Cieľom práce je experimentálne štúdium charakteristík fotosenzitívnych a svetlo emitujúcich zariadení.

Stručné teoretické informácie.

Optoelektronické polovodičové zariadenia možno rozdeliť do dvoch skupín: emitujúce a fotosenzitívne (fotodetektor). Do prvej skupiny patria LED diódy a polovodičové laserové žiariče a do druhej patria fotodiódy, fototranzistory, fototyristory, fotorezistory a množstvo ďalších.

LED je zariadenie s p-n prechodmi medzi vrstvami polovodičových materiálov zahrnutých v jeho zložení. Premieňa energiu prúdu, ktorý ním prechádza, na elektromagnetické nekoherentné žiarenie.

Pri prechode jednosmerného prúdu cez diódu v zóne p-n prechodu dochádza k rekombinácii elektrónov a dier. Tento proces môže byť sprevádzaný elektromagnetickým žiarením s frekvenciou určenou vzťahom:

(5.1)

kde

je hodnota zodpovedajúca zakázaniu pásma polovodiča, je Planckova konštanta. Súčasne s týmto (radiačným) mechanizmom rekombinácie však pôsobí aj neradiačný mechanizmus, ktorý je spojený najmä s absorpciou energie kryštálovou mriežkou. Pri výrobe LED sa usiluje o zníženie jeho vplyvu. Účinnosť premeny elektrickej energie na svetelnú energiu sa odhaduje hodnotou , nazývaný vnútorný kvantový výnos. Je určená pomerom počtu emitovaných fotónov k počtu rekombinovaných párov nosičov.

Ako vyplýva z (5.1), vlnová dĺžka žiarenia LED

je nepriamo úmerná zakázaniu pásma polovodiča. Diódy vyrobené z germánia, kremíka a arzenidu gália majú maximum vyžiarenej energie v infračervenej oblasti a navyše germánové a kremíkové diódy majú vysokú pravdepodobnosť nežiarivej rekombinácie.

Na výrobu LED diód vyžarujúcich vo viditeľnom rozsahu sa používajú špeciálne polovodičové materiály - fosfid gália, nitrid gália, karbid kremíka a iné s veľkou zakázanou vzdialenosťou. Moderné LED diódy používajú heteroprechody, to znamená polovodičové štruktúry založené na materiáloch s rôznymi zakázanými pásmami.

Na obr. 5.1 je znázornená závislosť intenzity žiarenia LED z rôznych materiálov od vlnovej dĺžky (spektrálnej charakteristiky), je tam znázornený aj symbol LED na elektrických obvodoch.

Ryža. 5.1. Spektrálne charakteristiky a označenie LED na elektrických obvodoch.

Prúdovo-napäťová charakteristika LED (obr. 5.2) je podobná charakteristike bežnej polovodičovej diódy. Jeho zvláštnosťou je, že predné napätia môžu dosiahnuť niekoľko voltov (kvôli veľkej medzere v pásme) a spätné napätia sú malé kvôli malej hrúbke p-n prechodu. Pri elektrickom prieraze LED v dôsledku nárazovej ionizácie môže dôjsť aj k vyžarovaniu elektromagnetickej energie v objeme p-n prechodu. Intenzita žiarenia v tomto režime je však nízka a nenachádza praktické uplatnenie.

Ryža. 5.2. Voltampérové ​​charakteristiky LED.

Dôležitou charakteristikou LED je jas, teda závislosť jasu žiarenia na množstve jednosmerného prúdu. Jas je určený pomerom intenzity svetla k ploche svietiacej plochy. Približný pohľad na takúto charakteristiku je znázornený na obr. 5.3. Jeho ohyby v úvodnom a záverečnom úseku sa vysvetľujú tým, že pri malých a vysoké prúdy zvyšuje sa pravdepodobnosť neradiačnej rekombinácie.

Ryža. 5.3. Charakteristika jasu LED.

LED diódy sú na rozdiel od iných vyžarujúcich zariadení (žiarovky a pod.) veľmi rýchle (bez zotrvačnosti). Čas, počas ktorého svetelný tok generovaný LED pri privedení obdĺžnikového impulzu jednosmerného prúdu dosiahne maximum, leží v rozmedzí od niekoľkých mikrosekúnd až po desiatky nanosekúnd.

LED diódy sa vyznačujú týmito hlavnými parametrami: vlnová dĺžka maximálneho žiarenia alebo farba žiary; jasu alebo svietivosti pri danom priamy prúd; pokles dopredného napätia pre daný dopredný prúd a maximálny povolený dopredný prúd, spätné napätie a výkon rozptýlený LED.

Fotodióda je polovodičové zariadenie, ktorého p-n prechod je otvorený pre vonkajšie žiarenie. Ak na svorky polovodičovej diódy nie sú pripojené externé zdroje napätia, potom je p-n prechod v rovnovážnom stave. V tomto prípade je potenciálny rozdiel na svorkách diódy rovný nule a na rozhraní medzi vrstvami polovodiča je vnútorný elektrické pole, ktorý bráni pohybu hlavných nosičov cez p-n prechod.

Vplyvom elektromagnetického žiarenia (pri osvetlení) v objeme prechodu dochádza k prerušeniu väzieb elektrónov s atómami - generovanie párov elektrón-diera. Tento jav sa nazýva vnútorný fotoelektrický jav. Pole spojenia p-n presunie vytvorené otvory do oblasti p-polovodič, respektíve elektróny, v n-polovodič, oddeľujúci vzniknuté nosiče. Zároveň sa na vonkajších okrajoch polovodičových vrstiev objaví určitý potenciálový rozdiel („+“ na anóde diódy, „-“ na jej katóde) a zároveň výška potenciálovej bariéry pn prechod sa zníži o hodnotu tohto rozdielu.

Potenciálny rozdiel generovaný fotodiódou pri pôsobení svetla sa nazýva foto emf.

. Jeho hodnota závisí od svetelného toku (obr. 5.4), ale foto emf. nemôže prekročiť rozdiel kontaktných potenciálov . Vysvetľuje to skutočnosť, že smery vonkajších a vnútorných polí sú opačné a zvyšujú sa celkové elektrické pole, ktoré spôsobuje pohyb nosičov náboja, klesá. Keď je emf fotografie rovnaká. A sila spôsobujúca pohyb nosičov zmizne. Veľkosť potenciálneho rozdielu vytvoreného na svorkách fotodiódy s otvoreným vonkajším obvodom sa nazýva napätie nečinný pohyb.

Ryža. 5.4. Závislosť fotografie emf a skratový prúd p-n prechodu od veľkosti svetelného toku.

Ak sú svorky diódy s osvetleným p-n prechodom skratované, potom bude vodičom pretekať elektrický prúd, nazývaný fotoprúd , v dôsledku usmerneného pohybu voľných nosičov vytvorených v prechodovej zóne. K ich pohybu dôjde pôsobením vnútorného elektrického poľa prechodu. Keď je fotodióda osvetlená, tento prúd bude udržiavaný vďaka energii svetelného žiarenia, ktoré spôsobuje generovanie párov elektrón-diera. Pri nulovom odpore vonkajšieho obvodu sa takýto prúd nazýva skratový prúd.

Hodnota fotoprúdu , ako aj hodnota foto-emf, je úmerná svetelný tok(obr. 5.4), ale zodpovedajúca závislosť

nemá výraznú oblasť nasýtenia, pretože pri akomkoľvek počte vytvorených nosičov sa elektrické pole, ktoré na ne pôsobí, bude rovnať poľu rozdielu kontaktného potenciálu.

V prítomnosti vonkajších svetelných zdrojov teda môže fotodióda slúžiť ako generátor emf. alebo aktuálne, t.j. vykonávať funkcie premeny svetelnej energie na elektrickú energiu. Na tomto princípe je založená činnosť solárnych konvertorov (batérií). Opísaný režim činnosti fotodiódy (bez externých zdrojov) sa nazýva hradlový.

