Bezeichnungssystem für fotoelektronische und optoelektronische Geräte. Moskauer Staatliche Universität für Druckkunst

Optische Strahlungsquellen, die in verwendet werden Optoelektronik ist im Allgemeinen sehr vielfältig. Die meisten von ihnen (Subminiatur-Glühlampen und Gasentladungslampen, Pulver- und Film-Elektrolumineszenzstrahler, Vakuum-Kathodolumineszenzlampen und viele andere Typen) erfüllen jedoch nicht alle modernen Anforderungen und werden nur in bestimmten Geräten verwendet, hauptsächlich in Anzeigegeräten und teilweise in Optokopplern.

Bei der Beurteilung der Aussichten einer bestimmten Quelle spielt der Aggregatzustand des aktiven Leuchtstoffs (bzw. des das Arbeitsvolumen ausfüllenden Stoffes) eine entscheidende Rolle. Von allen möglichen Optionen (Vakuum, Gas, Flüssigkeit, Feststoff) wird einer festen Substanz der Vorzug gegeben und „in“ einer monokristallinen Substanz, da sie die größte Haltbarkeit und Zuverlässigkeit der Geräte bietet.

Die Grundlage der Optoelektronik bilden zwei Gruppen von Emittern:

1) optische Generatoren kohärenter Strahlung (Laser), unter denen Halbleiterlaser unterschieden werden sollten;

1) lichtemittierende Halbleiterdioden basierend auf dem Prinzip der spontanen Injektionselektrolumineszenz.

Ein optoelektronisches Halbleiterbauelement ist ein Halbleiterbauelementelektromagnetische Strahlung emittieren oder umwandeln, empfindlich auf diese Strahlung im sichtbaren, infraroten und (oder) ultravioletten Bereich des Spektrums reagieren oder diese Strahlung für die innere Wechselwirkung ihrer Elemente verwenden.

Optoelektronische Halbleiterbauelemente können in Halbleitersender, Strahlungsempfänger, Optokoppler und optoelektronische integrierte Schaltkreise unterteilt werden (Abb. 2.1).

Ein Halbleiteremitter ist ein optoelektronisches Halbleiterbauelement, das elektrische Energie in die Energie elektromagnetischer Strahlung im sichtbaren, infraroten und ultravioletten Bereich des Spektrums umwandelt.

Viele Halbleiteremitter können nur inkohärente elektromagnetische Wellen aussenden. Dazu gehören Halbleiter-Emitter im sichtbaren Bereich des Spektrums – Halbleiter-Informationsanzeigegeräte (Leuchtdioden, Halbleiter-Schilder, Skalen und Bildschirme) sowie Halbleiter-Emitter im Infrarotbereich des Spektrums – Infrarot-Emitterdioden.

Kohärente Halbleiteremitter– das sind Halbleiterlaser mit verschiedenen Anregungsarten. Sie können elektromagnetische Wellen mit einer bestimmten Amplitude, Frequenz, Phase, Ausbreitungsrichtung und Polarisation aussenden, was dem Konzept der Kohärenz entspricht.

Optoelektronik ist ein Zweig der Elektronik, der sich der Theorie und Praxis der Herstellung von Instrumenten und Geräten widmet, die auf der Umwandlung elektrischer Signale in optische Signale und umgekehrt basieren.

Die Optoelektronik nutzt einen Wellenlängenbereich von 0,2 µm – 0,2 mm. Ein optoelektronisches Gerät ist eine Kombination aus Strahlungsquelle und Empfänger. Als Strahlungsquelle werden GaAs-basierte LEDs und als Fotodetektoren Si-basierte Fotodioden und Fototransistoren verwendet.

Eine Besonderheit optoelektronischer Geräte (OED) gegenüber anderen besteht darin, dass sie optisch verbunden, aber elektrisch voneinander isoliert sind. Dies macht es einfach, die Konsistenz zwischen Hoch- und Niederspannungs- und Hochfrequenzstromkreisen sicherzustellen.

Die Optoelektronik entwickelt sich in zwei unabhängige Richtungen:

1. Optisch;
2. Elektrooptisch.

Die optische Richtung basiert auf den Effekten der Wechselwirkung eines Festkörpers mit elektromagnetischer Strahlung (Holographie, Photochemie, Elektrooptik). Die elektrooptische Richtung nutzt das Prinzip der photoelektrischen Umwandlung mit internem photoelektrischen Effekt einerseits und Photolumineszenz andererseits (anstelle der galvanischen und magnetischen Kommunikation durch optische, faseroptische Kommunikationsleitungen).

Basierend auf dem optoelektronischen Prinzip können vakuumfreie Analoga elektronischer Geräte und Systeme erstellt werden:

• diskrete und analoge Wandler elektrischer Signale (Verstärker, Generatoren, Schlüsselelemente, Speicherelemente, Logikschaltungen, Verzögerungsleitungen usw.)
• optische Signalwandler (Licht- und Bildverstärker, Flachbildschirme, die Bilder übertragen und wiedergeben)
• Wiedergabegeräte (Bildschirme, Digitalanzeigen, Bildlogik usw.).

Die wichtigsten Faktoren, die die Entwicklung der Optoelektronik bestimmen, sind:

• Entwicklung hochreiner Materialien,
• Entwicklung perfekter Technologie für neue moderne Instrumente und Geräte,
• Ausbildung von hochqualifiziertem Personal.

Für die Herstellung aktiver und passiver optoelektronischer Elemente werden häufig verwendet:

• Halbleitermaterialien, seltene Erden und deren Legierungen,
• dielektrische Verbindungen,
• Filmmaterialien,
• Fotolacke,
• Diffusoren.

Derzeit ist die Palette der in der Optoelektronik verwendeten Materialien recht breit gefächert. Dazu gehören hochreine Stoffe, reine Metalle und Legierungen mit besonderen elektrophysikalischen Eigenschaften, Diffusionsmittel, verschiedene Halbleiterverbindungen in Form von Pulvern und Einkristallen, einkristalline Wafer aus Silizium, Arsenid und Galliumphosphid, Indiumphosphid, Saphir, Granat, diverse Hilfsstoffe – Prozessgase, Fotolacke, Schleifpulver usw.

Die wichtigsten Materialien für die Optoelektronik sind Stoffe wie: GaAs, BaF 2, CdTe (zur Herstellung von Substraten), GaAlAs / GaAs / GaAlAs-Strukturen (elektrooptische Modulatoren), SiO 2 (Isolationsmaterial), Si, CdHgTe, PbSnSe (Fotodioden, Fototransistoren). Einige ICs verwenden Ni, Cr und Ag. Die Produktionstechnologie optoelektronischer integrierter Schaltkreise (OEIMC) wird durch die Entwicklung neuer physikalischer und technologischer Prozesse ständig verbessert.

OEPs haben folgende Vorteile:

• die Möglichkeit einer räumlichen Modulation von Lichtstrahlen und deren signifikante Überschneidung ohne galvanische Verbindungen zwischen den Kanälen;
• größere Funktionsbelastung von Lichtstrahlen aufgrund der Möglichkeit, viele ihrer Parameter (Amplitude, Richtung, Frequenz, Phase, Polarisation) zu ändern.

Unter optoelektronischen Geräten versteht man Geräte, deren Funktionsprinzip auf der Nutzung elektromagnetischer Strahlung im optischen Bereich beruht.

Zu den Hauptgruppen optoelektronischer Geräte zählen:

• Leuchtdioden und Laser;
• fotoelektrische Strahlungsdetektoren – Fotowiderstände und Fotodetektoren mit pn-Übergang;
• Geräte zur Steuerung der Strahlung – Modulatoren, Deflektoren usw.; Geräte zur Anzeige von Informationen – Indikatoren;
• Geräte zur elektrischen Isolierung – Optokoppler;
• optische Kommunikationskanäle und optische Speichergeräte.

