المكاني لحزم الضوء وتقاطعها الكبير في حالة عدم وجود اتصالات كلفانية بين القنوات؛
• حمل وظيفي أكبر لحزم الضوء بسبب القدرة على تغيير العديد من معلماتها (السعة والاتجاه والتردد والطور والاستقطاب).

الأجهزة الإلكترونية الضوئية هي الأجهزة التي يعتمد مبدأ تشغيلها على استخدام الإشعاع الكهرومغناطيسي في النطاق البصري.

تشمل المجموعات الرئيسية للأجهزة الإلكترونية البصرية ما يلي:

• الثنائيات الباعثة للضوء والليزر.
• أجهزة الكشف عن الإشعاع الكهروضوئي - المقاومات الضوئية وأجهزة الكشف الضوئي ذات الوصلة p-n؛
• الأجهزة التي تتحكم في الإشعاع - المُعدِّلات، والمنحرفات، وما إلى ذلك؛ أجهزة لعرض المعلومات - المؤشرات؛
• أجهزة العزل الكهربائي - optocouplers؛
• قنوات الاتصال البصرية وأجهزة التخزين الضوئية.

تقوم مجموعات الأجهزة المذكورة أعلاه بإنشاء المعلومات وتحويلها ونقلها وتخزينها. ناقلات المعلومات في الإلكترونيات الضوئية عبارة عن جسيمات محايدة كهربائيًا - لا تتفاعل الفوتونات، غير الحساسة لتأثيرات المجالات الكهربائية والكهرومغناطيسية، مع بعضها البعض وتخلق نقل إشارة أحادي الاتجاه، مما يضمن مناعة عالية الضوضاء وعزل كلفاني لدوائر الإدخال والإخراج. تقوم الأجهزة الإلكترونية الضوئية باستقبال وتحويل وتوليد الإشعاع في المناطق المرئية والأشعة تحت الحمراء والأشعة فوق البنفسجية من الطيف.

يعتمد مبدأ تشغيل الأجهزة الإلكترونية الضوئية على استخدام التأثير الكهروضوئي الخارجي أو الداخلي.

التأثير الكهروضوئي الخارجي هو إطلاق الإلكترونات الحرة من الطبقة السطحية للكاثود الضوئي إلى البيئة الخارجية تحت تأثير الضوء.

التأثير الكهروضوئي الداخلي هو الحركة الحرة للإلكترونات داخل المادة، وتحررها من الروابط تحت تأثير الضوء، وتغيير موصليتها الكهربائية أو حتى التسبب في ظهور قوة دافعة كهربية عند حدود مادتين (وصلة p-n).

تُستخدم OEPs على نطاق واسع في أنظمة التحكم والقياس الآلي، وتكنولوجيا الكمبيوتر، والإبراق الضوئي، ومعدات إعادة إنتاج الصوت، والتصوير السينمائي، والقياس الطيفي، لتحويل الطاقة الضوئية إلى طاقة كهربائية، وفي الأتمتة لحل الدوائر الكهربائية.

أوبتوكوبلر

جهاز optocoupler عبارة عن جهاز شبه موصل يتم فيه دمج مصدر الإشعاع وجهاز الاستقبال بشكل هيكلي، ويتم توصيلهما عن طريق الاتصال البصري. في مصدر الإشعاع، يتم تحويل الإشارات الكهربائية إلى إشارات ضوئية تعمل على الكاشف الضوئي وتقوم مرة أخرى بإنشاء إشارات كهربائية فيه. إذا كان لدى optocoupler باعث واحد فقط ومستقبل إشعاع واحد، فإنه يطلق عليه اسم optocoupler أو optocoupler الأولي.

تسمى الدائرة الدقيقة التي تتكون من واحد أو أكثر من أجهزة optocouplers مع أجهزة إضافية لمطابقة الإشارة وتضخيمها بالدائرة الإلكترونية الضوئية المتكاملة. تُستخدم الإشارات الكهربائية دائمًا عند مدخلات ومخرجات optocoupler، ويحدث الاتصال بين المدخلات والمخرجات بسبب إشارة ضوئية.

مقاوم ضوئي

المقاومات الضوئية هي مقاومات أشباه الموصلات التي تغير مقاومتها تحت تأثير الضوء. اعتمادًا على الحساسية الطيفية، تنقسم المقاومات الضوئية إلى مجموعتين: للجزء المرئي من الطيف وللجزء تحت الأحمر من الطيف. لتصنيع المقاومات الضوئية، يتم استخدام الاتصالات قرص مضغوطو الرصاص. وتتكون العناصر الحساسة من بلورات مفردة أو متعددة البلورات من هذه المركبات.

تعيين المقاومات الضوئية للإصدارات المبكرة:

• 1 عنصر - أحرف تشير إلى نوع الجهاز (FS - مقاومة الضوء)،
• 2 عنصر - حرف يشير إلى مادة العنصر الحساس (أ - كبريتيد الرصاص، ك - كبريتيد الكادميوم، د - سيلينيوم الكادميوم)،
• العنصر 3 هو رقم يشير إلى نوع التصميم.
• الحرف B قبل الرقم هو نسخة مختومة،
• P - مادة الفيلم للعنصر الحساس،
• م - مادة أحادية البلورية للعنصر الحساس.
• حرف T - نسخة استوائية مخصصة للاستخدام في ظروف درجات الحرارة المرتفعة والرطوبة.

مبدأ الهيكل ومخطط الاتصال للمقاوم الضوئي

تعيين المقاومات الضوئية الحديثة:

• 1 عنصر - أحرف تشير إلى نوع الجهاز (SF - مقاومة حساس للضوء)،
• 2 عنصر - رقم يعني مادة العنصر الحساس للضوء (2 - كبريتيد الكادميوم، 3 - سيلينيد الكادميوم، 4 - سيلينيد الرصاص)،
• العنصر الثالث هو الرقم الذي يشير إلى الرقم التسلسلي للتطوير.

تتمتع المقاومات الضوئية بثبات عالي للمعلمات. يعد التغيير في التيار الكهروضوئي سمة دقيقة إلى حد ما لحالته. أثناء التشغيل على المدى الطويل، يتم ملاحظة استقرار التيار الكهروضوئي، في حين أن قيمته يمكن أن تتغير بنسبة 20 - 30٪. المقاومات الضوئية حساسة للتغيرات السريعة في درجات الحرارة. يجب تخزين المقاومات الضوئية عند درجة حرارة 5 - 35 درجة مئوية ورطوبة لا تزيد عن 80%.

تشمل المعلمات الرئيسية للمقاومات الضوئية ما يلي:

1. الظلام الحالي ( أنات) هو التيار الذي يمر عبر المقاوم الضوئي عند جهد تشغيل 30 ثانية بعد إزالة الإضاءة البالغة 200 لوكس.
2. تيار مضيء ( أناج) هو التيار الذي يمر عبر المقاوم الضوئي عند جهد تشغيل وإضاءة 200 لوكس من مصدر ضوء بدرجة حرارة لون تبلغ 2850 كلفن.
3. معامل درجة حرارة التيار الكهروضوئي ( المعارف التقليديةأناF) - تغير في التيار الكهروضوئي عندما تتغير درجة حرارة المقاوم الضوئي بمقدار 1 درجة مئوية.
4. جهد التشغيل ( شF) - الجهد الذي يمكن تطبيقه على المقاوم الضوئي أثناء التشغيل طويل الأمد دون تغيير معلماته بما يتجاوز الحدود المسموح بها.
5. مقاومة الظلام ( رت) - مقاومة المقاوم الضوئي عند درجة حرارة 20 درجة مئوية 30 ثانية بعد إزالة الإضاءة 200 لوكس.
6. حساسية محددة ( ك 0) هي نسبة التيار الكهروضوئي إلى منتج مقادير تدفق الضوء الساقط عليه والجهد المطبق: ك 0 =أناF / (FشF) ، أين F- التدفق الضوئي، lm.
7. ثابت الزمن ( ر) هو الوقت الذي يتغير خلاله التيار الكهروضوئي بقيمة طبيعية عند الإضاءة.
8. تبديد الطاقة ( سباق آر.) - الحد الأقصى من الطاقة المسموح بها التي يمكن للمقاوم الضوئي أن يتبددها تحت الحمل الكهربائي المستمر ودرجة الحرارة المحيطة، دون تغيير المعلمات بما يتجاوز القاعدة التي تحددها المواصفات الفنية.
9. مقاومة العزل ( رو).
10. حدود الطول الموجي الطويل ( ل).

