Cilj rada je eksperimentalno proučavanje karakteristika fotosenzitivnih i svjetlosnih uređaja.

Kratke teorijske informacije.

Optoelektronski poluvodički uređaji se mogu podijeliti u dvije grupe: emitujuće i fotoosjetljive (fotodetektore). U prvu grupu spadaju LED diode i poluvodičke laserske emitere, a u drugu grupu spadaju fotodiode, fototranzistori, fototiristori, fotootpornici i niz drugih.

LED je uređaj s p-n spojevima između slojeva poluvodičkih materijala uključenih u njegov sastav. On pretvara energiju struje koja teče kroz nju u elektromagnetno nekoherentno zračenje.

Kada jednosmjerna struja prođe kroz diodu u zoni p-n spoja, dolazi do rekombinacije elektrona i rupa. Ovaj proces može biti praćen elektromagnetnim zračenjem sa frekvencijom određenom relacijom:

(5.1)

gdje

je vrijednost koja odgovara pojasnom pojasu poluvodiča, je Plankova konstanta. Međutim, istovremeno s ovim (radijativnim) mehanizmom rekombinacije djeluje i neradijativni mehanizam, koji je posebno povezan sa apsorpcijom energije kristalnom rešetkom. U proizvodnji LED dioda nastoji se smanjiti njihov utjecaj. Efikasnost pretvaranja električne energije u svjetlosnu energiju procjenjuje se vrijednošću , nazvan interni kvantni prinos. Određuje se odnosom broja emitovanih fotona i broja rekombinovanih parova nosača.

Kao što slijedi iz (5.1), talasna dužina LED zračenja

je obrnuto proporcionalan pojasu pojasa poluvodiča. Za diode napravljene od germanijuma, silicijuma i galij arsenida, maksimalna energija zračenja je u infracrvenom području, a osim toga, germanijumske i silicijumske diode imaju veliku verovatnoću neradijativne rekombinacije.

Za proizvodnju LED dioda koje emituju u vidljivom opsegu koriste se posebni poluvodički materijali - galijum fosfid, galijum nitrid, silicijum karbid i drugi sa velikim zazorom. Moderne LED diode koriste heterospojeve, odnosno poluvodičke strukture zasnovane na materijalima s različitim razmacima pojasa.

Na sl. Na slici 5.1 prikazana je zavisnost intenziteta zračenja LED dioda iz različitih materijala o talasnoj dužini (spektralne karakteristike), tamo je takođe prikazan simbol LED na električnim kolima.

Rice. 5.1. Spektralne karakteristike i oznaka LED dioda na električnim krugovima.

Strujno-naponska karakteristika LED diode (slika 5.2) slična je karakteristikama konvencionalne poluvodičke diode. Njegova posebnost je u tome što naponi naprijed mogu doseći nekoliko volti (zbog velikog pojasa), a reverzni naponi su mali zbog male debljine p-n spoja. U slučaju električnog kvara LED diode, uslijed udarne jonizacije, može doći i do zračenja elektromagnetne energije u volumenu p-n spoja. Međutim, intenzitet zračenja u ovom režimu je nizak i ne nalazi praktičnu primenu.

Rice. 5.2. Volt-amper karakteristike LED dioda.

Važna karakteristika LED-a je svjetlina, odnosno ovisnost svjetline zračenja na količinu jednosmerne struje. Svjetlina je određena omjerom intenziteta svjetlosti i površine svjetleće površine. Približan prikaz takve karakteristike prikazan je na Sl. 5.3. Njegove krivine u početnoj i završnoj sekciji objašnjavaju se činjenicom da na malim i velike struje povećava se vjerovatnoća neradijativne rekombinacije.

Rice. 5.3. Karakteristika svjetline za LED.

LED diode, za razliku od drugih emitujućih uređaja (sijalice sa žarnom niti i sl.), su vrlo brze (bez inercije). Vrijeme tokom kojeg svjetlosni tok koji generira LED kada se primijeni pravougaoni impuls jednosmerne struje dostiže maksimum nalazi se u rasponu od nekoliko mikrosekundi do desetina nanosekundi.

LED diode karakteriziraju sljedeći glavni parametri: valna dužina maksimalnog zračenja ili boja sjaja; svjetlina ili intenzitet svjetlosti u datom slučaju jednosmerna struja; pad napona naprijed za datu struju naprijed i maksimalnu dozvoljenu struju naprijed, obrnuti napon i snagu koju raspršuje LED.

Fotodioda je poluvodički uređaj čiji je p-n spoj otvoren za vanjsko zračenje. Ako vanjski izvori napona nisu povezani na terminale poluvodičke diode, tada je p-n spoj u ravnotežnom stanju. U ovom slučaju, razlika potencijala na terminalima diode jednaka je nuli, a na međusloju između slojeva poluvodiča postoji unutrašnja električno polje, što sprečava kretanje glavnih nosača kroz p-n spoj.

Pod djelovanjem elektromagnetnog zračenja (tokom osvjetljenja), u volumenu prijelaza, prekidaju se veze elektrona s atomima - stvaranje parova elektron-rupa. Ovaj fenomen se naziva unutrašnji fotoelektrični efekat. Polje p-n spoja će pomjeriti formirane rupe u regiju str-poluprovodnika, odnosno elektrona, in n-poluprovodnik, koji razdvaja generisane nosioce. Istovremeno će se pojaviti određena razlika potencijala na vanjskim rubovima poluvodičkih slojeva (“+” na anodi diode, “-” na njenoj katodi) i istovremeno visina potencijalne barijere pn spoj će se smanjiti za vrijednost ove razlike.

Razlika potencijala koju stvara fotodioda pod djelovanjem svjetlosti naziva se foto emf.

. Njegova vrijednost zavisi od svjetlosnog toka (slika 5.4), ali foto emf. ne može prekoračiti kontaktnu potencijalnu razliku . Ovo se objašnjava činjenicom da su pravci spoljašnjeg i unutrašnjeg polja suprotni i sa povećanjem ukupno električno polje, koje uzrokuje kretanje nosilaca naboja, opada. Kada je foto emf jednaka. I sila koja uzrokuje pomeranje nosača će nestati. Veličina razlike potencijala koja se formira na terminalima fotodiode s otvorenim vanjskim krugom naziva se napon idle move.

Rice. 5.4. Ovisnost foto emf i struja kratkog spoja p-n spoja od veličine svjetlosnog toka.

Ako su terminali diode sa osvijetljenim p-n spojem kratko spojeni, tada će kroz provodnik teći električna struja, koja se naziva fotostruja , zbog usmjerenog kretanja slobodnih nosača formiranih u prijelaznoj zoni. Njihovo kretanje će se dogoditi pod djelovanjem unutrašnjeg električnog polja prijelaza. Kada je fotodioda osvijetljena, ova struja će se održati zbog energije svjetlosnog zračenja, što uzrokuje stvaranje parova elektron-rupa. Sa nultim otporom vanjskog kola, takva struja se naziva struja kratkog spoja.

Vrijednost fotostruje , kao i vrijednost foto-emf, proporcionalna je svjetlosni tok(Sl. 5.4), ali odgovarajuća zavisnost

nema izraženo područje zasićenja, jer će s bilo kojim brojem formiranih nosilaca električno polje koje djeluje na njih biti jednako polju kontaktne potencijalne razlike.

Dakle, u prisustvu vanjskih izvora svjetlosti, fotodioda može poslužiti kao emf generator. ili trenutni, tj. obavljaju funkcije pretvaranja svjetlosne energije u električnu energiju. Na ovom principu se zasniva rad solarnih pretvarača (baterija). Opisani način rada fotodiode (bez eksternih izvora) naziva se gated.

