Система за обозначаване на фотоелектронни и оптоелектронни устройства. Московски държавен университет по печатни изкуства

Източници на оптично лъчение, използвани в оптоелектрониката, най-общо казано, е много разнообразна. Въпреки това, повечето от тях (субминиатюрни крушки с нажежаема жичка и газоразрядни крушки, прахови и филмови електролуминесцентни излъчватели, вакуумни катодолуминесцентни и много други видове) не отговарят на целия набор от съвременни изисквания и се използват само в определени устройства, главно в индикаторни устройства и частично в оптрони.

При оценката на перспективите на конкретен източник определяща роля играе състоянието на агрегация на активното светещо вещество (или веществото, запълващо работния обем). От всички възможни варианти (вакуум, газ, течност, твърдо вещество) предпочитание се дава на твърдо вещество, а „вътре“ в него - на монокристално вещество, тъй като осигурява най-голяма издръжливост и надеждност на устройствата.

Основата на оптоелектрониката се формира от две групи излъчватели:

1) оптични генератори на кохерентно излъчване (лазери), сред които трябва да се разграничат полупроводниковите лазери;

1) светоизлъчващи полупроводникови диоди, базирани на принципа на електролуминесценцията на спонтанното инжектиране.

Оптоелектронно полупроводниково устройство е полупроводниково устройствоизлъчване или преобразуване на електромагнитно лъчение, чувствително към това лъчение във видимата, инфрачервената и (или) ултравиолетовата област на спектъра или използване на такова лъчение за вътрешно взаимодействие на неговите елементи.

Оптоелектронните полупроводникови устройства могат да бъдат разделени на полупроводникови излъчватели, приемници на излъчване, оптрони и оптоелектронни интегрални схеми (фиг. 2.1).

Полупроводниковият излъчвател е оптоелектронно полупроводниково устройство, което преобразува електрическата енергия в енергията на електромагнитното излъчване във видимата, инфрачервената и ултравиолетовата област на спектъра.

Много полупроводникови излъчватели могат да излъчват само некохерентни електромагнитни вълни. Те включват полупроводникови излъчватели във видимата област на спектъра - полупроводникови устройства за изобразяване на информация (светодиоди, полупроводникови знакови индикатори, скали и екрани), както и полупроводникови излъчватели в инфрачервената област на спектъра - инфрачервени излъчващи диоди.

Кохерентни полупроводникови излъчватели– това са полупроводникови лазери с различни видове възбуждане. Те могат да излъчват електромагнитни вълни с определена амплитуда, честота, фаза, посока на разпространение и поляризация, което отговаря на концепцията за кохерентност.

Оптоелектрониката е клон на електрониката, посветен на теорията и практиката за създаване на инструменти и устройства, базирани на преобразуване на електрически сигнали в оптични сигнали и обратно.

Оптоелектрониката използва диапазон на дължина на вълната от 0,2 µm - 0,2 mm. Оптоелектронното устройство е комбинация от източник на радиация и приемник. Като източник на радиация се използват светодиоди на базата на GaAs, а като фотодетектори се използват фотодиоди и фототранзистори на основата на Si.

Отличителна черта на оптоелектронните устройства (OED) от другите е, че те са оптически свързани, но електрически изолирани един от друг. Това улеснява осигуряването на съгласуваност между вериги с високо и ниско напрежение и висока честота.

Оптоелектрониката се развива в две независими посоки:

  1. оптичен;
  2. Електрооптичен.

Оптичното направление се основава на ефектите от взаимодействието на твърдо тяло с електромагнитно излъчване (холография, фотохимия, електрооптика). Електрооптичното направление използва принципа на фотоелектрично преобразуване с вътрешен фотоелектричен ефект от една страна и фотолуминесценция от друга (замяна на галванична и магнитна комуникация с оптични, оптични комуникационни линии).

Въз основа на оптоелектронния принцип могат да бъдат създадени безвакуумни аналози на електронни устройства и системи:

  • дискретни и аналогови преобразуватели на електрически сигнали (усилватели, генератори, ключови елементи, елементи на паметта, логически схеми, линии за забавяне и др.)
  • преобразуватели на оптични сигнали (усилватели на светлина и изображение, плоски екрани, които предават и възпроизвеждат изображения)
  • устройства за възпроизвеждане (екрани, цифрови дисплеи, логика на картината и др.).

Основните фактори, които определят развитието на оптоелектрониката са:

  • разработване на свръхчисти материали,
  • разработване на перфектна технология за нови съвременни инструменти и устройства,
  • обучение на висококвалифициран персонал.

За производството на активни и пасивни оптоелектронни елементи се използват широко:

  • полупроводникови материали, редкоземни елементи и техните сплави,
  • диелектрични връзки,
  • филмови материали,
  • фоторезисти,
  • дифузанти.

В момента гамата от материали, използвани в оптоелектрониката, е доста широка. Те включват вещества с висока чистота, чисти метали и сплави със специални електрофизични свойства, дифузанти, различни полупроводникови съединения под формата на прахове и монокристали, монокристални пластини от силиций, арсенид и галиев фосфид, индиев фосфид, сапфир, гранат, различни спомагателни материали - технологични газове, фоторезисти, абразивни прахове и др.

Най-важните материали за оптоелектрониката са вещества като: GaAs, BaF 2, CdTe (за производство на субстрати), GaAlAs / GaAs / GaAlAs структури (електрооптични модулатори), SiO 2 (изолационен материал), Si, CdHgTe, PbSnSe (фотодиоди, фототранзистори). Някои интегрални схеми използват Ni, Cr и Ag. Технологията на производство на оптоелектронни интегрални схеми (OEIMC) непрекъснато се подобрява въз основа на разработването на нови физически и технологични процеси.

OEP имат следните предимства:

  • възможността за пространствена модулация на светлинните лъчи и тяхното значително пресичане при липса на галванични връзки между каналите;
  • по-голямо функционално натоварване на светлинните лъчи поради възможността за промяна на много от техните параметри (амплитуда, посока, честота, фаза, поляризация).

Оптоелектронните устройства са устройства, чийто принцип на действие се основава на използването на електромагнитно излъчване в оптичния диапазон.