Die oben genannten Gerätegruppen erzeugen, transformieren, übertragen und speichern Informationen. Informationsträger in der Optoelektronik sind elektrisch neutrale Teilchen – Photonen, die unempfindlich gegenüber den Auswirkungen elektrischer und elektromagnetischer Felder sind, nicht miteinander interagieren und eine unidirektionale Signalübertragung erzeugen, was eine hohe Störfestigkeit und galvanische Trennung der Eingangs- und Ausgangskreise gewährleistet. Optoelektronische Geräte empfangen, wandeln und erzeugen Strahlung im sichtbaren, infraroten und ultravioletten Bereich des Spektrums.

Das Funktionsprinzip optoelektronischer Geräte basiert auf der Nutzung des externen oder internen photoelektrischen Effekts.

Der äußere photoelektrische Effekt ist die Freisetzung freier Elektronen aus der Oberflächenschicht der Photokathode in die äußere Umgebung unter dem Einfluss von Licht.

Der interne photoelektrische Effekt ist die freie Bewegung von Elektronen innerhalb eines Stoffes, die sich unter dem Einfluss von Licht von Bindungen lösen und ihre elektrische Leitfähigkeit verändern oder sogar das Auftreten einer EMK an der Grenze zweier Stoffe (pn-Übergang) verursachen.

OEPs werden häufig in automatischen Steuerungs- und Messsystemen, Computertechnik, Fototelegrafie, Tonwiedergabegeräten, Kinematographie, Spektrophotometrie, zur Umwandlung von Lichtenergie in elektrische Energie und in der Automatisierung zur Lösung elektrischer Schaltkreise eingesetzt.

Optokoppler

Ein Optokoppler ist ein Halbleiterbauelement, bei dem eine Strahlungsquelle und ein Empfänger strukturell kombiniert und durch optische Kommunikation verbunden sind. In der Strahlungsquelle werden elektrische Signale in Lichtsignale umgewandelt, die auf den Fotodetektor einwirken und dort wiederum elektrische Signale erzeugen. Wenn ein Optokoppler nur einen Sender und einen Strahlungsempfänger hat, spricht man von einem Optokoppler oder einem Elementar-Optokoppler.

Eine Mikroschaltung bestehend aus einem oder mehreren Optokopplern mit zusätzlichen Geräten zur Signalanpassung und -verstärkung wird als optoelektronische integrierte Schaltung bezeichnet. Am Ein- und Ausgang eines Optokopplers werden immer elektrische Signale verwendet, die Verbindung zwischen Ein- und Ausgang erfolgt über ein Lichtsignal.

Fotowiderstand

Fotowiderstände sind Halbleiterwiderstände, die unter Lichteinfluss ihren Widerstand ändern. Abhängig von der spektralen Empfindlichkeit werden Fotowiderstände in zwei Gruppen eingeteilt: für den sichtbaren Teil des Spektrums und für den infraroten Teil des Spektrums. Zur Herstellung von Fotowiderständen werden Verbindungen verwendet CD Und Pb. Empfindliche Elemente werden aus Einkristallen oder Polykristallen dieser Verbindungen hergestellt.

Bezeichnung von Fotowiderständen früher Versionen:

• 1 Element – ​​Buchstaben, die den Gerätetyp angeben (FS – Fotowiderstand),
• 2 Element – ​​ein Buchstabe, der das Material des lichtempfindlichen Elements angibt (A – Bleisulfid, K – Cadmiumsulfid, D – Cadmiumselen),
• Element 3 ist eine Zahl, die die Art des Designs angibt.
• der Buchstabe B vor der Nummer ist eine versiegelte Version,
• P – Filmmaterial des lichtempfindlichen Elements,
• M – monokristallines Material des lichtempfindlichen Elements.
• Buchstabe T – tropische Version, vorgesehen für den Einsatz bei hohen Temperaturen und hoher Luftfeuchtigkeit.

Das Prinzip des Aufbaus und Anschlussplans eines Fotowiderstands

Bezeichnung moderner Fotowiderstände:

• 1 Element – ​​Buchstaben, die den Gerätetyp angeben (SF – lichtempfindlicher Widerstand),
• 2 Element – ​​eine Zahl, die das Material des lichtempfindlichen Elements angibt (2 – Cadmiumsulfid, 3 – Cadmiumselenid, 4 – Bleiselenid),
• Das 3. Element ist eine Zahl, die die Seriennummer der Entwicklung angibt.

Fotowiderstände weisen eine hohe Parameterstabilität auf. Die Änderung des Photostroms ist ein ziemlich genaues Merkmal seines Zustands. Im Langzeitbetrieb ist eine Stabilisierung des Photostroms zu beobachten, wobei sich sein Wert um 20 - 30 % ändern kann. Fotowiderstände reagieren empfindlich auf schnelle Temperaturänderungen. Fotowiderstände sollten bei 5–35 °C und einer Luftfeuchtigkeit von nicht mehr als 80 % gelagert werden.

Zu den Hauptparametern von Fotowiderständen gehören:

1. Dunkle Strömung ( ICHT) ist der Strom, der 30 s nach Wegnahme der Beleuchtung von 200 Lux bei einer Betriebsspannung durch den Fotowiderstand fließt.
2. Lichtstrom ( ICH c) ist der Strom, der bei einer Betriebsspannung und einer Beleuchtungsstärke von 200 Lux von einer Lichtquelle mit einer Farbtemperatur von 2850 K durch den Fotowiderstand fließt.
3. Temperaturkoeffizient des Photostroms ( TKICHF) – Änderung des Fotostroms, wenn sich die Temperatur des Fotowiderstands um 1 °C ändert.
4. Betriebsspannung ( UF) - Spannung, die im Langzeitbetrieb an einen Fotowiderstand angelegt werden kann, ohne seine Parameter über die zulässigen Grenzen hinaus zu verändern.
5. Dunkler Widerstand ( RT) - der Widerstand des Fotowiderstands bei einer Temperatur von 20 °C 30 s nach Entfernen der Beleuchtung von 200 Lux.
6. Spezifische Empfindlichkeit ( K 0) ist das Verhältnis des Photostroms zum Produkt der Größen des auf ihn einfallenden Lichtflusses und der angelegten Spannung: K 0 =ICHF / (FUF) , Wo F— Lichtstrom, lm.
7. Zeitkonstante ( T) ist die Zeit, in der sich der Photostrom bei Beleuchtung um einen normierten Wert ändert.
8. Energieverschwendung ( R-Rennen.) - die maximal zulässige Leistung, die der Fotowiderstand unter kontinuierlicher elektrischer Belastung und Umgebungstemperatur abführen kann, ohne die Parameter über die in den technischen Spezifikationen festgelegte Norm hinaus zu ändern.
9. Isolationswiderstand ( RUnd).
10. Lange Wellenlängengrenze ( l).

Die Hauptmerkmale von Fotowiderständen Sind:

1. Voltampere ( ICH= F(U)) — Abhängigkeit von Licht, Dunkelheit oder Photostrom (mit F =const) von der angelegten Spannung.
2. Licht oder Lux-Ampere (ICH= F(E))— Abhängigkeit des Photostroms vom Lichtstrom, Einfall oder Beleuchtung (bei U= const).
3. Spektral (ICH= F(l)) — Abhängigkeit des Photostroms von der Wellenlänge des Lichtflusses (bei U= const).
4. Frequenz (I Ф = f (F Ф)) – Abhängigkeit des Photostroms von der Modulationsfrequenz des Lichtflusses (bei U = const).

Die hohe integrale Empfindlichkeit ermöglicht den Einsatz von Widerständen auch ohne Verstärker, und ihre geringen Abmessungen sind die Gründe für ihre weite Verbreitung. Die Hauptnachteile von Fotowiderständen sind ihre Trägheit und der starke Temperatureinfluss, der zu einem breiten Spektrum an Eigenschaften führt.

Fotodiode

Fotodioden — Dabei handelt es sich um Halbleiterdioden, die einen internen photoelektrischen Effekt nutzen. Der Lichtstrom steuert den Sperrstrom der Fotodioden. Unter dem Einfluss von Licht am Elektron-Loch-Übergang werden Ladungsträgerpaare erzeugt, die Leitfähigkeit der Diode steigt und der Sperrstrom steigt. Diese Betriebsart wird als Fotodiodenmodus bezeichnet. Der zweite Modustyp ist der Photogenerator. Im Gegensatz zum Fotogeneratormodus erfordert der Fotodiodenmodus die Verwendung einer externen Stromquelle.