Strujna naponska karakteristika fotodiode, tj. ovisnost struje kroz njega od veličine vanjskog primijenjenog napona je na određeni način povezana sa osvjetljenjem. Očigledno, ako p-n spoj nije osvijetljen, tada će strujno-naponska karakteristika fotodiode biti identična odgovarajućoj karakteristici konvencionalne diode. Ova situacija odgovara grafikonu na Sl. 5.5 for

=0.

Rice. 5.5. Volt-amper karakteristike fotodiode.

Kada se na zatamnjenu fotodiodu dovede obrnuti napon, kroz nju će teći takozvana tamna struja. , definiran, kao i za konvencionalnu diodu, omjerom:

(5.2)

gdje – struja zasićenja, je temperaturni potencijal,

- primijenjeni napon. Kada se p-n spoj blokirane diode osvijetli, u njenom volumenu i susjednim područjima će se generirati parovi nosača. One će biti odnesene vanjskim električnim poljem do rubova poluvodičkih slojeva i kroz diodu će teći reverzna struja

(5.3)

gdje - tamna struja, je struja koju stvaraju nosioci proizvedeni elektromagnetnim zračenjem (fotostruja). Ova struja uslovno ima negativan predznak. Budući da je veličina fotostruje proporcionalna svjetlosnom toku

, tada će se s povećanjem osvjetljenja reverzna grana CVC fotodiode pomjeriti naniže gotovo paralelno, kao što je prikazano na sl. 5.5. Ovaj način rada fotodiode (sa obrnutim prednagibom p-n spoja) naziva se fotodioda.

Ako se na fotodiodu primijeni napon jednak nuli, to će odgovarati njenom kratkom spoju i, kao što je ranije navedeno, određena struja će teći kroz vanjski krug, nazvan struja kratkog spoja

.

Kada se polaritet napona na diodi obrne, vanjsko električno polje se uključuje suprotno foto emf polju, što uzrokuje smanjenje protoka nosioca kroz p-n spoj i, shodno tome, smanjenje reverzne struje. Kada prednji napon dostigne određenu vrijednost, struja diode će se zaustaviti. Vrijednost ovog napona odgovara načinu mirovanja i bit će jednaka

koju generira dioda pri datom osvjetljenju i otvorenom vanjskom kolu. Daljnje povećanje razlike potencijala otvaranja će uzrokovati da struja napred teče kroz diodu, čija je ovisnost o naponu opisana relacijom sličnom (5.2)

, a ukupna struja će biti jednaka

.

Fotodiode se obično koriste kao svjetlosni senzori i rade u obrnutom prednaponu, odnosno u načinu rada fotodiode. Karakteriziraju ih sljedeći parametri: – tamna struja (reverzna struja zatamnjene fotodiode na datoj temperaturi i obrnutom naponu);

- integrirani, ili

– diferencijalna fotosenzitivnost. Ovo posljednje se često definira kao omjer promjene obrnute struje

na promjenu svjetlosnog toka koja ga je izazvala

.

Osetljivost fotodiode zavisi od talasne dužine primenjene svetlosti. Ova ovisnost za fotodiode izrađene od različitih materijala i njihova oznaka na dijagrami kola prikazano na sl. 5.6.

Rice. 5.6. Spektralne karakteristike fotodiode i njena oznaka na električnim krugovima.

Jer bipolarni tranzistor je struktura koja sadrži p-n spojeve, tada se kontrola struje u njoj može izvršiti ne samo promjenom odgovarajućih napona, već i osvjetljavanjem baze. Tranzistor za koji je predviđen ovaj način rada naziva se fototranzistor. U nedostatku osvjetljenja, njegove strujno-naponske karakteristike su identične onima kod konvencionalnog tranzistora.

Pod uticajem svetlosnog toka, parovi elektron-rupa će se generisati u p-n spojevima baznog regiona. Polje blokiranog kolektorskog spoja, elektroni (za npn tranzistor) će biti uvučeni u područje kolektora, povećavajući njegovu struju. Ova situacija je slična radu fotodiode u režimu obrnutog prednapona.

Rupe koje su se pojavile kada je fototranzistor (tipa n-p-n) bio osvijetljen ostaju u bazi, povećavajući njen pozitivni potencijal, što dovodi do povećanja intenziteta ubrizgavanja elektrona iz emitera. Dodatni elektroni, koji stignu do kolektorskog spoja, svojim će poljem biti uvučeni u područje kolektora i stvoriti dodatni prirast kolektorske struje. Ukupna struja kolektora fototranzistora kada je uključen prema zajedničkom emiterskom krugu biće opisana relacijom:

gdje

– kroz struju kolektora, je fotostruja kolektorskog spoja, čija vrijednost ovisi o vanjskom osvjetljenju. Iz (5.4) proizilazi da se struja kolektora fototranzistora može kontrolisati i kroz osnovno kolo i promjenom vrijednosti svjetlosnog toka. Fotoosjetljivost takvog tranzistora je otprilike

puta osetljivost fotodiode.

Familija izlaznih strujno-naponskih karakteristika fototranzistora prikazana je na sl. 5.7. Također prikazuje ekvivalentno kolo fototranzistora u obliku kombinacije konvencionalnog tranzistora i fotodiode.

Rice. 5.7. Strujno-naponske karakteristike, oznaka i ekvivalentni prikaz bipolarnog fototranzistora.

Ako kombinovana kontrola struje kolektora nije potrebna, onda fototranzistor možda nema osnovni pin. Ovaj način rada naziva se "otkinuti" ili slobodna baza. U ovom slučaju fototranzistor ima ne samo maksimalnu osjetljivost, već i maksimalnu nestabilnost svojih parametara. Kako bi se povećala stabilnost, izlaz baze preko otpornika može se povezati na kontakt emitera.

Fototiristori su prekidački poluvodički uređaji, čiji se napon uključivanja može promijeniti pod utjecajem odgovarajućih p-n spojeva svjetlosnog toka. Uslov za uključivanje tiristora je sljedeći:

, gdje I su koeficijenti prijenosa ekvivalentnih tranzistora. U nedostatku osvjetljenja, strujno-naponska karakteristika fototiristora je slična onoj kod konvencionalnog sklopnog uređaja (dinistor ili tiristor na

). Osvjetljenje fototiristorskih spojeva uzrokuje povećanje struja odgovarajućih tranzistora i njihovih koeficijenata prijenosa. Ovo će smanjiti napon uključivanja strukture, kao što je prikazano na sl. 5.8. U slučaju dovoljno intenzivnog osvjetljenja, fototiristor će se uključiti na bilo koju vrijednost napona naprijed, kao i tiristor na kontrolnu struju veću od struje ispravljanja.

Rice. 5.8. Strujno-naponske karakteristike i oznaka fototiristora.

Dakle, primjenom nekog napona na zamračeni fototiristor, a zatim kratkim osvjetljavanjem p-n spoja, uređaj se može prebaciti u uključeno stanje. Isključivanje fototiristora, poput konvencionalnog sklopnog uređaja, moguće je samo kada se anodna struja smanji na vrijednost manju od struje zadržavanja. Fototiristor može imati i dodatni izlaz - kontrolnu elektrodu, koja mu omogućava da se uključi kada se primijeni i električni i svjetlosni signal.

Fotootpornik je poluvodički uređaj s dvije elektrode, čiji otpor ovisi o ambijentalnom svjetlu. Za razliku od prethodno razmatranih uređaja, fotootpornik ne sadrži ispravljačke spojeve i predstavlja linearni element, tj. njegova strujna-naponska karakteristika je opisana za bilo koji polaritet napona omjer:

, gdje je struja koja teče kroz fotootpornik, - otpor pri datom osvetljenju. Strujno-naponske karakteristike fotootpornika i njegova oznaka na električnim krugovima prikazani su na sl. 5.9.