Prúdovo-napäťová charakteristika fotodiódy, t.j. závislosť prúdu cez ňu od veľkosti vonkajšieho použitého napätia určitým spôsobom súvisí s osvetlením. Je zrejmé, že ak p-n prechod nie je osvetlený, potom charakteristika prúdového napätia fotodiódy bude identická so zodpovedajúcou charakteristikou bežnej diódy. Táto situácia zodpovedá grafu na obr. 5,5 pre

=0.

Ryža. 5.5. Voltampérová charakteristika fotodiódy.

Keď sa na stmavenú fotodiódu privedie spätné napätie, pretečie ňou takzvaný tmavý prúd. , definované ako pre konvenčnú diódu vzťahom:

(5.2)

kde - saturačný prúd, je teplotný potenciál,

- aplikované napätie. Pri osvetlení p-n prechodu blokovanej diódy sa v jej objeme a priľahlých oblastiach vytvoria páry nosičov. Vonkajšie elektrické pole ich odnesie na okraje polovodičových vrstiev a diódou bude prechádzať spätný prúd.

(5.3)

kde - temný prúd, je prúd vytvorený nosičmi produkovanými elektromagnetickým žiarením (fotoprúd). Tento prúd má podmienečne záporné znamienko. Keďže veľkosť fotoprúdu je úmerná svetelnému toku

, potom so zvyšujúcim sa osvetlením sa spätná vetva CVC fotodiódy posunie nadol takmer paralelne, ako je znázornené na obr. 5.5. Tento režim činnosti fotodiódy (s reverzným predpätím p-n prechodu) sa nazýva fotodióda.

Ak sa na fotodiódu aplikuje napätie rovné nule, bude to zodpovedať jej skratu a, ako už bolo uvedené, vonkajším obvodom preteká určitý prúd, nazývaný skratový prúd.

.

Keď je polarita napätia na dióde obrátená, vonkajšie elektrické pole sa zapne opačne k poľu foto emf, čo spôsobí zníženie toku nosiča cez p-n prechod, a teda zníženie spätného prúdu. Keď napätie v priepustnom smere dosiahne určitú hodnotu, prúd diódy sa zastaví. Hodnota tohto napätia zodpovedá režimu nečinnosti a bude sa rovnať

generované diódou pri danom osvetlení a otvorenom vonkajšom okruhu. Ďalšie zvýšenie rozdielu otváracích potenciálov spôsobí, že cez diódu bude pretekať jednosmerný prúd, ktorého závislosť od napätia je popísaná vzťahom podobným (5.2)

a celkový prúd sa bude rovnať

.

Fotodiódy sa bežne používajú ako svetelné senzory a pracujú v opačnom smere, t.j. v režime fotodiódy. Vyznačujú sa nasledujúcimi parametrami: – tmavý prúd (spätný prúd zatemnenej fotodiódy pri danej teplote a spätnom napätí);

- integrovaná, príp

– diferenciálna fotosenzitivita. Ten je často definovaný ako pomer zmeny spätného prúdu

na zmenu svetelného toku, ktorá to spôsobila

.

Citlivosť fotodiódy závisí od vlnovej dĺžky aplikovaného svetla. Táto závislosť pre fotodiódy vyrobené z rôznych materiálov a jej označenie na schém zapojenia znázornené na obr. 5.6.

Ryža. 5.6. Spektrálne charakteristiky fotodiódy a jej označenie na elektrických obvodoch.

Pretože bipolárny tranzistor je štruktúra obsahujúca p-n prechody, potom sa v nej môže regulácia prúdu vykonávať nielen zmenou zodpovedajúcich napätí, ale aj osvetlením základnej plochy. Tranzistor, pre ktorý je určený tento režim činnosti, sa nazýva fototranzistor. Pri absencii osvetlenia sú jeho charakteristiky prúdového napätia totožné s charakteristikami bežného tranzistora.

Vplyvom svetelného toku sa v p-n spojoch základnej oblasti vytvoria páry elektrón-diera. Poľom zablokovaného kolektorového prechodu budú elektróny (pre npn tranzistor) vťahované do kolektorovej oblasti, čím sa zvýši jeho prúd. Táto situácia je podobná prevádzke fotodiódy v režime spätného predpätia.

Diery, ktoré sa objavili pri osvetlení fototranzistora (typ n-p-n), zostávajú v základni, čím sa zvyšuje jej kladný potenciál, čo vedie k zvýšeniu intenzity vstrekovania elektrónov z žiariča. Ďalšie elektróny, ktoré dosiahli kolektorový prechod, budú vtiahnuté jeho poľom do kolektorovej oblasti a vytvoria ďalší prírastok kolektorového prúdu. Celkový kolektorový prúd fototranzistora, keď je zapnutý podľa obvodu so spoločným emitorom, bude opísaný vzťahom:

kde

- cez kolektorový prúd, je fotoprúd kolektorového prechodu, ktorého hodnota závisí od vonkajšieho osvetlenia. Z (5.4) vyplýva, že kolektorový prúd fototranzistora je možné riadiť ako cez bázový obvod, tak aj zmenou hodnoty svetelného toku. Fotocitlivosť takéhoto tranzistora je asi

násobok citlivosti fotodiódy.

Rodina výstupných prúdovo-napäťových charakteristík fototranzistora je znázornená na obr. 5.7. Zobrazuje aj ekvivalentný obvod fototranzistora vo forme kombinácie klasického tranzistora a fotodiódy.

Ryža. 5.7. Prúdovo-napäťové charakteristiky, označenie a ekvivalentné znázornenie bipolárneho fototranzistora.

Ak sa nevyžaduje kombinované riadenie kolektorového prúdu, potom fototranzistor nemusí mať základný kolík. Tento režim prevádzky sa nazýva "odtrhnutý" alebo režim voľnej základne. V tomto prípade má fototranzistor nielen maximálnu citlivosť, ale aj maximálnu nestabilitu svojich parametrov. Aby sa zvýšila stabilita, základný výstup cez odpor môže byť pripojený ku kontaktu emitora.

Fototyristory sú spínacie polovodičové zariadenia, ktorých zapínacie napätie sa môže meniť pod vplyvom zodpovedajúcich p-n prechodov svetelného toku. Podmienka pre zapnutie tyristora je nasledovná:

, kde A sú koeficienty prenosu ekvivalentných tranzistorov. Pri absencii osvetlenia je charakteristika prúdového napätia fototyristora podobná charakteristike bežného spínacieho zariadenia (dinistor alebo tyristor pri

). Osvetlenie prechodov fototyristorov spôsobuje zvýšenie prúdov príslušných tranzistorov a ich prenosových koeficientov. Tým sa zníži zapínacie napätie konštrukcie, ako je znázornené na obr. 5.8. V prípade dostatočne intenzívneho osvetlenia sa fototyristor zapne na ľubovoľnú hodnotu priepustného napätia, ako aj tyristor na riadiaci prúd väčší ako je usmerňovací prúd.

Ryža. 5.8. Prúdovo-napäťové charakteristiky a označenie fototyristora.

Takže privedením určitého napätia na zatemnený fototyristor a následným krátkym osvetlením p-n prechodu je možné zariadenie prepnúť do zapnutého stavu. Vypnutie fototyristora, ako u bežného spínacieho zariadenia, je možné len vtedy, keď anódový prúd klesne na hodnotu menšiu ako prídržný prúd. Fototyristor môže mať aj prídavný výstup - riadiacu elektródu, ktorá umožňuje jeho zapnutie pri privedení elektrického aj svetelného signálu.

Fotorezistor je dvojelektródové polovodičové zariadenie, ktorého odpor závisí od okolitého svetla. Na rozdiel od predtým diskutovaných zariadení fotorezistor neobsahuje usmerňovacie prechody a je lineárnym prvkom, t.j. jeho prúdovo-napäťová charakteristika je opísaná pre akúkoľvek polaritu napätia pomer:

, kde je prúd pretekajúci cez fotorezistor, - odpor pri danom osvetlení. Prúdovo-napäťové charakteristiky fotorezistora a jeho označenie na elektrických obvodoch sú znázornené na obr. 5.9.