الخصائص الرئيسية للمقاومات الضوئية نكون:

1. فولت أمبير ( أنا= F(ش)) - الاعتماد على الضوء أو الظلام أو التيار الضوئي (مع ف =مقدار ثابت) من الجهد المطبق.
2. لايت أو لوكس أمبير (أنا= F(هـ))- اعتماد التيار الضوئي على التدفق الضوئي أو الحادث أو الإضاءة (في ش= مقدار ثابت).
3. طيفي (أنا= F(ل)) — اعتماد التيار الكهروضوئي على الطول الموجي لتدفق الضوء (في ش= مقدار ثابت).
4. التردد (I Ф = f (F Ф)) - اعتماد التيار الكهروضوئي على تردد تعديل تدفق الضوء (عند U = const).

تسمح الحساسية المتكاملة العالية باستخدام المقاومات حتى بدون مكبرات الصوت، وأبعادها الصغيرة هي أسباب استخدامها على نطاق واسع. العيوب الرئيسية للمقاومات الضوئية هي القصور الذاتي والتأثير القوي لدرجة الحرارة، مما يؤدي إلى مجموعة واسعة من الخصائص.

الثنائي الضوئي

الثنائيات الضوئية — هذه هي الثنائيات شبه الموصلة التي تستخدم التأثير الكهروضوئي الداخلي. يتحكم التدفق الضوئي في التيار العكسي للثنائيات الضوئية. تحت تأثير الضوء على تقاطع ثقب الإلكترون، يتم إنشاء أزواج من حاملات الشحنة، وتزداد موصلية الصمام الثنائي ويزداد التيار العكسي. يسمى وضع التشغيل هذا وضع الثنائي الضوئي. النوع الثاني من الوضع هو المولد الضوئي. على عكس وضع المولد الضوئي، يتطلب وضع الثنائي الضوئي استخدام مصدر طاقة خارجي.

دائرة اتصال الثنائي الضوئي للتشغيل في وضع الثنائي الضوئي

المعلمات الرئيسية للثنائيات الضوئية:

• حساسية متكاملة (~ 10 مللي أمبير / لتر): جهد التشغيل (10 - 30 فولت) ؛
• تيار مظلم (~ 2 - 20 ميكرو أمبير).

الخصائص الرئيسية للثنائيات الضوئية:

• فولت أمبير (I = f (U)) - اعتماد الضوء أو الظلام أو التيار الكهروضوئي (عند Ф = const) على الجهد المطبق؛
• طاقة ( أناF = F(F))— اعتماد التيار الضوئي على التدفق الضوئي (في ش= مقدار ثابت) - خطي، يعتمد قليلاً على الجهد.

خصائص الجهد الحالي للثنائي الضوئي لوضع الثنائي الضوئي

في الثنائيات الضوئية الانهيارية، يحدث تكاثر الانهيارات الحاملة في تقاطع pn ونتيجة لذلك، تزيد الحساسية عشرات المرات. تتميز الثنائيات الضوئية ذات حاجز شوتكي بأداء عالٍ. تعمل الثنائيات الضوئية ذات الوصلات غير المتجانسة كمولدات للمجالات الكهرومغناطيسية. تستخدم الثنائيات الضوئية الجرمانيوم كمؤشرات للأشعة تحت الحمراء. السيليكون - لتحويل الطاقة الضوئية إلى طاقة كهربائية (البطاريات الشمسية لتزويد الطاقة المستقلة لمختلف المعدات في الفضاء - السيلينيوم - لتصنيع أجهزة قياس التعرض للصور والقياسات الفنية للإضاءة، نظرًا لأن خصائصها الطيفية قريبة من الخصائص الطيفية للإنسان)؛ عين.

الترانزستور الضوئي

الترانزستورات الضوئية هي أجهزة شبه موصلة ذات وصلتين p-n، مصممة لتحويل تدفق الضوء إلى تيار كهربائي. يختلف الترانزستور الضوئي من الناحية الهيكلية عن الترانزستور ثنائي القطب التقليدي من حيث أن جسمه يحتوي على نافذة شفافة يمكن للضوء من خلالها الدخول إلى منطقة القاعدة.

يتم توفير جهد الإمداد إلى الباعث والمجمع، وتكون وصلة المجمع مغلقة، وتكون وصلة الباعث مفتوحة. تظل القاعدة مجانية. عندما يضيء الترانزستور الضوئي، تتولد إلكترونات وفجوات في قاعدته. يوجد في تقاطع المجمع توزيع انتقالات ثقب الإلكترون التي وصلت، نتيجة للانتشار، إلى حدود الانتقال. يتم نقل الثقوب (حاملات الشحنة الأقلية في أشباه الموصلات) عن طريق مجال الانتقال إلى المجمع، مما يزيد من تياره، وتبقى الإلكترونات (حاملات الشحنة الأكبر) في القاعدة، مما يقلل من إمكاناتها. يؤدي الانخفاض في جهد القاعدة إلى تكوين جهد أمامي إضافي عند تقاطع الباعث وزيادة حقن الثقوب من الباعث إلى القاعدة. تؤدي الفتحات المحقونة في القاعدة، والتي تصل إلى تقاطع المجمع، إلى زيادة إضافية في تيار المجمع.

رسم تخطيطي لترانزستور ضوئي ثنائي القطب مع قاعدة حرة (أ) ودائرة توصيل للترانزستور الضوئي (ب)

تبين أن تيار المجمع للترانزستور الضوئي المضاء كبير جدًا ؛ تصل نسبة التيار الخفيف إلى التيار المظلم إلى عدة مئات.

هناك خياران لتشغيل الترانزستورات الضوئية:

• الصمام الثنائي- استخدام طرفين فقط (الباعث والمجمع)
• الترانزستور- استخدام ثلاثة أطراف، عندما لا يتم توفير الضوء فقط، ولكن أيضًا إشارة كهربائية إلى الإدخال.

في الإلكترونيات الضوئية والأتمتة والميكانيكا عن بعد، تُستخدم الترانزستورات الضوئية لنفس الأغراض مثل الثنائيات الضوئية، ولكنها أقل شأناً منها من حيث عتبة الحساسية ونطاق درجة الحرارة. تزداد حساسية الترانزستورات الضوئية مع شدة الإضاءة الخاصة بها.

الثايرستور الضوئي

الثايرستور الضوئي هو جهاز أشباه الموصلات ببنية مكونة من أربع طبقات p-n-p-n تجمع بين خصائص الثايرستور والكاشف الضوئي ويحول الضوء إلى كهرباء.

في حالة عدم وجود إشارة ضوئية وتيار التحكم، يتم إغلاق الثايرستور الضوئي ولا يمر عبره سوى التيار المظلم. يتم فتح الثايرستور الضوئي بواسطة تدفق ضوئي يدخل القاعدتين p 2 و n 1 من خلال "نافذة" في جسمه ويخلق أزواجًا من فتحات الإلكترون. وهذا يؤدي إلى ظهور تيارات ضوئية أولية وتشكيل تيار ضوئي إجمالي. ويترتب على ذلك أنه عندما يصل تدفق الضوء إلى القاعدتين p 2 و n 1، يزداد تيار الباعث، ويكون معامل نقل التيار α من الباعث إلى المجمع دالة للإضاءة، مما يغير تيار p-n. تتراوح مقاومة الثايرستور الضوئي من 0.1 أوم (في الحالة المفتوحة) إلى 108 أوم (في الحالة المغلقة)، وزمن التبديل هو 10 -5 - 10 -6 ثانية.