Rice. 5.9. Strujno-naponske karakteristike i oznaka fotootpornika na električnim kolima.

Glavni parametri fotootpornika su: otpornost na tamu (otpor na svjetlosni tok

), mnogostrukost promjene otpora , jednak omjeru otpora tame prema otporu pri datom osvjetljenju. Fotootpornici, poput fotodioda, različito reaguju na svjetlosne tokove različitih valnih dužina. Najosjetljiviji na infracrveno zračenje su fotootpornici od selenida olova i olovnog sulfida, a pri radu u vidljivom opsegu koriste se fotootpornici od selenida i kadmijum sulfida.

Emiter svjetlosti i fotodetektor mogu se smjestiti u jedno kućište, formirajući uređaj koji se naziva optokapler ili optokapler. U zavisnosti od kombinacije emitera i prijemnika svetlosti, postoje različite vrste optocouplers. Struktura i oznake na šematskim dijagramima nekih od njih prikazani su na sl. 5.10.

Rice. 5.10. Oznaka na električnim krugovima različitih tipova optospojnika.

Opis laboratorijske postavke.

Instalacija za laboratorijski rad br. 5 „Istraživanje optoelektronskih uređaja» sastoji se od laboratorijskih i mjernih postolja, izgledčije su prednje ploče prikazane na slikama 1.8 i 5.11.

Laboratorijski stalak sadrži podesivo napajanje sa opsegom izlaznog napona od 0 15V i limiter struje opterećenja na 60mA. Prekidač za uključivanje napajanja, dugme za podešavanje napona i izlazne utičnice nalaze se na desnoj strani panela laboratorijskog postolja. Tu je i dugme sa oznakom „Isključeno. E", kada se pritisne, izlazni napon se isključuje iz utičnice označene "+".

Osim toga, postoje dva izvora struje, čije vrijednosti postavljaju odgovarajući prekidači. Osnovna struja može se postaviti na nulu, 0,1 µA, 1 µA, 10 µA i struju drugog izvora – 0, 0,5 mA, 10 mA, 20 mA i 30 mA.

U ovom laboratorijski rad Istražene su karakteristike LED dioda AL336B (VD1) sa crvenom, AL336G (VD2) sa zelenom luminiscencijom i infracrvene LED AL107A (VD3).

Otpornik sa nominalnom vrijednošću od 680 oma služi za ograničavanje količine jednosmjerne struje kroz LED diode. Osim toga, provode se istraživanja na fotodetektorima razne vrste, koji su dio optospojnika diode AOD101A (U1), tranzistora AOT128A (U2), tiristora AOU103V (U3) i otpornika OEP10 (U4). Otpornici

(vrijednost 1 kOhm) i

(vrijednost 10 kOhm) se koriste u proučavanju optokaplera u režimu prijenosa analognog signala, izvedenom u radu br. 6.

Laboratorijsko postolje se uključuje prekidačem “On”. Rad izvora napajanja je prikazan zelenom LED diodom koja se nalazi na ovom prekidaču.

Postupak izvođenja laboratorijskih radova.

1. Kućna priprema.

U toku kućne pripreme potrebno je, koristeći referentnu literaturu, odrediti i zapisati u radnu svesku glavne parametre poluvodičkih uređaja koji se proučavaju u ovom radu. Pored toga, potrebno je nacrtati dijagrame za mjerenje i tabele za evidentiranje rezultata istraživanja.

2. Izvođenje laboratorijskih radova.

2.1. Proučavanje strujno-naponskih karakteristika LED dioda.

Sastavite, koristeći VD1 diodu, kolo prikazano na sl. 5.12.

Rice. 5.12. Šema za proučavanje direktne grane strujno-naponskih karakteristika LED dioda.

Postavite dugme regulatora napona u krajnji lijevi položaj (

); PV1 granica mjerenja - 1.5V, granica mjerenja PA1 - 10mA. Uključite napajanje laboratorijske klupe.

Okretanjem dugmeta udesno, povećajte napon izvora napajanja, izmerite zavisnost pada napona na diodi od prednje struje, postavljajući njene vrednosti na: 0mA, 1mA, 3mA, 5mA, 10mA , 20mA, 30mA, 40mA, 50mA. Popunite prvi red tabele primljenim podacima:

(mA)
(IN)
(IN)
(IN)

Izvršite slična mjerenja za diode VD2, VD3. Njihovo povezivanje mora se izvesti s laboratorijskim stalkom bez napajanja.

Sastavite, koristeći VD1 diodu, kolo prikazano na sl. 5.13.

Rice. 5.13. Šema za proučavanje reverzne grane strujno-naponske karakteristike LED dioda.

Postavite granicu mjerenja PA1 - 0,1mA, PV1 - 15V. Promjenom napona blokiranja na diodi sa regulatorom, izmjerite obrnutu struju i popunite prvi red tabele:

(IN)
(mA)
(mA)
(mA)

Izvršite slična mjerenja za diode VD2, VD3.

2.2. Ispitivanje strujno-naponskih karakteristika fotodiode.

U ciklusu ovih istraživanja korištena je fotodioda galij-arsenid, koja je dio diodnog optospojlera U1.

2.2.1. Ispitivanje direktne grane strujno-naponske karakteristike fotodiode.

Sastavite kolo prikazano na sl. 5.14.

Rice. 5.14. Šema za proučavanje direktne grane strujno-naponske karakteristike fotodiode.

Postavite regulator napona u krajnji lijevi položaj (

), prekidač koji postavlja struju - u nulto stanje, granica mjerenja voltmetra PV1 je 0,75V, miliampermetra PA1 je 10mA.

Povećanjem izlaznog napona napajanja, postavite jednosmerne struje fotodiode jednake onima navedenim u tabeli na sl. 5.15, izmjeriti pad napona na njemu i popuniti prvi red tabele dobijenim podacima.

Postavljanjem prekidača sa natpisom "I" vrijednosti struje LED-a su jednake 5, 10, 20 i 30 mA i time povećavajući osvjetljenje fotodiode, izvode slična mjerenja.

(mA)
(IN)									mA
(IN)									mA
(IN)									mA
(IN)									mA
(IN)									mA

Rice. 5.15. Tablica za bilježenje rezultata istraživanja direktne grane strujno-naponske karakteristike fotodiode.

2.2.2. Ispitivanje napona otvorenog kola i struje kratkog spoja fotodiode.

Isključite napajanje iz strujnog kruga (slika 5.14) i, postavljajući struju kroz LED na 0,5, 10, 20 i 30 mA, izmjerite vrijednosti napona otvorenog kruga fotodiode kada radi u ventilskom režimu . Zapišite rezultate u tabelu:

(mA)
(IN)

Da biste izmjerili struju kratkog spoja, sastavite kolo prikazano na sl. 5.16. Postavljanjem struja kroz LED u skladu sa onima navedenim u gornjoj tabeli, izmjerite vrijednosti struja kratkog spoja fotodiode i unesite rezultate u donji red tabele.

Rice. 5.16. Krug za mjerenje struje kratkog spoja fotodiode kada ona radi u načinu rada kapije.

2.2.3. Ispitivanje međugrane strujno-naponske karakteristike fotodiode pri radu u ventilskom režimu.

Sastavite kolo prikazano na sl. 5.17.

Rice. 5.17. Šema za proučavanje strujno-naponskih karakteristika fotodiode.