Ryža. 5.9. Prúdovo-napäťové charakteristiky a označenie fotorezistorov na elektrických obvodoch.

Hlavné parametre fotorezistora sú: odolnosť proti tme (odpor pri svetelnom toku

), mnohopočetnosť zmien odporu rovnajúci sa pomeru odporu tmy k odporu pri danom osvetlení. Fotorezistory, podobne ako fotodiódy, reagujú odlišne na svetelné toky s rôznymi vlnovými dĺžkami. Najcitlivejšie na infračervené žiarenie sú fotorezistory vyrobené zo selenidu olovnatého a sulfidu olovnatého a pri prevádzke vo viditeľnej oblasti sa používajú fotorezistory vyrobené zo selenidu a sulfidu kademnatého.

Svetelný žiarič a fotodetektor môžu byť umiestnené v jednom kryte a tvoria tak zariadenie nazývané optočlen alebo optočlen. V závislosti od kombinácií žiaričov a prijímačov svetla existujú rôzne druhy optočleny. Štruktúra a označenia na schematických diagramoch niektorých z nich sú znázornené na obr. 5.10.

Ryža. 5.10. Označenie na elektrických obvodoch rôznych typov optočlenov.

Popis usporiadania laboratória.

Inštalácia pre laboratórne práce č.5 „Výskum optoelektronické zariadenia» pozostáva z laboratórnych a meracích stojanov, vzhľad ktorého predné panely sú znázornené na obrázkoch 1.8 a 5.11.

Laboratórny stojan obsahuje nastaviteľný napájací zdroj s rozsahom výstupného napätia 0 15V a obmedzovač záťažového prúdu na 60mA. Prepínač na zapnutie napájania, gombík na nastavenie napätia a výstupné zásuvky sú umiestnené na pravej strane panelu laboratórneho stojana. K dispozícii je tiež tlačidlo s označením „Vyp. E“, po stlačení sa odpojí výstupné napätie zo zásuvky označenej „+“.

Okrem toho existujú dva prúdové zdroje, ktorých hodnoty sú nastavené príslušnými prepínačmi. Základný prúd možno nastaviť na nulu, 0,1 µA, 1 µA, 10 µA a prúd druhého zdroja – 0, 0,5 mA, 10 mA, 20 mA a 30 mA.

V tomto laboratórne práce Skúma sa charakteristika LED AL336B (VD1) s červenou, AL336G (VD2) so zelenou luminiscenciou a infračervenej LED AL107A (VD3).

Rezistor s nominálnou hodnotou 680 ohmov slúži na obmedzenie množstva jednosmerného prúdu cez LED diódy. Okrem toho prebieha výskum na fotodetektoroch rôzne druhy, ktoré sú súčasťou optočlenov diódy AOD101A (U1), tranzistora AOT128A (U2), tyristora AOU103V (U3) a odporu OEP10 (U4). Rezistory

(hodnota 1 kOhm) a

(hodnota 10 kOhm) sa používajú pri štúdiu optočlena v režime prenosu analógového signálu, vykonanej v práci č.

Laboratórny stojan sa zapína prepínačom „On“. Činnosť zdroja energie je indikovaná zelenou LED diódou umiestnenou na tomto prepínači.

Postup pri vykonávaní laboratórnych prác.

1. Domáca príprava.

V rámci domácej prípravy je potrebné pomocou referenčnej literatúry určiť a zapísať do pracovného zošita hlavné parametre polovodičových prvkov študovaných v tejto práci. Okrem toho je potrebné nakresliť diagramy na meranie a tabuľky na zaznamenávanie výsledkov výskumu.

2. Vykonávanie laboratórnych prác.

2.1. Štúdium prúdovo-napäťových charakteristík LED.

Zostavte pomocou diódy VD1 obvod znázornený na obr. 5.12.

Ryža. 5.12. Schéma na štúdium priamej vetvy prúdovo-napäťovej charakteristiky LED.

Nastavte gombík regulátora napätia do polohy úplne vľavo (

); Limit merania PV1 - 1,5V, limit merania PA1 - 10mA. Zapnite napájanie laboratórneho stojana.

Otáčaním gombíka doprava zvýšte napätie zdroja, zmerajte závislosť úbytku napätia na dióde od priepustného prúdu, pričom jeho hodnoty nastavte na: 0mA, 1mA, 3mA, 5mA, 10mA , 20 mA, 30 mA, 40 mA, 50 mA. Vyplňte prvý riadok tabuľky prijatými údajmi:

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

Vykonajte podobné merania pre diódy VD2, VD3. Ich pripojenie sa musí vykonať s laboratórnym stojanom bez napätia.

Zostavte pomocou diódy VD1 obvod znázornený na obr. 5.13.

Ryža. 5.13. Schéma na štúdium reverznej vetvy prúdovo-napäťovej charakteristiky LED.

Nastavte limit merania PA1 - 0,1 mA, PV1 - 15 V. Zmenou blokovacieho napätia na dióde pomocou regulátora zmerajte spätný prúd a vyplňte prvý riadok tabuľky:

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

Vykonajte podobné merania pre diódy VD2, VD3.

2.2. Skúmanie prúdovo-napäťových charakteristík fotodiódy.

V cykle týchto štúdií sa používa fotodióda arzenidu gália, ktorá je súčasťou diódového optočlena U1.

2.2.1. Skúmanie priamej vetvy prúdovo-napäťovej charakteristiky fotodiódy.

Zostavte obvod znázornený na obr. 5.14.

Ryža. 5.14. Schéma na štúdium priamej vetvy prúdovo-napäťovej charakteristiky fotodiódy.

Nastavte regulátor napätia do krajnej ľavej polohy (

), prepínač, ktorý nastavuje prúd - do nulového stavu je hranica merania voltmetra PV1 0,75V, miliampérmetra PA1 10mA.

Zvýšením výstupného napätia napájacieho zdroja nastavte jednosmerné prúdy fotodiódy rovnaké ako tie, ktoré sú uvedené v tabuľke na obr. 5.15 zmerajte na ňom úbytok napätia a získanými údajmi vyplňte prvý riadok tabuľky.

Nastavením prepínača s nápisom "I" vykonajte podobné merania hodnôt prúdu LED na 5, 10, 20 a 30 mA a tým zvýšite osvetlenie fotodiódy.

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

Ryža. 5.15. Tabuľka na zaznamenávanie výsledkov štúdií priamej vetvy prúdovo-napäťovej charakteristiky fotodiódy.

2.2.2. Vyšetrenie napätia naprázdno a skratového prúdu fotodiódy.

Odpojte napájanie z obvodu (obr. 5.14) a nastavením prúdu cez LED na hodnotu 0,5, 10, 20 a 30 mA zmerajte hodnoty napätia naprázdno na fotodióde, keď pracuje vo ventilovom režime. . Výsledky zapíšte do tabuľky:

(mA)
(IN)

Na meranie skratového prúdu zostavte obvod znázornený na obr. 5.16. Nastavte prúdy cez LED v súlade s tými, ktoré sú uvedené v tabuľke vyššie, zmerajte hodnoty skratových prúdov fotodiódy a zadajte výsledky do spodného riadku tabuľky.

Ryža. 5.16. Obvod na meranie skratového prúdu fotodiódy, keď pracuje v režime brány.

2.2.3. Vyšetrenie medziľahlej vetvy prúdovo-napäťovej charakteristiky fotodiódy pri prevádzke vo ventilovom režime.

Zostavte obvod znázornený na obr. 5.17.

Ryža. 5.17. Schéma na štúdium charakteristík prúdového napätia fotodiódy.