Основните групи оптоелектронни устройства включват следното:

  • светодиоди и лазери;
  • фотоелектрични детектори на излъчване - фоторезистори и фотодетектори с p-n преход;
  • устройства, които контролират излъчването - модулатори, дефлектори и др.; устройства за показване на информация - индикатори;
  • устройства за електроизолация - оптрони;
  • оптични комуникационни канали и оптични устройства за съхранение.

Горните групи устройства генерират, трансформират, предават и съхраняват информация. Информационните носители в оптоелектрониката са електрически неутрални частици - фотони, които са нечувствителни към въздействието на електрически и електромагнитни полета, не взаимодействат помежду си и създават еднопосочно предаване на сигнала, което осигурява висока устойчивост на шум и галванична изолация на входните и изходните вериги. Оптоелектронните устройства приемат, преобразуват и генерират радиация във видимата, инфрачервената и ултравиолетовата област на спектъра.

Принципът на работа на оптоелектронните устройства се основава на използването на външен или вътрешен фотоелектричен ефект.

Външният фотоефект е освобождаването на свободни електрони от повърхностния слой на фотокатода във външната среда под въздействието на светлина.

Вътрешният фотоелектричен ефект е свободното движение на електрони вътре в веществото, освободени от връзки под въздействието на светлина и променящи неговата електрическа проводимост или дори причинявайки появата на емф на границата на две вещества (p-n преход).

OEPs се използват широко в системите за автоматично управление и измерване, компютърните технологии, фототелеграфията, оборудването за възпроизвеждане на звук, кинематографията, спектрофотометрията, за преобразуване на светлинната енергия в електрическа енергия и в автоматизацията за решаване на електрически вериги.

Оптрон

Оптронът е полупроводниково устройство, в което източникът на излъчване и приемникът са структурно комбинирани, свързани чрез оптична комуникация. В източника на радиация електрическите сигнали се преобразуват в светлинни сигнали, които действат върху фотодетектора и отново създават електрически сигнали в него. Ако един оптрон има само един излъчвател и един приемник на радиация, тогава той се нарича оптрон или елементарен оптрон.

Микросхема, състояща се от един или повече оптрони с допълнителни устройства за съгласуване и усилване на сигнала, се нарича оптоелектронна интегрална схема. На входа и изхода на оптрона винаги се използват електрически сигнали, а връзката между входа и изхода се осъществява чрез светлинен сигнал.

Фоторезистор

Фоторезисторите са полупроводникови резистори, които променят съпротивлението си под въздействието на светлина. В зависимост от спектралната чувствителност фоторезисторите се делят на две групи: за видимата част на спектъра и за инфрачервената част на спектъра. За производството на фоторезистори се използват връзки CdИ Pb. Чувствителните елементи са направени от монокристали или поликристали на тези съединения.

Обозначаване на фоторезистори на ранни версии:

  • 1 елемент - букви, указващи типа на устройството (FS - фоторезистентност),
  • 2 елемент - буква, указваща материала на фоточувствителния елемент (A - оловен сулфид, K - кадмиев сулфид, D - кадмиев селен),
  • Елемент 3 е число, което показва вида на дизайна.
  • буквата B преди номера е запечатана версия,
  • P - филмов материал на фоточувствителния елемент,
  • M - монокристален материал на фоточувствителния елемент.
  • буква Т - тропическа версия, предназначена за използване при условия на високи температури и влажност.
Принципът на структурата и схемата на свързване на фоторезистор

Обозначаване на съвременни фоторезистори:

  • 1 елемент - букви, указващи вида на устройството (SF - фоточувствително съпротивление),
  • 2 елемент - число, което означава материала на фоточувствителния елемент (2 - кадмиев сулфид, 3 - кадмиев селенид, 4 - оловен селенид),
  • 3-тият елемент е число, което показва серийния номер на разработката.

Фоторезисторите имат висока стабилност на параметрите. Промяната във фототока е доста точна характеристика на неговото състояние. При продължителна работа се наблюдава стабилизиране на фототока, като стойността му може да се промени с 20 - 30%. Фоторезисторите са чувствителни към бързи температурни промени. Фоторезисторите трябва да се съхраняват при 5 - 35 o C и влажност не повече от 80%.

Основните параметри на фоторезисторите включват:

  1. Тъмно течение ( азT) е токът, преминаващ през фоторезистора при работно напрежение 30 s след премахване на осветеността от 200 lux.
  2. Светлинен ток ( азв) е токът, преминаващ през фоторезистора при работно напрежение и осветеност 200 lux от източник на светлина с цветна температура 2850 K.
  3. Температурен коефициент на фототок ( TKазf) - промяна на фототока при промяна на температурата на фоторезистора с 1 o C.
  4. Работно напрежение ( Uf) - напрежение, което може да се приложи към фоторезистор по време на продължителна работа, без да се променят параметрите му извън допустимите граници.
  5. Тъмно съпротивление ( РT) - съпротивлението на фоторезистора при температура 20 o C 30 s след отстраняване на осветеността от 200 lux.
  6. Специфична чувствителност ( К 0) е съотношението на фототока към произведението на величините на падащия върху него светлинен поток и приложеното напрежение: K 0 =азf / (ЕUf) , Където Е— светлинен поток, lm.
  7. Времева константа ( T) е времето, през което фототокът се променя с нормализирана стойност при осветяване.
  8. Разсейване на мощността ( R състезание.) - максимално допустимата мощност, която фоторезисторът може да разсее при продължително електрическо натоварване и температура на околната среда, без да се променят параметрите извън нормата, установена от техническите спецификации.
  9. Изолационно съпротивление ( РИ).
  10. Дълга вълнова граница ( л).

Основните характеристики на фоторезисторите са:

  1. волт-ампер ( аз= f(U)) — зависимост от светлина, тъмнина или фототок (с F =конст) от приложеното напрежение.
  2. Светлина или лукс-усилвател (аз= f(E))— зависимост на фототока от светлинния поток, падането или осветеността (при U= конст).
  3. Спектрален (аз= f(л)) — зависимост на фототока от дължината на вълната на светлинния поток (при U= конст).
  4. Честота (I Ф = f (F Ф)) - зависимост на фототока от честотата на модулация на светлинния поток (при U = const).

Високата интегрална чувствителност позволява използването на резистори дори без усилватели, а малките им размери са причината за широкото им използване. Основните недостатъци на фоторезисторите са тяхната инертност и силното влияние на температурата, което води до широк диапазон на характеристиките.