Postavite LED struju na 5 mA. Promjenom napona na izlazu napajanja, postavite struju kroz fotodiodu na nulu. Ovaj napon bi trebao biti blizu prethodno izmjerene vrijednosti.

pri odgovarajućoj LED struji. Smanjujući napon na nulu, izmjerite struje fotodiode za tri do pet njegovih vrijednosti i unesite rezultate u tabelu:

(IN)
(mA)

Količina napredne struje pri nultom naponu napajanja treba biti blizu odgovarajuće vrijednosti

. Izvršite ciklus sličnih mjerenja za struje kroz LED, jednake 10, 20 i 30mA.

2.2.4. Ispitivanje reverzne grane strujno-naponske karakteristike fotodiode.

Sastavite kolo prikazano na sl. 5.18.

Rice. 5.18. Šema za proučavanje reverzne grane strujno-naponske karakteristike fotodiode.

Postavite struju kroz LED na nulu, napon napajanja blizu nule, granica mjerenja PV1 je 15V, granica mjerenja PA1 je 0,1mA.

Izvršite mjerenja zavisnosti reverzne struje fotodiode od veličine napona blokiranja i popunite prvi red tabele prikazane na sl. 5.19. Podešavajući struju kroz LED na 5, 10, 20 i 30mA, izvršite slična mjerenja i unesite rezultate u istu tabelu.

(IN)
(mA)								mA
(mA)								mA
(mA)								mA
(mA)								mA
(mA)								mA

Rice. 5.19. Tablica za bilježenje rezultata u proučavanju reverzne grane strujno-naponske karakteristike fotodiode.

2.3. Proučavanje izlaznih karakteristika fototranzistora.

U toku ovih studija koristi se fototranzistor koji je dio optokaplera tranzistora.

.

Sastavite kolo prikazano na sl. 5.20.

Rice. 5.20. Šema za proučavanje izlaznih karakteristika fototranzistora.

Podesite struje I jednak nuli, dugme regulatora napona je u krajnjem levom položaju, granica merenja PA1 je 0,1mA, granica merenja PV1 je 15V.

Izmjerite struju kolektora tranzistora pri naponu napajanja od 0, 1, 3, 6, 9, 12 i 15V i unesite rezultate u odgovarajući red tabele prikazane na sl. 5.21. Podešavajući osnovne struje na 1, 5 i 10 μA, izvršite slična mjerenja za neupaljeni tranzistor (sa

= 0). Zapišite rezultate u odgovarajuće redove tabele.

Postavite LED struju na 20mA i izvršite ciklus sličnih mjerenja.

(IN)
(mA)
(mA)								uA
(mA)								uA
(mA)								uA
(mA)									mA
(mA)								uA
(mA)								uA
(mA)								uA

Rice. 5.21. Tablica za bilježenje rezultata proučavanja izlaznih karakteristika fototranzistora.

2.4. Proučavanje fototiristora.

Prilikom izvođenja ove stavke koristi se fototiristor, koji je dio tiristorskog optospojnika

.

Sastavite kolo prikazano na sl. 5.22.

Rice. 5.22. Šema za proučavanje fototiristora.

Postavite struju kroz fotodiodu na nulu, dugme regulatora izlaznog napona u krajnji levi položaj, granica merenja PV1 je 15V.

Povećavajući napon napajanja, pokušajte uključiti tiristor. Ako je omogućeno, VD2 LED će zasvijetliti. Izmjerite vrijednost

. Smanjite napon napajanja na nulu i pritisnite dugme "Off". E" za prebacivanje tiristora u prvobitno stanje. Podešavajući LED struju na 2, 5, 10 i 20mA, izvršite slična mjerenja i unesite rezultate u tabelu:

(mA)
(IN)

Postavite LED struju na nulu. Isključite tiristor. Postavite maksimalni napon napajanja i, uzastopno povećavajući struju kroz LED, uključite tiristor. Pokušajte ga isključiti smanjenjem LED struje na nulu.

2.5. Studija fotootpornika.

Prilikom izvođenja ovog dela laboratorijskog rada ispituju se karakteristike fotootpornika koji je dio optokaplera.

.

Sastavite kolo prikazano na sl. 5.23.

Rice. 5.23. Šema za proučavanje fotootpornika.

Podesite struju jednak nuli, dugme regulatora napona - u krajnji levi položaj (

), granica mjerenja PV1 - 15V, PA1 - 0,1mA.

Promjenom napona na fotootporniku izmjerite struju koja teče kroz njega i unesite rezultate u prvi red tabele prikazane na sl. 5.24. Uzastopnim povećanjem vrijednosti struja kroz žarulju sa žarnom niti, izvršite slična mjerenja i zapišite rezultate u odgovarajuće redove tabele.

(IN)
(mA)							mA
(mA)							mA
(mA)							mA
(mA)							mA
(mA)							mA

Rice. 5.24. Tablica za bilježenje rezultata istraživanja strujno-naponskih karakteristika fotootpornika.

Obrnite polaritet napona napajanja i merni instrumenti(sastavite kolo prikazano na slici 5.25). Izvršite ciklus sličnih mjerenja i zabilježite rezultate u tabelu.

Rice. 5.25. Šema za proučavanje strujno-naponskih karakteristika fotootpornika sa obrnutim polaritetom napona.

3. Obrada eksperimentalnih rezultata.

3.1. Obrada rezultata dobijenih tokom izvršenja stava 2.1.

Na jednom listu milimetarskog papira konstruisati direktnu i obrnutu granu strujno-naponskih karakteristika ispitivanih dioda, uzimajući skalu duž ose struja i napona za direktnu granu 5mA/cm, 0,5V/cm, odnosno za obrnuta grana 0,1mA/cm i 1,5V/cm.

3.2. Obrada rezultata iz stava 2.2.1 2.2.4 laboratorijski rad.

Konstruišite na jednom listu milimetarskog papira familiju punih strujno-naponskih karakteristika fotodiode na različitim nivoima osvetljenja, datih strujom LED-a. Skala duž strujne ose za direktnu granu strujno-naponske karakteristike postavljena je na 5mA/cm, po naponskoj osi 0,1V/cm. Prilikom konstruiranja obrnute grane, uzmite skale jednake 0,1 mA / cm i 1,5 V / cm. Označite karakteristike vrijednosti napona otvorenog kola i struje kratkog spoja.

Na osnovu podataka dobijenih u paragrafu 2.2.2, izgraditi zavisnosti

I

, gdje je struja kroz LED. Vage duž osa, na kojima su ucrtane vrijednosti odgovarajućih veličina, treba postaviti na 5 mA / cm - duž trenutne ose ; 0,1V / cm - duž ose

i 0,2 mA / cm - duž ose

.

3.3. Obrada rezultata dobijenih tokom izvršenja stava 2.3.

Konstruisati na jednom listu milimetarskog papira familiju izlaznih karakteristika fototranzistora pri različite vrijednosti LED struja. Na osi napona odaberite skalu jednaku 1V/cm, a na osi struje 2mA/cm.

3.4. Obrada rezultata iz stava 2.4 laboratorijskog rada.

Nacrtajte zavisnost napona uključivanja fototiristora od struje LED-a, birajući skalu duž strujne ose 2mA/cm, a duž ose napona 3V/cm. Objasnite rezultate dobijene u ovom dijelu.

3.5. Obrada rezultata iz stava 2.5.

Izgradite na jednom listu milimetarskog papira familiju strujno-naponskih karakteristika fotootpornika za oba polariteta primijenjenog napona, birajući skalu duž strujne ose od 5 mA/cm, a duž ose napona 3 V/cm.

Na osnovu ovih karakteristika odredite otpor fotootpornika u području nultih napona pri različitim nivoima osvjetljenja, nacrtajte ovisnost otpora fotootpornika od veličine struje koja teče kroz izvor zračenja.