Nastavte prúd LED na 5 mA. Zmenou napätia na výstupe napájacieho zdroja nastavte prúd cez fotodiódu na nulu. Toto napätie by malo byť blízko k predtým nameranej hodnote.

pri príslušnom prúde LED. Znížením napätia na nulu zmerajte prúdy fotodiódy pre tri až päť jeho hodnôt a výsledky zapíšte do tabuľky:

(IN)
(mA)

Veľkosť dopredného prúdu pri nulovom napätí napájacieho zdroja by sa mala blížiť zodpovedajúcej hodnote

. Vykonajte cyklus podobných meraní pre prúdy cez LED, ktoré sa rovnajú 10, 20 a 30 mA.

2.2.4. Vyšetrenie spätnej vetvy prúdovo-napäťovej charakteristiky fotodiódy.

Zostavte obvod znázornený na obr. 5.18.

Ryža. 5.18. Schéma na štúdium reverznej vetvy prúdovo-napäťovej charakteristiky fotodiódy.

Nastavte prúd cez LED na nulu, napájacie napätie na nulu, limit merania PV1 je 15V, limit merania PA1 je 0,1mA.

Zmerajte závislosť spätného prúdu fotodiódy od veľkosti blokovacieho napätia a vyplňte prvý riadok tabuľky na obr. 1 príslušnými údajmi. 5.19. Nastavte prúd cez LED na hodnotu 5, 10, 20 a 30 mA, vykonajte podobné merania a výsledky zapíšte do rovnakej tabuľky.

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

Ryža. 5.19. Tabuľka na zaznamenávanie výsledkov pri štúdiu spätnej vetvy prúdovo-napäťovej charakteristiky fotodiódy.

2.3. Štúdium výstupných charakteristík fototranzistora.

V priebehu týchto štúdií sa používa fototranzistor, ktorý je súčasťou tranzistorového optočlena

.

Zostavte obvod znázornený na obr. 5.20.

Ryža. 5.20. Schéma na štúdium výstupných charakteristík fototranzistora.

Nastavte prúdy A rovná nule, gombík regulátora napätia je v polohe úplne vľavo, limit merania PA1 je 0,1 mA, limit merania PV1 je 15 V.

Zmerajte kolektorový prúd tranzistora pri napájacom napätí 0, 1, 3, 6, 9, 12 a 15 V a výsledky zapíšte do príslušného riadku tabuľky znázornenej na obr. 5.21. Nastavením základných prúdov na 1, 5 a 10 μA vykonajte podobné merania pre neosvetlený tranzistor (s

= 0). Výsledky zapíšte do príslušných riadkov tabuľky.

Nastavte prúd LED na 20 mA a vykonajte cyklus podobných meraní.

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

Ryža. 5.21. Tabuľka na zaznamenávanie výsledkov štúdia výstupných charakteristík fototranzistora.

2.4. Štúdia fototyristora.

Pri vykonávaní tejto položky sa používa fototyristor, ktorý je súčasťou tyristorového optočlena

.

Zostavte obvod znázornený na obr. 5.22.

Ryža. 5.22. Schéma pre štúdium fototyristora.

Nastavte prúd cez fotodiódu na nulu, gombík regulátora výstupného napätia do polohy úplne vľavo, limit merania PV1 je 15V.

Zvýšením napätia napájacieho zdroja sa pokúste zapnúť tyristor. Ak je povolená, LED VD2 sa rozsvieti. Zmerajte hodnotu

. Znížte napájacie napätie na nulu a stlačte tlačidlo „Vypnúť“. E "previesť tyristor do pôvodného stavu. Nastavte prúd LED na 2, 5, 10 a 20 mA, vykonajte podobné merania a výsledky zapíšte do tabuľky:

(mA)
(IN)

Nastavte prúd LED na nulu. Vypnite tyristor. Nastavte maximálne napätie napájacieho zdroja a postupne zvyšujte prúd cez LED a zapnite tyristor. Skúste ho vypnúť znížením prúdu LED na nulu.

2.5. Štúdia fotorezistora.

Pri vykonávaní tejto laboratórnej práce sa skúmajú vlastnosti fotorezistora, ktorý je súčasťou optočlena.

.

Zostavte obvod znázornený na obr. 5.23.

Ryža. 5.23. Schéma pre štúdium fotorezistora.

Nastaviť prúd rovná nule, gombík regulátora napätia - do polohy úplne vľavo (

), limit meraniaPV1 - 15V, PA1 - 0,1mA.

Zmenou napätia na fotorezistore zmerajte prúd, ktorý ním preteká a výsledky zapíšte do prvého riadku tabuľky znázornenej na obr. 5.24. Postupným zvyšovaním hodnôt prúdov cez žiarovku vykonajte podobné merania a zaznamenajte výsledky do príslušných riadkov tabuľky.

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

Ryža. 5.24. Tabuľka na zaznamenávanie výsledkov štúdií charakteristík prúdového napätia fotorezistora.

Obráťte polaritu napájacieho napätia a meracie prístroje(zostavte obvod znázornený na obr. 5.25). Vykonajte cyklus podobných meraní a výsledky zaznamenajte do tabuľky.

Ryža. 5.25. Schéma na štúdium prúdovo-napäťových charakteristík fotorezistora s reverznou polaritou napätia.

3. Spracovanie experimentálnych výsledkov.

3.1. Spracovanie výsledkov získaných počas vykonávania bodu 2.1.

Zostrojte na jednom hárku milimetrového papiera priamu a spätnú vetvu prúdovo-napäťových charakteristík skúmaných diód, pričom zoberte stupnicu pozdĺž osi prúdov a napätí pre priamu vetvu 5 mA/cm, 0,5 V/cm, resp. reverzná vetva 0,1mA/cm a 1,5V/cm.

3.2. Spracovanie výsledkov bodov 2.2.1 2.2.4 laboratórne práce.

Zostrojte na jednom hárku milimetrového papiera skupinu úplných prúdovo-napäťových charakteristík fotodiódy pri rôznych úrovniach osvetlenia, ktoré sú dané prúdom LED. Stupnica pozdĺž prúdovej osi pre priamu vetvu prúdovo-napäťovej charakteristiky je nastavená na 5mA/cm, pozdĺž napäťovej osi 0,1V/cm. Pri konštrukcii spätnej vetvy vezmite stupnice rovné 0,1 mA / cm a 1,5 V / cm. Označte charakteristiky hodnoty napätia naprázdno a skratových prúdov.

Na základe údajov získaných v odseku 2.2.2 vytvorte závislosti

A

, kde je prúd cez LED. Stupnice pozdĺž osí, na ktorých sú vynesené hodnoty zodpovedajúcich veličín, by mali byť nastavené na 5 mA / cm - pozdĺž aktuálnej osi ; 0,1V / cm - pozdĺž osi

a 0,2 mA / cm - pozdĺž osi

.

3.3. Spracovanie výsledkov získaných počas vykonávania bodu 2.3.

Zostrojte na jednom hárku milimetrového papiera skupinu výstupných charakteristík fototranzistora at rôzne hodnoty LED prúd. Na osi napätia vyberte stupnicu rovnajúcu sa 1V/cm a na osi prúdu 2mA/cm.

3.4. Spracovanie výsledkov podľa bodu 2.4 laboratórnych prác.

Nakreslite závislosť zapínacieho napätia fototyristora od prúdu LED, pričom vyberte stupnicu pozdĺž osi prúdu 2mA/cm a pozdĺž osi napätia 3V/cm. Vysvetlite výsledky získané v tejto časti.

3.5. Spracovanie výsledkov bodu 2.5.

Zostavte na jednom hárku milimetrového papiera skupinu charakteristík prúdového napätia fotorezistora pre obe polarity aplikovaného napätia, pričom vyberte stupnicu pozdĺž osi prúdu 5 mA / cm a pozdĺž osi napätia 3 V / cm.

Na základe týchto charakteristík určte odpor fotorezistora v oblasti nulových napätí pri rôznych úrovniach osvetlenia, vykreslite závislosť odporu fotorezistora od veľkosti prúdu pretekajúceho zdrojom žiarenia.

Sak A.V. Ekonomické prognózy a plánovanie (dokument)

Klinachev N.V. Teória automatických riadiacich systémov (dokument)

Bocharov A.B. Vzdelávací a metodický komplex pre predmet Logika (Dokument)

Bakharev P.V. arbitrážny proces. Vzdelávací a metodický komplex (dokument)

Starova L.I. Analýza výrobných a ekonomických činností podniku (dokument)

Svetlitsky I.S. Ekonomická teória (dokument)

Danilčenko A.V. (a iné) Svetová ekonomika: Vzdelávací a metodický komplex (dokument)

Gutkovič E.M. Vzdelávací a metodický komplex v odbore Bankové právo (dokument)

n1.doc

Téma 4.1 Základy optoelektroniky. Klasifikácia optoelektronických zariadení.
Optoelektronika je dôležitá nezávislá oblasť funkčnej elektroniky a mikroelektroniky. Optoelektronické zariadenie je zariadenie, v ktorom sa pri spracovaní informácií premieňajú elektrické signály na signály optické a naopak.

• 
  Podstatnou vlastnosťou optoelektronických zariadení je, že prvky v nich sú opticky spojené, ale sú navzájom elektricky izolované.

Vďaka tomu je ľahké zosúladiť vysokonapäťové a nízkonapäťové, ako aj vysokofrekvenčné a nízkofrekvenčné obvody. Okrem toho ďalšie výhody sú vlastné optoelektronickým zariadeniam: možnosť priestorovej modulácie svetelných lúčov, ktorá v kombinácii so zmenami v čase dáva tri stupne voľnosti (dva v čisto elektronických obvodoch); možnosť výrazného rozvetvenia a priesečníka svetelných lúčov pri absencii galvanického spojenia medzi kanálmi; veľké funkčné zaťaženie svetelných lúčov v dôsledku možnosti zmeny mnohých ich parametrov (amplitúda, smer, frekvencia, fáza, polarizácia).

Optoelektronika pokrýva dve hlavné nezávislé oblasti – optickú a elektrónovo-optickú. Optický smer je založený na účinkoch interakcie pevného telesa s elektromagnetickým žiarením. Opiera sa o holografiu, fotochémiu, elektrooptiku a iné javy. Optický smer sa niekedy nazýva laserový smer.

Elektrónovo-optický smer využíva princíp fotoelektrickej konverzie realizovanej v pevnom tele prostredníctvom vnútorného fotoelektrického javu na jednej strane a elektroluminiscencie na strane druhej. Tento smer je založený na nahradení galvanických a magnetických spojení v tradičných elektronických obvodoch optickými. To vám umožní zvýšiť hustotu informácií v komunikačnom kanáli, jeho rýchlosť, odolnosť voči šumu.

Hlavným prvkom optoelektroniky je optočlen. Existujú optočleny s vnútorným (obr. 9.4, ale) a externé (obr. 9.4, b) fotonickými väzbami. Najjednoduchší optočlen je štvorpólový (obr. 9.4, ale), pozostávajúce z troch prvkov: foto žiarič 1 , svetlovod 2 a prijímač svetla 3, uzavreté v zapečatenom svetlotesnom obale. Keď je na vstup privedený elektrický signál vo forme impulzu alebo poklesu vstupného prúdu, dôjde k vybudeniu fotoemitora. Svetelný tok svetlovodom vstupuje do fotodetektora, na výstupe ktorého vzniká elektrický impulz alebo pokles výstupného prúdu. Tento typ optočlena je zosilňovač elektrických signálov, v ktorom je vnútorná väzba fotonická a vonkajšia je elektrická. .

Iný typ optočlena je s elektrickou internou väzbou a fotonickou externou väzbou (obr. 9.4, b) - je zosilňovač svetelných signálov, ako aj prevodník signálov jednej frekvencie na signály inej frekvencie, napríklad signály Infra červená radiácia do signálov viditeľného spektra. prijímač svetla 4 prevádza vstupný svetelný signál na elektrický signál. Ten druhý je zosilnený 5 a budí zdroj svetla 6.

V súčasnosti bolo vyvinuté veľké množstvo optoelektronických zariadení.

Osobný účel. V mikroelektronike sa spravidla používajú len tie optoelektronické funkčné prvky, pri ktorých existuje možnosť integrácie, ako aj kompatibilita technológie ich výroby s technológiou výroby príslušných integrovaných obvodov.

Fotoemitory. Svetelné zdroje v optoelektronike podliehajú takým požiadavkám ako miniaturizácia, nízka spotreba energie, vysoká účinnosť a spoľahlivosť, dlhá životnosť, vyrobiteľnosť. Musia mať vysokú rýchlosť, umožňovať možnosť výroby vo forme integrovaných zariadení.

Väčšina široké využitie prijímané ako elektroluminiscenčné zdroje vstrekovacie LED diódy, v ktorom je emisia svetla určená mechanizmom medzipásmovej rekombinácie elektrónov a dier. Ak sa minie dosť vysoký prúd injekciou

Ryža. 9.5. K vysvetleniu princípu fungovania vstrekovacej LED

naprieč p- n- prechod (do smer dopredu), potom časť elektrónov z valenčného pásma prejde do vodivého pásma (obr. 9.5). V hornej časti valenčného pásma vznikajú voľné stavy (otvory) a v spodnej časti vodivého pásma výplň stav.

Nia (vodivé elektróny). Takáto inverzná populácia nie je v rovnováhe a vedie k chaotickej emisii fotónov počas reverzných elektrónových prechodov. Vznikajúci v rovnakom čase v R-n-prechodová nekoherentná žiara a je elektroluminiscencia. Fotón emitovaný počas luminiscenčného prechodu z vyplnenej časti vodivého pásu do voľnej časti valenčného pásu spôsobí indukovanú emisiu identického fotónu, čo spôsobí skok ďalšieho elektrónu do valenčného pásu. Avšak fotón s rovnakou energiou (od ∆ E= E 2 - E 1 predtým ∆ E=2? E) nemôže byť absorbovaný, pretože spodný stav je voľný (nemá žiadne elektróny) a horný stav je už naplnený. Znamená to, že p- n-prechod je transparentný pre fotóny takejto energie, teda pre zodpovedajúcu frekvenciu. Naopak fotóny s energiami väčšími ako ∆ E+2? E, môžu byť absorbované prenosom elektrónov z valenčného pásma do vodivého pásma. Zároveň je pre takéto energie nemožná indukovaná emisia fotónov, pretože horný počiatočný stav nie je naplnený, zatiaľ čo spodný stav je naplnený. Stimulovaná emisia je teda možná v úzkom rozsahu okolo frekvencie zodpovedajúcej energii pásma ∆E so šírkou spektra ? E.

Najlepšie materiály pre LED diódy sú arzenid gália, fosfid gália, fosfid kremíka, karbid kremíka atď. LED diódy majú vysokú rýchlosť (asi 0,5 µs), ale spotrebúvajú vysoký prúd (asi 30 A/cm2). Nedávno boli vyvinuté LED diódy na báze arzenidu gália - hliníka, ktorých výkon sa pohybuje od zlomkov až po niekoľko miliwattov pri jednosmernom prúde v desiatkach miliampérov. Účinnosť LED diód nepresahuje 1 - 3%.

Sľubné zdroje svetla sú vstrekovacie lasery, umožňujúce koncentrovať vysoké energie v úzkej spektrálnej oblasti pri vysokej účinnosti a rýchlosti (desiatky pikosekúnd). Tieto lasery môžu byť vyrobené vo forme matíc na jednom základnom čipe pomocou rovnakej technológie ako integrované obvody. Nevýhodou jednoduchých vstrekovacích laserov je, že majú prijateľný výkon len pri použití chladenia na veľmi nízke teploty. Pri normálnej teplote má gálium-arzenidový laser malý priemerný výkon, nízka účinnosť (asi 1%), nízka stabilita a životnosť. Ďalšie vylepšenie vstrekovacieho lasera vytvorením spojenia komplexnej štruktúry pomocou heteroprechodov (heterojunkcia - hranica medzi vrstvami s rovnakými typmi elektrickej vodivosti, ale s rôznymi zakázanými pásmami) umožnilo získať svetelný zdroj malých rozmerov pracujúci pri normálna teplota s účinnosťou 10 - 20 % a prijateľnými charakteristikami.

Fotodetektory. Na premenu svetelných signálov na elektrické sa používajú fotodiódy, fototranzistory, fotorezistory, fototyristory a ďalšie zariadenia.

Fotodióda je zaujatá opačný smer p- n-prechod, ktorého spätný saturačný prúd je určený počtom nosičov náboja, ktoré v ňom vznikajú pôsobením dopadajúceho svetla (obr. 9.6). Parametre fotodiódy sú vyjadrené hodnotami prúdu pretekajúceho jej obvodom. Citlivosť fotodiódy, ktorá sa bežne nazýva integrálna, je definovaná ako pomer fotoprúdu k svetelnému toku, ktorý ju spôsobil. F ? . Prah citlivosti fotodiód sa odhaduje zo známych hodnôt integrálnej (prúdovej) citlivosti a tmavého prúdu ja d t.j. prúd tečúci v obvode bez ožiarenia citlivej vrstvy.

Hlavnými materiálmi pre fotodiódy sú germánium a kremík. Kremíkové fotodiódy sú zvyčajne citlivé v úzkej oblasti spektra (od? = 0,6 - 0,8 µm až? = 1,1 µm) s maximom pri? = 0,85 µm a germániové fotodiódy majú limity citlivosti? \u003d 0,4 - 1,8 mikrónu s maximom pri? ? 1,5 um. V režime fotodiódy s napájacím napätím 20 V temný prúd kremíkových fotodiód zvyčajne nepresahuje 3 μA, zatiaľ čo germánium; fotodiód pri napájacom napätí 10 V dosahuje 15-20 μA.

Fototranzistory sú prijímače žiarivej energie s dvomi alebo viacerými r-p- prechody, ktoré majú vlastnosť zosilnenia fotoprúdu pri ožiarení citlivej vrstvy. Fototranzistor spája vlastnosti fotodiódy a zosilňovacie vlastnosti tranzistora (obr. 9.7). Prítomnosť optických a elektrických vstupov vo fototranzistore súčasne umožňuje vytvoriť predpätie potrebné pre prevádzku v lineárnom úseku energetickej charakteristiky, ako aj kompenzovať vonkajšie vplyvy. Na detekciu malých signálov je potrebné zosilniť napätie odobraté z fototranzistora. V tomto prípade zvýšte výstupný odpor striedavý prúd s minimálnym temným prúdom v obvode kolektora, čo vytvára kladné predpätie na základni.

Svetlovody. Medzi zdrojom a prijímačom svetla v optočlene je svetlovod. Na zníženie strát odrazom od rozhrania medzi LED a vodivým médiom (optické vlákno) musí mať toto médium vysoký index lomu. Takéto médiá sa nazývajú ponorenie. Ponorný materiál musí majú tiež dobrú priľnavosť k materiálom zdroja a prijímača, poskytujú dostatočné prispôsobenie z hľadiska koeficientov rozťažnosti, sú transparentné v pracovnej oblasti atď. Najsľubnejšie sú olovené sklá s indexom lomu 1,8-1,9 a selénové sklá s indexom lomu 2, 4-2,6. Na obr. zobrazený 9.8 priečny rez polovodičový optočlen s imerzným svetlovodom.

Tenké vlákna zo skla alebo priehľadného plastu sa používajú ako svetlovody v optoelektronike. Tento smer sa nazýva vláknová optika. Vlákna sú pokryté svetloizolačnými materiálmi a spájané do viacžilových svetelných káblov. Vo vzťahu k svetlu plnia rovnakú funkciu ako kovové drôty vo vzťahu k prúdu. Pomocou vláknovej optiky je možné: realizovať prenos obrazu po jednotlivých prvkoch s rozlíšením určeným priemerom optického vlákna (asi 1 mikrón); vytvárať priestorové transformácie obrazu v dôsledku možnosti ohýbania a skrútenia vlákien svetlovodu; prenášať obrazy na značné vzdialenosti atď. Na obr. 9.9 je znázornený svetlovod vo forme kábla zo svetlovodných vlákien.

Integrálne optika. Jednou z perspektívnych oblastí funkčnej mikroelektroniky je integrovaná optika, ktorá zabezpečuje vytváranie superefektívnych systémov na prenos a spracovanie optických informácií. Oblasť výskumu v integrovanej optike zahŕňa šírenie, konverziu a zosilňovanie elektromagnetického žiarenia v optickom rozsahu v dielektrických tenkovrstvových vlnovodoch a optických vláknach. Hlavným prvkom integrovanej optiky je objemový alebo povrchový optický mikrovlnný vodič. Najjednoduchší symetrický volumetrický optický mikrovlnný vodič je oblasť lokalizovaná v jednom alebo dvoch priestorových rozmeroch s indexom lomu väčším ako je index lomu okolitého optického média. Takáto opticky hustejšia oblasť je niečo iné ako kanál alebo nosná vrstva dielektrického vlnovodu.

P Príkladom asymetrického povrchového dielektrického vlnovodu je tenký film opticky priehľadného dielektrika alebo polovodiča s indexom lomu väčším ako je index lomu opticky priehľadného substrátu. Stupeň lokalizácie elektromagnetického poľa, ako aj pomer energetických tokov prenášaných pozdĺž nosnej vrstvy a substrátu sú určené efektívnou priečnou veľkosťou nosnej vrstvy a rozdielom medzi indexmi lomu nosnej vrstvy a substrát pri danej frekvencii žiarenia. Pomerne jednoduchým a pre polovodičové optické zariadenia najvhodnejším je optický pásový mikrovlnný vodič, vyrobený vo forme tenkého dielektrického filmu (obr. 9.10), nanesený na substrát mikroelektronickými metódami (napríklad vákuovým nanášaním). Pomocou masky je možné s vysokou presnosťou aplikovať celé optické obvody na dielektrický substrát. Použitie elektrónovej lúčovej litografie zaistilo úspech pri vytváraní jednotlivých optických pásových vlnovodov a opticky viazaných po určitej dĺžke a následne divergentných vlnovodov, čo je nevyhnutné na vytvorenie smerových väzobných členov a frekvenčne selektívnych filtrov v integrovaných optických systémoch. .

Optoelektronické mikroobvody. Na

Na základe optoelektroniky bolo vyvinutých veľké množstvo mikroobvodov. Zvážte niektoré optoelektronické mikroobvody vyrábané domácim priemyslom. V mikroelektronike sa najčastejšie používajú optoelektronické mikroobvody s galvanickou izoláciou. Patria sem vysokorýchlostné prepínače, prepínače analógových signálov, prepínače a analógové optoelektronické zariadenia navrhnuté na použitie v systémoch na spracovanie funkcie analógového signálu.

Hlavným prvkom každého optoelektronického mikroobvodu je pár optočlenov (obr. 9.11, ale, b) pozostávajúce zo svetelného zdroja 1 , riadené vstupným signálom, ponorné médium 2, opticky spojené so zdrojom svetla a fotodetektorom 3. Parametre optočlena sú jednosmerný izolačný odpor, pomer prenosu prúdu (pomer fotoprúdu prijímača k prúdu vysielača), spínací čas a priechodná kapacita.

Na základe optoelektronických párov sa vytvárajú optoelektronické mikroobvody na rôzne účely.

Ryža. 9.11. Schéma a technologické prevedenie optočlena:

1 - svetelný zdroj; 2 - ponorné médium; 3 - fotodetektor.

Téma 4.2 PRVKY OPTOELEKTRONICKÝCH ZARIADENÍ
1. Optoelektronický spínač predstavuje hybridný mikroobvod obsahujúci optoelektronický pár a zosilňovač. Prepínač využíva vysokoúčinné gálium apcenidové LED diódy dopované kremíkom a vysokorýchlostný kremík p- i- n- fotodiódy. Imerzným médiom je chalkogenidové sklo s indexom lomu 2,7. Súčiniteľ prenosu prúdu v optoelektronickom páre je 3-5 pri normálnej teplote, časy zapnutia (súčet časov oneskorenia a nábehu) sú 100-250 ps, ​​galvanické oddelenie LED obvodu a fotodetektora v jednosmerný prúd je 109 Ohm. Mikroobvod je vyrobený v okrúhlom obale sklo-kov typu TO-5.

2. Optoelektronický kľúč určený na spínanie vysokonapäťových AC a DC obvodov. Má štyri nezávislé kanály, z ktorých každý obsahuje dva optoelektronické páry, pozostávajúce z LED a vysokonapäťového p- i- n- fotodióda. Fotodiódy sú zapojené chrbtom k sebe, takže odpor spínača vo vypnutom stave (pri absencii prúdu cez LED diódy), bez ohľadu na polaritu privedeného napätia, je určený tmavým odporom spätného chodu. zaujatý p- i- n- fotodióda; jeho hodnota je približne 10 9 ohmov.

3. tranzistorový kľúč určené na spínanie jednosmerných napätí do 50 V. Zariadenie má dva nezávislé kanály, z ktorých každý obsahuje optoelektronický pár pozostávajúci z LED diódy arzenidu gália a kremíka n- p- i- n- fototranzistor. Optoelektronický pár má koeficient prenosu prúdu 2, menovitý pracovný prúd 10 mA a rýchlosť v režime zosilnenia 100-300 ns.

4.Prepínač analógového signálu navrhnuté na použitie v systémoch selektívneho spracovania analógových signálov. Elektrické schéma jeden spínací kanál je znázornený na obr. 9.12. Kanál obsahuje optoelektronický pár pozostávajúci z LED diódy arzenidu gália a dvoch proti sebe umiestnených n- i- n-fotodiódy vyrobené z jedného monokryštálu.

Na obr. 9.13 ukazuje elektrické obvody niektorých iných typov optoelektronických mikroobvodov. Kľúčový čip (obr. 9.13, ale) obsahuje vysokorýchlostný diódový optoelektronický pár spojený s monolitickým kremíkovým zosilňovačom. Je určený na nahradenie transformátorových a reléových spojení v počítačových logických zariadeniach a diskrétnej automatizácii. Analógový kľúč (obr. 9.13, b) odkazuje na




lineárne obvody s optoelektronickým riadením. S výkonom riadiaceho signálu 60-80 mW dosahujú parametre chopperu hodnoty požadované pre štandardné polovodičové mikroobvody. Optoelektronické relé s nízkym výkonom priamy prúd(Obr. 9.13, v) navrhnutý tak, aby nahradil analóg

elektromechanické relé s rýchlosťou v milisekundovom rozsahu a garantovaným počtom operácií 10 4 -10 7 .

Zaujímavosťou sú optoelektronické mikroobvody radu 249, ktorý zahŕňa štyri skupiny zariadení, ktorými sú elektronické spínače na báze elektroluminiscenčných diód a tranzistorov. Schéma zapojenia všetkých skupín

Zariadenia sú rovnaké (obr. 9.14). Štrukturálne sú mikroobvody navrhnuté v obdĺžnikovom plochom balíku integrovaných obvodov so 14 vývodmi a majú dva izolované kanály, čo znižuje veľkosť a hmotnosť zariadenia a tiež rozširuje funkčnosť mikroobvodov. LED diódy sú na báze kremíka a majú P + - p- n i - n + - štruktúru. Prítomnosť dvoch kanálov v kľúči umožňuje jeho použitie ako integrálny prerušovač analógových signálov a získať vysoký koeficient prenosu signálu (10-100) pri zapnutí fototranzistorov podľa zloženého tranzistorového obvodu.

Optoelektronické zariadenia
Práca optoelektronických zariadení je založená na elektrón-fotónových procesoch prijímania, prenosu a ukladania informácií.

Najjednoduchším optoelektronickým zariadením je optoelektronický pár alebo optočlen. Princíp činnosti optočlena pozostávajúceho zo zdroja žiarenia, imerzného média (optického vlákna) a fotodetektora je založený na premene elektrického signálu na optický a následne späť na elektrický.

Optočleny ako funkčné zariadenia majú oproti konvenčným rádiovým prvkom nasledujúce výhody:

Kompletné galvanické oddelenie "vstup - výstup" (izolačný odpor presahuje 10 12 - 10 14 ohmov);

Absolútna odolnosť voči šumu v kanáli prenosu informácií (nosiče informácií sú elektricky neutrálne častice - fotóny);

Jednosmerný tok informácií, ktorý je spojený s vlastnosťami šírenia svetla;

Širokopásmové pripojenie vďaka vysokej frekvencii optických oscilácií,

Dostatočná rýchlosť (jednotky nanosekúnd);

Vysoké prierazné napätie (desiatky kilovoltov);

Nízka hladina hluku;

Dobrá mechanická pevnosť.

Podľa vykonávaných funkcií možno optočlen porovnať s transformátorom (spojovací prvok) s relé (kľúč).

V optočlenoch sa používajú polovodičové zdroje žiarenia - svetelné diódy vyrobené z materiálov zlúčenín skupiny ALE III B V , medzi ktorými sú najsľubnejšie fosfid a arzenid gália. Spektrum ich žiarenia leží v oblasti viditeľného a blízkeho infračerveného žiarenia (0,5 - 0,98 mikrónov). Svetelné diódy na báze fosfidu gália majú červenú a zelenú žiaru. LED diódy z karbidu kremíka sú sľubné žltá luminiscencia a prevádzka pri zvýšených teplotách, vlhkosti a v agresívnom prostredí.

LED diódy, ktoré vyžarujú svetlo vo viditeľnom rozsahu spektra, sa používajú v elektronických hodinkách a mikrokalkulačkách.

Svetelné diódy sa vyznačujú spektrálnym zložením žiarenia, ktoré je dosť široké, vyžarovací diagram; kvantová účinnosť, určená pomerom počtu vyžarovaných svetelných kvánt k počtu tých, ktoré prešli p-n-prechod elektrónov; výkon (s neviditeľným žiarením) a jas (s viditeľným žiarením); charakteristiky volt-ampér, lumen-ampér a watt-ampér; rýchlosť (zvýšenie a zníženie elektroluminiscencie pri pulznom budení), rozsah prevádzkových teplôt. S nárastom Prevádzková teplota jas LED diódy klesá a výstupný výkon klesá.

Hlavné charakteristiky svetelných diód vo viditeľnom rozsahu sú uvedené v tabuľke. 32 a infračervený rozsah - v tabuľke. 33.
Tabuľka 32 Hlavné charakteristiky svetelných diód vo viditeľnom rozsahu

Tabuľka 33 Kľúčové vlastnosti infračervených svetelných diód

Typ diódy	Plný výkonžiarenie, mW	Jednosmerné predné napätie, V	Vlnová dĺžka žiarenia, µm	Čas nábehu radiačného impulzu, ns	Doba rozpadu pulzu žiarenia, ns	Hmotnosť, 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 (pri 20 mA) 10 (pri prúde 50 mA)	1,6	0,95 0,9 – 1	200 – 300	500	0,1

Svetelné diódy v optoelektronických zariadeniach sú spojené s fotodetektormi ponorným médiom, ktorého hlavnou požiadavkou je prenos signálu s minimálnymi stratami a skresleniami. Optoelektronické zariadenia využívajú pevné imerzné médiá – polymérne organické zlúčeniny (optické lepidlá a laky), chalkogenidové médiá a optické vlákna. V závislosti od dĺžky optického kanála medzi žiaričom a fotodetektorom možno optoelektronické zariadenia rozdeliť na optočleny (dĺžka kanála 100 - 300 mikrónov), optoizolátory (do 1 m) a optické komunikačné linky - FOCL (až do na desiatky kilometrov).

Na fotodetektory používané v optočlenoch sa vzťahujú požiadavky na prispôsobenie spektrálnych charakteristík žiariču, minimálne straty pri premene svetelného signálu na elektrický, fotocitlivosť, rýchlosť, veľkosť fotocitlivej plochy, spoľahlivosť a úroveň šumu.

Pre optočleny sú najsľubnejšie fotodetektory s vnútorným fotoelektrickým efektom, keď interakcia fotónov s elektrónmi vo vnútri materiálov s určitými fyzikálne vlastnosti vedie k elektrónovým prechodom v prevažnej časti kryštálovej mriežky týchto materiálov.

Vnútorný fotoelektrický jav sa prejavuje dvoma spôsobmi: zmenou odporu fotodetektora pôsobením svetla (fotorezistory) alebo vznikom fotoemf na rozhraní dvoch materiálov - polovodič-polovodič, kov-polovodič. (ventilové fotobunky, fotodiódy, fototranzistory).

Fotodetektory s vnútorným fotoelektrickým efektom sa delia na fotodiódy (s p-n-prechod, štruktúra MIS, Schottkyho bariéra), fotorezistory, fotodetektory s vnútorným zosilnením (fototranzistory, kompozitné fototranzistory, fototyristory, poľné fototranzistory).

Fotodiódy sú vyrobené na báze kremíka a germánia. Maximálna spektrálna citlivosť kremíka je 0,8 µm a germánia až 1,8 µm. Pracujú so zapnutou reverznou zaujatosťou p-n-prechod, ktorý umožňuje zvýšiť ich rýchlosť, stabilitu a linearitu charakteristík.

Fotodiódy sa najčastejšie používajú ako fotodetektory optoelektronických zariadení rôznej zložitosti. p- i-n-štruktúry kde i je vyčerpaná oblasť vysokého elektrického poľa. Zmenou hrúbky tejto oblasti je možné získať dobrý výkon z hľadiska rýchlosti a citlivosti vzhľadom na nízku kapacitu a čas letu dopravcov.

Zvýšenú citlivosť a rýchlosť majú lavínové fotodiódy, ktoré využívajú zosilnenie fotoprúdu pri násobení nosičov náboja. Tieto fotodiódy však nie sú dostatočne stabilné v teplotnom rozsahu a vyžadujú napájanie. vysoké napätie. Fotodiódy so Schottkyho bariérou a so štruktúrou MIS sú sľubné pre použitie v určitých rozsahoch vlnových dĺžok.

Fotorezistory sú vyrobené prevažne z polykryštalických polovodičových filmov na báze zlúčeniny (kadmium so sírou a selén). Maximálna spektrálna citlivosť fotorezistorov je 0,5 - 0,7 µm. Fotorezistory sa zvyčajne používajú pri slabom osvetlení; z hľadiska citlivosti sú porovnateľné s fotonásobičmi - zariadeniami s vonkajším fotoelektrickým efektom, vyžadujú si však nízkonapäťové napájanie. Nevýhody fotorezistorov sú nízka rýchlosť a vysoký stupeň hluk.

Najbežnejšie fotodetektory s vnútorným zosilnením sú fototranzistory a fototyristory. Fototranzistory sú citlivejšie ako fotodiódy, ale pomalšie. Na zvýšenie citlivosti fotodetektora sa používa kompozitný fototranzistor, ktorý je kombináciou foto a zosilňujúcich tranzistorov, má však nízku rýchlosť.

V optočlenoch je fototyristor (polovodičové zariadenie s tromi p- n- prechody, prepínanie pri svietení), ktorý má vysokú citlivosť a úroveň výstupného signálu, ale nedostatočnú rýchlosť.

Rozmanitosť typov optočlenov je daná najmä vlastnosťami a charakteristikami fotodetektorov. Jednou z hlavných aplikácií optočlenov je efektívne galvanické oddelenie vysielačov a prijímačov digitálnych a analógových signálov. V tomto prípade môže byť optočlen použitý v režime prevodníka alebo prepínača signálov. Optočlen sa vyznačuje prijateľným vstupným signálom (riadiacim prúdom), prevodným pomerom prúdu, rýchlosťou (časom spínania) a zaťažiteľnosťou.

O pomer koeficientu prúdového prenosu k času spínania sa nazýva akostný faktor optočlena a je 10 5 - 10 6 pre fotodiódové a fototranzistorové optočleny. Optočleny na báze fototyristorov sú široko používané. Optočleny založené na fotorezistoroch nie sú široko používané kvôli nízkej časovej a teplotnej stabilite. Schémy niektorých optočlenov sú znázornené na obr. 130, a - pán

IN Ako zdroje koherentného žiarenia sa používajú lasery, ktoré majú vysokú stabilitu, dobré energetické charakteristiky a účinnosť. V optoelektronike sa polovodičové lasery používajú na navrhovanie kompaktných zariadení - laserové diódy, používané napríklad v komunikačných linkách z optických vlákien namiesto tradičných liniek na prenos informácií - káblov a drôtov. Majú veľkú šírku pásma (šírka pásma gigahertz), odolnosť proti elektromagnetickému rušeniu, nízku hmotnosť a rozmery, úplnú elektrickú izoláciu od vstupu po výstup, výbušnú a požiarnu bezpečnosť. Charakteristickým rysom FOCL je použitie špeciálneho kábla z optických vlákien, ktorého štruktúra je znázornená na obr. 131. Priemyselné vzorky takýchto káblov majú útlm 1-3 dB/km a menej. Komunikačné linky z optických vlákien sa používajú na budovanie telefónnych a počítačových sietí, káblových televíznych systémov s vysoká kvalita prenášaný obraz. Tieto linky umožňujú simultánny prenos desiatok tisíc telefonických rozhovorov a niekoľkých televíznych programov.

V poslednej dobe sa intenzívne vyvíjajú a rozširujú optické integrované obvody (OIC), ktorých všetky prvky sú tvorené ukladaním potrebných materiálov na substrát.

Sľubné v optoelektronike sú zariadenia na báze tekutých kryštálov, ktoré sú široko používané ako indikátory v elektronických hodinkách. Kvapalné kryštály sú organická látka (kvapalina) s vlastnosťami kryštálu a sú v prechodnom stave medzi kryštalickou fázou a kvapalinou.

Indikátory z tekutých kryštálov majú vysoké rozlíšenie, sú relatívne lacné, spotrebúvajú nízku energiu a fungujú pri vysokých úrovniach osvetlenia.

Vo svetelných indikátoroch a zariadeniach s optickou pamäťou sa najčastejšie používajú tekuté kryštály s vlastnosťami podobnými monokryštálom (nematics), vyvinuté a široko používané sú tekuté kryštály, ktoré pri zahrievaní menia farbu (cholesteriká), iné typy tekutých kryštálov (smectici) sú používa sa na termooptický záznam informácií.

Optoelektronické zariadenia, vyvinuté relatívne nedávno, sú široko používané v rôznych oblastiach vedy a techniky, vďaka svojim jedinečným vlastnostiam. Mnohé z nich nemajú analógy vo vákuovej a polovodičovej technológii. Stále však existuje veľa nevyriešených problémov spojených s vývojom nových materiálov, zlepšovaním elektrických a prevádzkových charakteristík týchto zariadení a vývojom technologických metód ich výroby.

Časť 5. Zariadenia založené na zariadeniach viazaných na náboj (CCD).