Фотодиод

Фотодиоди — Това са полупроводникови диоди, които използват вътрешен фотоелектричен ефект. Светлинният поток управлява обратния ток на фотодиодите. Под въздействието на светлината върху прехода електрон-дупка се генерират двойки носители на заряд, повишава се проводимостта на диода и се увеличава обратният ток. Този режим на работа се нарича фотодиоден режим. Вторият тип режим е фотогенератор. За разлика от фотогенераторния режим, фотодиодният режим изисква използването на външен източник на захранване.

Схема за свързване на фотодиод за работа в режим на фотодиод

Основни параметри на фотодиодите:

  • интегрална чувствителност (~ 10 mA / lm): работно напрежение (10 - 30 V);
  • тъмен ток (~ 2 - 20 µA).

Основни характеристики на фотодиодите:

  • волт-ампер (I = f (U)) - зависимост на светъл, тъмен или фототок (при Ф = const) от приложеното напрежение;
  • енергия ( азЕ = f(F))— зависимост на фототока от светлинния поток (при U= конст) - линеен, зависи малко от напрежението.

Токово-напреженови характеристики на фотодиод за фотодиоден режим

В лавинните фотодиоди лавинообразното размножаване на носители се случва в pn прехода и поради това чувствителността се увеличава десетки пъти. Фотодиодите с бариера на Шотки имат висока производителност. Фотодиодите с хетеропреходи работят като генератори на ЕМП. Като индикатори на инфрачервено лъчение се използват германиеви фотодиоди; силиций - за преобразуване на светлинна енергия в електрическа (слънчеви батерии за автономно захранване на различно оборудване в космоса - за производство на фотоекспонометри и светотехнически измервания, тъй като техните спектрални характеристики са близки до спектралните характеристики на човека); око.

Фототранзистор

Фототранзисторите са полупроводникови устройства с два p-n прехода, предназначени да преобразуват светлинния поток в електрически ток. Фототранзисторът е структурно различен от конвенционалния биполярен транзистор по това, че тялото му има прозрачен прозорец, през който светлината може да навлезе в основната зона.

Захранващото напрежение се подава към емитера и колектора, неговият колекторен преход е затворен, а емитерният преход е отворен. Основата остава свободна. Когато фототранзисторът е осветен, в основата му се генерират електрони и дупки. В колекторния преход има разпределение на преходи електрон-дупка, които в резултат на дифузия са достигнали границата на прехода. Дупките (малцинствените носители на заряд в полупроводника) се прехвърлят от преходното поле към колектора, увеличавайки неговия собствен ток, а електроните (основните носители на заряд) остават в основата, намалявайки нейния потенциал. Намаляването на базовия потенциал води до образуване на допълнително напрежение в посока на емитерния преход и повишено инжектиране на дупки от емитера в основата. Отворите, инжектирани в основата, достигайки до колекторния преход, предизвикват допълнително увеличаване на колекторния ток.


Блокова схема на биполярен фототранзистор със свободна база (а) и верига за свързване на фототранзистора (б)

Колекторният ток на осветения фототранзистор се оказва доста голям; Съотношението на светлинния ток към тъмния ток достига няколкостотин.

Има два варианта за включване на фототранзисторите:

  • диод- използване само на два щифта (емитер и колектор)
  • транзистор- използване на три клеми, когато към входа се подава не само светлина, но и електрически сигнал.

В оптоелектрониката, автоматиката и телемеханиката фототранзисторите се използват за същите цели като фотодиодите, но те са по-ниски от тях по отношение на прага на чувствителност и температурния диапазон. Чувствителността на фототранзисторите нараства с интензитета на тяхното осветяване.

Фототиристор

Фототиристорът е полупроводниково устройство с четирислойна структура p-n-p-n, което съчетава свойствата на тиристор и фотодетектор и преобразува светлината в електричество.

При липса на светлинен сигнал и управляващ ток фототиристорът е затворен и през него преминава само тъмен ток. Фототиристорът се отваря от светлинен поток, който навлиза в основите p 2 и n 1 през „прозорец“ в тялото му и създава двойки електрон-дупка. Това води до възникване на първични фототокове и образуване на общ фототок. От това следва, че когато светлинният поток пристигне в основите p 2 и n 1, токът на емитер се увеличава, коефициентът на пренос на ток α от емитера към колектора е функция на осветяването, което променя тока p-n. Съпротивлението на фототиристора варира от 0,1 Ohm (в отворено състояние) до 10 8 Ohm (в затворено състояние), а времето за превключване е 10 -5 - 10 -6 s.


Фототиристорна структура

От светлинните характеристики ази т.н. = Е(F)при Uи т.н. = Констсе вижда, че при включване на фототиристора токът през него нараства до ази т.н.= E пр. /Рнатоварванеи вече не се променя, т.е. фототиристорът има две стабилни състояния и може да се използва като запаметяващ елемент. Според характеристиката ток-напрежение ази т.н. = Е(Uи т.н.) при F =конст(F 2 > F1 > Fo)Може да се види, че с увеличаването на светлинния поток напрежението и времето за включване намаляват.


Характеристики на фототиристора: a - светлина, b - характеристика на напрежението, c - зависимост на времето на превключване от светлинния поток

Предимствата на фототиристорите са:

  • висока товароносимост с ниска мощност на управляващия сигнал;
  • възможност за получаване на необходимия източник на сигнал без допълнителни етапи на усилване;
  • наличие на памет, тоест поддържане на отворено състояние след премахване на управляващия сигнал;
  • по-голяма чувствителност;
  • висока производителност.

Горните свойства на фототиристорите позволяват да се опростят схемите чрез елиминиране на усилватели и релейни елементи, което е много важно в индустриалната електроника, например в преобразуватели за високо напрежение. Най-често фототиристорите се използват за превключване на мощни електрически сигнали със светлинен сигнал.

По този начин, въпреки факта, че оптоелектрониката е една от първите области на радиоелектрониката, тя запазва значението си до наши дни, за разлика от много технологии, които са потънали в забрава.

Оптоелектронните устройства са устройства, които са чувствителни към електромагнитно излъчване във видимата, инфрачервената и ултравиолетовата област, както и устройства, които произвеждат или използват такова излъчване.