Sak A.V. Ekonomsko predviđanje i planiranje (dokument)

Klinachev N.V. Teorija sistema automatskog upravljanja (Dokument)

Bocharov A.B. Nastavno-metodički kompleks za predmet Logika (Dokument)

Bakharev P.V. arbitražni proces. Obrazovno-metodički kompleks (Dokument)

Starova L.I. Analiza proizvodnih i ekonomskih aktivnosti preduzeća (Dokument)

Svetlitsky I.S. Ekonomska teorija (dokument)

Danilchenko A.V. (i drugi) Svjetska ekonomija: obrazovno-metodološki kompleks (dokument)

Gutkovich E.M. Nastavno-metodički kompleks iz discipline Bankarsko pravo (Dokument)

n1.doc

Tema 4.1 Osnove optoelektronike. Klasifikacija optoelektronskih uređaja.
Optoelektronika je važno nezavisno područje funkcionalne elektronike i mikroelektronike. Optoelektronski uređaj je uređaj u kojem se, prilikom obrade informacija, električni signali pretvaraju u optičke signale i obrnuto.

• 
  Bitna karakteristika optoelektronskih uređaja je da su elementi u njima optički spregnuti, ali međusobno električni izolovani.

Ovo olakšava usklađivanje visokonaponskih i niskonaponskih, kao i visokofrekventnih i niskofrekventnih kola. Osim toga, optoelektronskim uređajima su svojstvene i druge prednosti: mogućnost prostorne modulacije svjetlosnih snopova, što u kombinaciji sa promjenama u vremenu daje tri stepena slobode (dva u čisto elektronskim kolima); mogućnost značajnog grananja i ukrštanja svjetlosnih zraka u odsustvu galvanske veze između kanala; veliko funkcionalno opterećenje svjetlosnih snopova zbog mogućnosti promjene mnogih njihovih parametara (amplituda, smjer, frekvencija, faza, polarizacija).

Optoelektronika pokriva dva glavna nezavisna područja - optičku i elektronsko-optičku. Optički smjer se zasniva na efektima interakcije čvrstog tijela sa elektromagnetnim zračenjem. Oslanja se na holografiju, fotohemiju, elektrooptiku i druge fenomene. Optički smjer se ponekad naziva i laserski smjer.

Elektronsko-optički pravac koristi princip fotoelektrične konverzije, implementiran u čvrsto tijelo putem unutrašnjeg fotoelektričnog efekta, s jedne strane, i elektroluminiscencije, s druge strane. Ovaj pravac se zasniva na zamjeni galvanskih i magnetskih veza u tradicionalnim elektronskim kolima optičkim. To vam omogućava da povećate gustoću informacija u komunikacijskom kanalu, njegovu brzinu, otpornost na buku.

Glavni element optoelektronike je optocoupler. Postoje optokapleri sa unutrašnjim (slika 9.4, ali) i spoljašnji (Sl. 9.4, b) fotonskim vezama. Najjednostavniji optospojnik je četveropolni (slika 9.4, ali), koji se sastoji od tri elementa: foto emitera 1 , svjetlovod 2 i prijemnik svjetla 3, zatvoreno u zapečaćenu svetlo-nepropusnu kutiju. Kada se na ulaz primijeni električni signal u obliku impulsa ili pada ulazne struje, pobuđuje se fotoemiter. Svjetlosni tok kroz svjetlosni vodič ulazi u fotodetektor, na čijem se izlazu formira električni impuls ili pad izlazne struje. Ova vrsta optokaplera je pojačivač električnih signala, u kojem je unutrašnja sprega fotonska, a vanjska električna .

Drugi tip optokaplera je sa električnom unutrašnjom spregom i fotonskim eksternim spojnicama (slika 9.4, b) - je pojačivač svjetlosnih signala, kao i pretvarač signala jedne frekvencije u signale druge frekvencije, na primjer signale infracrveno zračenje u signale vidljivog spektra. svjetlosni prijemnik 4 pretvara ulazni svjetlosni signal u električni signal. Ovo posljednje je pojačano 5 i pobuđuje izvor svjetlosti 6.

Trenutno je razvijen veliki broj optoelektronskih uređaja.

Lična svrha. U mikroelektronici se po pravilu koriste samo oni optoelektronski funkcionalni elementi za koje postoji mogućnost integracije, kao i kompatibilnost njihove proizvodne tehnologije sa tehnologijom proizvodnje odgovarajućih integriranih kola.

Fotoemiteri. Izvori svjetlosti u optoelektronici podliježu zahtjevima kao što su minijaturizacija, niska potrošnja energije, visoka efikasnost i pouzdanost, dug vijek trajanja, proizvodnost. Moraju imati veliku brzinu, omogućiti mogućnost proizvodnje u obliku integrisanih uređaja.

Većina široku upotrebu primljeni kao elektroluminiscentni izvori LED diode za ubrizgavanje, u kojoj je emisija svjetlosti određena mehanizmom međupojasne rekombinacije elektrona i rupa. Ako je dovoljno propušteno visoka struja injekcija

Rice. 9.5. Na objašnjenje principa rada injekcione LED diode

preko str- n-prelazak (u smjer naprijed), tada će neki od elektrona iz valentnog pojasa otići u provodni pojas (slika 9.5). U gornjem dijelu valentnog pojasa nastaju slobodna stanja (rupe), a u donjem dijelu vodljivog pojasa, punjenje stanja

Nia (elektroni provodljivosti). Takva inverzna populacija nije ravnotežna i dovodi do haotične emisije fotona tokom reverznih prelaza elektrona. Nastaje u isto vrijeme u R-n-prelaz nekoherentnog sjaja i elektroluminiscencije. Foton emitovan tokom luminiscentnog prelaza iz ispunjenog dela provodnog pojasa u slobodni deo valentnog pojasa izaziva indukovanu emisiju identičnog fotona, uzrokujući da drugi elektron skoči u valentni pojas. Međutim, foton iste energije (iz ∆ E= E 2 - E 1 prije ∆ E=2? E) se ne može apsorbirati, jer je donje stanje slobodno (nema elektrona), a gornje stanje je već popunjeno. To znači da str- n-prijelaz je transparentan za fotone takve energije, odnosno za odgovarajuću frekvenciju. Obrnuto, fotoni sa energijama većim od ∆ E+2? E, mogu se apsorbirati prijenosom elektrona iz valentnog pojasa u provodni pojas. Istovremeno, za takve energije indukovana emisija fotona je nemoguća, jer gornje početno stanje nije ispunjeno, dok je donje stanje ispunjeno. Stoga je stimulirana emisija moguća u uskom rasponu oko frekvencije koja odgovara energiji pojasnog pojasa ∆E sa širinom spektra ? E.

Najbolji materijali za LED diode su galijum arsenid, galijum fosfid, silicijum fosfid, silicijum karbid, itd. LED diode imaju veliku brzinu (oko 0,5 µs), ali troše veliku struju (oko 30 A/cm2). Nedavno su razvijene LED diode na bazi galij arsenida - aluminija, čija se snaga kreće od frakcija do nekoliko milivata pri jednosmjernoj struji od desetina miliampera. Efikasnost LED dioda ne prelazi 1 - 3%.