Fotodioden-Anschlussschaltung für den Betrieb im Fotodiodenmodus

Hauptparameter von Fotodioden:

• Integrale Empfindlichkeit (~ 10 mA/lm): Betriebsspannung (10 - 30 V);
• Dunkelstrom (~ 2 - 20 µA).

Hauptmerkmale von Fotodioden:

• Voltampere (I = f (U)) – Abhängigkeit von Licht-, Dunkel- oder Photostrom (bei Ф = const) von der angelegten Spannung;
• Energie ( ICHF = F(F))— Abhängigkeit des Photostroms vom Lichtstrom (bei U= const) - linear, hängt wenig von der Spannung ab.

Strom-Spannungs-Kennlinien einer Fotodiode für den Fotodiodenmodus

Bei Lawinenfotodioden kommt es im pn-Übergang zu einer Lawinenvervielfachung der Ladungsträger, wodurch die Empfindlichkeit um das Zehnfache steigt. Fotodioden mit Schottky-Barriere weisen eine hohe Leistung auf. Fotodioden mit Heteroübergängen arbeiten als EMF-Generatoren. Als Indikatoren für Infrarotstrahlung werden Germanium-Photodioden eingesetzt; Silizium – zur Umwandlung von Lichtenergie in elektrische Energie (Solarbatterien zur autonomen Stromversorgung verschiedener Geräte im Weltraum); Selen – zur Herstellung von Fotobelichtungsmessern und lichttechnischen Messungen, da ihre spektralen Eigenschaften den spektralen Eigenschaften des Menschen nahe kommen Auge.

Fototransistor

Fototransistoren sind Halbleiterbauelemente mit zwei pn-Übergängen, die den Lichtfluss in elektrischen Strom umwandeln sollen. Ein Fototransistor unterscheidet sich strukturell von einem herkömmlichen Bipolartransistor dadurch, dass sein Körper über ein transparentes Fenster verfügt, durch das Licht in die Basisfläche eindringen kann.

Die Versorgungsspannung wird an Emitter und Kollektor angelegt, sein Kollektorübergang ist geschlossen und der Emitterübergang ist offen. Der Sockel bleibt frei. Wenn ein Fototransistor beleuchtet wird, werden in seiner Basis Elektronen und Löcher erzeugt. Im Kollektorübergang gibt es eine Verteilung von Elektron-Loch-Übergängen, die durch Diffusion die Übergangsgrenze erreicht haben. Löcher (Minderheitsladungsträger im Halbleiter) werden durch das Übergangsfeld zum Kollektor übertragen, wodurch der eigene Strom erhöht wird, und Elektronen (Mehrheitsladungsträger) verbleiben in der Basis und verringern deren Potenzial. Eine Verringerung des Basispotentials führt zur Bildung einer zusätzlichen Durchlassspannung am Emitterübergang und einer verstärkten Injektion von Löchern vom Emitter in die Basis. Die in den Sockel injizierten Löcher bis zum Kollektorübergang bewirken eine zusätzliche Erhöhung des Kollektorstroms.

Blockschaltbild eines bipolaren Fototransistors mit freier Basis (a) und Anschlussschaltung des Fototransistors (b)

Der Kollektorstrom des beleuchteten Fototransistors fällt recht groß aus; Das Verhältnis von Hellstrom zu Dunkelstrom erreicht mehrere Hundert.

Es gibt zwei Möglichkeiten, Fototransistoren einzuschalten:

• Diode- Verwendung von nur zwei Pins (Emitter und Kollektor)
• Transistor- Verwendung von drei Anschlüssen, wenn dem Eingang nicht nur Licht, sondern auch ein elektrisches Signal zugeführt wird.

In der Optoelektronik, Automatisierung und Telemechanik werden Fototransistoren für die gleichen Zwecke wie Fotodioden eingesetzt, sind diesen jedoch hinsichtlich Empfindlichkeitsschwelle und Temperaturbereich unterlegen. Die Empfindlichkeit von Fototransistoren steigt mit der Intensität ihrer Beleuchtung.

Photothyristor

Ein Photothyristor ist ein Halbleiterbauelement mit einer vierschichtigen pnpn-Struktur, das die Eigenschaften eines Thyristors und eines Fotodetektors kombiniert und Licht in Elektrizität umwandelt.

Wenn kein Lichtsignal und kein Steuerstrom vorhanden ist, ist der Photothyristor geschlossen und es fließt nur Dunkelstrom durch ihn. Der Photothyristor wird durch einen Lichtfluss geöffnet, der durch ein „Fenster“ in seinem Körper in die Basen p 2 und n 1 eindringt und Elektron-Loch-Paare erzeugt. Dies führt zur Entstehung primärer Photoströme und zur Bildung eines Gesamtphotostroms. Daraus folgt, dass, wenn ein Lichtfluss an den Basen p 2 und n 1 ankommt, der Emitterstrom zunimmt, der Stromübertragungskoeffizient α vom Emitter zum Kollektor eine Funktion der Beleuchtung ist, die den p-n-Strom ändert. Der Widerstand des Photothyristors variiert zwischen 0,1 Ohm (im offenen Zustand) und 10 8 Ohm (im geschlossenen Zustand) und die Schaltzeit beträgt 10 -5 - 10 -6 s.

Photothyristorstruktur

Von den Lichteigenschaften ICHusw. = F(F) bei Uusw. = Konst Es ist ersichtlich, dass beim Einschalten des Photothyristors der Strom durch ihn ansteigt ICHusw.= E pr. /RBelastung und ändert sich nicht mehr, das heißt, der Photothyristor hat zwei stabile Zustände und kann als Speicherelement verwendet werden. Entsprechend der Strom-Spannungs-Kennlinie ICHusw. = F(Uusw.) bei F =const(F 2 > F1 > Fo) Es ist zu erkennen, dass mit zunehmendem Lichtstrom die Spannung und die Einschaltdauer sinken.

Eigenschaften des Photothyristors: a - Licht, b - Strom-Spannungs-Kennlinie, c - Abhängigkeit der Schaltzeit vom Lichtstrom

Die Vorteile von Photothyristoren sind:

• hohe Belastbarkeit bei geringer Steuersignalleistung;
• die Fähigkeit, das erforderliche Quellsignal ohne zusätzliche Verstärkungsstufen zu erhalten;
• Vorhandensein eines Speichers, d. h. Aufrechterhaltung eines offenen Zustands nach Entfernen des Steuersignals;
• größere Sensibilität;
• Hochleistung.

Die oben genannten Eigenschaften von Photothyristoren ermöglichen eine Vereinfachung von Schaltkreisen durch den Wegfall von Verstärkern und Relaiselementen, was in der Industrieelektronik, beispielsweise bei Hochspannungswandlern, sehr wichtig ist. Am häufigsten werden Photothyristoren verwendet, um starke elektrische Signale mit einem Lichtsignal zu schalten.

Obwohl die Optoelektronik einer der ersten Bereiche der Funkelektronik war, hat sie im Gegensatz zu vielen in Vergessenheit geratenen Technologien bis heute ihre Bedeutung behalten.

Unter optoelektronischen Geräten versteht man Geräte, die gegenüber elektromagnetischer Strahlung im sichtbaren, infraroten und ultravioletten Bereich empfindlich sind, sowie Geräte, die solche Strahlung erzeugen oder nutzen.

Strahlung im sichtbaren, infraroten und ultravioletten Bereich wird als optischer Bereich des Spektrums klassifiziert. Typischerweise umfasst dieser Bereich elektromagnetische Wellen mit einer Länge von 1 nm bis 1 mm, was Frequenzen von etwa 0,5 · 10 · 12 entspricht Hz bis 5·10 17 Hz. Manchmal spricht man von einem engeren Frequenzbereich – ab 10 nm bis 0,1 mm(~5·10 12 …5·10 16 Hz). Der sichtbare Bereich entspricht Wellenlängen von 0,38 µm bis 0,78 µm (Frequenz etwa 10 15). Hz).