Радиацията във видимата, инфрачервената и ултравиолетовата област се класифицира като оптичен диапазон на спектъра. Обикновено този диапазон включва електромагнитни вълни с дължина 1 nmдо 1 мм, което съответства на честоти от приблизително 0,5 10 12 Hzдо 5·10 17 Hz. Понякога се говори за по-тесен честотен диапазон - от 10 nmдо 0,1 мм(~5·10 12 …5·10 16 Hz). Видимият обхват съответства на дължини на вълните от 0,38 µm до 0,78 µm (честота около 10 15 Hz).

В практиката широко се използват източници на лъчение (емитери), приемници на лъчение (фотодетектори) и оптрони (оптрони).

Оптронът е устройство, в което има както източник, така и приемник на радиация, структурно комбинирани и поставени в един корпус.

Светодиодите и лазерите се използват широко като източници на радиация, а фоторезисторите, фотодиодите, фототранзисторите и фототиристорите като приемници.

Широко разпространени са оптроните, в които се използват двойки LED-фотодиод, LED-фототранзистор, LED-фототиристор.

Основните предимства на оптоелектронните устройства:

· висок информационен капацитет на оптичните канали за предаване на информация, което е следствие от използваните високи честоти;

· пълна галванична изолация на източника и приемника на лъчение;

· липса на влияние на приемника на лъчение върху източника (еднопосочен информационен поток);

· устойчивост на оптични сигнали към електромагнитни полета (висока устойчивост на шум).

Излъчващ диод (LED)

Излъчващ диод, който работи във видимия диапазон на дължина на вълната, често се нарича светодиод, или LED.

Нека разгледаме устройството, характеристиките, параметрите и системата за обозначаване на излъчващи диоди.

устройство. Схематично представяне на структурата на излъчващия диод е показано на фиг. 6.1,а, а символното му графично обозначение е на фиг. 6.2, б.

Излъчването възниква, когато протича директен диоден ток в резултат на рекомбинацията на електрони и дупки в региона п-н-преход и в зони, прилежащи към посочения район. По време на рекомбинацията се излъчват фотони.

Характеристики и параметри. За излъчващи диоди, работещи във видимия диапазон (дължини на вълните от 0,38 до 0,78 µm, честота около 10 15 Hz), следните характеристики са широко използвани:

· зависимост от яркостта на излъчване Лот диоден ток аз(характеристика на яркостта);

зависимост от интензитета на светлината Ивот диоден ток аз.

Ориз. 6.1. Структура на светоизлъчващ диод ( А)

и неговото графично представяне ( b)

Характеристиката на яркостта на светодиод от тип AL102A е показана на фиг. 6.2. Светещият цвят на този диод е червен.

Ориз. 6.2. Характеристика на яркостта на LED

Графика на зависимостта на интензитета на светлината от тока за диод, излъчващ светлина AL316A, е показана на фиг. 6.3. Цветът на сиянието е червен.

Ориз. 6.3. Зависимост на интензитета на светлината от тока на светодиода

За излъчващи диоди, работещи извън видимия диапазон, се използват характеристики, които отразяват зависимостта на мощността на излъчване Рот диоден ток аз. Зона на възможни позиции на графиката на зависимостта на мощността на излъчване от тока за излъчващ диод тип AL119A, работещ в инфрачервения диапазон (дължина на вълната 0,93...0,96 µm), е показано на фиг. 6.4.

Ето някои параметри за диода AL119A:

· време на нарастване на радиационния импулс – не повече от 1000 ns;

· време на затихване на радиационния импулс – не повече от 1500 ns;

постоянно напрежение при аз=300 mA– не повече от 3 IN;

· постоянен максимално допустим прав ток при T<+85°C – 200 mA;

· температура на околната среда –60…+85°С.

Ориз. 6.4. Зависимост на мощността на излъчване от тока на светодиода

За информация относно възможните стойности на коефициента на полезно действие, отбелязваме, че излъчващите диоди от типа ZL115A, AL115A, работещи в инфрачервения диапазон (дължина на вълната 0,95 µm, ширина на спектъра не повече от 0,05 µm), имат коефициент на полезно действие най-малко 10%.

Нотационна система. Системата за обозначаване, използвана за светодиоди, включва използването на две или три букви и три цифри, например AL316 или AL331. Първата буква показва материала, втората (или втората и третата) показва дизайна: L - единичен светодиод, LS - ред или матрица от светодиоди. Следващите цифри (и понякога букви) показват номера на разработката.

Фоторезистор

Фоторезисторът е полупроводников резистор, чието съпротивление е чувствително към електромагнитно излъчване в оптичния диапазон на спектъра. Схематично представяне на структурата на фоторезистора е показано на фиг. 6.5, А, а конвенционалното му графично представяне е на фиг. 6.5, b.

Поток от фотони, падащ върху полупроводник, причинява появата на двойки. електрон-дупка, увеличаване на проводимостта (намаляване на съпротивлението). Това явление се нарича вътрешен фотоелектричен ефект (ефект на фотопроводимост). Фоторезисторите често се характеризират с зависимост от ток азот осветяване дпри дадено напрежение на резистора. Това е т.нар лукс-усилвателхарактеристика (фиг. 6.6).

Ориз. 6.5. структура ( А) и схематично обозначение ( b) фоторезистор

Ориз. 6.6. Лукс-амперна характеристика на фоторезистор FSK-G7

Често се използват следните параметри на фоторезисторите:

· номинално тъмно (при липса на светлинен поток) съпротивление (за FSK-G7 това съпротивление е 5 MOhm);

· интегрална чувствителност (чувствителност, определена при осветяване на фоторезистор със светлина със сложен спектрален състав).

Интегралната чувствителност (текущата чувствителност към светлинния поток) S се определя от израза:

Където аз f– т. нар. фототок (разликата между тока при осветяване и тока при липса на осветяване);

Е- светлинен поток.

За фоторезистор FSK-G7 С=0,7 A/lm.

Фотодиод

Строеж и основни физични процеси. Опростената структура на фотодиода е показана на фиг. 6.7, А, а конвенционалното му графично представяне е на фиг. 6.7, b.

Ориз. 6.7. Устройство (а) и обозначение (б) на фотодиод

Физическите процеси, протичащи във фотодиодите, са противоположни по природа на процесите, протичащи в светодиодите. Основното физическо явление във фотодиода е генерирането на двойки електрон-дупкав района п-н-преход и в прилежащите към него зони под въздействието на радиация.