Obećavajući izvori svjetlosti su injekcioni laseri, omogućavajući koncentrisanje visokih energija u uskom spektralnom području uz veliku efikasnost i brzinu (desetine pikosekundi). Ovi laseri se mogu napraviti u obliku matrica na jednom osnovnom čipu koristeći istu tehnologiju kao i integrirana kola. Nedostatak jednostavnih injekcionih lasera je što imaju prihvatljive performanse samo kada se koristi hlađenje na vrlo niske temperature. Na normalnoj temperaturi, galijum-arsenidni laser ima mali prosečna snaga, niska efikasnost (oko 1%), niska stabilnost i radni vijek. Daljnje poboljšanje injekcijskog lasera stvaranjem spoja složene strukture pomoću heterospojnica (heterospojnica - granica između slojeva s istim tipovima električne provodljivosti, ali s različitim razmacima u pojasu) omogućilo je dobijanje izvora svjetlosti male veličine koji radi na normalna temperatura sa efikasnošću od 10 - 20 % i prihvatljivim karakteristikama.

Fotodetektori. Za pretvaranje svjetlosnih signala u električne koriste se fotodiode, fototranzistori, fotootpornici, fototiristori i drugi uređaji.

Fotodioda je pristrasna obrnuti smjer str- n-prijelaz, čija je obrnuta struja zasićenja određena brojem nosilaca naboja nastalih u njemu djelovanjem upadne svjetlosti (slika 9.6). Parametri fotodiode izraženi su u smislu vrijednosti struje koja teče u njenom kolu. Osjetljivost fotodiode, koja se obično naziva integralnom, definira se kao omjer fotostruje i svjetlosnog toka koji ga je uzrokovao. F ? . Prag osjetljivosti fotodioda procjenjuje se iz poznatih vrijednosti integralne (strujne) osjetljivosti i tamne struje I d, tj. struja koja teče u kolu u odsustvu zračenja osjetljivog sloja.

Glavni materijali za fotodiode su germanijum i silicijum. Silicijumske fotodiode su obično osetljive u uskom području spektra (od? = 0,6 - 0,8 µm do? = 1,1 µm) sa maksimumom na? = 0,85 µm, a germanijumske fotodiode imaju granice osjetljivosti? \u003d 0,4 - 1,8 mikrona sa maksimumom na? ? 1,5 µm. U fotodiodnom režimu sa naponom napajanja od 20 V, tamna struja silicijumskih fotodioda obično ne prelazi 3 μA, dok kod germanijuma; fotodiode na naponu napajanja od 10 V, dostiže 15-20 μA.

Fototranzistori su prijemnici energije zračenja sa dva ili više r-p- tranzicije koje imaju svojstvo pojačavanja fotostruje kada se osjetljivi sloj ozrači. Fototranzistor kombinuje svojstva fotodiode i svojstva pojačanja tranzistora (slika 9.7). Prisutnost optičkih i električnih ulaza u fototranzistoru u isto vrijeme omogućava stvaranje pristranosti potrebnog za rad u linearnom dijelu energetske karakteristike, kao i kompenzaciju vanjskih utjecaja. Da bi se detektovali mali signali, napon uzet iz fototranzistora mora biti pojačan. U tom slučaju povećajte izlazni otpor naizmjenična struja sa minimalnom tamnom strujom u kolektorskom kolu, stvarajući pozitivnu pristranost na bazi.

Svetlosni vodiči. Između izvora i prijemnika svjetlosti u optokapleru je svjetlovod. Da bi se smanjili gubici refleksije sa interfejsa između LED diode i provodnog medija (optičko vlakno), potonji mora imati visok indeks loma. Takvi mediji se nazivaju imerzija. Materijal za uranjanje mora takođe imaju dobru adheziju na materijale izvora i prijemnika, obezbeđuju dovoljno poklapanje u pogledu koeficijenata ekspanzije, budu transparentni u radnom prostoru, itd. 2, 4-2.6. Na sl. 9.8 prikazano poprečni presjek solid-state optocoupler sa imerzionim svjetlovodom.

Tanke niti od stakla ili prozirne plastike koriste se kao svjetlosni vodiči u optoelektronici. Ovaj pravac se naziva optička vlakna. Vlakna su prekrivena svjetlosno izolacijskim materijalima i povezana u višežilne svjetlosne kablove. Oni obavljaju istu funkciju u odnosu na svjetlost kao metalne žice u odnosu na struju. Uz pomoć optičkih vlakana moguće je: izvršiti prijenos slike element po element u rezoluciji koja je određena promjerom optičkog vlakna (oko 1 mikron); proizvesti prostorne transformacije slike zbog mogućnosti savijanja i uvrtanja vlakana svjetlosnog vodiča; prenose slike na znatne udaljenosti, itd. Na sl. 9.9 prikazuje svjetlovod u obliku kabla od svjetlovodnih vlakana.

Integral optika. Jedno od obećavajućih oblasti funkcionalne mikroelektronike je integrisana optika, koja obezbeđuje stvaranje superefikasnih sistema za prenos i obradu optičkih informacija. Područje istraživanja integrirane optike uključuje širenje, transformaciju i pojačanje elektromagnetnog zračenja u optičkom opsegu u dielektričnim tankoslojnim valovodima i optičkim vlaknima. Glavni element integrirane optike je rasuti ili površinski optički mikrovalni vodič. Najjednostavniji simetrični volumetrijski optički mikrotalasni vodič je područje lokalizirano u jednoj ili dvije prostorne dimenzije s indeksom prelamanja većim od onog u okolnom optičkom mediju. Takvo optički gušće područje je nešto drugo od kanala ili nosećeg sloja dielektričnog talasovoda.

P Primjer asimetričnog površinskog dielektričnog valovoda je tanak film optički prozirnog dielektrika ili poluvodiča s indeksom loma većim od optički prozirnog supstrata. Stepen lokalizacije elektromagnetnog polja, kao i omjer energetskih tokova koji se prenose duž nosećeg sloja i podloge, određeni su efektivnom poprečnom veličinom nosećeg sloja i razlikom indeksa prelamanja nosećeg sloja i podloge. supstrat na datoj frekvenciji zračenja. Relativno jednostavan i najprikladniji za optičke uređaje u čvrstom stanju je mikrovalni vodič optičke trake, napravljen u obliku tankog dielektričnog filma (slika 9.10), nanesenog na podlogu mikroelektronskim metodama (na primjer, vakuumskim taloženjem). Koristeći masku, cijeli optički krugovi se mogu primijeniti na dielektričnu podlogu s visokim stupnjem tačnosti. Upotreba litografije elektronskim snopom osigurala je uspjeh u stvaranju kako pojedinačnih optičkih trakastih valovoda i optički spregnutih na određenoj dužini, tako i divergentnih valovoda, što je neophodno za stvaranje usmjerenih sprežnika i frekvencijsko-selektivnih filtera u integriranim optičkim sistemima. .

Optoelektronska mikro kola. Na

Na bazi optoelektronike razvijen je veliki broj mikro kola. Razmotrite neke optoelektronske mikro krugove koje proizvodi domaća industrija. U mikroelektronici se najčešće koriste optoelektronski mikro krugovi galvanske izolacije. To uključuje brze prekidače, analogne signalne prekidače, prekidače i analogne optoelektronske uređaje dizajnirane za upotrebu u sistemima za funkcionalnu obradu analognog signala.

Glavni element svakog optoelektronskog mikro kola je par optospojnika (slika 9.11, ali, b) koji se sastoji od izvora svjetlosti 1 , kontrolisan ulaznim signalom, imerzioni medij 2, optički spojen na izvor svjetlosti i fotodetektor 3. Parametri optokaplera su otpor izolacije jednosmerne struje, omjer prijenosa struje (odnos fotostruje prijemnika prema struji emitera), vrijeme prebacivanja i prolazna kapacitivnost.

Na osnovu optoelektronskih parova stvaraju se optoelektronska mikro kola za različite namene.

Rice. 9.11. Šema i tehnološka izvedba optokaplera:

1 - izvor svjetlosti; 2 - medij za uranjanje; 3 - fotodetektor.

Tema 4.2 ELEMENTI OPTOELEKTRONSKIH UREĐAJA
1. Optoelektronski prekidač predstavlja hibridno mikrokolo koje sadrži optoelektronski par i pojačalo. Prekidač koristi visokoefikasne silicijum-dopirane galij apcenid LED diode i silicijum velike brzine str- i- n-fotodiode. Medijum za uranjanje je halkogenidno staklo sa indeksom prelamanja od 2,7. Koeficijent prijenosa struje u optoelektronskom paru je 3-5 pri normalnoj temperaturi, vremena uključivanja (zbir vremena kašnjenja i porasta) su 100-250 ps, ​​galvanska izolacija LED kola i fotodetektora u jednosmjerna struja je 10 9 Ohma. Mikrokolo je napravljeno u okruglom staklo-metalnom paketu tipa TO-5.

2. Optoelektronski ključ dizajniran za prebacivanje visokonaponskih AC i DC kola. Ima četiri nezavisna kanala, od kojih svaki sadrži dva optoelektronska para koja se sastoje od LED i visokonaponskog str- i- n- fotodioda. Fotodiode su povezane jedna uz drugu, pa je otpor prekidača u isključenom stanju (u nedostatku struje kroz LED diode), bez obzira na polaritet primijenjenog napona, određen tamnim otporom obrnutog - pristrasan str- i- n- fotodioda; njegova vrijednost je približno 10 9 oma.

3. tranzistorski ključ dizajniran za prebacivanje jednosmjernih napona do 50 V. Uređaj ima dva nezavisna kanala, od kojih svaki sadrži optoelektronski par koji se sastoji od LED diode galij arsenida i silikona n- str- i- n- fototranzistor. Optoelektronski par ima koeficijent prijenosa struje 2, nazivnu radnu struju od 10 mA i brzinu u modu pojačanja od 100-300 ns.

4.Prekidač analognog signala dizajniran za upotrebu u sistemima selektivne obrade analognih signala. Dijagram ožičenja jedan prekidač kanala je prikazan na sl. 9.12. Kanal sadrži optoelektronski par koji se sastoji od LED diode galij arsenida i dva jedan uz drugi n- i- n-fotodiode napravljene u jednom kristalu.

Na sl. 9.13 prikazuje električna kola nekih drugih tipova optoelektronskih mikro kola. Čip ključa (sl. 9.13, ali) uključuje optoelektronski par diode velike brzine uparen s monolitnim silikonskim pojačalom. Dizajniran je da zamijeni transformatorske i relejne veze u računarskim logičkim uređajima i diskretnoj automatizaciji. Analogni taster (sl. 9.13, b) odnosi se na




linearna kola sa optoelektronskim upravljanjem. Sa snagom upravljačkog signala od 60-80 mW, parametri čopera dostižu vrijednosti koje su potrebne za standardne poluvodičke mikro krugove. Optoelektronski releji male snage jednosmerna struja(Sl. 9.13, u) dizajniran da zamijeni analogni

elektromehanički releji sa brzinom u milisekundnom opsegu i zagarantovanim brojem operacija 10 4 -10 7 .

Interesantna su optoelektronska mikro kola serije 249, koja uključuje četiri grupe uređaja, a to su elektronski prekidači na bazi elektroluminiscentnih dioda i tranzistori. Šema ožičenja svih grupa

Uređaji su isti (slika 9.14). Strukturno, mikro kola su projektovana u pravougaonom ravnom paketu integrisanih kola sa 14 vodova i imaju dva izolovana kanala, što smanjuje veličinu i težinu opreme, a takođe proširuje funkcionalnost mikro kola. LED diode su na bazi silikona i imaju P + - str- n i - n + - struktura. Prisustvo dva kanala u ključu vam omogućava da ga koristite kao integralni prekidač analognih signala i dobijaju visok koeficijent prenosa signala (10-100) pri uključivanju fototranzistora prema složenom tranzistorskom kolu.

Optoelektronski uređaji
Rad optoelektronskih uređaja zasniva se na elektronsko-fotonskim procesima prijema, prenošenja i pohranjivanja informacija.

Najjednostavniji optoelektronski uređaj je optoelektronski par ili optocoupler. Princip rada optokaplera, koji se sastoji od izvora zračenja, imerzionog medija (optičko vlakno) i fotodetektora, zasniva se na pretvaranju električnog signala u optički, a zatim natrag u električni.

Optokapleri kao funkcionalni uređaji imaju sljedeće prednosti u odnosu na konvencionalne radio elemente:

Potpuna galvanska izolacija "ulaz - izlaz" (otpor izolacije prelazi 10 12 - 10 14 oma);

Apsolutna otpornost na buku u kanalu za prenos informacija (nosači informacija su električno neutralne čestice - fotoni);

Jednosmjerni tok informacija, koji je povezan sa karakteristikama prostiranja svjetlosti;

Širokopojasni zbog visoke frekvencije optičkih oscilacija,

Dovoljna brzina (jedinice nanosekunde);

Visok probojni napon (desetine kilovolti);

Nizak nivo buke;

Dobra mehanička čvrstoća.

Prema izvršenim funkcijama, optospojler se može uporediti sa transformatorom (spojnim elementom) sa relejem (ključ).

U optokaplerima se koriste poluvodički izvori zračenja - diode koje emituju svjetlost napravljene od materijala spojeva grupe ALI III B V , među kojima su najperspektivniji fosfid i galijum arsenid. Spektar njihovog zračenja leži u području vidljivog i bliskog infracrvenog zračenja (0,5 - 0,98 mikrona). Diode koje emituju svjetlost na bazi galij fosfida imaju crveni i zeleni sjaj. LED diode od silicijum karbida obećavaju žuta luminiscenciju i rad na povišenim temperaturama, vlažnosti i u agresivnom okruženju.

LED diode koje emituju svjetlost u vidljivom opsegu spektra koriste se u elektronskim satovima i mikrokalkulatorima.

Diode koje emituju svjetlost karakterizira spektralni sastav zračenja, koji je prilično širok, obrazac zračenja; kvantna efikasnost, određena odnosom broja emitovanih svetlosnih kvanta i broja onih koji su prošli kroz str-n-tranzicija elektrona; snaga (sa nevidljivim zračenjem) i sjaj (sa vidljivim zračenjem); Volt-amper, lumen-amper i vat-amper karakteristike; brzina (povećanje i smanjenje elektroluminiscencije tokom impulsne pobude), opseg radne temperature. Sa povećanjem Radna temperatura svjetlina LED dioda opada i izlazna snaga se smanjuje.

Glavne karakteristike dioda koje emituju svjetlost u vidljivom opsegu date su u tabeli. 32, a infracrveni opseg - u tabeli. 33.
Tabela 32 Glavne karakteristike dioda koje emituju svjetlost u vidljivom opsegu

Tabela 33 Ključne karakteristike infracrvenih dioda koje emituju svjetlost

Tip diode	Puna moć zračenje, mW	DC naprijed napon, V	Talasna dužina zračenja, µm	Vrijeme porasta pulsa zračenja, ns	Vrijeme opadanja impulsa zračenja, ns	Težina, g
AL103 A, B AL106 A - D AL107 A, B AL115 A	0,6 - 1 (pri 50 mA) 0,2 - 1,5 (pri 100 mA) 6 - 10 (pri 100 mA) 1,5 (pri 100 mA) 0,2 (na 20 mA) 10 (pri struji 50 mA)	1,6	0,95 0,9 – 1	200 – 300	500	0,1

Diode koje emituju svjetlost u optoelektronskim uređajima su povezane s fotodetektorima pomoću imerzionog medija, za koji je glavni zahtjev prijenos signala uz minimalne gubitke i izobličenja. Optoelektronski uređaji koriste čvrste imerzione medije - polimerne organske spojeve (optička ljepila i lakovi), halkogenidne medije i optička vlakna. U zavisnosti od dužine optičkog kanala između emitera i fotodetektora, optoelektronski uređaji se mogu podeliti na optospojnike (dužina kanala 100 - 300 mikrona), optoizolatore (do 1 m) i optičke komunikacione linije - FOCL (gore do desetina kilometara).

