L'obiettivo del lavoro è uno studio sperimentale delle caratteristiche dei dispositivi fotosensibili ed emettitori di luce.

Brevi informazioni teoriche.

I dispositivi optoelettronici a semiconduttore possono essere suddivisi in due gruppi: emittenti e fotosensibili (fotorilevatore). Il primo gruppo comprende LED ed emettitori laser a semiconduttore, mentre il secondo gruppo comprende fotodiodi, fototransistor, fototiristori, fotoresistenze e molti altri.

Il LED è un dispositivo con giunzioni p-n tra strati di materiali semiconduttori inclusi nella sua composizione. Converte l'energia della corrente che lo attraversa in radiazione elettromagnetica incoerente.

Quando una corrente continua passa attraverso il diodo nella zona di giunzione p-n, si verifica la ricombinazione di elettroni e lacune. Questo processo può essere accompagnato da radiazione elettromagnetica con una frequenza determinata dalla relazione:

(5.1)

dove

è il valore corrispondente al band gap del semiconduttore, è la costante di Planck. Tuttavia, contemporaneamente a questo meccanismo (radiativo) di ricombinazione, opera anche il meccanismo non radiativo, che è associato, in particolare, all'assorbimento di energia da parte del reticolo cristallino. Nella produzione di LED, si cerca di ridurne l'influenza. L'efficienza di conversione dell'energia elettrica in energia luminosa è stimata dal valore , chiamata resa quantica interna. È determinato dal rapporto tra il numero di fotoni emessi e il numero di coppie ricombinate di portatori.

Come segue da (5.1), la lunghezza d'onda della radiazione LED

è inversamente proporzionale alla banda proibita del semiconduttore. Per i diodi a base di germanio, silicio e arseniuro di gallio, l'energia massima irradiata è nella regione dell'infrarosso e, inoltre, i diodi al germanio e al silicio hanno un'alta probabilità di ricombinazione non radiativa.

Per la produzione di LED che emettono nel campo del visibile, vengono utilizzati materiali semiconduttori speciali: fosfuro di gallio, nitruro di gallio, carburo di silicio e altri con un ampio intervallo di banda. I LED moderni utilizzano eterogiunzioni, ovvero strutture a semiconduttore basate su materiali con diversi band gap.

Sulla fig. 5.1 mostra la dipendenza dell'intensità di radiazione dei LED di vari materiali dalla lunghezza d'onda (caratteristiche spettrali), lì è mostrato anche il simbolo del LED sui circuiti elettrici.

Riso. 5.1. Caratteristiche spettrali e designazione dei LED sui circuiti elettrici.

La caratteristica corrente-tensione del LED (Fig. 5.2) è simile alla caratteristica di un diodo a semiconduttore convenzionale. La sua particolarità è che le tensioni dirette possono raggiungere diversi volt (a causa dell'ampio intervallo di banda) e le tensioni inverse sono piccole a causa del piccolo spessore della giunzione p-n. In caso di guasto elettrico del LED, dovuto alla ionizzazione d'urto, possono verificarsi radiazioni di energia elettromagnetica anche nel volume della giunzione p-n. Tuttavia, l'intensità della radiazione in questa modalità è bassa e non trova applicazione pratica.

Riso. 5.2. Caratteristiche volt-ampere dei LED.

Una caratteristica importante del LED è la luminosità, cioè la dipendenza dalla luminosità della radiazione sulla quantità di corrente continua. La luminosità è determinata dal rapporto tra l'intensità della luce e l'area della superficie luminosa. Una vista approssimativa di tale caratteristica è mostrata in Fig. 5.3. I suoi tornanti nelle sezioni iniziale e finale sono spiegati dal fatto che a piccoli e correnti elevate la probabilità di ricombinazione non radiativa aumenta.

Riso. 5.3. Luminosità caratteristica del LED.

I LED, a differenza di altri dispositivi emettitori (lampade a incandescenza, ecc.), sono molto veloci (senza inerzia). Il tempo durante il quale il flusso luminoso generato dal LED quando viene applicato un impulso di corrente continua rettangolare raggiunge il massimo è compreso tra pochi microsecondi e decine di nanosecondi.

I LED sono caratterizzati dai seguenti parametri principali: la lunghezza d'onda della radiazione massima o il colore del bagliore; luminosità o intensità luminosa in un dato momento corrente continua; la caduta di tensione diretta per una data corrente diretta e la massima corrente diretta, tensione inversa e potenza dissipate dal LED consentite.

Un fotodiodo è un dispositivo a semiconduttore la cui giunzione p-n è aperta alla radiazione esterna. Se le sorgenti di tensione esterne non sono collegate ai terminali del diodo a semiconduttore, la giunzione pn è in uno stato di equilibrio. In questo caso, la differenza di potenziale ai terminali del diodo è uguale a zero e all'interfaccia tra gli strati del semiconduttore c'è un interno campo elettrico, che impedisce ai vettori principali di spostarsi attraverso la giunzione p-n.

Sotto l'azione della radiazione elettromagnetica (durante l'illuminazione), nel volume della transizione, i legami degli elettroni con gli atomi si rompono: la generazione di coppie elettrone-lacuna. Questo fenomeno è chiamato effetto fotoelettrico interno. Il campo di giunzione p-n sposterà i fori formati nell'area P-semiconduttore ed elettroni, rispettivamente, in n-semiconduttore, separando i vettori generati. Allo stesso tempo, apparirà una certa differenza di potenziale ai bordi esterni degli strati semiconduttori ("+" all'anodo del diodo, "-" al suo catodo) e allo stesso tempo, l'altezza della barriera di potenziale di la giunzione pn diminuirà del valore di questa differenza.

La differenza di potenziale generata da un fotodiodo sotto l'azione della luce è chiamata foto fem.

. Il suo valore dipende dal flusso luminoso (Fig. 5.4), ma la foto fem. non può superare la differenza di potenziale di contatto . Ciò è spiegato dal fatto che le direzioni dei campi esterno e interno sono opposte e in aumento il campo elettrico totale, che provoca il movimento dei portatori di carica, diminuisce. Quando la foto emf è uguale. e la forza che fa muovere i vettori scomparirà. L'entità della differenza di potenziale formata ai terminali del fotodiodo con un circuito esterno aperto è chiamata tensione mossa inattiva.

Riso. 5.4. Dipendenza dalla foto fem e la corrente di cortocircuito della giunzione p-n dall'ampiezza del flusso luminoso.

Se i terminali di un diodo con una giunzione p-n illuminata sono cortocircuitati, allora una corrente elettrica scorrerà attraverso il conduttore, chiamata fotocorrente , a causa del movimento diretto dei vettori liberi formati nella zona di transizione. Il loro movimento avverrà sotto l'azione del campo elettrico interno della transizione. Quando il fotodiodo è illuminato, questa corrente verrà mantenuta grazie all'energia della radiazione luminosa, che provoca la generazione di coppie elettrone-lacuna. Con resistenza zero del circuito esterno, tale corrente è chiamata corrente di cortocircuito.

Valore fotocorrente , così come il valore della foto-emf, è proporzionale a flusso luminoso(Fig. 5.4), ma la dipendenza corrispondente

non ha una regione di saturazione pronunciata, poiché con un numero qualsiasi di portatori formati, il campo elettrico che agisce su di essi sarà uguale al campo della differenza di potenziale di contatto.

Pertanto, in presenza di sorgenti luminose esterne, il fotodiodo può fungere da generatore di fem. o corrente, cioè svolgere le funzioni di conversione dell'energia luminosa in energia elettrica. Il funzionamento dei convertitori solari (batterie) si basa su questo principio. La modalità di funzionamento descritta del fotodiodo (senza sorgenti esterne) è chiamata gated.

Caratteristica corrente-tensione del fotodiodo, ad es. la dipendenza della corrente che la attraversa dall'ampiezza della tensione applicata esterna è in un certo modo correlata all'illuminazione. Ovviamente, se la giunzione p-n non è illuminata, la caratteristica corrente-tensione del fotodiodo sarà identica alla corrispondente caratteristica di un diodo convenzionale. Questa situazione corrisponde al grafico di Fig. 5,5 per

=0.

Riso. 5.5. Caratteristiche volt-ampere del fotodiodo.

Quando viene applicata una tensione inversa a un fotodiodo oscurato, la cosiddetta corrente oscura scorrerà attraverso di esso. , definito, come per un diodo convenzionale, dal rapporto:

(5.2)

dove – corrente di saturazione, è il potenziale di temperatura,

- tensione applicata. Quando la giunzione p-n di un diodo bloccato è illuminata, verranno generate coppie di portanti nel suo volume e nelle aree adiacenti. Saranno portati via da un campo elettrico esterno ai bordi degli strati semiconduttori e una corrente inversa scorrerà attraverso il diodo

(5.3)

dove - corrente oscura, è la corrente creata dai portatori prodotta dalla radiazione elettromagnetica (fotocorrente). Questa corrente ha condizionatamente un segno negativo. Poiché l'intensità della fotocorrente è proporzionale al flusso luminoso

, quindi con l'aumentare dell'illuminazione, il ramo inverso del CVC del fotodiodo si sposterà verso il basso quasi in parallelo, come mostrato in Fig. 5.5. Questa modalità di funzionamento del fotodiodo (con una polarizzazione inversa della giunzione p-n) è chiamata fotodiodo.

Se al fotodiodo viene applicata una tensione uguale a zero, questa corrisponderà al suo cortocircuito e, come notato in precedenza, una certa corrente scorrerà attraverso il circuito esterno, chiamata corrente di cortocircuito

.

Quando la polarità della tensione ai capi del diodo viene invertita, il campo elettrico esterno viene attivato in modo opposto al campo fotoelettrico, il che provoca una diminuzione del flusso portante attraverso la giunzione p-n e, di conseguenza, una diminuzione della corrente inversa. Quando la tensione diretta raggiunge un certo valore, la corrente del diodo si interrompe. Il valore di questa tensione corrisponde alla modalità di riposo e sarà uguale a

generato dal diodo ad una data illuminazione e un circuito esterno aperto. Un ulteriore aumento della differenza di potenziale di apertura farà fluire una corrente continua attraverso il diodo, la cui dipendenza dalla tensione è descritta da una relazione simile a (5.2)

e la corrente totale sarà uguale a

.

I fotodiodi sono comunemente usati come sensori di luce e funzionano in polarizzazione inversa, cioè in modalità fotodiodo. Sono caratterizzati dai seguenti parametri: – corrente oscura (corrente inversa di un fotodiodo oscurato a una data temperatura e tensione inversa);

- integrato, o

– fotosensibilità differenziale. Quest'ultimo è spesso definito come il rapporto tra la variazione di corrente inversa

al cambiamento del flusso luminoso che lo ha causato

.

La sensibilità di un fotodiodo dipende dalla lunghezza d'onda della luce applicata. Questa dipendenza per fotodiodi realizzati con vari materiali e la sua designazione su schemi circuitali mostrato in fig. 5.6.

Riso. 5.6. Caratteristiche spettrali del fotodiodo e sua designazione sui circuiti elettrici.

Perché transistor bipolareè una struttura contenente giunzioni p-n, quindi il controllo della corrente al suo interno può essere effettuato non solo modificando le tensioni corrispondenti, ma anche illuminando l'area di base. Un transistor per il quale è prevista questa modalità di funzionamento è chiamato fototransistor. In assenza di illuminazione, le sue caratteristiche di corrente-tensione sono identiche a quelle di un transistor convenzionale.

Sotto l'influenza del flusso luminoso, verranno generate coppie elettrone-lacuna nelle giunzioni p-n della regione di base. Dal campo di una giunzione del collettore bloccata, gli elettroni (per un transistor npn) verranno attirati nella regione del collettore, aumentandone la corrente. Questa situazione è simile al funzionamento di un fotodiodo in modalità di polarizzazione inversa.

I fori che sono comparsi quando il fototransistor (tipo n-p-n) è stato illuminato rimangono nella base, aumentando il suo potenziale positivo, il che porta ad un aumento dell'intensità dell'iniezione di elettroni dall'emettitore. Elettroni aggiuntivi, dopo aver raggiunto la giunzione del collettore, verranno attirati dal suo campo nella regione del collettore e creeranno un ulteriore incremento della corrente del collettore. La corrente totale di collettore del fototransistor all'accensione secondo il circuito di emettitore comune sarà descritta dalla relazione:

dove

– attraverso la corrente del collettore, è la fotocorrente della giunzione del collettore, il cui valore dipende dall'illuminazione esterna. Dalla (5.4) segue che la corrente di collettore del fototransistor può essere controllata sia attraverso il circuito di base che variando il valore del flusso luminoso. La fotosensibilità di un tale transistor è di circa

volte la sensibilità del fotodiodo.

La famiglia delle caratteristiche corrente-tensione di uscita di un fototransistor è mostrata in fig. 5.7. Mostra anche il circuito equivalente di un fototransistor sotto forma di una combinazione di un transistor convenzionale e un fotodiodo.

Riso. 5.7. Caratteristiche corrente-tensione, designazione e rappresentazione equivalente di un fototransistor bipolare.

Se non è richiesto il controllo combinato della corrente del collettore, il fototransistor potrebbe non avere un pin di base. Questa modalità operativa è chiamata modalità "strappata" o modalità base libera. In questo caso, il fototransistor ha non solo la massima sensibilità, ma anche la massima instabilità dei suoi parametri. Per aumentare la stabilità, l'uscita di base attraverso un resistore può essere collegata al contatto dell'emettitore.

I fototiristori sono dispositivi a semiconduttore di commutazione, la cui tensione di accensione può cambiare sotto l'influenza delle corrispondenti giunzioni p-n del flusso luminoso. La condizione per l'accensione del tiristore è la seguente:

, dove e sono i coefficienti di trasferimento di transistor equivalenti. In assenza di illuminazione, la caratteristica corrente-tensione del fototiristore è simile a quella di un dispositivo di commutazione convenzionale (dinistor o tiristore a

). L'illuminazione delle giunzioni del fototiristore provoca un aumento delle correnti dei transistor corrispondenti e dei loro coefficienti di trasferimento. Ciò ridurrà la tensione di accensione della struttura, come mostrato in Fig. 5.8. In caso di illuminazione sufficientemente intensa, il fototiristore si accenderà a qualsiasi valore della tensione diretta, così come il tiristore a una corrente di controllo maggiore della corrente di rettifica.

Riso. 5.8. Caratteristiche corrente-tensione e designazione del fototiristore.

Pertanto, applicando una certa tensione al fototiristore oscurato e quindi illuminando brevemente la giunzione p-n, il dispositivo può essere commutato nello stato acceso. Lo spegnimento del fototiristore, come un dispositivo di commutazione convenzionale, è possibile solo quando la corrente anodica diminuisce a un valore inferiore alla corrente di mantenimento. Il fototiristore può anche avere un'uscita aggiuntiva: un elettrodo di controllo, che consente di accenderlo quando viene applicato sia un segnale elettrico che luminoso.

Una fotoresistenza è un dispositivo semiconduttore a due elettrodi, la cui resistenza dipende dalla luce ambientale. A differenza dei dispositivi precedentemente discussi, la fotoresistenza non contiene giunzioni rettificatrici ed è un elemento lineare, cioè la sua caratteristica corrente-tensione è descritta per qualsiasi polarità di tensione rapporto:

, dove è la corrente che scorre attraverso la fotoresistenza, - resistenza ad una data illuminazione. Le caratteristiche corrente-tensione della fotoresistenza e la sua designazione sui circuiti elettrici sono mostrate in fig. 5.9.

Riso. 5.9. Caratteristiche corrente-tensione e designazione delle fotoresistenze sui circuiti elettrici.

I parametri principali della fotoresistenza sono: resistenza al buio (resistenza al flusso luminoso

), la molteplicità della variazione della resistenza , uguale al rapporto tra la resistenza al buio e la resistenza a una data illuminazione. I fotoresistenze, come i fotodiodi, reagiscono in modo diverso ai flussi luminosi con diverse lunghezze d'onda. Le più sensibili alla radiazione infrarossa sono le fotoresistenze fatte di seleniuro di piombo e solfuro di piombo e quando si opera nel campo del visibile vengono utilizzate fotoresistenze fatte di seleniuro e solfuro di cadmio.

L'emettitore di luce e il fotorilevatore possono essere collocati in un alloggiamento, formando un dispositivo chiamato fotoaccoppiatore o fotoaccoppiatore. A seconda delle combinazioni di emettitori e ricevitori di luce, ci sono diversi tipi fotoaccoppiatori. La struttura e le designazioni sui diagrammi schematici di alcuni di essi sono mostrate in fig. 5.10.

Riso. 5.10. Designazione sui circuiti elettrici di vari tipi di fotoaccoppiatori.

Descrizione della configurazione del laboratorio.

Installazione per lavoro di laboratorio n. 5 "Ricerca dispositivi optoelettronici» composto da laboratorio e banchi di misura, aspetto esteriore i cui pannelli frontali sono mostrati nelle Figure 1.8 e 5.11.

Il supporto da laboratorio contiene un alimentatore regolabile con un intervallo di tensione di uscita di 0 15V e limitatore di corrente di carico a 60mA. L'interruttore a levetta per l'accensione dell'alimentazione, la manopola di regolazione della tensione e le prese di uscita si trovano sul lato destro del pannello del supporto da laboratorio. C'è anche un pulsante con l'etichetta "Off. E", se premuto, la tensione di uscita viene scollegata dalla presa contrassegnata con "+".

Inoltre, ci sono due sorgenti di corrente, i cui valori sono impostati dagli interruttori corrispondenti. Corrente di base può essere impostato su zero, 0,1 µA, 1 µA, 10 µA e la corrente della seconda sorgente – 0, 0,5 mA, 10 mA, 20 mA e 30 mA.

In questo lavoro di laboratorio Vengono studiate le caratteristiche dei LED AL336B (VD1) con luminescenza rossa, AL336G (VD2) con luminescenza verde e LED infrarossi AL107A (VD3).

Resistore con un valore nominale di 680 ohm serve a limitare la quantità di corrente continua attraverso i led. Inoltre, sono in corso ricerche sui fotorivelatori vari tipi, che fanno parte degli optoaccoppiatori del diodo AOD101A (U1), del transistor AOT128A (U2), del tiristore AOU103V (U3) e del resistore OEP10 (U4). Resistori

(valore 1 kOhm) e

(valore 10 kOhm) sono utilizzati nello studio dell'accoppiatore ottico nella modalità di trasmissione del segnale analogico, eseguita nel lavoro n. 6.

Il supporto da laboratorio viene acceso tramite l'interruttore a levetta "On". Il funzionamento della fonte di alimentazione è indicato dal LED verde situato su questo interruttore a levetta.

La procedura per lo svolgimento del lavoro di laboratorio.

1. Preparazione della casa.

Nel corso della preparazione domiciliare, è necessario, utilizzando la letteratura di riferimento, determinare e annotare nella cartella di lavoro i parametri principali dei dispositivi a semiconduttore studiati in questo lavoro. Inoltre, è necessario tracciare diagrammi per effettuare misurazioni e tabelle per registrare i risultati della ricerca.

2. Conduzione del lavoro di laboratorio.

2.1. Studio delle caratteristiche corrente-tensione dei LED.

Montare, utilizzando il diodo VD1, il circuito mostrato in fig. 5.12.

Riso. 5.12. Schema per lo studio del ramo diretto della caratteristica corrente-tensione dei LED.

Portare la manopola del regolatore di tensione nella posizione più a sinistra (

); Limite di misurazione PV1 - 1,5 V, Limite di misurazione PA1 - 10 mA. Accendere l'alimentazione del supporto da laboratorio.

Ruotando la manopola verso destra, aumentare la tensione del generatore, misurare la dipendenza della caduta di tensione ai capi del diodo dalla corrente diretta, impostandone i valori a: 0mA, 1mA, 3mA, 5mA, 10mA , 20mA, 30mA, 40mA, 50mA. Compila la prima riga della tabella con i dati ricevuti:

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

Eseguire misurazioni simili per i diodi VD2, VD3. Il loro collegamento deve essere effettuato con supporto da laboratorio disalimentato.

Montare, utilizzando il diodo VD1, il circuito mostrato in fig. 5.13.

Riso. 5.13. Schema per studiare il ramo inverso della caratteristica corrente-tensione dei LED.

Impostare il limite di misura PA1 - 0.1mA, PV1 - 15V. Modificando la tensione di blocco sul diodo con il regolatore, misurare la corrente inversa e compilare la prima riga della tabella:

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

Eseguire misurazioni simili per i diodi VD2, VD3.

2.2. Indagine sulle caratteristiche corrente-tensione di un fotodiodo.

Nel ciclo di questi studi viene utilizzato un fotodiodo all'arseniuro di gallio, che fa parte dell'accoppiatore ottico a diodi U1.

2.2.1. Indagine sul ramo diretto della caratteristica corrente-tensione del fotodiodo.

Montare il circuito mostrato in Fig. 5.14.

Riso. 5.14. Schema per lo studio del ramo diretto della caratteristica corrente-tensione di un fotodiodo.

Portare il regolatore di tensione all'estrema sinistra (

), un interruttore che imposta la corrente - allo stato zero, il limite di misura del voltmetro PV1 è 0,75V, il milliamperometro PA1 è 10mA.

Aumentando la tensione di uscita dell'alimentatore, impostare le correnti continue del fotodiodo uguali a quelle indicate nella tabella di fig. 5.15, misurare la caduta di tensione ai suoi capi e compilare la prima riga della tabella con i dati ottenuti.

Impostando l'interruttore con la scritta "I" i valori di corrente del LED ​​a 5, 10, 20 e 30 mA e, quindi, aumentando l'illuminazione del fotodiodo, si eseguono misurazioni simili.

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

Riso. 5.15. Tabella per la registrazione dei risultati degli studi del ramo diretto della caratteristica corrente-tensione del fotodiodo.

2.2.2. Indagine sulla tensione a circuito aperto e sulla corrente di cortocircuito del fotodiodo.

Scollegare l'alimentazione dal circuito (Fig. 5.14) e, impostando la corrente attraverso il LED pari a 0,5, 10, 20 e 30 mA, misurare i valori di tensione a circuito aperto del fotodiodo quando funziona in modalità valvola . Annotare i risultati nella tabella:

(mA)
(IN)

Per misurare la corrente di cortocircuito, assemblare il circuito mostrato in fig. 5.16. Impostando le correnti attraverso il LED secondo quelle indicate nella tabella sopra, misurare i valori delle correnti di cortocircuito del fotodiodo e inserire i risultati nella riga inferiore della tabella.

Riso. 5.16. Un circuito per misurare la corrente di cortocircuito di un fotodiodo quando sta funzionando in modalità gate.

2.2.3. Indagine sul ramo intermedio della caratteristica corrente-tensione del fotodiodo durante il funzionamento in modalità valvola.

Montare il circuito mostrato in Fig. 5.17.

Riso. 5.17. Schema per lo studio delle caratteristiche corrente-tensione di un fotodiodo.

Impostare la corrente del LED su 5 mA. Modificando la tensione all'uscita dell'alimentatore, impostare la corrente attraverso il fotodiodo a zero. Questa tensione dovrebbe essere vicina al valore misurato in precedenza.

alla corrente del LED appropriata. Riducendo la tensione a zero, misurare le correnti del fotodiodo da tre a cinque dei suoi valori e inserire i risultati nella tabella:

(IN)
(mA)

La quantità di corrente diretta a tensione zero dell'alimentatore dovrebbe essere vicina al valore corrispondente

. Eseguire un ciclo di misure simili per correnti attraverso il LED, pari a 10, 20 e 30mA.

2.2.4. Indagine sul ramo inverso della caratteristica corrente-tensione del fotodiodo.

Montare il circuito mostrato in Fig. 5.18.

Riso. 5.18. Schema per lo studio del ramo inverso della caratteristica corrente-tensione di un fotodiodo.

Impostare la corrente attraverso il LED a zero, la tensione di alimentazione a chiudere a zero, il limite di misura di PV1 è 15V, il limite di misura di PA1 è 0.1mA.

Effettuare misurazioni della dipendenza della corrente inversa del fotodiodo dall'entità della tensione di blocco e compilare la prima riga della tabella mostrata in fig. 5.19. Impostando la corrente attraverso il LED pari a 5, 10, 20 e 30 mA, effettuare misurazioni simili e inserire i risultati nella stessa tabella.

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

Riso. 5.19. Tabella per la registrazione dei risultati nello studio del ramo inverso della caratteristica corrente-tensione del fotodiodo.

2.3. Studio delle caratteristiche di uscita di un fototransistor.

Nel corso di questi studi viene utilizzato un fototransistor, che fa parte dell'optoaccoppiatore a transistor

.

Montare il circuito mostrato in Fig. 5.20.

Riso. 5.20. Schema per studiare le caratteristiche di uscita di un fototransistor.

Imposta le correnti e uguale a zero, la manopola del regolatore di tensione è nella posizione più a sinistra, il limite di misura PA1 è 0.1mA, il limite di misura PV1 è 15V.

Misurare la corrente del collettore del transistor ad una tensione di alimentazione di 0, 1, 3, 6, 9, 12 e 15V e inserire i risultati nell'apposita riga della tabella di fig. 5.21. Impostando le correnti di base a 1, 5 e 10 μA, eseguire misurazioni simili per un transistor spento (con

= 0). Registrare i risultati nelle righe appropriate della tabella.

Impostare la corrente del LED su 20 mA ed eseguire un ciclo di misurazioni simili.

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

Riso. 5.21. Tabella per la registrazione dei risultati dello studio delle caratteristiche di uscita del fototransistor.

2.4. Studio del fototiristore.

Quando si esegue questo elemento, viene utilizzato un fototiristore, che fa parte dell'accoppiatore ottico a tiristori

.

Montare il circuito mostrato in Fig. 5.22.

Riso. 5.22. Schema per lo studio del fototiristore.

Impostare la corrente attraverso il fotodiodo su zero, la manopola del regolatore di tensione di uscita nella posizione più a sinistra, il limite di misurazione di PV1 è 15V.

Aumentando la tensione dell'alimentatore, provare ad accendere il tiristore. Se è abilitato, il LED VD2 si accende. Misura il valore

. Ridurre la tensione di alimentazione a zero e premere il pulsante "Off". E "per trasferire il tiristore al suo stato originale. Impostando la corrente del LED a 2, 5, 10 e 20 mA, eseguire misurazioni simili e inserire i risultati nella tabella:

(mA)
(IN)

Impostare la corrente del LED a zero. Spegni il tiristore. Impostare la tensione massima dell'alimentatore e, aumentando in sequenza la corrente attraverso il LED, accendere il tiristore. Prova a spegnerlo riducendo la corrente del LED a zero.

2.5. Studio del fotoresistenza.

Quando si esegue questo lavoro di laboratorio, vengono esaminate le caratteristiche della fotoresistenza, che fa parte dell'accoppiatore ottico

.

Montare il circuito mostrato in Fig. 5.23.

Riso. 5.23. Schema per lo studio della fotoresistenza.

Imposta corrente uguale a zero, la manopola del regolatore di tensione - nella posizione più a sinistra (

), limite di misuraPV1 - 15V, PA1 - 0,1mA.

Modificando la tensione sulla fotoresistenza, misurare la corrente che lo attraversa e inserire i risultati nella prima riga della tabella mostrata in Fig. 5.24. Aumentando successivamente i valori delle correnti attraverso la lampadina a incandescenza, effettuare misurazioni simili e registrare i risultati nelle righe corrispondenti della tabella.

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

Riso. 5.24. Tabella per la registrazione dei risultati degli studi sulle caratteristiche corrente-tensione della fotoresistenza.

Invertire la polarità della tensione di alimentazione e strumenti di misura(montare il circuito mostrato in Fig. 5.25). Eseguire un ciclo di misurazioni simili e registrare i risultati in una tabella.

Riso. 5.25. Schema per lo studio delle caratteristiche corrente-tensione di una fotoresistenza con polarità di tensione inversa.

3. Elaborazione dei risultati sperimentali.

3.1. Elaborazione dei risultati ottenuti durante l'esecuzione del paragrafo 2.1.

Costruire su un foglio di carta millimetrata i rami diretti e inversi delle caratteristiche corrente-tensione dei diodi studiati, prendendo la scala lungo l'asse delle correnti e delle tensioni per il ramo diretto 5mA/cm, 0,5V/cm e, rispettivamente, per il ramo inverso 0,1 mA/cm e 1,5 V/ cm.

3.2. Elaborazione delle risultanze dei paragrafi 2.2.1 2.2.4 lavoro di laboratorio.

Costruire su un foglio di carta millimetrata una famiglia di caratteristiche corrente-tensione complete di un fotodiodo a vari livelli di illuminazione, dati dalla corrente del LED. La scala lungo l'asse della corrente per il ramo diretto della caratteristica corrente-tensione è posta pari a 5mA/cm, lungo l'asse della tensione 0,1V/cm. Quando si costruisce il ramo inverso, prendere le scale pari a 0,1 mA / cm e 1,5 V / cm. Segnare le caratteristiche del valore della tensione a circuito aperto e delle correnti di cortocircuito.

Sulla base dei dati ottenuti nel paragrafo 2.2.2, costruire le dipendenze

e

, dove è la corrente attraverso il LED. Le scale lungo gli assi, su cui vengono tracciati i valori delle quantità corrispondenti, devono essere impostate pari a 5 mA / cm - lungo l'asse corrente ; 0,1 V / cm - lungo l'asse

e 0,2 mA / cm - lungo l'asse

.

3.3. Elaborazione dei risultati ottenuti durante l'esecuzione del paragrafo 2.3.

Costruire su un foglio di carta millimetrata una famiglia di caratteristiche di uscita di un fototransistor a valori diversi Corrente del LED. Sull'asse della tensione, selezionare la scala pari a 1V/cm, e sull'asse della corrente, 2mA/cm.

3.4. Elaborazione dei risultati del paragrafo 2.4 del lavoro di laboratorio.

Tracciare la dipendenza della tensione di accensione del fototiristore dalla corrente del LED, scegliendo la scala lungo l'asse di corrente 2mA/cm, e lungo l'asse di tensione 3V/cm. Spiega i risultati ottenuti in questa sezione.

3.5. Elaborazione dei risultati del paragrafo 2.5.

Costruire su un foglio di carta millimetrata una famiglia di caratteristiche corrente-tensione di una fotoresistenza per entrambe le polarità della tensione applicata, scegliendo una scala lungo l'asse di corrente di 5 mA/cm, e lungo l'asse di tensione di 3 V/cm.

Sulla base di queste caratteristiche, determinare la resistenza della fotoresistenza nella regione di tensioni zero a diversi livelli di illuminazione, tracciare la dipendenza della resistenza della fotoresistenza dall'entità della corrente che scorre attraverso la sorgente di radiazione.

Sak AV Previsione e pianificazione economica (documento)

Klinachev N.V. Teoria dei sistemi di controllo automatico (Documento)

Bocharov AB Complesso didattico e metodologico per il corso Logica (Documento)

Bakharev PV processo arbitrale. Complesso didattico e metodico (Documento)

Starova LI Analisi delle attività produttive ed economiche dell'impresa (Documento)

Svetlitsky I.S. Teoria economica (documento)

Danilchenko AV (e altri) Economia mondiale: complesso educativo e metodologico (documento)

Gutkovich E.M. Complesso didattico e metodologico nella disciplina Diritto Bancario (Documento)

n1.doc

Argomento 4.1 Fondamenti di optoelettronica. Classificazione dei dispositivi optoelettronici.
L'optoelettronica è un'importante area indipendente dell'elettronica funzionale e della microelettronica. Un dispositivo optoelettronico è un dispositivo in cui, durante l'elaborazione delle informazioni, i segnali elettrici vengono convertiti in segnali ottici e viceversa.

• 
  Una caratteristica essenziale dei dispositivi optoelettronici è che gli elementi in essi contenuti sono accoppiati otticamente, ma elettricamente isolati l'uno dall'altro.

In questo modo è facile abbinare circuiti ad alta e bassa tensione, così come ad alta e bassa frequenza. Inoltre, altri vantaggi sono inerenti ai dispositivi optoelettronici: la possibilità di modulazione spaziale dei fasci di luce, che, in combinazione con i cambiamenti nel tempo, dà tre gradi di libertà (due nei circuiti puramente elettronici); la possibilità di diramazioni e intersezioni significative di fasci luminosi in assenza di collegamento galvanico tra i canali; grande carico funzionale dei fasci di luce dovuto alla possibilità di modificare molti dei loro parametri (ampiezza, direzione, frequenza, fase, polarizzazione).

L'optoelettronica copre due aree principali indipendenti: ottica ed elettronica-ottica. La direzione ottica si basa sugli effetti dell'interazione di un corpo solido con la radiazione elettromagnetica. Si basa su olografia, fotochimica, elettro-ottica e altri fenomeni. La direzione ottica è talvolta chiamata direzione laser.

La direzione elettro-ottica utilizza il principio della conversione fotoelettrica, attuata in un corpo solido attraverso un effetto fotoelettrico interno, da un lato, e l'elettroluminescenza, dall'altro. Questa direzione si basa sulla sostituzione dei collegamenti galvanici e magnetici nei circuiti elettronici tradizionali con quelli ottici. Ciò consente di aumentare la densità delle informazioni nel canale di comunicazione, la sua velocità, l'immunità al rumore.

L'elemento principale dell'optoelettronica è fotoaccoppiatore. Sono presenti fotoaccoppiatori con interno (Fig. 9.4, ma) ed esterno (Fig. 9.4, B) da legami fotonici. Il fotoaccoppiatore più semplice è un quadripolare (Fig. 9.4, ma), composto da tre elementi: un fotoemettitore 1 , luce guida 2 e ricevitore di luce 3, racchiuso in una custodia ermetica sigillata. Quando un segnale elettrico viene applicato all'ingresso sotto forma di un impulso o di una caduta nella corrente di ingresso, viene eccitato un fotoemettitore. Il flusso luminoso attraverso la guida di luce entra nel fotorilevatore, all'uscita del quale si forma un impulso elettrico o una caduta della corrente di uscita. Questo tipo di fotoaccoppiatore è un amplificatore di segnali elettrici, in cui l'accoppiamento interno è fotonico e quelli esterni sono elettrici .

Un altro tipo di fotoaccoppiatore è con accoppiamento interno elettrico e accoppiamento esterno fotonico (Fig. 9.4, B) - è un amplificatore di segnali luminosi, nonché un convertitore di segnali di una frequenza in segnali di un'altra frequenza, ad esempio segnali radiazione infrarossa in segnali dello spettro visibile. ricevitore di luce 4 converte il segnale luminoso in ingresso in un segnale elettrico. Quest'ultimo è amplificato 5 ed eccita la sorgente luminosa 6.

Attualmente è stato sviluppato un gran numero di dispositivi optoelettronici.

Scopo personale. Nella microelettronica, di norma, vengono utilizzati solo quegli elementi funzionali optoelettronici per i quali esiste la possibilità di integrazione, nonché la compatibilità della loro tecnologia di fabbricazione con la tecnologia di fabbricazione dei corrispondenti circuiti integrati.

Fotoemettitori. Le sorgenti luminose nell'optoelettronica sono soggette a requisiti quali miniaturizzazione, basso consumo energetico, alta efficienza e affidabilità, lunga durata, producibilità. Devono avere un'alta velocità, consentire la possibilità di produzione sotto forma di dispositivi integrati.

Più ampio utilizzo ricevuti come sorgenti elettroluminescenti LED ad iniezione, in cui l'emissione di luce è determinata dal meccanismo di ricombinazione interbanda di elettroni e lacune. Se manca abbastanza alta corrente iniezione

Riso. 9.5. Ad una spiegazione del principio di funzionamento del LED di iniezione

attraverso P- n-transizione (a direzione in avanti), quindi alcuni degli elettroni della banda di valenza andranno nella banda di conduzione (Fig. 9.5). Nella parte superiore della banda di valenza si formano stati liberi (fori) e nella parte inferiore della banda di conduzione si forma il riempimento dello stato

Nia (elettroni di conduzione). Una tale popolazione inversa non è in equilibrio e porta all'emissione caotica di fotoni durante le transizioni di elettroni inversi. Sorgendo allo stesso tempo in R-n-transizione bagliore incoerente ed è elettroluminescenza. Un fotone emesso durante una transizione luminescente dalla parte piena della banda di conduzione alla parte libera della banda di valenza provoca l'emissione indotta di un fotone identico, facendo saltare un altro elettrone nella banda di valenza. Tuttavia, un fotone della stessa energia (da ∆ e= e 2 - e 1 prima ∆ e=2? e) non può essere assorbito, poiché lo stato inferiore è libero (non ha elettroni) e lo stato superiore è già pieno. Significa che P- n-la transizione è trasparente per fotoni di tale energia, cioè per la frequenza corrispondente. Al contrario, fotoni con energie maggiori di ∆ e+2? e, possono essere assorbiti trasferendo elettroni dalla banda di valenza alla banda di conduzione. Allo stesso tempo, per tali energie, l'emissione indotta di fotoni è impossibile, poiché lo stato iniziale superiore non è riempito, mentre lo stato inferiore è riempito. Pertanto, l'emissione stimolata è possibile in un intervallo ristretto attorno alla frequenza corrispondente all'energia del gap di banda ∆E con larghezza dello spettro ? e.

I migliori materiali per i LED sono arseniuro di gallio, fosfuro di gallio, fosfuro di silicio, carburo di silicio, ecc. I LED hanno un'elevata velocità (circa 0,5 µs), ma consumano corrente elevata (circa 30 A/cm2). Recentemente sono stati sviluppati LED a base di arseniuro di gallio - alluminio, la cui potenza varia da frazioni a diversi milliwatt con una corrente continua di decine di milliampere. L'efficienza dei LED non supera l'1 - 3%.

Le fonti di luce promettenti sono laser ad iniezione, consentendo di concentrare alte energie in una stretta regione spettrale ad alta efficienza e velocità (decine di picosecondi). Questi laser possono essere realizzati sotto forma di matrici su un unico chip di base utilizzando la stessa tecnologia dei circuiti integrati. Lo svantaggio dei semplici laser a iniezione è che hanno prestazioni accettabili solo quando viene utilizzato il raffreddamento a temperature molto basse. A temperatura normale, un laser all'arseniuro di gallio ha un piccolo potenza media, bassa efficienza (circa 1%), bassa stabilità e durata. Un ulteriore miglioramento del laser ad iniezione mediante la creazione di una giunzione di una struttura complessa mediante eterogiunzioni (eterogiunzione - confine tra strati con gli stessi tipi di conducibilità elettrica, ma con differenti band gap) ha permesso di ottenere una sorgente luminosa di piccole dimensioni operante a temperatura normale con un'efficienza del 10 - 20 % e caratteristiche accettabili.

Fotorilevatori. Per convertire i segnali luminosi in segnali elettrici, vengono utilizzati fotodiodi, fototransistor, fotoresistenze, fototiristori e altri dispositivi.

Il fotodiodo è un parziale direzione inversa P- n-transizione, la cui corrente di saturazione inversa è determinata dal numero di portatori di carica generati in essa dall'azione della luce incidente (Fig. 9.6). I parametri di un fotodiodo sono espressi in termini di valori della corrente che scorre nel suo circuito. La sensibilità del fotodiodo, comunemente chiamato integrale, è definita come il rapporto tra la fotocorrente e il flusso luminoso che l'ha provocata F ? . La soglia di sensibilità dei fotodiodi è stimata dai valori noti della sensibilità integrale (corrente) e della corrente oscura io D, cioè la corrente che scorre nel circuito in assenza di irraggiamento dello strato sensibile.

I materiali principali per i fotodiodi sono germanio e silicio. I fotodiodi al silicio sono generalmente sensibili in una regione ristretta dello spettro (da? = 0,6 - 0,8 µm fino a? = 1,1 µm) con un massimo a? = 0,85 µm e i fotodiodi al germanio hanno limiti di sensibilità? \u003d 0,4 - 1,8 micron con un massimo a? ? 1,5 micron. Nella modalità fotodiodo con tensione di alimentazione di 20 V, la corrente di buio dei fotodiodi al silicio solitamente non supera i 3 μA, mentre quella del germanio; fotodiodi con una tensione di alimentazione di 10 V, raggiunge 15-20 μA.

I fototransistor sono ricevitori di energia radiante con due o più r-p- transizioni che hanno la proprietà di amplificare la fotocorrente quando lo strato sensibile viene irradiato. Il fototransistor combina le proprietà di un fotodiodo e le proprietà di amplificazione di un transistor (Fig. 9.7). La presenza contemporanea di ingressi ottici ed elettrici nel fototransistor consente di creare la polarizzazione necessaria per il funzionamento nella sezione lineare della caratteristica energetica, nonché di compensare le influenze esterne. Per rilevare piccoli segnali è necessario amplificare la tensione prelevata dal fototransistor. In questo caso, aumentare la resistenza di uscita corrente alternata con una corrente di oscurità minima nel circuito del collettore, creando una polarizzazione positiva alla base.

Guide di luce. Tra la sorgente e il ricevitore di luce nell'accoppiatore ottico c'è una guida di luce. Per ridurre le perdite di riflessione dall'interfaccia tra il LED e il mezzo conduttore (fibra ottica), quest'ultimo deve avere un elevato indice di rifrazione. Tali mezzi sono chiamati immersione. Il materiale da immersione deve avere anche una buona adesione ai materiali sorgente e ricevitore, fornire una corrispondenza sufficiente in termini di coefficienti di espansione, essere trasparenti nell'area di lavoro, ecc. I più promettenti sono i vetri al piombo con un indice di rifrazione di 1,8-1,9 e i vetri al selenio con un indice di rifrazione di 2, 4-2.6. Sulla fig. 9.8 mostrato sezione trasversale fotoaccoppiatore a stato solido con guida di luce a immersione.

Sottili filamenti di vetro o plastica trasparente sono usati come guide di luce nell'optoelettronica. Questa direzione è chiamata fibra ottica. Le fibre sono ricoperte con materiali fotoisolanti e collegate in cavi luminosi multipolari. Svolgono la stessa funzione in relazione alla luce dei fili metallici in relazione alla corrente. Con l'ausilio della fibra ottica è possibile: effettuare la trasmissione elemento per elemento di un'immagine con una risoluzione determinata dal diametro della fibra ottica (circa 1 micron); produrre trasformazioni spaziali dell'immagine dovute alla possibilità di piegare e torcere le fibre della guida di luce; trasmettere immagini a distanze considerevoli, ecc. In fig. 9.9 mostra una guida di luce sotto forma di un cavo di fibre che guidano la luce.

Integrante ottica. Una delle aree promettenti della microelettronica funzionale è l'ottica integrata, che garantisce la creazione di sistemi super efficienti per la trasmissione e l'elaborazione di informazioni ottiche. L'area di ricerca nell'ottica integrata comprende la propagazione, la conversione e l'amplificazione della radiazione elettromagnetica nel campo ottico in guide d'onda dielettriche a film sottile e fibre ottiche. L'elemento principale dell'ottica integrata è una guida a microonde ottica sfusa o di superficie. La guida a microonde ottica volumetrica simmetrica più semplice è una regione localizzata in una o due dimensioni spaziali con un indice di rifrazione maggiore di quello del mezzo ottico circostante. Una tale regione otticamente più densa è qualcos'altro che un canale o uno strato portante di una guida d'onda dielettrica.

P Un esempio di guida d'onda dielettrica di superficie asimmetrica è una pellicola sottile di un dielettrico o semiconduttore otticamente trasparente con un indice di rifrazione maggiore di quello di un substrato otticamente trasparente. Il grado di localizzazione del campo elettromagnetico, nonché il rapporto tra i flussi di energia trasferiti lungo lo strato portante e il substrato, sono determinati dalla dimensione trasversale effettiva dello strato portante e dalla differenza tra gli indici di rifrazione dello strato portante e il substrato ad una data frequenza di radiazione. Una guida relativamente semplice e più adatta per dispositivi ottici a stato solido è una guida a microonde a striscia ottica, realizzata sotto forma di un sottile film dielettrico (Fig. 9.10), depositata su un substrato con metodi microelettronici (ad esempio mediante deposizione sotto vuoto). Usando una maschera, interi circuiti ottici possono essere applicati a un substrato dielettrico con un alto grado di precisione. L'uso della litografia a fascio di elettroni ha assicurato il successo nella creazione sia di guide d'onda a striscia singola e otticamente accoppiate su una certa lunghezza, sia successivamente di guide d'onda divergenti, essenziali per la creazione di accoppiatori direzionali e filtri selettivi in ​​frequenza nei sistemi ottici integrati.

Microcircuiti optoelettronici. Sul

Un gran numero di microcircuiti è stato sviluppato sulla base dell'optoelettronica. Considera alcuni microcircuiti optoelettronici prodotti dall'industria nazionale. Nella microelettronica, i microcircuiti optoelettronici di isolamento galvanico sono i più utilizzati. Questi includono interruttori ad alta velocità, interruttori di segnale analogico, interruttori e dispositivi optoelettronici analogici progettati per l'uso in sistemi di elaborazione funzionale del segnale analogico.

L'elemento principale di qualsiasi microcircuito optoelettronico è una coppia di fotoaccoppiatori (Fig. 9.11, ma, b) costituito da una sorgente luminosa 1 , controllato dal segnale di ingresso, mezzo di immersione 2, otticamente accoppiato a una sorgente di luce e un fotorilevatore 3. I parametri di un fotoaccoppiatore sono la resistenza di isolamento CC, il rapporto di trasferimento della corrente (il rapporto tra la fotocorrente del ricevitore e la corrente dell'emettitore), il tempo di commutazione e la capacità.

Sulla base di coppie optoelettroniche vengono creati microcircuiti optoelettronici per vari scopi.

Riso. 9.11. Schema e implementazione tecnologica dell'accoppiatore ottico:

1 - sorgente luminosa; 2 - mezzo di immersione; 3 - fotorilevatore.

Argomento 4.2 ELEMENTI DEI DISPOSITIVI OPTOELETTRONICI
1. Interruttore optoelettronico rappresenta un microcircuito ibrido contenente una coppia optoelettronica e un amplificatore. L'interruttore utilizza LED apceniuro di gallio drogati con silicio ad alta efficienza e silicio ad alta velocità P- io- n-fotodiodi. Il mezzo di immersione è vetro calcogenuro con un indice di rifrazione di 2,7. Il coefficiente di trasferimento di corrente nella coppia optoelettronica è 3-5 a temperatura normale, i tempi di accensione (somma dei tempi di ritardo e di salita) sono 100-250 ps, ​​l'isolamento galvanico del circuito LED e del fotorilevatore in la corrente continua è di 10 9 Ohm. Il microcircuito è realizzato in un contenitore rotondo vetro-metallo di tipo TO-5.

2. Chiave optoelettronica progettato per la commutazione di circuiti CA e CC ad alta tensione. Dispone di quattro canali indipendenti, ognuno dei quali contiene due coppie optoelettroniche, costituite da un LED e da un P- io- n- fotodiodo. I fotodiodi sono collegati back-to-back, quindi la resistenza dell'interruttore nello stato spento (in assenza di corrente attraverso i LED), indipendentemente dalla polarità della tensione applicata, è determinata dalla resistenza al buio dell'inversione- prevenuto P- io- n- fotodiodo; il suo valore è di circa 10 9 ohm.

3. chiave a transistor progettato per la commutazione di tensioni continue fino a 50 V. Il dispositivo dispone di due canali indipendenti, ognuno dei quali contiene una coppia optoelettronica composta da un LED all'arseniuro di gallio e un silicio n- P- io- n- fototransistor. La coppia optoelettronica ha un coefficiente di trasferimento di corrente di 2, una corrente operativa nominale di 10 mA e una velocità nella modalità di amplificazione di 100-300 ns.

4.Interruttore segnale analogico progettato per l'uso in sistemi di elaborazione selettiva di segnali analogici. Schema elettrico un canale di commutazione è mostrato in fig. 9.12. Il canale contiene una coppia optoelettronica composta da un LED all'arseniuro di gallio e due back-to-back n- io- n-fotodiodi realizzati in un unico cristallo.

Sulla fig. 9.13 mostra i circuiti elettrici di altri tipi di microcircuiti optoelettronici. Chip chiave (Fig. 9.13, ma) include una coppia optoelettronica di diodi ad alta velocità abbinata a un amplificatore monolitico in silicio. È progettato per sostituire le connessioni di trasformatori e relè nei dispositivi logici dei computer e nell'automazione discreta. Tasto analogico (Fig. 9.13, B) si riferisce a




circuiti lineari con controllo optoelettronico. Con una potenza del segnale di controllo di 60-80 mW, i parametri del chopper raggiungono i valori richiesti per i microcircuiti a semiconduttori standard. Relè optoelettronici a bassa potenza corrente continua(Fig. 9.13, in) progettato per sostituire l'analogico

relè elettromeccanici con velocità nell'ordine dei millisecondi e numero di manovre garantito 10 4 -10 7 .

Di interesse sono i microcircuiti optoelettronici della serie 249, che comprende quattro gruppi di dispositivi, che sono interruttori elettronici basati su diodi e transistor elettroluminescenti. Schema elettrico di tutti i gruppi

I dispositivi sono gli stessi (Fig. 9.14). Strutturalmente, i microcircuiti sono progettati in un pacchetto piatto rettangolare di circuiti integrati con 14 conduttori e hanno due canali isolati, che riduce le dimensioni e il peso dell'apparecchiatura ed espande anche la funzionalità dei microcircuiti. I LED sono a base di silicio e hanno P + - P- n io - n + - struttura. La presenza di due canali nella chiave consente di utilizzarla come interruttore integrale di segnali analogici e ottenere un elevato coefficiente di trasferimento del segnale (10-100) quando si accendono i fototransistor secondo il circuito del transistor composto.

Dispositivi optoelettronici
Il lavoro dei dispositivi optoelettronici si basa su processi elettrone-fotoni di ricezione, trasmissione e memorizzazione di informazioni.

Il dispositivo optoelettronico più semplice è una coppia optoelettronica, o fotoaccoppiatore. Il principio di funzionamento di un fotoaccoppiatore, costituito da una sorgente di radiazione, un mezzo di immersione (fibra ottica) e un fotorilevatore, si basa sulla conversione di un segnale elettrico in uno ottico, e poi di nuovo in uno elettrico.

Gli optoaccoppiatori come dispositivi funzionali presentano i seguenti vantaggi rispetto agli elementi radio convenzionali:

Isolamento galvanico completo "ingresso - uscita" (la resistenza di isolamento supera i 10 12 - 10 14 ohm);

Immunità assoluta al rumore nel canale di trasmissione delle informazioni (i vettori di informazioni sono particelle elettricamente neutre - fotoni);

Flusso di informazioni unidirezionale, che è associato alle caratteristiche della propagazione della luce;

Banda larga a causa dell'elevata frequenza delle oscillazioni ottiche,

Velocità sufficiente (unità di nanosecondi);

Alta tensione di rottura (decine di kilovolt);

Basso livello di rumore;

Buona resistenza meccanica.

A seconda delle funzioni svolte, un fotoaccoppiatore può essere paragonato ad un trasformatore (elemento di accoppiamento) con un relè (chiave).

Negli optoaccoppiatori vengono utilizzate sorgenti di radiazioni a semiconduttore: diodi emettitori di luce realizzati con materiali di composti del gruppo MA III B v , tra i quali i più promettenti sono il fosfuro e l'arseniuro di gallio. Lo spettro della loro radiazione si trova nella regione della radiazione visibile e del vicino infrarosso (0,5 - 0,98 micron). I diodi emettitori di luce a base di fosfuro di gallio hanno un bagliore rosso e verde. I LED al carburo di silicio sono promettenti giallo luminescenza e operando a temperature, umidità elevate e in ambienti aggressivi.

I LED che emettono luce nella gamma visibile dello spettro sono utilizzati negli orologi elettronici e nei microcalcolatori.

I diodi emettitori di luce sono caratterizzati da una composizione spettrale della radiazione, che è piuttosto ampia, un diagramma di radiazione; efficienza quantistica, determinata dal rapporto tra il numero di quanti di luce emessa e il numero di quelli che sono passati P-n-transizione di elettroni; potenza (con radiazione invisibile) e luminosità (con radiazione visibile); caratteristiche volt-ampere, lumen-ampere e watt-ampere; velocità (aumento e diminuzione dell'elettroluminescenza durante l'eccitazione pulsata), campo di temperatura di esercizio. Con un aumento temperatura di esercizio la luminosità del LED diminuisce e la potenza in uscita diminuisce.

Le principali caratteristiche dei diodi emettitori di luce nel campo del visibile sono riportate in Tabella. 32, e la portata dell'infrarosso - in tabella. 33.
Tabella 32 Le principali caratteristiche dei diodi emettitori di luce nel campo del visibile

Tabella 33 Caratteristiche principali dei diodi a emissione di luce a infrarossi

Tipo di diodo	Piena potenza radiazione, mW	Tensione diretta CC, V	Lunghezza d'onda della radiazione, µm	Tempo di salita dell'impulso di radiazione, ns	Tempo di decadimento dell'impulso di radiazione, ns	Peso, g
AL103 A, B AL106 A - D AL107 A, B AL115 A	0,6 - 1 (a 50 mA) 0,2 - 1,5 (a 100 mA) 6 - 10 (a 100 mA) 1,5 (a 100 mA) 0,2 (a 20 mA) 10 (a corrente 50 mA)	1,6	0,95 0,9 – 1	200 – 300	500	0,1

I diodi emettitori di luce nei dispositivi optoelettronici sono collegati ai fotorivelatori mediante un mezzo di immersione, il cui requisito principale è la trasmissione del segnale con perdite e distorsioni minime. I dispositivi optoelettronici utilizzano mezzi di immersione solidi: composti organici polimerici (adesivi e vernici ottici), mezzi di calcogenuro e fibre ottiche. A seconda della lunghezza del canale ottico tra l'emettitore e il fotorilevatore, i dispositivi optoelettronici possono essere suddivisi in optoaccoppiatori (lunghezza del canale 100 - 300 micron), optoisolatori (fino a 1 m) e linee di comunicazione in fibra ottica - FOCL (fino a decine di chilometri).

I fotorilevatori utilizzati negli fotoaccoppiatori sono soggetti a requisiti per la corrispondenza delle caratteristiche spettrali con l'emettitore, perdite minime durante la conversione di un segnale luminoso in uno elettrico, fotosensibilità, velocità, dimensione di un'area fotosensibile, affidabilità e livello di rumore.

Per i fotoaccoppiatori, i fotorivelatori con un effetto fotoelettrico interno sono i più promettenti, quando l'interazione di fotoni con elettroni all'interno di materiali con determinati Proprietà fisiche porta a transizioni di elettroni nella maggior parte del reticolo cristallino di questi materiali.

L'effetto fotoelettrico interno si manifesta in due modi: in un cambiamento nella resistenza del fotorilevatore sotto l'azione della luce (fotoresistenze) o nell'aspetto di una foto-emf all'interfaccia tra due materiali: semiconduttore-semiconduttore, metallo-semiconduttore (fotocellule a valvole, fotodiodi, fototransistor).

I fotorivelatori con effetto fotoelettrico interno sono suddivisi in fotodiodi (con P-n-giunzione, struttura MIS, barriera Schottky), fotoresistenze, fotorivelatori con amplificazione interna (fototransistor, fototransistor compositi, fototiristori, fototransistor di campo).

I fotodiodi sono realizzati sulla base di silicio e germanio. La massima sensibilità spettrale del silicio è 0,8 µm e quella del germanio è fino a 1,8 µm. Funzionano con polarizzazione inversa attiva P-n-transizione, che permette di aumentarne la velocità, la stabilità e la linearità delle caratteristiche.

Molto spesso, i fotodiodi vengono utilizzati come fotorilevatori di dispositivi optoelettronici di varia complessità. P- io-n-strutture dove ioè la regione impoverita del campo elettrico elevato. Modificando lo spessore di questa regione, si può ottenere buona performance in termini di velocità e sensibilità a causa della bassa capacità e del tempo di volo dei vettori.

I fotodiodi a valanga, che utilizzano l'amplificazione della fotocorrente durante la moltiplicazione dei portatori di carica, hanno una maggiore sensibilità e velocità. Tuttavia, questi fotodiodi non sono sufficientemente stabili nell'intervallo di temperatura e richiedono alimentatori. alta tensione. I fotodiodi con una barriera Schottky e con una struttura MIS sono promettenti per l'uso in determinati intervalli di lunghezze d'onda.

I fotoresistenze sono costituiti principalmente da film semiconduttori policristallini a base di un composto (cadmio con zolfo e selenio). La massima sensibilità spettrale delle fotoresistenze è 0,5 - 0,7 µm. Le fotoresistenze vengono solitamente utilizzate in condizioni di scarsa illuminazione; in termini di sensibilità, sono paragonabili ai fotomoltiplicatori - dispositivi con un effetto fotoelettrico esterno, ma richiedono un'alimentazione a bassa tensione. Gli svantaggi delle fotoresistenze sono la bassa velocità e alto livello rumore.

I fotorivelatori più comuni con amplificazione interna sono i fototransistor e i fototiristori. I fototransistor sono più sensibili dei fotodiodi, ma più lenti. Per aumentare la sensibilità del fotorilevatore, viene utilizzato un fototransistor composito, che è una combinazione di foto e transistor di amplificazione, ma ha una bassa velocità.

Negli optoaccoppiatori, un fototiristore (un dispositivo a semiconduttore con tre P- n-transizioni, commutazione quando illuminato), che ha un'elevata sensibilità e livello del segnale di uscita, ma una velocità insufficiente.

La varietà di tipi di fotoaccoppiatori è determinata principalmente dalle proprietà e dalle caratteristiche dei fotorivelatori. Una delle principali applicazioni degli optoaccoppiatori è l'efficace isolamento galvanico di trasmettitori e ricevitori di segnali digitali e analogici. In questo caso, l'accoppiatore ottico può essere utilizzato in modalità convertitore o commutatore di segnale. L'accoppiatore ottico è caratterizzato da un segnale di ingresso accettabile (corrente di controllo), rapporto di trasferimento della corrente, velocità (tempo di commutazione) e capacità di carico.

DI il rapporto tra il coefficiente di trasferimento di corrente e il tempo di commutazione è chiamato fattore di qualità dell'optoaccoppiatore ed è 10 5 - 10 6 per fotodiodo e fototransistor. Sono ampiamente utilizzati fotoaccoppiatori basati su fototiristori. Gli optoaccoppiatori basati su fotoresistenze non sono ampiamente utilizzati a causa della bassa stabilità di tempo e temperatura. I diagrammi di alcuni fotoaccoppiatori sono mostrati in fig. 130, un - Sig.

IN Come sorgenti di radiazioni coerenti, vengono utilizzati i laser, che hanno un'elevata stabilità, buone caratteristiche energetiche ed efficienza. In optoelettronica, i laser a semiconduttore vengono utilizzati per progettare dispositivi compatti - diodi laser, utilizzato, ad esempio, nelle linee di comunicazione in fibra ottica al posto delle tradizionali linee di trasmissione dell'informazione - cavo e filo. Hanno un'elevata larghezza di banda (larghezza di banda di un gigahertz), resistenza alle interferenze elettromagnetiche, peso e dimensioni ridotte, isolamento elettrico completo dall'ingresso all'uscita, sicurezza contro le esplosioni e incendi. Una caratteristica di FOCL è l'uso di uno speciale cavo in fibra ottica, la cui struttura è mostrata in Fig. 131. I campioni industriali di tali cavi hanno un'attenuazione di 1-3 dB/km e inferiore. Le linee di comunicazione in fibra ottica vengono utilizzate per costruire reti telefoniche e informatiche, sistemi di televisione via cavo con alta qualità immagine trasmessa. Queste linee consentono la trasmissione simultanea di decine di migliaia di conversazioni telefoniche e di numerosi programmi televisivi.

Recentemente, i circuiti integrati ottici (OIC) sono stati sviluppati e diffusi in modo intensivo, tutti gli elementi dei quali sono formati dalla deposizione dei materiali necessari su un substrato.

Nell'optoelettronica sono promettenti dispositivi basati su cristalli liquidi, ampiamente utilizzati come indicatori negli orologi elettronici. I cristalli liquidi sono una sostanza organica (liquida) con le proprietà di un cristallo e si trovano in uno stato di transizione tra la fase cristallina e il liquido.

Gli indicatori a cristalli liquidi hanno un'alta risoluzione, sono relativamente economici, consumano poca energia e funzionano ad alti livelli di illuminazione.

I cristalli liquidi con proprietà simili ai cristalli singoli (nematics) sono più spesso utilizzati negli indicatori luminosi e nei dispositivi di memoria ottica. Sono stati sviluppati e ampiamente utilizzati cristalli liquidi che cambiano colore quando riscaldati (cholesterics). Altri tipi di cristalli liquidi (smectics) sono utilizzato per la registrazione termo-ottica delle informazioni.

I dispositivi optoelettronici, sviluppati relativamente di recente, sono ampiamente utilizzati in vari campi scienza e tecnologia, grazie alle sue proprietà uniche. Molti di loro non hanno analoghi nella tecnologia del vuoto e dei semiconduttori. Tuttavia, ci sono ancora molti problemi irrisolti associati allo sviluppo di nuovi materiali, al miglioramento delle caratteristiche elettriche e operative di questi dispositivi e allo sviluppo di metodi tecnologici per la loro fabbricazione.

Sezione 5. Dispositivi basati su dispositivi ad accoppiamento di carica (CCD).