Генериране на двойки електрон-дупкаводи до увеличаване на обратния ток на диода при наличие на обратно напрежение и до поява на напрежение u akмежду анода и катода с отворена верига. освен това u ak>0 (дупките отиват към анода, а електроните отиват към катода под въздействието на електрическо поле п-н-преход).

Характеристики и параметри. Удобно е фотодиодите да се характеризират чрез семейство характеристики на тока и напрежението, съответстващи на различни светлинни потоци (светлинният поток се измерва в лумени, лм) или различна осветеност (осветеността се измерва в луксове, Добре).

Характеристиките на ток-напрежение (волт-амперни характеристики) на фотодиода са показани на фиг. 6.8.

Ориз. 6.8. Токово-напреженови характеристики на фотодиода

Нека първоначално светлинният поток е нула, тогава характеристиката ток-напрежение на фотодиода всъщност повтаря характеристиката ток-напрежение на конвенционален диод. Ако светлинният поток не е нула, тогава фотоните проникват в региона п-н–преход, предизвикват генерирането на двойки електрон-дупка. Под въздействието на електрическо поле п-н–преход, носителите на ток се придвижват към електродите (дупките - към електрода на слоя стр, електрони – към електрода на слоя н). В резултат на това между електродите възниква напрежение, което се увеличава с увеличаване на светлинния поток. При положително напрежение анод-катод диодният ток може да бъде отрицателен (четвърти квадрант на характеристиката). В този случай устройството не консумира, а произвежда енергия.

На практика фотодиодите се използват както в т. нар. фотогенераторен режим (фотоволтаичен режим, вентилен режим), така и в т. нар. фотопреобразувателен режим (фотодиоден режим).

В режим на фотогенератор слънчевите клетки преобразуват светлината в електричество. В момента ефективността на слънчевите клетки достига 20%. Досега енергията, получена от слънчеви клетки, е приблизително 50 пъти по-скъпа от енергията, получена от въглища, нефт или уран.

Режимът на фотоконвертора съответства на характеристиката ток-напрежение в трети квадрант. В този режим фотодиодът консумира енергия ( u· аз> 0) от някакъв външен източник на напрежение, задължително присъстващ във веригата (фиг. 6.9). Графичният анализ на този режим се извършва с помощта на товарна линия, както при конвенционален диод. В този случай характеристиките обикновено се изобразяват условно в първия квадрант (фиг. 6.10).

Ориз. 6.9 Фиг. 6.10

Фотодиодите са по-бързо действащи устройства в сравнение с фоторезисторите. Те работят на честоти 10 7 –10 10 Hz. Фотодиодът често се използва в оптрони LED-фотодиод. В този случай различни характеристики на фотодиода съответстват на различни токове на светодиода (който в същото време създава различни светлинни потоци).

Оптрон (оптрон)

Оптронът е полупроводниково устройство, съдържащо източник на радиация и приемник на радиация, комбинирани в един корпус и свързани помежду си оптично, електрически и едновременно с двете връзки. Много разпространени са оптроните, в които като приемник на лъчение се използват фоторезистор, фотодиод, фототранзистор и фототиристор.

В резисторните оптрони изходното съпротивление може да се промени с фактор 10 7 ... 10 8, когато режимът на входната верига се промени. В допълнение, характеристиката ток-напрежение на фоторезистора е силно линейна и симетрична, което прави резистивните оптрони широко приложими в аналогови устройства. Недостатъкът на резисторните оптрони е ниското им бързодействие - 0,01...1 с.

В схемите за предаване на цифрови информационни сигнали се използват главно диодни и транзисторни оптрони, а за оптично превключване на вериги с високо напрежение и голям ток се използват тиристорни оптрони. Ефективността на тиристорните и транзисторните оптрони се характеризира с време на превключване, което често е в диапазона от 5...50 mks.

Нека разгледаме по-отблизо LED-фотодиодния оптрон (фиг. 6.11, А). Излъчващият диод (вляво) трябва да бъде свързан в права посока, а фотодиодът трябва да бъде свързан в права посока (режим на фотогенератор) или обратна посока (режим на фотоконвертор). Посоките на токовете и напреженията на диодите на оптрона са показани на фиг. 6.11, b.

Ориз. 6.11. Диаграма на оптрон (а) и посоката на токовете и напреженията в него (б)

Нека изобразим текущата зависимост аз излизамот ток въвеждампри ти навън=0 за оптрон AOD107A (фиг. 6.12). Посоченият оптрон е проектиран да работи както в режим на фотогенератор, така и в режим на фотоконвертор.

Ориз. 6.12. Предавателна характеристика на оптрон AOD107A

    Оптоелектронни устройства

    Основни характеристики на видимите светодиоди

    Основни характеристики на инфрачервените светодиоди

    Оптоелектронни устройства в широк смисъл

    Списък на използваните източници

Оптоелектронни устройства

Работата на оптоелектронните устройства се основава на електронно-фотонни процеси на приемане, предаване и съхраняване на информация.

Най-простото оптоелектронно устройство е оптоелектронна двойка или оптрон. Принципът на работа на оптрона, състоящ се от източник на излъчване, среда за потапяне (световод) и фотодетектор, се основава на преобразуване на електрически сигнал в оптичен и след това обратно в електрически.

Оптроните като функционални устройства имат следните предимства пред конвенционалните радиоелементи:

пълна галванична изолация "вход - изход" (изолационното съпротивление надвишава 10 12 - 10 14 ома);

абсолютна шумоустойчивост в канала за предаване на информация (носителите на информация са електрически неутрални частици - фотони);

еднопосочен поток от информация, който е свързан с характеристиките на разпространение на светлината;

широколентов достъп поради високата честота на оптичните вибрации,

достатъчна скорост (няколко наносекунди);

високо напрежение на пробив (десетки киловолта);

ниско ниво на шум;

добра механична якост.

Въз основа на функциите, които изпълнява, оптрона може да се сравни с трансформатор (свързващ елемент) с реле (ключ).

В оптронните устройства се използват източници на полупроводниково излъчване - светодиоди, изработени от материали на съединения от групата А III б V , сред които най-обещаващи са галиевият фосфид и арсенидът. Спектърът на тяхното излъчване е в областта на видимото и близкото инфрачервено лъчение (0,5 - 0,98 микрона). Светодиодите на основата на галиев фосфид имат червено и зелено сияние. Светодиодите, изработени от силициев карбид, са обещаващи, защото имат жълт блясък и работят при повишени температури, влажност и в агресивна среда.