In der Praxis werden häufig Strahlungsquellen (Emitter), Strahlungsempfänger (Fotodetektoren) und Optokoppler (Optokoppler) verwendet.

Ein Optokoppler ist ein Gerät, bei dem sowohl eine Strahlungsquelle als auch ein Strahlungsempfänger vorhanden sind, die strukturell kombiniert und in einem Gehäuse untergebracht sind.

Als Strahlungsquellen werden häufig LEDs und Laser und als Empfänger Fotowiderstände, Fotodioden, Fototransistoren und Fotothyristoren verwendet.

Weit verbreitet sind Optokoppler, bei denen LED-Fotodioden-, LED-Fototransistor- und LED-Fotothyristor-Paare verwendet werden.

Die Hauptvorteile optoelektronischer Geräte:

· hohe Informationskapazität optischer Informationsübertragungskanäle, die eine Folge der verwendeten hohen Frequenzen ist;

· vollständige galvanische Trennung von Strahlungsquelle und Empfänger;

· kein Einfluss des Strahlungsempfängers auf die Quelle (unidirektionaler Informationsfluss);

· Immunität optischer Signale gegenüber elektromagnetischen Feldern (hohe Störfestigkeit).

Emittierende Diode (LED)

Eine emittierende Diode, die im sichtbaren Wellenlängenbereich arbeitet, wird oft als Leuchtdiode oder LED bezeichnet.

Betrachten wir das Gerät, die Eigenschaften, die Parameter und das Bezeichnungssystem der Leuchtdioden.

Gerät. Eine schematische Darstellung des Aufbaus der emittierenden Diode ist in Abb. dargestellt. 6.1,a, und seine symbolische grafische Bezeichnung ist in Abb. 6.2, geb.

Strahlung entsteht, wenn durch die Rekombination von Elektronen und Löchern in der Region ein Gleichstrom durch die Diode fließt p-n-Übergang und in Bereichen, die an den angegebenen Bereich angrenzend sind. Bei der Rekombination werden Photonen emittiert.

Eigenschaften und Parameter. Für Leuchtdioden, die im sichtbaren Bereich arbeiten (Wellenlängen von 0,38 bis 0,78). µm, Frequenz etwa 10 15 Hz) sind folgende Merkmale weit verbreitet:

· Abhängigkeit der Strahlungshelligkeit L aus Diodenstrom ich(Helligkeitscharakteristik);

Lichtintensitätsabhängigkeit IV aus Diodenstrom ich.

Reis. 6.1. Struktur einer Leuchtdiode ( A)

und seine grafische Darstellung ( B)

Der Helligkeitsverlauf für eine Leuchtdiode vom Typ AL102A ist in Abb. dargestellt. 6.2. Die Leuchtfarbe dieser Diode ist rot.

Reis. 6.2. LED-Helligkeitskennlinie

Ein Diagramm der Abhängigkeit der Lichtstärke vom Strom für eine Leuchtdiode AL316A ist in Abb. dargestellt. 6.3. Die Leuchtfarbe ist rot.

Reis. 6.3. Abhängigkeit der Lichtstärke vom LED-Strom

Für Leuchtdioden, die außerhalb des sichtbaren Bereichs arbeiten, werden Kennlinien verwendet, die die Abhängigkeit der Strahlungsleistung widerspiegeln R aus Diodenstrom ich. Zone möglicher Positionen des Diagramms der Abhängigkeit der Strahlungsleistung vom Strom für eine im Infrarotbereich arbeitende Sendediode vom Typ AL119A (Wellenlänge 0,93...0,96). µm), ist in Abb. dargestellt. 6.4.

Hier sind einige Parameter für die AL119A-Diode:

· Anstiegszeit des Strahlungsimpulses – nicht mehr als 1000 ns;

· Abklingzeit des Strahlungsimpulses – nicht mehr als 1500 ns;

· konstante Durchlassspannung bei ich=300 mA– nicht mehr als 3 IN;

· konstanter maximal zulässiger Vorwärtsstrom bei T<+85°C – 200 mA;

· Umgebungstemperatur –60…+85°С.

Reis. 6.4. Abhängigkeit der Strahlungsleistung vom LED-Strom

Zur Information über mögliche Werte des Effizienzfaktors weisen wir darauf hin, dass Leuchtdioden vom Typ ZL115A, AL115A im Infrarotbereich (Wellenlänge 0,95) arbeiten µm, Spektrumbreite nicht mehr als 0,05 µm), einen Wirkungsgrad von mindestens 10 % haben.

Notationssystem. Das Bezeichnungssystem für Leuchtdioden besteht aus zwei oder drei Buchstaben und drei Zahlen, zum Beispiel AL316 oder AL331. Der erste Buchstabe gibt das Material an, der zweite (oder zweite und dritte) gibt das Design an: L – einzelne LED, LS – Reihe oder Matrix von LEDs. Nachfolgende Zahlen (und manchmal auch Buchstaben) geben die Entwicklungsnummer an.

Fotowiderstand

Ein Fotowiderstand ist ein Halbleiterwiderstand, dessen Widerstand empfindlich auf elektromagnetische Strahlung im optischen Bereich des Spektrums reagiert. Eine schematische Darstellung der Fotowiderstandsstruktur ist in Abb. dargestellt. 6,5, A, und seine herkömmliche grafische Darstellung ist in Abb. 6,5, B.

Ein auf einen Halbleiter einfallender Photonenstrom führt zur Bildung von Paaren. Elektron-Loch, Erhöhung der Leitfähigkeit (Abnahme des Widerstands). Dieses Phänomen wird als interner photoelektrischer Effekt (Photoleitungseffekt) bezeichnet. Fotowiderstände zeichnen sich häufig durch eine Stromabhängigkeit aus ich von der Beleuchtung E bei einer gegebenen Spannung am Widerstand. Dies ist das sogenannte Lux-Ampere Charakteristik (Abb. 6.6).

Reis. 6.5. Struktur ( A) und schematische Bezeichnung ( B) Fotowiderstand

Reis. 6.6. Lux-Ampere-Kennlinie des Fotowiderstands FSK-G7

Die folgenden Fotowiderstandsparameter werden häufig verwendet:

· nominaler Dunkelwiderstand (ohne Lichtfluss) (für FSK-G7 beträgt dieser Widerstand 5). MOhm);

· Integrale Empfindlichkeit (Empfindlichkeit, die bestimmt wird, wenn ein Fotowiderstand mit Licht einer komplexen spektralen Zusammensetzung beleuchtet wird).

Die integrale Empfindlichkeit (aktuelle Empfindlichkeit gegenüber dem Lichtfluss) S wird durch den Ausdruck bestimmt:

Wo Wenn– der sogenannte Photostrom (die Differenz zwischen dem Strom bei Beleuchtung und dem Strom bei Nichtbeleuchtung);

F- leichter Fluss.

Für Fotowiderstand FSK-G7 S=0,7 A/lm.

Fotodiode

Struktur und grundlegende physikalische Prozesse. Der vereinfachte Aufbau der Fotodiode ist in Abb. dargestellt. 6,7, A, und seine herkömmliche grafische Darstellung ist in Abb. 6,7, B.

Reis. 6.7. Aufbau (a) und Bezeichnung (b) einer Photodiode

Die in Fotodioden ablaufenden physikalischen Prozesse sind ihrer Natur nach entgegengesetzt zu den in LEDs ablaufenden Prozessen. Das wichtigste physikalische Phänomen in einer Fotodiode ist die Erzeugung von Paaren Elektron-Loch im Gebiet p-n-Übergang und in den angrenzenden Bereichen unter Strahlungseinfluss.

Paargenerierung Elektron-Loch führt zu einem Anstieg des Sperrstroms der Diode bei Vorliegen einer Sperrspannung und zum Auftreten von Spannung Aha zwischen Anode und Kathode mit offenem Stromkreis. Darüber hinaus Aha>0 (Löcher gelangen zur Anode und Elektronen gelangen unter dem Einfluss eines elektrischen Feldes zur Kathode p-n-Übergang).