هيكل الثايرستور الضوئي

من خصائص الضوء أناإلخ. = F(F)في شإلخ. = مقدار ثابتيمكن ملاحظة أنه عند تشغيل الثايرستور الضوئي، يزداد التيار من خلاله إلى أناإلخ.= ه العلاقات العامة /رحمولةولم يعد يتغير، أي أن الثايرستور الضوئي له حالتين مستقرتين ويمكن استخدامه كعنصر ذاكرة. وفقا لخاصية الجهد الحالي أناإلخ. = F(شإلخ.) في ف =مقدار ثابت(F 2 > F1 > Fo)ويمكن ملاحظة أنه مع زيادة التدفق الضوئي، ينخفض ​​الجهد والوقت.

خصائص الثايرستور الضوئي: أ - الضوء، ب - خاصية الجهد الحالي، ج - اعتماد وقت التبديل على التدفق الضوئي

مزايا الثايرستور الضوئي هي:

• قدرة تحميل عالية مع قوة إشارة تحكم منخفضة؛
• القدرة على الحصول على إشارة المصدر المطلوبة دون مراحل تضخيم إضافية؛
• وجود الذاكرة، أي الحفاظ على حالة مفتوحة بعد إزالة إشارة التحكم؛
• حساسية أكبر
• أداء عالي.

تتيح الخصائص المذكورة أعلاه لأجهزة الثايرستور الضوئي تبسيط الدوائر عن طريق التخلص من مكبرات الصوت وعناصر الترحيل، وهو أمر مهم جدًا في الإلكترونيات الصناعية، على سبيل المثال، في محولات الجهد العالي. في أغلب الأحيان، يتم استخدام أجهزة الثايرستور الضوئي لتبديل الإشارات الكهربائية القوية بإشارة ضوئية.

وهكذا، على الرغم من أن الإلكترونيات الضوئية كانت واحدة من المجالات الأولى للإلكترونيات الراديوية، فقد احتفظت بأهميتها حتى يومنا هذا، على عكس العديد من التقنيات التي غرقت في غياهب النسيان.

الأجهزة الإلكترونية الضوئية هي الأجهزة الحساسة للإشعاع الكهرومغناطيسي في المناطق المرئية والأشعة تحت الحمراء والأشعة فوق البنفسجية، وكذلك الأجهزة التي تنتج أو تستخدم مثل هذه الإشعاعات.

يُصنف الإشعاع في المناطق المرئية والأشعة تحت الحمراء والأشعة فوق البنفسجية على أنه النطاق البصري للطيف. عادة، يتضمن هذا النطاق موجات كهرومغناطيسية يبلغ طولها 1 نانومترتصل إلى 1 مم، والذي يتوافق مع الترددات من حوالي 0.5 10 12 هرتزما يصل إلى 5·10 17 هرتز. يتحدثون أحيانًا عن نطاق تردد أضيق - من 10 نانومترما يصل إلى 0.1 مم(~5·10 12 …5·10 16 هرتز). يتوافق النطاق المرئي مع الأطوال الموجية من 0.38 ميكرومتر إلى 0.78 ميكرومتر (التردد حوالي 10 15 هرتز).

ومن الناحية العملية، تُستخدم مصادر الإشعاع (البواعث) وأجهزة استقبال الإشعاع (الكاشفات الضوئية) والمقرنات الضوئية (optocouplers) على نطاق واسع.

جهاز optocoupler هو جهاز يحتوي على مصدر ومستقبل للإشعاع، مدمجين هيكليًا وموضعين في غلاف واحد.

تُستخدم مصابيح LED والليزر على نطاق واسع كمصادر للإشعاع، كما تُستخدم المقاومات الضوئية، والثنائيات الضوئية، والترانزستورات الضوئية، وأجهزة الثايرستور الضوئي كمستقبلات.

يتم استخدام Optocouplers على نطاق واسع ، حيث يتم استخدام الثنائي الضوئي LED ، والترانزستور الضوئي LED ، وأزواج الثايرستور الضوئي LED.

المزايا الرئيسية للأجهزة الإلكترونية البصرية:

· قدرة معلوماتية عالية لقنوات نقل المعلومات الضوئية، نتيجة للترددات العالية المستخدمة.

· عزل كلفاني كامل لمصدر الإشعاع وجهاز الاستقبال.

· عدم وجود تأثير لمستقبل الإشعاع على المصدر (تدفق المعلومات أحادي الاتجاه).

· مناعة الإشارات الضوئية للمجالات الكهرومغناطيسية (حصانة الضوضاء العالية).

انبعاث الصمام الثنائي (LED)

غالبًا ما يُطلق على الصمام الثنائي الباعث للضوء الذي يعمل في نطاق الطول الموجي المرئي اسم الصمام الثنائي الباعث للضوء أو LED.

دعونا نفكر في الجهاز والخصائص والمعلمات ونظام التعيين الخاص بالثنائيات الباعثة للضوء.

جهاز. يظهر الشكل التخطيطي لهيكل الصمام الثنائي الباعث في الشكل. 6.1، أ، وتوجد التسمية الرسومية الرمزية لها في الشكل 6.1. 6.2، ب.

ويحدث الإشعاع عندما يتدفق تيار الصمام الثنائي المباشر نتيجة إعادة تركيب الإلكترونات والثقوب في المنطقة ص ن-الانتقال وفي المناطق المجاورة للمنطقة المحددة. أثناء إعادة التركيب، تنبعث الفوتونات.

الخصائص والمعلمات. لانبعاث الثنائيات العاملة في النطاق المرئي (الأطوال الموجية من 0.38 إلى 0.78 ميكرومترالتردد حوالي 10 15 هرتز) ، يتم استخدام الخصائص التالية على نطاق واسع:

· الاعتماد على سطوع الإشعاع لمن تيار الصمام الثنائي أنا(خاصية السطوع)؛

الاعتماد على شدة الضوء رابعامن تيار الصمام الثنائي أنا.

أرز. 6.1. هيكل الصمام الثنائي الباعث للضوء ( أ)

وتمثيلها الرسومي ( ب)

تظهر خاصية السطوع للصمام الثنائي الباعث للضوء من النوع AL102A في الشكل. 6.2. لون توهج هذا الصمام الثنائي هو الأحمر.

أرز. 6.2. خاصية سطوع LED

يظهر في الشكل رسم بياني لاعتماد شدة الإضاءة على التيار للصمام الثنائي الباعث للضوء AL316A. 6.3. لون التوهج أحمر.

أرز. 6.3. اعتماد شدة الإضاءة على تيار LED

بالنسبة للثنائيات الباعثة للضوء التي تعمل خارج النطاق المرئي، يتم استخدام الخصائص التي تعكس اعتماد قوة الإشعاع رمن تيار الصمام الثنائي أنا. منطقة المواضع المحتملة للرسم البياني لاعتماد الطاقة الإشعاعية على التيار لصمام ثنائي باعث من نوع AL119A يعمل في نطاق الأشعة تحت الحمراء (الطول الموجي 0.93...0.96 ميكرومتر)، كما هو موضح في الشكل. 6.4.

فيما يلي بعض المعلمات للصمام الثنائي AL119A:

· زمن صعود نبض الإشعاع – لا يزيد عن 1000 نانوثانية;

· زمن اضمحلال النبضة الإشعاعية – لا يزيد عن 1500 نانوثانية;

· الجهد الأمامي المستمر عند أنا=300 أماه- لا يزيد عن 3 في;

· الحد الأقصى الثابت المسموح به للتيار الأمامي عند ر<+85°C – 200 أماه;

· درجة الحرارة المحيطة -60...+85 درجة مئوية.

أرز. 6.4. اعتماد الطاقة الإشعاعية على تيار LED

وللحصول على معلومات حول القيم المحتملة لعامل الكفاءة، نلاحظ أن الثنائيات الباعثة من نوع ZL115A، AL115A، تعمل في نطاق الأشعة تحت الحمراء (الطول الموجي 0.95) ميكرومتر، عرض الطيف لا يزيد عن 0.05 ميكرومتر) ، لديها عامل كفاءة لا يقل عن 10٪.

نظام التدوين. يتضمن نظام التعيين المستخدم للثنائيات الباعثة للضوء استخدام حرفين أو ثلاثة أحرف وثلاثة أرقام، على سبيل المثال AL316 أو AL331. الحرف الأول يشير إلى المادة، والثاني (أو الثاني والثالث) يشير إلى التصميم: L - LED واحد، LS - صف أو مصفوفة LED. تشير الأرقام اللاحقة (وأحيانًا الحروف) إلى رقم التطوير.

مقاوم ضوئي

المقاوم الضوئي هو مقاوم لأشباه الموصلات تكون مقاومته حساسة للإشعاع الكهرومغناطيسي في النطاق البصري للطيف. يظهر الشكل التخطيطي لهيكل المقاوم الضوئي في الشكل. 6.5، أ، وتمثيلها الرسومي التقليدي موجود في الشكل. 6.5، ب.

يؤدي تدفق الفوتونات الساقطة على شبه الموصل إلى ظهور أزواج. ثقب الإلكترون، زيادة الموصلية (تناقص المقاومة). وتسمى هذه الظاهرة التأثير الكهروضوئي الداخلي (تأثير الموصلية الضوئية). غالبًا ما تتميز المقاومات الضوئية بالاعتماد الحالي أنامن الإضاءة هعند جهد معين عبر المقاومة. هذا هو ما يسمى لوكس أمبيرمميزة (الشكل 6.6).

أرز. 6.5. بناء ( أ) والتسمية التخطيطية ( ب) المقاوم الضوئي

أرز. 6.6. خاصية لوكس أمبير للمقاوم الضوئي FSK-G7

غالبًا ما يتم استخدام معلمات المقاوم الضوئي التالية:

· مقاومة الظلام الاسمية (في حالة عدم وجود تدفق الضوء) (بالنسبة لـ FSK-G7، تبلغ هذه المقاومة 5 موهم);

· الحساسية المتكاملة (يتم تحديد الحساسية عند إضاءة المقاوم الضوئي بضوء ذي تركيبة طيفية معقدة).

يتم تحديد الحساسية المتكاملة (الحساسية الحالية لتدفق الضوء) S بالتعبير:

أين لو- ما يسمى بالتيار الضوئي (الفرق بين التيار عند الإضاءة والتيار عند عدم وجود إضاءة)؛

F- تدفق الضوء.

للمقاوم الضوئي FSK-G7 س=0,7 أ/م.

الثنائي الضوئي

الهيكل والعمليات الفيزيائية الأساسية. يظهر الهيكل المبسط للثنائي الضوئي في الشكل. 6.7, أ، وتمثيلها الرسومي التقليدي موجود في الشكل. 6.7, ب.

أرز. 6.7. الهيكل (أ) والتعيين (ب) للثنائي الضوئي

العمليات الفيزيائية التي تحدث في الثنائيات الضوئية هي عكس الطبيعة فيما يتعلق بالعمليات التي تحدث في مصابيح LED. الظاهرة الفيزيائية الرئيسية في الثنائي الضوئي هي توليد الأزواج ثقب الإلكترونفي المنطقة ص ن- الانتقال وفي المناطق المجاورة له تحت تأثير الإشعاع.

جيل الزوج ثقب الإلكترونيؤدي إلى زيادة التيار العكسي للصمام الثنائي في وجود جهد عكسي وظهور الجهد ش أكبين الأنود والكاثود مع دائرة مفتوحة. علاوة على ذلك ش أك>0 (تذهب الثقوب إلى القطب الموجب، وتذهب الإلكترونات إلى الكاثود تحت تأثير المجال الكهربائي ص ن-انتقال).

الخصائص والمعلمات. من الملائم وصف الثنائيات الضوئية من خلال عائلة من خصائص الجهد الحالي المقابلة لتدفقات الضوء المختلفة (يتم قياس التدفق الضوئي باللومن، م) أو إضاءة مختلفة (يتم قياس الإضاءة في لوكس، نعم).

تظهر خصائص الجهد الحالي (خصائص فولت أمبير) للثنائي الضوئي في الشكل. 6.8.

أرز. 6.8. خصائص الجهد الحالي للثنائي الضوئي

لنفترض أن التدفق الضوئي يكون صفرًا في البداية، فإن خاصية الجهد الحالي للثنائي الضوئي تكرر في الواقع خاصية الجهد الحالي للديود التقليدي. إذا كان التدفق الضوئي ليس صفراً، فإن الفوتونات تخترق المنطقة ص-ن-الانتقال، يسبب توليد أزواج ثقب الإلكترون. تحت تأثير المجال الكهربائي ص-ن-الانتقال، تنتقل الناقلات الحالية إلى الأقطاب الكهربائية (الثقوب - إلى طبقة القطب صوالإلكترونات - إلى طبقة القطب ن). ونتيجة لذلك، ينشأ جهد بين الأقطاب الكهربائية، والذي يزداد مع زيادة التدفق الضوئي. مع جهد الأنود والكاثود الإيجابي، يمكن أن يكون تيار الصمام الثنائي سالبًا (الربع الرابع من الخاصية). في هذه الحالة، الجهاز لا يستهلك، بل ينتج الطاقة.

في الممارسة العملية، يتم استخدام الثنائيات الضوئية في ما يسمى بوضع المولد الضوئي (الوضع الكهروضوئي، وضع الصمام) وفي ما يسمى بوضع المحول الضوئي (وضع الثنائي الضوئي).

في وضع المولد الضوئي، تعمل الخلايا الشمسية على تحويل الضوء إلى كهرباء. وتصل كفاءة الخلايا الشمسية حاليًا إلى 20%. وحتى الآن، فإن الطاقة التي يتم الحصول عليها من الخلايا الشمسية أغلى بنحو 50 مرة من الطاقة التي يتم الحصول عليها من الفحم أو النفط أو اليورانيوم.

يتوافق وضع المحول الضوئي مع خاصية الجهد الحالي في الربع الثالث. في هذا الوضع، يستهلك الثنائي الضوئي الطاقة ( ش· أنا> 0) من مصدر جهد خارجي موجود بالضرورة في الدائرة (الشكل 6.9). يتم إجراء التحليل الرسومي لهذا الوضع باستخدام خط التحميل، كما هو الحال مع الصمام الثنائي التقليدي. في هذه الحالة، عادة ما يتم تصوير الخصائص بشكل تقليدي في الربع الأول (الشكل 6.10).

أرز. 6.9 الشكل. 6.10

الثنائيات الضوئية هي أجهزة ذات تأثير أسرع مقارنة بالمقاومات الضوئية. تعمل على الترددات 10 7 – 10 10 هرتز. غالبًا ما يستخدم الثنائي الضوئي في optocouplers الصمام الضوئي. في هذه الحالة، تتوافق الخصائص المختلفة للثنائي الضوئي مع تيارات مختلفة من LED (والتي في نفس الوقت تخلق تدفقات ضوئية مختلفة).

أوبتوكوبلر (أوبتوكوبلر)

جهاز optocoupler عبارة عن جهاز شبه موصل يحتوي على مصدر إشعاع ومستقبل إشعاع، مدمجين في غلاف واحد ومترابطين بصريًا وكهربائيًا وفي نفس الوقت من خلال كلا التوصيلين. تنتشر أجهزة Optocouplers على نطاق واسع جدًا، حيث يتم استخدام المقاوم الضوئي، والصمام الضوئي، والترانزستور الضوئي، والثايرستور الضوئي كمستقبل للإشعاع.

في المقاومات الضوئية، يمكن أن تتغير مقاومة الخرج بعامل 10 7 ... 10 8 عندما يتغير وضع دائرة الإدخال. بالإضافة إلى ذلك، فإن خاصية الجهد الحالي للمقاوم الضوئي هي خاصية خطية ومتماثلة للغاية، مما يجعل أدوات التوصيل البصري المقاومة قابلة للتطبيق على نطاق واسع في الأجهزة التناظرية. عيب optocouplers المقاوم هو سرعتها المنخفضة - 0.01...1 مع.