Светодиодите, които излъчват светлина във видимия диапазон на спектъра, се използват в електронни часовници и микрокалкулатори.

Светодиодите се характеризират със спектрален състав на излъчване, който е доста широк, модел на насоченост; квантова ефективност, определяща се от съотношението на броя на излъчените светлинни кванти към броя на преминаващите през стр-н-преход на електрони; мощност (с невидимо излъчване) и яркост (с видимо излъчване); волт-ампер, лумен-ампер и ват-ампер характеристики; скорост (възраст и спад на електролуминесценцията по време на импулсно възбуждане), диапазон на работната температура. С повишаването на работната температура яркостта на светодиода намалява и мощността на излъчване намалява.

Основните характеристики на светодиодите във видимия диапазон са дадени в табл. 1, а инфрачервеният обхват - в табл. 2.

маса 1 Основни характеристики на видимите светодиоди

Тип диод

Яркост, cd/m 2, или светлинен интензитет, mcd

Цвят на блясък

Прав ток, mA

KL101 A – B

AL102 A – G

AL307 A – G

10 – 20 cd/m2

40 – 250 mcd

150 – 1500 mcd

Червено зелено

Червено зелено

Светодиодите в оптоелектронните устройства са свързани към фотодетектори чрез потапяща среда, основното изискване за която е предаването на сигнала с минимални загуби и изкривяване. В оптоелектронните устройства се използват твърди имерсионни среди - полимерни органични съединения (оптични лепила и лакове), халкогенидни среди и оптични влакна. В зависимост от дължината на оптичния канал между излъчвателя и фотодетектора, оптоелектронните устройства могат да бъдат разделени на оптрони (дължина на канала 100 - 300 микрона), оптоизолатори (до 1 m) и оптични комуникационни линии - оптични линии ( до десетки километри).

Таблица 2. Основни характеристики на инфрачервените светодиоди

Тип диод

Обща мощност на излъчване, mW

Постоянно напрежение, V

Дължина на вълната на радиация, микрони

Време на нарастване на радиационния импулс, ns

Време на затихване на радиационния импулс, ns

AL106 A – D

0,6 – 1 (при ток 50 mA)

0,2 – 1,5 (при ток 100 mA)

6 – 10 (при ток 100 mA)

1,5 (при 100 mA ток)

0,2 (при 20 mA ток)

10 (при ток 50 mA)

Фотодетекторите, използвани в оптронните устройства, са обект на изисквания за съвпадение на спектралните характеристики с излъчвателя, минимизиране на загубите при преобразуване на светлинен сигнал в електрически сигнал, фоточувствителност, скорост, размер на фоточувствителната зона, надеждност и ниво на шум.

За оптроните най-обещаващи са фотодетекторите с вътрешен фотоелектричен ефект, когато взаимодействието на фотони с електрони вътре в материали с определени физични свойства води до електронни преходи в обема на кристалната решетка на тези материали.

Вътрешният фотоефект се проявява по два начина: в промяна на съпротивлението на фотодетектора под въздействието на светлина (фоторезистори) или в поява на фото-едс на границата между два материала - полупроводник-полупроводник, метал-полупроводник. (импулсни фотоклетки, фотодиоди, фототранзистори).

Фотодетекторите с вътрешен фотоелектричен ефект се разделят на фотодиоди (с стр-н-възел, MIS структура, бариера на Шотки), фоторезистори, фотодетектори с вътрешно усилване (фототранзистори, комбинирани фототранзистори, фототиристори, полеви фототранзистори).

Фотодиодите са базирани на силиций и германий. Максималната спектрална чувствителност на силиция е 0,8 микрона, а на германия - до 1,8 микрона. Те работят при обратно отклонение стр-н-преход, което дава възможност за повишаване на тяхната производителност, стабилност и линейност на характеристиките.

Фотодиодите най-често се използват като фотодетектори за оптоелектронни устройства с различна сложност. стр- аз-н-структури където аз– обеднена област на силно електрическо поле. Чрез промяна на дебелината на тази област е възможно да се получат добри характеристики на производителност и чувствителност поради ниския капацитет и времето на полет на носителите.

Лавинните фотодиоди имат повишена чувствителност и производителност, използвайки усилване на фототока при умножаване на носители на заряд. Тези фотодиоди обаче не са достатъчно стабилни в определен температурен диапазон и изискват захранване с високо напрежение. Фотодиодите с бариера на Шотки и MIS структура са обещаващи за използване в определени диапазони на дължини на вълните.

Фоторезисторите се произвеждат главно от поликристални полупроводникови филми на базата на съединение (кадмий със сяра и селен). Максималната спектрална чувствителност на фоторезисторите е 0,5 - 0,7 микрона. Фоторезисторите обикновено се използват при условия на слаба светлина; по чувствителност те са сравними с фотоумножителите - устройства с външен фотоелектричен ефект, но изискват захранване с ниско напрежение. Недостатъците на фоторезисторите са ниската производителност и високите нива на шум.

Най-разпространените фотодетектори с вътрешно усилване са фототранзисторите и фототиристорите. Фототранзисторите са по-чувствителни от фотодиодите, но по-бавни. За допълнително повишаване на чувствителността на фотодетектора се използва композитен фототранзистор, който е комбинация от фото и усилвателни транзистори, но има ниска производителност.

В оптроните фототиристор (полупроводниково устройство с три стр- н- преходи, превключване при осветяване), който има висока чувствителност и ниво на изходния сигнал, но недостатъчна скорост.

Разнообразието от видове оптрони се определя главно от свойствата и характеристиките на фотодетекторите. Едно от основните приложения на оптроните е ефективната галванична изолация на предаватели и приемници на цифрови и аналогови сигнали. В този случай оптронът може да се използва в режим на конвертор или сигнален превключвател. Оптронът се характеризира с допустимия входен сигнал (управляващ ток), коефициент на пренос на ток, скорост (време на превключване) и товароносимост.

Съотношението на коефициента на пренос на ток към времето на превключване се нарича качествен фактор на оптрона и е 10 5 – 10 6 за фотодиодни и фототранзисторни оптрони. Широко се използват оптрони, базирани на фототиристори. Фоторезисторните оптрони не се използват широко поради ниската времева и температурна стабилност. Диаграмите на някои оптрони са показани на фиг. 4, а – г.