Fotodetektori koji se koriste u optokaplerima podliježu zahtjevima za usklađivanje spektralnih karakteristika sa emiterom, minimalne gubitke pri pretvaranju svjetlosnog signala u električni, fotoosjetljivost, brzinu, veličinu fotoosjetljive površine, pouzdanost i nivo buke.

Za optokaplere, fotodetektori sa unutrašnjim fotoelektričnim efektom su najperspektivniji, kada interakcija fotona sa elektronima unutar materijala sa određenim fizička svojstva dovodi do prelaza elektrona u masi kristalne rešetke ovih materijala.

Unutrašnji fotoelektrični efekat se manifestuje na dva načina: u promeni otpora fotodetektora pod dejstvom svetlosti (fotootpornici) ili u pojavi foto-emf na granici između dva materijala - poluprovodnik-poluprovodnik, metal-poluprovodnik. (ventilske fotoćelije, fotodiode, fototranzistori).

Fotodetektori s unutarnjim fotoelektričnim efektom dijele se na fotodiode (sa str-n-spoj, MIS struktura, Schottky barijera), fotootpornici, fotodetektori sa internim pojačanjem (fototranzistori, kompozitni fototranzistori, fototiristori, poljski fototranzistori).

Fotodiode se izrađuju na bazi silicijuma i germanijuma. Maksimalna spektralna osetljivost silicijuma je 0,8 µm, a germanijuma do 1,8 µm. Oni rade sa obrnutom pristrasnošću str-n-prijelaz, koji omogućava povećanje njihove brzine, stabilnosti i linearnosti karakteristika.

Najčešće se fotodiode koriste kao fotodetektori optoelektronskih uređaja različite složenosti. str- i-n-strukture gdje i je osiromašeno područje visokog električnog polja. Promjenom debljine ove regije može se dobiti dobre performanse u smislu brzine i osjetljivosti zbog malog kapaciteta i vremena leta nosača.

Lavinske fotodiode, koje koriste pojačanje fotostruje tokom umnožavanja nosilaca naboja, imaju povećanu osjetljivost i brzinu. Međutim, ove fotodiode nisu dovoljno stabilne u temperaturnom rasponu i zahtijevaju napajanje. visokog napona. Fotodiode sa Schottky barijerom i sa MIS strukturom su obećavajuće za upotrebu u određenim opsezima talasnih dužina.

Fotootpornici se izrađuju uglavnom od polikristalnih poluvodičkih filmova na bazi spoja (kadmijum sa sumporom i selenom). Maksimalna spektralna osjetljivost fotootpornika je 0,5 - 0,7 µm. Fotootpornici se obično koriste pri slabom svjetlu; po osjetljivosti su uporedivi sa fotomultiplikatorima - uređajima s vanjskim fotoelektričnim efektom, ali zahtijevaju niskonaponsko napajanje. Nedostaci fotootpornika su mala brzina i visoki nivo buka.

Najčešći fotodetektori sa unutrašnjim pojačanjem su fototranzistori i fototiristori. Fototranzistori su osjetljiviji od fotodioda, ali sporiji. Za povećanje osjetljivosti fotodetektora koristi se kompozitni fototranzistor, koji je kombinacija foto i pojačavača tranzistora, ali ima malu brzinu.

U optospojnici, fototiristor (poluprovodnički uređaj sa tri str- n-prijelazi, prebacivanje kada svijetli), koji ima visoku osjetljivost i nivo izlaznog signala, ali nedovoljnu brzinu.

Raznolikost tipova optokaplera uglavnom je određena svojstvima i karakteristikama fotodetektora. Jedna od glavnih primjena optokaplera je efikasna galvanska izolacija predajnika i prijemnika digitalnih i analognih signala. U ovom slučaju, optokapler se može koristiti u modu pretvarača ili prekidača signala. Optokapler karakterizira prihvatljiv ulazni signal (kontrolna struja), omjer prijenosa struje, brzina (vrijeme prebacivanja) i nosivost.

O omjer koeficijenta prijenosa struje i vremena prebacivanja naziva se faktor kvalitete optokaplera i iznosi 10 5 - 10 6 za fotodiodne i fototranzistorske optospojnice. Optospojnici na bazi fototiristora imaju široku primjenu. Optokapleri bazirani na fotootpornicima nisu u širokoj upotrebi zbog niske vremenske i temperaturne stabilnosti. Dijagrami nekih optokaplera su prikazani na sl. 130, a - g.

IN Kao koherentni izvori zračenja koriste se laseri koji imaju visoku stabilnost, dobre energetske karakteristike i efikasnost. U optoelektronici, poluprovodnički laseri se koriste za projektovanje kompaktnih uređaja - laserske diode, koji se koristi, na primjer, u optičkim komunikacijskim linijama umjesto tradicionalnih vodova za prijenos informacija - kablovskih i žičanih. Imaju veliki propusni opseg (propusnost od gigaherca), otpornost na elektromagnetne smetnje, malu težinu i dimenzije, potpunu električnu izolaciju od ulaza do izlaza, sigurnost od eksplozije i požara. Karakteristika FOCL-a je upotreba posebnog optičkog kabla, čija je struktura prikazana na Sl. 131. Industrijski uzorci takvih kablova imaju slabljenje od 1-3 dB/km i manje. Fiber-optički komunikacioni vodovi se koriste za izgradnju telefonskih i računarskih mreža, kablovskih televizijskih sistema sa visoka kvaliteta prenesena slika. Ove linije omogućavaju istovremeni prenos desetina hiljada telefonskih razgovora i nekoliko televizijskih programa.

U posljednje vrijeme intenzivno se razvijaju i postaju široko rasprostranjena optička integrirana kola (OIC), čiji se svi elementi formiraju taloženjem potrebnih materijala na podlogu.

Obećavajući u optoelektronici su uređaji zasnovani na tečnim kristalima, koji se široko koriste kao indikatori u elektronskim satovima. Tečni kristali su organska supstanca (tečnost) sa svojstvima kristala i nalaze se u prelaznom stanju između kristalne faze i tečnosti.

Indikatori s tekućim kristalima imaju visoku rezoluciju, relativno su jeftini, troše malu energiju i rade pri visokim nivoima osvjetljenja.

Tečni kristali sa svojstvima sličnim monokristalima (nematika) najčešće se koriste u svetlosnim indikatorima i optičkim memorijskim uređajima.Razvijeni su i široko se koriste tečni kristali koji menjaju boju pri zagrevanju (kolesterici).Druge vrste tečnih kristala (smektika) su koristi se za termo-optičko snimanje informacija.

Optoelektronski uređaji, razvijeni relativno nedavno, imaju široku primjenu u raznim poljima nauke i tehnologije, zbog svojih jedinstvenih svojstava. Mnogi od njih nemaju analoge u tehnologiji vakuuma i poluvodiča. Međutim, još uvijek postoje mnogi neriješeni problemi vezani za razvoj novih materijala, poboljšanje električnih i operativnih karakteristika ovih uređaja, te razvoj tehnoloških metoda za njihovu proizvodnju.

Odjeljak 5. Uređaji zasnovani na uređajima s spregnutim punjenjem (CCD).