في دوائر نقل إشارات المعلومات الرقمية، تستخدم بشكل أساسي الثنائيات الضوئية والصمام الثنائي والترانزستور، وللتحويل البصري للدوائر ذات الجهد العالي والتيار العالي، يتم استخدام محولات الثايرستور الضوئية. يتميز أداء الثايرستور والترانزستور optocouplers بتبديل الوقت، والذي يقع غالبًا في حدود 5...50 عضو الكنيست.

دعونا نلقي نظرة فاحصة على optocoupler LED الضوئي (الشكل 6.11، أ). يجب توصيل الصمام الثنائي الباعث (يسار) في الاتجاه الأمامي، ويجب توصيل الثنائي الضوئي في الاتجاه الأمامي (وضع المولد الضوئي) أو الاتجاه العكسي (وضع المحول الضوئي). تظهر اتجاهات التيارات والفولتية في الثنائيات optocoupler في الشكل. 6.11, ب.

أرز. 6.11. رسم تخطيطي للمقرنة الضوئية (أ) واتجاه التيارات والفولتية فيه (ب)

دعونا نصور الاعتماد الحالي أنا خارجمن الحالي أنا أدخلفي ش خارجا=0 للمقرنة الضوئية AOD107A (الشكل 6.12). تم تصميم optocoupler المحدد للعمل في كل من وضعي المولد الضوئي والمحول الضوئي.

أرز. 6.12. خاصية نقل optocoupler AOD107A

الأجهزة الضوئية

الخصائص الرئيسية للثنائيات الباعثة للضوء المرئي

الخصائص الرئيسية للثنائيات الباعثة للضوء بالأشعة تحت الحمراء

الأجهزة الإلكترونية الضوئية بالمعنى الواسع

قائمة المصادر المستخدمة

الأجهزة الضوئية

يعتمد تشغيل الأجهزة الإلكترونية الضوئية على العمليات الإلكترونية الضوئية لتلقي المعلومات ونقلها وتخزينها.

أبسط جهاز إلكتروني ضوئي هو زوج إلكترونيات بصرية، أو optocoupler. يعتمد مبدأ تشغيل optocoupler، الذي يتكون من مصدر إشعاعي ووسيط غمر (دليل ضوئي) وكاشف ضوئي، على تحويل الإشارة الكهربائية إلى إشارة ضوئية، ثم العودة إلى إشارة كهربائية.

تتمتع أجهزة Optocouplers كأجهزة وظيفية بالمزايا التالية مقارنة بالعناصر الراديوية التقليدية:

عزل كلفاني كامل “مدخل – مخرج” (مقاومة العزل تتجاوز 10 12 – 10 14 أوم)؛

الحصانة المطلقة للضوضاء في قناة نقل المعلومات (حاملات المعلومات عبارة عن جزيئات محايدة كهربائيًا - الفوتونات) ؛

التدفق أحادي الاتجاه للمعلومات، والذي يرتبط بخصائص انتشار الضوء؛

النطاق العريض بسبب التردد العالي للاهتزازات الضوئية،

سرعة كافية (بضع نانو ثانية)؛

جهد انهيار عالي (عشرات كيلو فولت) ؛

مستوى ضوضاء منخفض

قوة ميكانيكية جيدة.

بناءً على الوظائف التي يؤديها، يمكن مقارنة optocoupler بمحول (عنصر اقتران) مع مرحل (مفتاح).

تستخدم أجهزة optocoupler مصادر إشعاع أشباه الموصلات - الثنائيات الباعثة للضوء المصنوعة من مواد مركبات المجموعة أثالثا بالخامس , من بينها الأكثر واعدة فوسفيد الغاليوم والزرنيخيد. يقع طيف إشعاعاتها في منطقة الإشعاع المرئي والأشعة تحت الحمراء القريبة (0.5 - 0.98 ميكرون). الثنائيات الباعثة للضوء المعتمدة على فوسفيد الغاليوم لها توهج أحمر وأخضر. تعد مصابيح LED المصنوعة من كربيد السيليكون واعدة لأنها تتمتع بتوهج أصفر وتعمل في درجات حرارة مرتفعة ورطوبة وفي بيئات عدوانية.

تُستخدم مصابيح LED، التي تنبعث منها ضوءًا في النطاق المرئي من الطيف، في الساعات الإلكترونية والآلات الحاسبة الدقيقة.

تتميز الثنائيات الباعثة للضوء بتركيبة طيفية للإشعاع واسعة جدًا، ونمط اتجاهي؛ الكفاءة الكمومية، والتي تحددها نسبة عدد الكمات الضوئية المنبعثة إلى عدد الكمات التي تمر عبرها ص-ن-انتقال الإلكترونات. الطاقة (مع الإشعاع غير المرئي) والسطوع (مع الإشعاع المرئي)؛ خصائص فولت أمبير، لومن أمبير وواط أمبير؛ السرعة (زيادة واضمحلال اللمعان الكهربائي أثناء الإثارة النبضية) ونطاق درجة حرارة التشغيل. مع زيادة درجة حرارة التشغيل، ينخفض ​​سطوع LED وتنخفض قوة الانبعاث.

ويرد في الجدول الخصائص الرئيسية للثنائيات الباعثة للضوء في النطاق المرئي. 1، ونطاق الأشعة تحت الحمراء - في الجدول. 2.

الجدول 1 الخصائص الرئيسية للثنائيات الباعثة للضوء المرئي

نوع الصمام الثنائي	السطوع cd/m2 أو شدة الإضاءة mcd		لون متوهج	التيار المباشر إلى الأمام، مللي أمبير
KL101 أ – ب AL102 أ – ز AL307 أ – ج	10 – 20 شمعة/م2 40 - 250 ميكرومتر 150 - 1500 ميكرومتر		أحمر أخضر أحمر أخضر

يتم توصيل الثنائيات الباعثة للضوء في الأجهزة الإلكترونية الضوئية بأجهزة الكشف الضوئية عن طريق وسيط غمر، والشرط الرئيسي لها هو نقل الإشارة بأقل قدر من الخسائر والتشويه. في الأجهزة الإلكترونية البصرية، يتم استخدام وسائط الغمر الصلبة - المركبات العضوية البوليمرية (المواد اللاصقة والورنيش البصرية)، ووسائط الكالكوجينيد والألياف الضوئية. اعتمادًا على طول القناة الضوئية بين الباعث والكاشف الضوئي، يمكن تقسيم الأجهزة الإلكترونية الضوئية إلى موصلات ضوئية (طول القناة 100 - 300 ميكرون)، وعوازل ضوئية (حتى 1 متر) وخطوط اتصالات الألياف الضوئية - خطوط الألياف الضوئية ( يصل إلى عشرات الكيلومترات).

الجدول 2. الخصائص الرئيسية للثنائيات الباعثة للضوء بالأشعة تحت الحمراء

نوع الصمام الثنائي	إجمالي الطاقة الإشعاعية، ميغاواط	الجهد المستمر إلى الأمام، V	الطول الموجي للإشعاع، ميكرون	وقت صعود نبض الإشعاع، ns	وقت اضمحلال نبض الإشعاع، ns
AL106 أ – د	0.6 - 1 (عند 50 مللي أمبير حاليًا) 0.2 - 1.5 (عند 100 مللي أمبير حاليًا) 6 - 10 (عند 100 مللي أمبير الحالي) 1.5 (عند تيار 100 مللي أمبير) 0.2 (عند تيار 20 مللي أمبير) 10 (عند 50 مللي أمبير الحالي)

تخضع أجهزة الكشف الضوئي المستخدمة في أجهزة optocoupler لمتطلبات مطابقة الخصائص الطيفية مع الباعث، وتقليل الخسائر عند تحويل الإشارة الضوئية إلى إشارة كهربائية، والحساسية الضوئية، والسرعة، وحجم المنطقة الحساسة للضوء، والموثوقية، ومستوى الضوضاء.

بالنسبة للمقرونات الضوئية، فإن أكثر الأجهزة الواعدة هي أجهزة الكشف الضوئية ذات التأثير الكهروضوئي الداخلي، عندما يؤدي تفاعل الفوتونات مع الإلكترونات داخل المواد ذات الخصائص الفيزيائية المحددة إلى انتقالات الإلكترون في حجم الشبكة البلورية لهذه المواد.

يتجلى التأثير الكهروضوئي الداخلي بطريقتين: في تغيير مقاومة الكاشف الضوئي تحت تأثير الضوء (المقاومات الضوئية) أو في ظهور قوة دافعة ضوئية عند الواجهة بين مادتين - أشباه الموصلات وأشباه الموصلات وأشباه الموصلات المعدنية (الخلايا الكهروضوئية التبديلية، الثنائيات الضوئية، الترانزستورات الضوئية).

تنقسم أجهزة الكشف الضوئية ذات التأثير الكهروضوئي الداخلي إلى ثنائيات ضوئية (مع ص-ن- الوصلات، هيكل MIS، حاجز شوتكي)، المقاومات الضوئية، الكاشفات الضوئية ذات التضخيم الداخلي (الترانزستورات الضوئية، الترانزستورات الضوئية المركبة، الترانزستورات الضوئية، الترانزستورات الضوئية ذات التأثير الميداني).

تعتمد الثنائيات الضوئية على السيليكون والجرمانيوم. الحد الأقصى للحساسية الطيفية للسيليكون هو 0.8 ميكرون، والجرمانيوم - ما يصل إلى 1.8 ميكرون. أنها تعمل في التحيز العكسي ص-ن-الانتقال، مما يجعل من الممكن زيادة أدائها واستقرارها وخطية خصائصها.

تُستخدم الثنائيات الضوئية غالبًا ككاشفات ضوئية للأجهزة الإلكترونية الضوئية ذات التعقيد المتفاوت. ص- أنا-ن-الهياكل حيث أنا- المنطقة المستنفدة للمجال الكهربائي العالي. ومن خلال تغيير سمك هذه المنطقة، من الممكن الحصول على أداء جيد وخصائص حساسية بسبب انخفاض السعة وزمن طيران الحاملات.

تتميز الثنائيات الضوئية الانهيارية بحساسية وأداء متزايدين، وذلك باستخدام تضخيم التيار الضوئي عند مضاعفة حاملات الشحنة. ومع ذلك، فإن هذه الثنائيات الضوئية ليست مستقرة بدرجة كافية على مدى درجات الحرارة وتتطلب إمدادات طاقة عالية الجهد. تعد الثنائيات الضوئية ذات حاجز شوتكي وبنية MIS واعدة للاستخدام في نطاقات معينة من الطول الموجي.

تُصنع المقاومات الضوئية بشكل أساسي من أغشية أشباه الموصلات متعددة البلورات المعتمدة على مركب (الكادميوم مع الكبريت والسيلينيوم). الحد الأقصى للحساسية الطيفية للمقاومات الضوئية هو 0.5 - 0.7 ميكرون. تُستخدم المقاومات الضوئية عادةً في ظروف الإضاءة المنخفضة؛ من حيث الحساسية، فهي قابلة للمقارنة بالمضاعفات الضوئية - الأجهزة ذات التأثير الكهروضوئي الخارجي، ولكنها تتطلب طاقة منخفضة الجهد. عيوب المقاومات الضوئية هي الأداء المنخفض ومستويات الضوضاء العالية.

أجهزة الكشف الضوئي المضخمة داخليًا الأكثر شيوعًا هي الترانزستورات الضوئية وأجهزة الثايرستور الضوئي. تعتبر الترانزستورات الضوئية أكثر حساسية من الثنائيات الضوئية، ولكنها أبطأ. لزيادة حساسية الكاشف الضوئي بشكل أكبر، يتم استخدام ترانزستور ضوئي مركب، وهو عبارة عن مزيج من ترانزستورات الصور والتضخيم، ولكنه يتميز بأداء منخفض.

في optocouplers، يتم استخدام الثايرستور الضوئي (جهاز أشباه الموصلات بثلاثة ص- ن- التحولات، والتبديل عند الإضاءة)، والتي لديها حساسية عالية ومستوى إشارة الإخراج، ولكن سرعة غير كافية.

يتم تحديد تنوع أنواع optocouplers بشكل أساسي من خلال خصائص وخصائص أجهزة الكشف الضوئي. أحد التطبيقات الرئيسية للمزدوجات الضوئية هو العزل الكلفاني الفعال لأجهزة الإرسال والاستقبال للإشارات الرقمية والتناظرية. في هذه الحالة، يمكن استخدام optocoupler في وضع المحول أو تبديل الإشارة. يتميز optocoupler بإشارة الإدخال المسموح بها (تيار التحكم) ومعامل النقل الحالي والسرعة (وقت التبديل) وسعة الحمولة.

تسمى نسبة معامل النقل الحالي إلى وقت التبديل بعامل الجودة للمقرنة الضوئية وهي 10 5 - 10 6 للمقرنات الضوئية الضوئية والترانزستور الضوئي. تستخدم على نطاق واسع Optocouplers المعتمدة على الثايرستور الضوئي. لا يتم استخدام optocouplers photoresistor على نطاق واسع بسبب انخفاض الوقت واستقرار درجة الحرارة. تظهر الرسوم البيانية لبعض أجهزة optocouplers في الشكل. 4, إعلان.

يتم استخدام أشعة الليزر ذات الثبات العالي وخصائص الطاقة الجيدة والكفاءة كمصادر إشعاع متماسكة. في الإلكترونيات الضوئية، يتم استخدام ليزر أشباه الموصلات لتصميم الأجهزة المدمجة - الثنائيات الليزرية، المستخدمة، على سبيل المثال، في خطوط اتصالات الألياف الضوئية بدلاً من خطوط نقل المعلومات التقليدية - الكابلات والأسلاك. تتميز بإنتاجية عالية (عرض النطاق الترددي لوحدات جيجاهيرتز)، ومقاومة للتداخل الكهرومغناطيسي، وانخفاض الوزن والأبعاد، والعزل الكهربائي الكامل من المدخلات إلى المخرجات، والسلامة من الانفجارات والحريق. الميزة الخاصة لـ FOCL هي استخدام كابل ألياف بصرية خاص، يظهر هيكله في الشكل. 5. العينات الصناعية من هذه الكابلات لديها توهين يتراوح بين 1 – 3 ديسيبل/كم وأقل. تُستخدم خطوط اتصالات الألياف الضوئية لبناء شبكات الهاتف والكمبيوتر وأنظمة تلفزيون الكابل ذات الصور المرسلة عالية الجودة. تسمح هذه الخطوط بالبث المتزامن لعشرات الآلاف من المحادثات الهاتفية والعديد من البرامج التلفزيونية.

في الآونة الأخيرة، تم تطوير الدوائر المتكاملة البصرية (OICs)، والتي تتشكل جميع عناصرها عن طريق ترسيب المواد اللازمة على الركيزة، بشكل مكثف وأصبحت واسعة الانتشار.

تعد الأجهزة المعتمدة على الكريستال السائل، والمستخدمة على نطاق واسع كمؤشرات في الساعات الإلكترونية، واعدة في مجال الإلكترونيات الضوئية. البلورات السائلة هي مادة عضوية (سائلة) لها خصائص البلورة وتكون في حالة انتقالية بين الطور البلوري والسائل.

تتميز مؤشرات الكريستال السائل بدقة عالية ورخيصة نسبيًا وتستهلك طاقة منخفضة وتعمل عند مستويات إضاءة عالية.

غالبًا ما تستخدم البلورات السائلة ذات الخصائص المشابهة للبلورات المفردة (nematics) في مؤشرات الضوء وأجهزة الذاكرة الضوئية. وقد تم تطوير البلورات السائلة التي تغير لونها عند تسخينها (الكولستريات) وتستخدم على نطاق واسع تستخدم للتسجيل الحراري البصري للمعلومات.

أصبحت الأجهزة الإلكترونية الضوئية، التي تم تطويرها مؤخرًا نسبيًا، منتشرة على نطاق واسع في مختلف مجالات العلوم والتكنولوجيا نظرًا لخصائصها الفريدة. كثير منهم ليس لديهم نظائرها في تكنولوجيا الفراغ وأشباه الموصلات. ومع ذلك، لا تزال هناك العديد من المشاكل التي لم يتم حلها والمرتبطة بتطوير مواد جديدة وتحسين الخصائص الكهربائية والتشغيلية لهذه الأجهزة وتطوير الأساليب التكنولوجية لتصنيعها.

جهاز أشباه الموصلات الضوئية - جهاز شبه موصل يعتمد تشغيله على استخدام ظواهر الإشعاع أو النقل أو الامتصاص في المناطق المرئية أو تحت الحمراء أو فوق البنفسجية من الطيف.

الأجهزة الإلكترونية الضوئية بالمعنى الواسع هي الأجهزة , استخدام الإشعاع البصري في عملهم: توليد وكشف وتحويل ونقل إشارة المعلومات. كقاعدة عامة، تتضمن هذه الأجهزة مجموعة أو مجموعة أخرى من العناصر الإلكترونية البصرية. في المقابل، يمكن تقسيم الأجهزة نفسها إلى قياسية وخاصة، مع الأخذ في الاعتبار تلك القياسية التي يتم إنتاجها بكميات كبيرة للاستخدام على نطاق واسع في مختلف الصناعات، ويتم إنتاج الأجهزة الخاصة مع مراعاة خصوصيات صناعة معينة - في حالتنا، الطباعة.

تنقسم المجموعة الكاملة للعناصر الإلكترونية الضوئية إلى مجموعات المنتجات التالية: مصادر الإشعاع وأجهزة الاستقبال والمؤشرات والعناصر البصرية وأدلة الضوء، وكذلك الوسائط البصرية التي تسمح بإنشاء عناصر التحكم وعرض المعلومات وتخزينها. من المعروف أن أي تنظيم لا يمكن أن يكون شاملاً، ولكن كما لاحظ مواطننا بشكل صحيح، الذي اكتشف القانون الدوري للعناصر الكيميائية في عام 1869، ديمتري إيفانوفيتش مندليف (1834-1907)، فإن العلم يبدأ حيث يظهر العد، أي. التقييم، المقارنة، التصنيف، تحديد الأنماط، تحديد المعايير، السمات المشتركة. ومع أخذ ذلك في الاعتبار، قبل الشروع في وصف عناصر محددة، من الضروري إعطاء، على الأقل بشكل عام، خاصية مميزة للمنتجات الإلكترونية البصرية.

كما ذكر أعلاه، فإن السمة المميزة الرئيسية للإلكترونيات الضوئية هي الاتصال بالمعلومات. على سبيل المثال، إذا تم استخدام إشعاع الليزر في بعض التركيبات لتصلب أعمدة الفولاذ، فمن غير الطبيعي تصنيف هذا التثبيت كجهاز إلكتروني ضوئي (على الرغم من أن مصدر إشعاع الليزر نفسه له الحق في القيام بذلك).

ولوحظ أيضًا أن عناصر الحالة الصلبة تُصنف عادةً على أنها إلكترونيات بصرية (نشر معهد موسكو للطاقة كتابًا دراسيًا لدورة "الإلكترونيات الضوئية" بعنوان "أدوات وأجهزة الإلكترونيات الضوئية لأشباه الموصلات"). لكن هذه القاعدة ليست صارمة للغاية، حيث أن بعض المنشورات المتعلقة بالإلكترونيات الضوئية تناقش بالتفصيل تشغيل المضاعف الضوئي وأنابيب أشعة الكاثود (وهي نوع من أجهزة التفريغ الكهربائية)، وأشعة الليزر الغازية وغيرها من الأجهزة غير الصلبة. ومع ذلك، في صناعة الطباعة، تُستخدم الأجهزة المذكورة على نطاق واسع جنبًا إلى جنب مع الأجهزة ذات الحالة الصلبة (بما في ذلك أشباه الموصلات)، لحل مشكلات مماثلة، لذلك في هذه الحالة يكون لها كل الحق في أخذها في الاعتبار.

ومن الجدير بالذكر ثلاث سمات مميزة أخرى، والتي، وفقا للمتخصص الشهير في مجال الإلكترونيات الضوئية، يوري رومانوفيتش نوسوف، تميزه بأنه اتجاه علمي وتقني.

يتكون الأساس المادي للإلكترونيات الضوئية من الظواهر والأساليب والوسائل التي يعد الجمع بين العمليات الضوئية والإلكترونية واستمراريتها أمرًا أساسيًا. يتم تعريف الجهاز الإلكتروني البصري على نطاق واسع على أنه جهاز حساس للإشعاع الكهرومغناطيسي في المناطق المرئية أو تحت الحمراء (IR) أو فوق البنفسجية (UV)، أو جهاز ينبعث ويحول إشعاعات غير متماسكة أو متماسكة في هذه المناطق الطيفية نفسها.

يتم تحديد الأساس الفني للإلكترونيات الضوئية من خلال التصميم والمفاهيم التكنولوجية للإلكترونيات الدقيقة الحديثة: تصغير العناصر؛ التطوير التفضيلي للهياكل المستوية الصلبة؛ تكامل العناصر والوظائف.

الغرض الوظيفي للإلكترونيات الضوئية هو حل مشاكل علوم الكمبيوتر: توليد (تكوين) المعلومات عن طريق تحويل التأثيرات الخارجية المختلفة إلى إشارات كهربائية وبصرية مقابلة؛ نقل المعلومات؛ معالجة (تحويل) المعلومات وفقًا لخوارزمية معينة؛ تخزين المعلومات، بما في ذلك عمليات مثل التسجيل والتخزين نفسه والقراءة غير المدمرة والمحو؛ عرض المعلومات، أي. تحويل إشارات الإخراج لنظام المعلومات إلى شكل يمكن إدراكه من قبل الإنسان.

قائمة المصادر المستخدمة

http://www.hi-edu.ru/e-books/xbook138/01/index.html?part-004.htm

http://www.hi-edu.ru/e-books/xbook138/01/index.html?part-003.htm

http://revolution.allbest.ru/radio/00049966_0.html

http://revolution.allbest.ru/radio/00049842.html

الوكالة الفيدرالية للتعليم

المؤسسة التعليمية الحكومية للتعليم المهني العالي

جامعة ولاية تيومين للنفط والغاز

معهد النقل

مقال

حول موضوع "الأجهزة الإلكترونية الضوئية".

مكتمل:

مجموعات obd - 08

تشيكاردين

التحقق:

سيدوروفا أ.

تيومين 2010

1. عناصر الضوئيةالأجهزة

   الملخص >> الاتصالات والاتصالات

   وفقا لدائرة الترانزستور المركب. الضوئية الأجهزةوظيفة الضوئية الأجهزةعلى أساس الإلكترون الضوئي... نقل وتخزين المعلومات. الابسط الضوئية جهازيكون الضوئيةزوج، أو optocoupler. مبدأ التشغيل...

2. تطبيق optocouplers و الأجهزةلعرض المعلومات

   الملخص >> الاتصالات والاتصالات

   التعريفات تسمى Optocouplers بهذا الشكل الضوئية الأجهزة، حيث يوجد مصدر و... 2. V. I. Ivanov، A. I. Aksenov، A. M. Yushin "أشباه الموصلات" الضوئية الأجهزة". / الدليل." - م.: إنرجواتوميزدات، 2002 3. بالويف ف.ك. "تطوير...

3. علامات تصنيف أشباه الموصلات الأجهزة

   الملخص >> الفيزياء

   ما هي المعايير التي يتم بها تصنيف أجهزة أشباه الموصلات؟ الأجهزة؟ أشباه الموصلات الأجهزةمصنفة حسب الآلية... نافذة شفافة بصريا. أشباه الموصلات LED الضوئية جهاز، تحويل طاقة التدفق المباشر ...

عناصر الأجهزة الإلكترونية الضوئية هي الأجهزة الإلكترونية الضوئية التي تمت مناقشتها أعلاه، والاتصال بين العناصر ليس كهربائيًا، بل بصريًا. وبالتالي، في الأجهزة الإلكترونية الضوئية، يتم التخلص تمامًا تقريبًا من الاقتران الكلفاني بين دوائر الإدخال والإخراج، ويتم التخلص تمامًا تقريبًا من ردود الفعل بين الإدخال والإخراج. من خلال الجمع بين العناصر الموجودة في الأجهزة الإلكترونية البصرية، من الممكن الحصول على مجموعة واسعة من خصائصها الوظيفية. في التين. يوضح الشكل 6.35 تصميمات العديد من أجهزة optocouplers.

أبسط جهاز إلكتروني ضوئي هو optocoupler.

أوبتوكوبلرهو جهاز يجمع بين LED وجهاز استقبال الإشعاع الضوئي، على سبيل المثال الثنائي الضوئي، في مبيت واحد (الشكل 6.36).

تدخل إشارة الإدخال المضخمة إلى LED وتتسبب في توهجها، والتي تنتقل عبر قناة الضوء إلى الثنائي الضوئي. يفتح الثنائي الضوئي ويتدفق التيار في دائرته تحت تأثير مصدر خارجي ه. يتم إجراء الاتصال البصري الفعال بين عناصر optocoupler باستخدام الألياف الضوئية - أدلة ضوئية مصنوعة على شكل حزمة من الخيوط الرفيعة الشفافة، والتي يتم من خلالها إرسال الإشارة بسبب الانعكاس الداخلي الكلي بأقل قدر من الخسائر وبدقة عالية. بدلاً من الصمام الثنائي الضوئي، قد يحتوي جهاز optocoupler على ترانزستور ضوئي، أو ثايرستور ضوئي، أو مقاوم ضوئي.

في التين. يوضح الشكل 6.37 الرموز الرسومية الرمزية لهذه الأجهزة.

يتم استخدام optocoupler الصمام الثنائي كمفتاح ويمكنه تبديل التيار بتردد 10 6 ... 10 7 هرتز وله مقاومة بين دوائر الإدخال والإخراج تبلغ 10 13 ... 10 15 أوم.

تعتبر أدوات التوصيل الضوئي الترانزستورية أكثر اقتصادا من تلك التي تستخدم الصمام الثنائي نظرًا لحساسية الكاشف الضوئي الأكبر. ومع ذلك، فإن سرعتها أقل؛ وعادةً لا يتجاوز الحد الأقصى لتردد التبديل 10 5 هرتز. تمامًا مثل الثنائيات، تتمتع أدوات توصيل الترانزستور الضوئية بمقاومة منخفضة في الحالة المفتوحة ومقاومة عالية في الحالة المغلقة وتوفر عزلًا كلفانيًا كاملاً لدوائر الإدخال والإخراج.

يتيح لك استخدام الثايرستور الضوئي ككاشف ضوئي زيادة نبض تيار الإخراج إلى 5 أمبير أو أكثر. في هذه الحالة، يكون وقت التشغيل أقل من 10 -5 ثوانٍ، ولا يتجاوز تيار تشغيل الإدخال 10 مللي أمبير. تتيح لك أدوات optocouplers هذه التحكم في الأجهزة ذات التيار العالي لأغراض مختلفة.

الاستنتاجات:

1. يعتمد تشغيل الأجهزة الإلكترونية الضوئية على مبدأ التأثير الكهروضوئي الداخلي - توليد زوج من حاملات الشحنة "ثقب الإلكترون" تحت تأثير الإشعاع الضوئي.

2. تتميز الثنائيات الضوئية بخاصية الضوء الخطي.

3. تتمتع الترانزستورات الضوئية بحساسية متكاملة أكبر من الثنائيات الضوئية بسبب تضخيم التيار الضوئي.

4. Optocouplers – الأجهزة الإلكترونية الضوئية التي توفر العزل الكهربائي

دوائر الإدخال والإخراج.

5. تتيح المضاعف الضوئي زيادة التيار الضوئي بشكل حاد من خلال استخدام انبعاث الإلكترون الثانوي.

أسئلة التحكم

1. ما هو التأثير الكهروضوئي الخارجي والداخلي؟

2. ما هي المعلمات التي تتميز بها المقاومة الضوئية؟

3. ما هي العوامل الفيزيائية التي تؤثر على خصائص الضوء للمقاوم الضوئي عند التدفقات الضوئية العالية؟

4. ما هي الاختلافات في خصائص الثنائي الضوئي والمقاوم الضوئي؟

5. كيف تقوم الخلية الكهروضوئية بتحويل الطاقة الضوئية مباشرة إلى طاقة كهربائية؟

6. ما هي الاختلافات في مبدأ التشغيل وخصائص الثنائي الضوئي والترانزستور الضوئي ثنائي القطب؟

7. لماذا يمكن للثايرستور التحكم بقدرات أعلى نسبيًا من تبديد الطاقة المسموح به للثايرستور الضوئي نفسه؟

8. ما هو optocoupler؟

طلب. تصنيف وتسميات أجهزة أشباه الموصلات

لتوحيد التسميات وتوحيد معلمات أجهزة أشباه الموصلات، يتم استخدام نظام الرموز. يصنف هذا النظام أجهزة أشباه الموصلات حسب الغرض منها، والمعلمات الفيزيائية والكهربائية الأساسية، والخصائص الهيكلية والتكنولوجية، ونوع المواد شبه الموصلة. يعتمد نظام الرموز الخاص بأجهزة أشباه الموصلات المحلية على معايير الدولة والصناعة. تم تقديم أول GOST لنظام تعيين أجهزة أشباه الموصلات - GOST 10862–64 في عام 1964. بعد ذلك، مع ظهور مجموعات تصنيف جديدة للأجهزة، تم تغييرها إلى GOST 10862–72، ومن ثم إلى معيار الصناعة OST 11.336.038–77 وOST 11.336.919–81. وبهذا التعديل تم الحفاظ على العناصر الأساسية للرمز الأبجدي الرقمي لنظام الرموز. تم تصميم نظام التدوين هذا بشكل منطقي ويسمح باستكماله مع تطور قاعدة العنصر بشكل أكبر.

ترد المصطلحات والتعاريف والتسميات الأساسية للمعلمات الرئيسية والمرجعية لأجهزة أشباه الموصلات في GOSTs:

§ 25529–82 – ثنائيات أشباه الموصلات. المصطلحات والتعاريف وتسميات الحروف للمعلمات.

§ 19095–73 – ترانزستورات التأثير الميداني. المصطلحات والتعاريف وتسميات الحروف للمعلمات.

§ 20003–74 – الترانزستورات ثنائية القطب. المصطلحات والتعاريف وتسميات الحروف للمعلمات.

§ 20332–84 – الثايرستور. المصطلحات والتعاريف وتسميات الحروف للمعلمات.

 

قد يكون من المفيد أن تقرأ:

• 1c لا يبدأ على نظام التشغيل Windows 10;
• معلمات سطر الأوامر لتحديد معلمات الإطلاق معلمات الإطلاق 1s 8;
• جامعة موسكو الحكومية لفنون الطباعة;
• مفاتيح التشغيل السريع لمتصفح Yandex وGoogle Chrome افتح الإعدادات في متصفح Yandex من لوحة المفاتيح;
• تحميل العاب للاندرويد 2;
• كيفية إعداد رسائل الوسائط المتعددة على نظام Android إعدادات رسائل الوسائط المتعددة التلقائية على MTS لنظام Android;
• كيفية إزالة اللحن من نغمة الاتصال على MTS;
• تحويل ملف vob إلى avi;