Като източници на кохерентно лъчение се използват лазери с висока стабилност, добри енергийни характеристики и ефективност. В оптоелектрониката за проектиране на компактни устройства се използват полупроводникови лазери - лазерни диоди, използвани например във влакнесто-оптични комуникационни линии вместо традиционните линии за предаване на информация - кабелни и жични. Те имат висока пропускателна способност (честотна лента на единици гигахерци), устойчивост на електромагнитни смущения, ниско тегло и размери, пълна електрическа изолация от входа до изхода, експлозивна и пожаробезопасност. Специална характеристика на FOCL е използването на специален оптичен кабел, чиято структура е показана на фиг. 5. Промишлените образци на такива кабели имат затихване от 1 – 3 dB/km и по-ниско. Оптичните комуникационни линии се използват за изграждане на телефонни и компютърни мрежи, системи за кабелна телевизия с висококачествено предавано изображение. Тези линии позволяват едновременно предаване на десетки хиляди телефонни разговори и няколко телевизионни програми.

Напоследък са интензивно разработени и широко разпространени оптични интегрални схеми (OIC), всички елементи на които са формирани чрез отлагане на необходимите материали върху субстрат.

Устройства, базирани на течни кристали, широко използвани като индикатори в електронни часовници, са обещаващи в оптоелектрониката. Течните кристали са органично вещество (течност) със свойствата на кристал и са в преходно състояние между кристална фаза и течност.

Индикаторите с течни кристали имат висока разделителна способност, сравнително евтини са, консумират малко енергия и работят при високи нива на светлина.

Течни кристали със свойства, подобни на монокристалите (нематици), са разработени и широко използвани в светлинни индикатори и оптични устройства с памет използва се за термооптичен запис на информация.

Оптоелектронните устройства, разработени сравнително наскоро, са широко разпространени в различни области на науката и технологиите поради своите уникални свойства. Много от тях нямат аналози във вакуумната и полупроводниковата техника. Все още обаче има много нерешени проблеми, свързани с разработването на нови материали, подобряването на електрическите и експлоатационните характеристики на тези устройства и разработването на технологични методи за тяхното производство.

Оптоелектронно полупроводниково устройство - полупроводниково устройство, чиято работа се основава на използване на явления на излъчване, предаване или поглъщане във видимата, инфрачервената или ултравиолетовата област на спектъра.

Оптоелектронните устройства в широк смисъл са устройства , използвайки оптично лъчение за своята работа: генериране, откриване, преобразуване и предаване на информационен сигнал. По правило тези устройства включват един или друг набор от оптоелектронни елементи. От своя страна самите устройства могат да бъдат разделени на стандартни и специални, като стандартните се считат за тези, които се произвеждат масово за широка употреба в различни отрасли, а специалните устройства се произвеждат, като се вземат предвид спецификите на определена индустрия - в нашия случай печат.

Цялото разнообразие от оптоелектронни елементи е разделено на следните продуктови групи: източници и приемници на излъчване, индикатори, оптични елементи и световоди, както и оптични носители, които позволяват създаване на елементи за управление, показване и съхранение на информация. Известно е, че никаква систематизация не може да бъде изчерпателна, но, както правилно отбеляза нашият сънародник, открил през 1869 г. периодичния закон на химичните елементи, Дмитрий Иванович Менделеев (1834-1907), науката започва там, където се появява броенето, т.е. оценка, сравнение, класификация, идентифициране на модели, определяне на критерии, общи черти. Като се има предвид това, преди да се премине към описание на конкретни елементи, е необходимо да се даде, поне в общи линии, отличителна характеристика на оптоелектронните продукти.

Както бе споменато по-горе, основната отличителна черта на оптоелектрониката е връзката с информацията. Например, ако лазерно лъчение се използва в някаква инсталация за закаляване на стоманени валове, тогава едва ли е логично тази инсталация да се класифицира като оптоелектронно устройство (въпреки че самият източник на лазерно лъчение има право на това).

Беше отбелязано също, че твърдотелните елементи обикновено се класифицират като оптоелектроника (Московският енергиен институт публикува учебник за курса „Оптоелектроника“, озаглавен „Прибори и устройства на полупроводниковата оптоелектроника“). Но това правило не е много строго, тъй като някои публикации по оптоелектроника обсъждат подробно работата на фотоумножители и електроннолъчеви тръби (те са вид електрически вакуумни устройства), газови лазери и други устройства, които не са твърдотелни. В печатарската индустрия обаче споменатите устройства се използват широко наред с твърдотелни (включително полупроводникови), решавайки подобни проблеми, така че в този случай те имат пълното право да бъдат разгледани.

Струва си да се споменат още три отличителни черти, които според известния специалист в областта на оптоелектрониката Юрий Романович Носов го характеризират като научно-техническо направление.

Физическата основа на оптоелектрониката се състои от явления, методи и средства, за които комбинацията и непрекъснатостта на оптични и електронни процеси са фундаментални. Оптоелектронно устройство се дефинира широко като устройство, което е чувствително към електромагнитно излъчване във видимата, инфрачервената (IR) или ултравиолетовата (UV) области, или устройство, което излъчва и преобразува некохерентно или кохерентно лъчение в същите тези спектрални области.

Техническата основа на оптоелектрониката се определя от дизайна и технологичните концепции на съвременната микроелектроника: миниатюризация на елементите; преференциално развитие на твърди планарни конструкции; интеграция на елементи и функции.

Функционалната цел на оптоелектрониката е да решава проблеми на компютърните науки: генериране (формиране) на информация чрез преобразуване на различни външни въздействия в съответни електрически и оптични сигнали; трансфер на информация; обработка (преобразуване) на информация по зададен алгоритъм; съхранение на информация, включително процеси като запис, самото съхранение, безразрушително четене, изтриване; показване на информация, т.е. преобразуване на изходните сигнали на информационна система във възприемаема от човека форма.

Списък на използваните източници

    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

ФЕДЕРАЛНА АГЕНЦИЯ ПО ОБРАЗОВАНИЕТО

Държавна образователна институция за висше професионално образование

ТЮМЕНСКИ ДЪРЖАВЕН УНИВЕРСИТЕТ ЗА НЕФТ И ГАЗ

ТРАНСПОРТЕН ИНСТИТУТ

Есе

на тема „Оптоелектронни устройства“.