Eigenschaften und Parameter. Es ist praktisch, Fotodioden durch eine Familie von Strom-Spannungs-Kennlinien zu charakterisieren, die unterschiedlichen Lichtströmen entsprechen (der Lichtstrom wird in Lumen gemessen, lm) oder unterschiedliche Beleuchtung (Beleuchtungsstärke wird in Lux gemessen, OK).

Die Strom-Spannungs-Kennlinien (Volt-Ampere-Kennlinien) der Fotodiode sind in Abb. dargestellt. 6.8.

Reis. 6.8. Strom-Spannungs-Kennlinien der Fotodiode

Lassen Sie den Lichtstrom zunächst Null sein, dann wiederholt die Strom-Spannungs-Kennlinie der Fotodiode tatsächlich die Strom-Spannungs-Kennlinie einer herkömmlichen Diode. Wenn der Lichtstrom nicht Null ist, dringen Photonen in die Region ein p-n–Übergang, verursachen die Erzeugung von Paaren Elektron-Loch. Unter dem Einfluss eines elektrischen Feldes p-n–Übergang bewegen sich Stromträger zu den Elektroden (Löchern - zur Schichtelektrode). P, Elektronen – zur Schichtelektrode N). Dadurch entsteht zwischen den Elektroden eine Spannung, die mit zunehmendem Lichtstrom ansteigt. Bei positiver Anoden-Kathoden-Spannung kann der Diodenstrom negativ sein (vierter Quadrant der Kennlinie). In diesem Fall verbraucht das Gerät keine Energie, sondern produziert sie.

In der Praxis werden Fotodioden sowohl im sogenannten Fotogeneratormodus (Photovoltaikmodus, Ventilmodus) als auch im sogenannten Fotokonvertermodus (Fotodiodenmodus) eingesetzt.

Im Photogeneratormodus wandeln Solarzellen Licht in Elektrizität um. Derzeit erreicht der Wirkungsgrad von Solarzellen 20 %. Bisher ist Energie aus Solarzellen etwa 50-mal teurer als Energie aus Kohle, Öl oder Uran.

Der Photokonvertermodus entspricht der Strom-Spannungs-Kennlinie im dritten Quadranten. In diesem Modus verbraucht die Fotodiode Energie ( u· ich> 0) von einer externen Spannungsquelle, die notwendigerweise im Stromkreis vorhanden ist (Abb. 6.9). Die grafische Analyse dieses Modus erfolgt wie bei einer herkömmlichen Diode mithilfe einer Lastlinie. Dabei werden die Merkmale üblicherweise konventionell im ersten Quadranten dargestellt (Abb. 6.10).

Reis. 6.9 Abb. 6.10

Fotodioden sind im Vergleich zu Fotowiderständen schnellere Geräte. Sie arbeiten mit den Frequenzen 10 7 –10 10 Hz. Fotodioden werden häufig in Optokopplern verwendet LED-Fotodiode. In diesem Fall entsprechen unterschiedliche Eigenschaften der Fotodiode unterschiedlichen Strömen der LED (was gleichzeitig unterschiedliche Lichtflüsse erzeugt).

Optokoppler (Optokoppler)

Ein Optokoppler ist ein Halbleiterbauelement, das eine Strahlungsquelle und einen Strahlungsempfänger enthält, in einem Gehäuse vereint und durch beide Anschlüsse optisch, elektrisch und gleichzeitig miteinander verbunden. Sehr verbreitet sind Optokoppler, bei denen als Strahlungsempfänger ein Fotowiderstand, eine Fotodiode, ein Fototransistor und ein Fotothyristor verwendet werden.

Bei Widerstandsoptokopplern kann sich der Ausgangswiderstand um den Faktor 10 7 ... 10 8 ändern, wenn sich der Eingangsschaltungsmodus ändert. Darüber hinaus ist die Strom-Spannungs-Kennlinie des Fotowiderstands hochgradig linear und symmetrisch, wodurch ohmsche Optokoppler in analogen Geräten weit verbreitet einsetzbar sind. Der Nachteil von Widerstandsoptokopplern ist ihre niedrige Geschwindigkeit – 0,01...1 Mit.

In Schaltkreisen zur Übertragung digitaler Informationssignale werden hauptsächlich Dioden- und Transistor-Optokoppler und zum optischen Schalten von Hochspannungs- und Hochstromkreisen Thyristor-Optokoppler verwendet. Die Leistung von Thyristor- und Transistor-Optokopplern wird durch die Schaltzeit charakterisiert, die oft im Bereich von 5...50 liegt mks.

Schauen wir uns den LED-Fotodioden-Optokoppler genauer an (Abb. 6.11, A). Die emittierende Diode (links) muss in Vorwärtsrichtung angeschlossen werden, und die Fotodiode muss in Vorwärtsrichtung (Fotogeneratormodus) oder Rückwärtsrichtung (Fotokonvertermodus) angeschlossen werden. Die Richtungen der Ströme und Spannungen der Optokopplerdioden sind in Abb. dargestellt. 6.11, B.

Reis. 6.11. Diagramm eines Optokopplers (a) und der Richtung der Ströme und Spannungen darin (b)

Lassen Sie uns die aktuelle Abhängigkeit darstellen ich raus von aktuell ich gebe ein bei Du bist raus=0 für Optokoppler AOD107A (Abb. 6.12). Der angegebene Optokoppler ist für den Betrieb sowohl im Fotogenerator- als auch im Fotokonvertermodus ausgelegt.

Reis. 6.12. Übertragungscharakteristik des Optokopplers AOD107A

Optoelektronische Geräte

Hauptmerkmale sichtbarer Leuchtdioden

Hauptmerkmale von Infrarot-Leuchtdioden

Optoelektronische Geräte im weitesten Sinne

Liste der verwendeten Quellen

Optoelektronische Geräte

Der Betrieb optoelektronischer Geräte basiert auf elektronenphotonischen Prozessen des Empfangens, Sendens und Speicherns von Informationen.

Das einfachste optoelektronische Gerät ist ein optoelektronisches Paar oder ein Optokoppler. Das Funktionsprinzip eines Optokopplers, bestehend aus einer Strahlungsquelle, einem Immersionsmedium (Lichtleiter) und einem Fotodetektor, basiert auf der Umwandlung eines elektrischen Signals in ein optisches und dann wieder zurück in ein elektrisches.

Optokoppler als Funktionsgeräte haben gegenüber herkömmlichen Funkelementen folgende Vorteile:

vollständige galvanische Trennung „Eingang – Ausgang“ (Isolationswiderstand über 10 12 – 10 14 Ohm);

absolute Störfestigkeit im Informationsübertragungskanal (Informationsträger sind elektrisch neutrale Teilchen – Photonen);

unidirektionaler Informationsfluss, der mit den Eigenschaften der Lichtausbreitung verbunden ist;

Breitband aufgrund der hohen Frequenz optischer Schwingungen,

ausreichende Geschwindigkeit (einige Nanosekunden);

hohe Durchbruchspannung (zig Kilovolt);

niedriger Geräuschpegel;

gute mechanische Festigkeit.

Aufgrund seiner Funktionen kann ein Optokoppler mit einem Transformator (Koppelelement) mit Relais (Schlüssel) verglichen werden.

In Optokopplergeräten werden Halbleiterstrahlungsquellen verwendet – Leuchtdioden aus Materialien der Verbindungen der Gruppe A III B V , Zu den vielversprechendsten zählen Galliumphosphid und Arsenid. Das Spektrum ihrer Strahlung liegt im Bereich der sichtbaren und nahen Infrarotstrahlung (0,5 – 0,98 Mikrometer). Leuchtdioden auf Basis von Galliumphosphid leuchten rot und grün. LEDs aus Siliziumkarbid sind vielversprechend, da sie gelb leuchten und bei erhöhten Temperaturen, Luftfeuchtigkeit und aggressiven Umgebungen funktionieren.

LEDs, die Licht im sichtbaren Bereich des Spektrums aussenden, werden in elektronischen Uhren und Mikrorechnern eingesetzt.

Leuchtdioden zeichnen sich durch eine recht breite spektrale Strahlungszusammensetzung, ein Richtmuster, aus; Quanteneffizienz, bestimmt durch das Verhältnis der Anzahl der emittierten Lichtquanten zur Anzahl der durchtretenden P-N-Übergang von Elektronen; Leistung (bei unsichtbarer Strahlung) und Helligkeit (bei sichtbarer Strahlung); Volt-Ampere-, Lumen-Ampere- und Watt-Ampere-Kennlinien; Geschwindigkeit (Anstieg und Abfall der Elektrolumineszenz bei gepulster Anregung), Betriebstemperaturbereich. Mit steigender Betriebstemperatur nimmt die Helligkeit der LED ab und die Emissionsleistung nimmt ab.

Die Haupteigenschaften von Leuchtdioden im sichtbaren Bereich sind in der Tabelle aufgeführt. 1 und der Infrarotbereich - in der Tabelle. 2.

Tabelle 1 Hauptmerkmale sichtbarer Leuchtdioden

Diodentyp	Helligkeit, cd/m 2, oder Lichtstärke, mcd		Leuchtende Farbe	Direkter Vorwärtsstrom, mA
KL101 A – B AL102 A – G AL307 A – G	10 – 20 cd/m2 40 – 250 mcd 150 – 1500 mcd		rot grün rot grün

Leuchtdioden in optoelektronischen Geräten sind über ein Immersionsmedium mit Fotodetektoren verbunden, deren Hauptanforderung eine Signalübertragung mit minimalen Verlusten und Verzerrungen ist. In optoelektronischen Geräten werden feste Immersionsmedien verwendet – polymere organische Verbindungen (optische Klebstoffe und Lacke), Chalkogenidmedien und optische Fasern. Abhängig von der Länge des optischen Kanals zwischen Emitter und Fotodetektor können optoelektronische Geräte in Optokoppler (Kanallänge 100 - 300 Mikrometer), Optoisolatoren (bis zu 1 m) und faseroptische Kommunikationsleitungen – faseroptische Leitungen ( bis zu mehreren zehn Kilometern).

Tabelle 2. Hauptmerkmale von Infrarot-Leuchtdioden

Diodentyp	Gesamtstrahlungsleistung, mW	Konstante Durchlassspannung, V	Strahlungswellenlänge, Mikrometer	Anstiegszeit des Strahlungsimpulses, ns	Abklingzeit des Strahlungsimpulses, ns
AL106 A – D	0,6 – 1 (bei Strom 50 mA) 0,2 – 1,5 (bei Strom 100 mA) 6 – 10 (bei Strom 100 mA) 1,5 (bei 100 mA Strom) 0,2 (bei 20 mA Strom) 10 (bei Strom 50 mA)

Für Fotodetektoren, die in Optokoppler-Geräten verwendet werden, gelten Anforderungen hinsichtlich der Anpassung der spektralen Eigenschaften an den Emitter, der Minimierung von Verlusten bei der Umwandlung eines Lichtsignals in ein elektrisches Signal, der Lichtempfindlichkeit, der Geschwindigkeit, der Größe des lichtempfindlichen Bereichs, der Zuverlässigkeit und des Rauschpegels.

Für Optokoppler sind Fotodetektoren mit internem photoelektrischen Effekt am vielversprechendsten, wenn die Wechselwirkung von Photonen mit Elektronen in Materialien mit bestimmten physikalischen Eigenschaften zu Elektronenübergängen im Volumen des Kristallgitters dieser Materialien führt.

Der interne photoelektrische Effekt äußert sich auf zwei Arten: in einer Widerstandsänderung des Photodetektors unter Lichteinfluss (Photowiderstände) oder im Auftreten einer Photo-EMK an der Grenzfläche zwischen zwei Materialien – Halbleiter-Halbleiter, Metall-Halbleiter (geschaltete Fotozellen, Fotodioden, Fototransistoren).

Fotodetektoren mit internem fotoelektrischem Effekt werden in Fotodioden (mit P-N-Junction, MIS-Struktur, Schottky-Barriere), Fotowiderstände, Fotodetektoren mit interner Verstärkung (Fototransistoren, zusammengesetzte Fototransistoren, Fotothyristoren, Feldeffekt-Fototransistoren).

Fotodioden basieren auf Silizium und Germanium. Die maximale spektrale Empfindlichkeit von Silizium beträgt 0,8 Mikrometer und von Germanium bis zu 1,8 Mikrometer. Sie arbeiten mit umgekehrter Vorspannung P-N-Übergang, der es ermöglicht, ihre Leistung, Stabilität und Linearität der Eigenschaften zu steigern.

Fotodioden werden am häufigsten als Fotodetektoren für optoelektronische Geräte unterschiedlicher Komplexität verwendet. P- ich-N-Strukturen wo ich– verarmter Bereich mit hohem elektrischem Feld. Durch Ändern der Dicke dieses Bereichs ist es aufgrund der geringen Kapazität und Flugzeit der Träger möglich, gute Leistungs- und Empfindlichkeitseigenschaften zu erzielen.

Avalanche-Fotodioden verfügen über eine erhöhte Empfindlichkeit und Leistung, indem sie den Fotostrom bei der Vervielfachung von Ladungsträgern verstärken. Allerdings sind diese Fotodioden über einen Temperaturbereich nicht stabil genug und erfordern Hochspannungsstromversorgungen. Für den Einsatz in bestimmten Wellenlängenbereichen sind Fotodioden mit Schottky-Barriere und MIS-Struktur vielversprechend.

Fotowiderstände bestehen hauptsächlich aus polykristallinen Halbleiterfilmen auf Basis einer Verbindung (Cadmium mit Schwefel und Selen). Die maximale spektrale Empfindlichkeit von Fotowiderständen beträgt 0,5 – 0,7 Mikrometer. Fotowiderstände werden normalerweise bei schlechten Lichtverhältnissen verwendet; In ihrer Empfindlichkeit sind sie mit Photomultipliern vergleichbar – Geräten mit externem photoelektrischen Effekt, die jedoch Niederspannungsstrom benötigen. Die Nachteile von Fotowiderständen sind geringe Leistung und hoher Geräuschpegel.

Die gebräuchlichsten intern verstärkten Fotodetektoren sind Fototransistoren und Fotothyristoren. Fototransistoren sind empfindlicher als Fotodioden, aber langsamer. Um die Empfindlichkeit des Fotodetektors weiter zu erhöhen, wird ein zusammengesetzter Fototransistor verwendet, der eine Kombination aus Foto- und Verstärkungstransistoren darstellt, jedoch eine geringe Leistung aufweist.

Bei Optokopplern handelt es sich um einen Photothyristor (ein Halbleiterbauelement mit drei P- N- Übergänge, Umschalten bei Beleuchtung), das eine hohe Empfindlichkeit und einen hohen Ausgangssignalpegel, aber eine unzureichende Geschwindigkeit aufweist.

Die Vielfalt der Optokopplertypen wird hauptsächlich durch die Eigenschaften und Eigenschaften der Fotodetektoren bestimmt. Eine der Hauptanwendungen von Optokopplern ist die effektive galvanische Trennung von Sendern und Empfängern digitaler und analoger Signale. In diesem Fall kann der Optokoppler im Wandler- oder Signalschaltmodus eingesetzt werden. Der Optokoppler wird durch das zulässige Eingangssignal (Steuerstrom), den Stromübertragungskoeffizienten, die Geschwindigkeit (Schaltzeit) und die Belastbarkeit charakterisiert.

Das Verhältnis des Stromübertragungskoeffizienten zur Schaltzeit wird als Gütefaktor des Optokopplers bezeichnet und beträgt 10 5 – 10 6 für Fotodioden- und Fototransistor-Optokoppler. Weit verbreitet sind Optokoppler auf Basis von Photothyristoren. Fotowiderstands-Optokoppler werden aufgrund der geringen Zeit- und Temperaturstabilität nicht häufig verwendet. Diagramme einiger Optokoppler sind in Abb. dargestellt. 4, Anzeige.

Als kohärente Strahlungsquellen werden Laser mit hoher Stabilität, guten Energieeigenschaften und Effizienz eingesetzt. In der Optoelektronik werden für den Entwurf kompakter Geräte Halbleiterlaser verwendet – Laserdioden, die beispielsweise in faseroptischen Kommunikationsleitungen anstelle herkömmlicher Informationsübertragungsleitungen – Kabel und Drähte – verwendet werden. Sie zeichnen sich durch einen hohen Durchsatz (Bandbreite in Gigahertz-Einheiten), Beständigkeit gegen elektromagnetische Störungen, geringes Gewicht und geringe Abmessungen, vollständige elektrische Isolierung vom Eingang bis zum Ausgang sowie Explosions- und Brandschutz aus. Eine Besonderheit von FOCL ist die Verwendung eines speziellen Glasfaserkabels, dessen Aufbau in Abb. 5. Industrieproben solcher Kabel weisen eine Dämpfung von 1 – 3 dB/km und weniger auf. Glasfaser-Kommunikationsleitungen werden zum Aufbau von Telefon- und Computernetzwerken sowie Kabelfernsehsystemen mit qualitativ hochwertigen übertragenen Bildern verwendet. Diese Leitungen ermöglichen die gleichzeitige Übertragung von Zehntausenden Telefongesprächen und mehreren Fernsehprogrammen.

In jüngster Zeit wurden optische integrierte Schaltkreise (OICs), deren Elemente alle durch Abscheidung der erforderlichen Materialien auf einem Substrat gebildet werden, intensiv entwickelt und weit verbreitet.

Geräte auf Flüssigkristallbasis, die häufig als Indikatoren in elektronischen Uhren verwendet werden, sind in der Optoelektronik vielversprechend. Flüssigkristalle sind eine organische Substanz (Flüssigkeit) mit den Eigenschaften eines Kristalls und befinden sich in einem Übergangszustand zwischen der kristallinen Phase und einer Flüssigkeit.

Flüssigkristallindikatoren haben eine hohe Auflösung, sind relativ günstig, verbrauchen wenig Strom und arbeiten bei hohen Lichtstärken.

Flüssigkristalle mit ähnlichen Eigenschaften wie Einkristalle (Nematik) werden am häufigsten in Lichtindikatoren und optischen Speichergeräten verwendet. Flüssigkristalle, die beim Erhitzen ihre Farbe ändern (Cholesterika), sind weit verbreitet Wird zur thermooptischen Aufzeichnung von Informationen verwendet.

Optoelektronische Geräte, die erst vor relativ kurzer Zeit entwickelt wurden, sind aufgrund ihrer einzigartigen Eigenschaften in verschiedenen Bereichen der Wissenschaft und Technologie weit verbreitet. Viele von ihnen haben keine Analoga in der Vakuum- und Halbleitertechnologie. Allerdings gibt es noch viele ungelöste Probleme im Zusammenhang mit der Entwicklung neuer Materialien, der Verbesserung der elektrischen und betrieblichen Eigenschaften dieser Geräte und der Entwicklung technologischer Methoden zu ihrer Herstellung.

Optoelektronisches Halbleiterbauelement - ein Halbleiterbauelement, dessen Funktionsweise auf der Nutzung von Strahlungs-, Transmissions- oder Absorptionsphänomenen im sichtbaren, infraroten oder ultravioletten Bereich des Spektrums basiert.

Optoelektronische Geräte im weitesten Sinne sind Geräte , nutzen optische Strahlung für ihre Arbeit: ein Informationssignal erzeugen, erkennen, umwandeln und übertragen. In der Regel enthalten diese Geräte den einen oder anderen Satz optoelektronischer Elemente. Die Geräte selbst wiederum lassen sich in Standard- und Spezialgeräte unterteilen, wobei Standardgeräte in Massenproduktion für den breiten Einsatz in verschiedenen Branchen betrachtet werden und Sondergeräte unter Berücksichtigung der Besonderheiten einer bestimmten Branche – in unserem Fall der Druckbranche – hergestellt werden.

Die gesamte Vielfalt optoelektronischer Elemente ist in folgende Produktgruppen unterteilt: Strahlungsquellen und -empfänger, Indikatoren, optische Elemente und Lichtleiter sowie optische Medien, die die Erstellung von Bedienelementen, die Anzeige und Speicherung von Informationen ermöglichen. Es ist bekannt, dass jede Systematisierung nicht erschöpfend sein kann, aber wie unser Landsmann, der 1869 das periodische Gesetz der chemischen Elemente entdeckte, Dmitri Iwanowitsch Mendelejew (1834-1907), richtig bemerkte, beginnt die Wissenschaft dort, wo das Zählen erscheint, d.h. Beurteilung, Vergleich, Klassifizierung, Erkennung von Mustern, Festlegung von Kriterien, Gemeinsamkeiten. Unter Berücksichtigung dessen ist es vor der Beschreibung spezifischer Elemente erforderlich, zumindest allgemein ein charakteristisches Merkmal optoelektronischer Produkte anzugeben.

Wie oben erwähnt, ist das Hauptunterscheidungsmerkmal der Optoelektronik die Verbindung mit Informationen. Wenn beispielsweise in einer Anlage Laserstrahlung zum Härten von Stahlwellen verwendet wird, ist es kaum selbstverständlich, diese Anlage als optoelektronisches Gerät einzustufen (obwohl die Quelle der Laserstrahlung selbst dazu berechtigt ist).

Es wurde auch darauf hingewiesen, dass Festkörperelemente normalerweise als Optoelektronik klassifiziert werden (das Moskauer Energieinstitut veröffentlichte ein Lehrbuch für den Kurs „Optoelektronik“ mit dem Titel „Instrumente und Geräte der Halbleiteroptoelektronik“). Diese Regel ist jedoch nicht sehr streng, da in bestimmten Veröffentlichungen zur Optoelektronik die Funktionsweise von Photomultipliern und Kathodenstrahlröhren (sie sind eine Art elektrische Vakuumgeräte), Gaslasern und anderen Geräten, die keine Festkörpergeräte sind, ausführlich behandelt wird. In der Druckindustrie werden die genannten Geräte jedoch häufig zusammen mit Festkörpergeräten (einschließlich Halbleitergeräten) verwendet, um ähnliche Probleme zu lösen, sodass sie in diesem Fall durchaus in Betracht gezogen werden dürfen.

Erwähnenswert sind drei weitere Besonderheiten, die laut dem berühmten Spezialisten auf dem Gebiet der Optoelektronik, Yuri Romanovich Nosov, sie als wissenschaftliche und technische Richtung charakterisieren.

Die physikalische Grundlage der Optoelektronik besteht aus Phänomenen, Methoden und Mitteln, für die die Kombination und Kontinuität optischer und elektronischer Prozesse grundlegend sind. Ein optoelektronisches Gerät wird allgemein als ein Gerät definiert, das gegenüber elektromagnetischer Strahlung im sichtbaren, infraroten (IR) oder ultravioletten (UV) Bereich empfindlich ist, oder als ein Gerät, das inkohärente oder kohärente Strahlung in denselben Spektralbereichen aussendet und umwandelt.

Die technischen Grundlagen der Optoelektronik werden durch die Design- und Technologiekonzepte der modernen Mikroelektronik bestimmt: Miniaturisierung von Elementen; bevorzugte Entwicklung fester Flächenstrukturen; Integration von Elementen und Funktionen.

Der funktionale Zweck der Optoelektronik besteht darin, Informatikprobleme zu lösen: Erzeugung (Bildung) von Informationen durch Umwandlung verschiedener äußerer Einflüsse in entsprechende elektrische und optische Signale; Übermittlung von Informationen; Verarbeitung (Transformation) von Informationen gemäß einem bestimmten Algorithmus; Informationsspeicherung, einschließlich Prozesse wie Aufzeichnung, Speicherung selbst, zerstörungsfreies Lesen, Löschen; Anzeige von Informationen, d.h. Umwandeln der Ausgangssignale eines Informationssystems in eine für den Menschen wahrnehmbare Form.

Liste der verwendeten Quellen

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

BUNDESAGENTUR FÜR BILDUNG

Staatliche Bildungseinrichtung für höhere Berufsbildung

STAATLICHE ÖL- UND GASUNIVERSITÄT TJUMEN

INSTITUT FÜR TRANSPORT

Aufsatz

zum Thema „Optoelektronische Geräte“.

Vollendet:

OBD-Gruppen - 08

Tschekardinn

Geprüft:

Sidorova A.E.

Tjumen 2010

1. Elemente optoelektronisch Geräte

   Zusammenfassung >> Kommunikation und Kommunikation

   Nach der Schaltung eines Verbundtransistors. Optoelektronisch Geräte Arbeit optoelektronisch Geräte basierend auf elektronenphotonischer... Übertragung und Speicherung von Informationen. Das einfachste optoelektronisch Gerät Ist optoelektronisch Paar oder Optokoppler. Funktionsprinzip...

2. Anwendung von Optokopplern und Geräte Informationen anzuzeigen

   Zusammenfassung >> Kommunikation und Kommunikation

   Definitionen Optokoppler werden als solche bezeichnet optoelektronisch Geräte, in dem es eine Quelle gibt und... 2. V. I. Ivanov, A. I. Aksenov, A. M. Yushin „Halbleiter optoelektronisch Geräte." / Verzeichnis.“ - M.: Energoatomizdat, 2002 3. Baluev V.K. "Entwicklung...

3. Klassifizierungszeichen von Halbleitern Geräte

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Die Elemente optoelektronischer Geräte sind die oben diskutierten photoelektronischen Geräte, und die Verbindung zwischen den Elementen ist nicht elektrisch, sondern optisch. Somit wird bei optoelektronischen Geräten die galvanische Kopplung zwischen Eingangs- und Ausgangskreisen nahezu vollständig eliminiert, ebenso wie die Rückkopplung zwischen Eingang und Ausgang nahezu vollständig eliminiert wird. Durch die Kombination der in optoelektronischen Geräten enthaltenen Elemente ist es möglich, eine große Vielfalt ihrer funktionellen Eigenschaften zu erhalten. In Abb. Abbildung 6.35 zeigt den Aufbau verschiedener Optokoppler.

Das einfachste optoelektronische Gerät ist ein Optokoppler.

Optokoppler ist ein Gerät, das eine LED und einen Photostrahlungsempfänger, beispielsweise eine Photodiode, in einem Gehäuse vereint (Abb. 6.36).

Das verstärkte Eingangssignal gelangt in die LED und lässt diese leuchten, was über den Lichtkanal an die Fotodiode übertragen wird. Die Fotodiode öffnet und unter dem Einfluss einer externen Quelle fließt Strom in ihrem Stromkreis E. Eine effektive optische Kommunikation zwischen den Elementen des Optokopplers erfolgt über Glasfasern – Lichtleiter in Form eines Bündels dünner transparenter Fäden, durch die das Signal aufgrund der Totalreflexion mit minimalen Verlusten und mit hoher Auflösung übertragen wird. Anstelle einer Fotodiode kann der Optokoppler einen Fototransistor, einen Fotothyristor oder einen Fotowiderstand enthalten.

In Abb. In Abb. 6.37 zeigt die symbolischen grafischen Symbole solcher Geräte.

Als Schalter dient ein Dioden-Optokoppler, der Strom mit einer Frequenz von 10 6 ... 10 7 Hz schalten kann und einen Widerstand zwischen Ein- und Ausgangskreis von 10 13 ... 10 15 Ohm aufweist.

Transistor-Optokoppler sind aufgrund der höheren Empfindlichkeit des Fotodetektors wirtschaftlicher als Dioden-Optokoppler. Allerdings ist ihre Geschwindigkeit geringer; die maximale Schaltfrequenz liegt meist nicht über 10 5 Hz. Genau wie Dioden haben Transistor-Optokoppler einen niedrigen Widerstand im offenen Zustand und einen hohen Widerstand im geschlossenen Zustand und sorgen für eine vollständige galvanische Trennung der Eingangs- und Ausgangskreise.

Durch die Verwendung eines Photothyristors als Photodetektor können Sie den Ausgangsstromimpuls auf 5 A oder mehr erhöhen. In diesem Fall beträgt die Einschaltzeit weniger als 10 -5 s und der Eingangseinschaltstrom überschreitet 10 mA nicht. Mit solchen Optokopplern können Sie Hochstromgeräte für verschiedene Zwecke steuern.

Schlussfolgerungen:

1. Der Betrieb optoelektronischer Geräte basiert auf dem Prinzip des internen photoelektrischen Effekts – der Erzeugung eines Ladungsträgerpaares „Elektron – Loch“ unter dem Einfluss von Lichtstrahlung.

2. Fotodioden haben eine lineare Lichtcharakteristik.

3. Fototransistoren haben aufgrund der Verstärkung des Fotostroms eine höhere integrale Empfindlichkeit als Fotodioden.

4. Optokoppler – optoelektronische Geräte, die für elektrische Isolierung sorgen

Eingangs- und Ausgangskreise.

5. Photomultiplier ermöglichen eine starke Steigerung des Photostroms durch Nutzung der Sekundärelektronenemission.

Kontrollfragen

1. Was ist der äußere und innere photoelektrische Effekt?

2. Durch welche Parameter zeichnet sich der Fotowiderstand aus?

3. Welche physikalischen Faktoren beeinflussen die Lichteigenschaften eines Fotowiderstands bei hohen Lichtströmen?

4. Was sind die Unterschiede in den Eigenschaften einer Fotodiode und eines Fotowiderstands?

5. Wie wandelt eine Fotozelle Lichtenergie direkt in elektrische Energie um?

6. Was sind die Unterschiede im Funktionsprinzip und in den Eigenschaften einer Fotodiode und eines bipolaren Fototransistors?

7. Warum kann ein Thyristor relativ höhere Leistungen steuern als die zulässige Verlustleistung des Photothyristors selbst?

8. Was ist ein Optokoppler?

ANWENDUNG. KLASSIFIZIERUNG UND BEZEICHNUNGEN VON HALBLEITERGERÄTEN

Um die Bezeichnungen zu vereinheitlichen und die Parameter von Halbleiterbauelementen zu standardisieren, wird ein Symbolsystem verwendet. Dieses System klassifiziert Halbleiterbauelemente nach ihrem Zweck, grundlegenden physikalischen und elektrischen Parametern, strukturellen und technologischen Eigenschaften und der Art der Halbleitermaterialien. Das Symbolsystem für Haushaltshalbleitergeräte basiert auf staatlichen und Industriestandards. Das erste GOST für das Bezeichnungssystem für Halbleiterbauelemente – GOST 10862–64 – wurde 1964 eingeführt. Als dann neue Klassifizierungsgruppen für Geräte auftauchten, wurde sie auf GOST 10862–72 und dann auf die Industriestandards OST 11.336.038–77 und OST 11.336.919–81 geändert. Bei dieser Modifikation blieben die Grundelemente des alphanumerischen Codes des Symbolsystems erhalten. Dieses Notationssystem ist logisch aufgebaut und lässt sich mit der Weiterentwicklung der Elementbasis ergänzen.

Grundbegriffe, Definitionen und Buchstabenbezeichnungen der Haupt- und Referenzparameter von Halbleiterbauelementen sind in GOSTs enthalten:

§ 25529–82 – Halbleiterdioden. Begriffe, Definitionen und Buchstabenbezeichnungen von Parametern.

§ 19095–73 – Feldeffekttransistoren. Begriffe, Definitionen und Buchstabenbezeichnungen von Parametern.

§ 20003–74 – Bipolartransistoren. Begriffe, Definitionen und Buchstabenbezeichnungen von Parametern.

§ 20332–84 – Thyristoren. Begriffe, Definitionen und Buchstabenbezeichnungen von Parametern.

 

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