Завършено:

OBD групи - 08

Чекардинн

Проверено:

Сидорова А.Е.

Тюмен 2010 г


  1. Елементи оптоелектронниустройства

    Резюме >> Комуникации и комуникации

    Според схемата на композитен транзистор. Оптоелектронни устройстваработа оптоелектронни устройстваоснована на електронно-фотонна.. предаване и съхранение на информация. Най-простият оптоелектронни устройствое оптоелектроннидвойка или оптрон. Принцип на работа...

  2. Приложение на оптрони и устройстваза показване на информация

    Резюме >> Комуникации и комуникации

    Дефиниции Оптроните се наричат ​​​​такива оптоелектронни устройства, в който има източник и... 2. В. И. Иванов, А. И. Аксенов, А. М. Юшин “Полупроводник оптоелектронни устройства." / Справочник.” - М.: Енергоатомиздат, 2002 3. Балуев В.К. „Развитие...

  3. Знаци за класификация на полупроводниците устройства

    Резюме >> Физика

    По какви критерии се класифицират полупроводниковите устройства? устройства? полупроводник устройствакласифицирани в зависимост от механизма... оптически прозрачен прозорец. LED полупроводник оптоелектронни устройство, преобразувайки енергията на течащата директна...

Елементите на оптоелектронните устройства са разгледаните по-горе фотоелектронни устройства, като връзката между елементите не е електрическа, а оптична. По този начин в оптоелектронните устройства галваничното свързване между входните и изходните вериги е почти напълно елиминирано, а обратната връзка между входа и изхода е почти напълно елиминирана. Чрез комбиниране на елементите, включени в оптоелектронните устройства, е възможно да се получи голямо разнообразие от техните функционални свойства. На фиг. Фигура 6.35 показва дизайна на различни оптрони.

Най-простото оптоелектронно устройство е оптрон.

Оптроне устройство, което комбинира светодиод и приемник на фотоизлъчване, например фотодиод, в един корпус (фиг. 6.36).

Входящият усилен сигнал влиза в светодиода и го кара да свети, което се предава през светлинния канал към фотодиода. Фотодиодът се отваря и в неговата верига протича ток под въздействието на външен източник д. Ефективната оптична комуникация между елементите на оптрона се осъществява с помощта на оптични влакна - световоди, направени под формата на сноп от тънки прозрачни нишки, през които се предава сигналът поради пълно вътрешно отражение с минимални загуби и с висока разделителна способност. Вместо фотодиод, оптронът може да съдържа фототранзистор, фототиристор или фоторезистор.

На фиг. 6.37 показва символичните графични символи на такива устройства.

Като превключвател се използва диоден оптрон, който може да превключва ток с честота 10 6 ... 10 7 Hz и има съпротивление между входната и изходната верига 10 13 ... 10 15 ома.

Транзисторните оптрони, поради по-голямата чувствителност на фотодетектора, са по-икономични от диодните. Въпреки това, тяхната скорост е по-ниска; максималната честота на превключване обикновено не надвишава 10 5 Hz. Точно като диодите, транзисторните оптрони имат ниско съпротивление в отворено състояние и високо съпротивление в затворено състояние и осигуряват пълна галванична изолация на входните и изходните вериги.

Използването на фототиристор като фотодетектор ви позволява да увеличите импулса на изходния ток до 5 A или повече. В този случай времето за включване е по-малко от 10 -5 s, а входният ток на включване не надвишава 10 mA. Такива оптрони ви позволяват да управлявате устройства с висок ток за различни цели.

Изводи:

1. Работата на оптоелектронните устройства се основава на принципа на вътрешния фотоелектричен ефект - генерирането на двойка носители на заряд "електрон - дупка" под въздействието на светлинно излъчване.

2. Фотодиодите имат линейна светлинна характеристика.

3. Фототранзисторите имат по-голяма интегрална чувствителност от фотодиодите поради усилването на фототока.

4. Оптрони – оптоелектронни устройства, които осигуряват електрическа изолация



входни и изходни вериги.

5. Фотоумножителите позволяват рязко увеличаване на фототока чрез използване на вторична електронна емисия.

Контролни въпроси

1. Какво е външен и вътрешен фотоелектричен ефект?

2. С какви параметри се характеризира фоторезисторът?

3. Какви физически фактори влияят на светлинните характеристики на фоторезистор при високи светлинни потоци?

4. Какви са разликите в свойствата на фотодиод и фоторезистор?

5. Как фотоклетката директно преобразува светлинната енергия в електрическа?

6. Какви са разликите в принципа на работа и свойствата на фотодиод и биполярен фототранзистор?

7. Защо един тиристор може да контролира относително по-високи мощности от допустимото разсейване на мощността на самия фототиристор?

8. Какво е оптрон?

ПРИЛОЖЕНИЕ. КЛАСИФИКАЦИЯ И ОЗНАЧЕНИЯ НА ПОЛУПРОВОДНИКОВИ ПРИБОРИ

За уеднаквяване на обозначенията и стандартизиране на параметрите на полупроводниковите устройства се използва система от символи. Тази система класифицира полупроводниковите устройства според тяхното предназначение, основни физически и електрически параметри, структурни и технологични свойства и вида на полупроводниковите материали. Символната система за домашни полупроводникови устройства се основава на държавни и индустриални стандарти. Първият GOST за системата за обозначаване на полупроводникови устройства - GOST 10862–64 е въведен през 1964 г. След това, когато се появиха нови класификационни групи устройства, той беше променен на GOST 10862–72, а след това на индустриалния стандарт OST 11.336.038–77 и OST 11.336.919–81. С тази модификация бяха запазени основните елементи на буквено-цифровия код на символната система. Тази нотационна система е логически структурирана и позволява да бъде допълвана с по-нататъшното развитие на елементната база.

Основните термини, определения и буквени обозначения на основните и референтни параметри на полупроводниковите устройства са дадени в GOSTs:

§ 25529–82 – Полупроводникови диоди. Термини, определения и буквени означения на параметри.

§ 19095–73 – Транзистори с полеви ефекти. Термини, определения и буквени означения на параметри.

§ 20003–74 – Биполярни транзистори. Термини, определения и буквени означения на параметри.

§ 20332–84 – Тиристори. Термини, определения и буквени означения на параметри.



 

Може да е полезно да прочетете: