Фотоприборы – это приборы, предназначенные для преобразования энергии электромагнитного излучения в электрическую.
Фотоприборы:
1. фотоприёмники (оптоэлектронные приборы, предназначенные для преобразования энергии оптического излучения в электрическую энергию.
Фоторезисторы (полупроводниковый фотоэлектрический прибор с внутренним фотоэффектом, в котором используется явление фотопроводимости, т.е. изменение электрической проводимости полупроводника под действием оптического излучения)
Фотодиоды (полупроводниковый фотоэлектрический прибор, в котором используется внутренний фотоэффект. Устройство фотодиода аналогично устройству обычного плоскостного диода. Отличие состоит в том, что его р-n-переход одной стороной обращен к стеклянному окну в корпусе, через которое поступает свет, и защищен от воздействия света с другой стороны).
Фототранзисторы (полупроводниковый управляемый оптическим излучением прибор с двумя взаимодействующими р-n-переходами. Фототранзисторы, как и обычные транзисторы, могут иметь p-n-p-и n-p-n-структуру. Конструктивно фототранзистор выполнен так, что световой поток облучает область базы. Наибольшее практическое применение нашло включение фототранзистора в схеме с ОЭ, при этом нагрузка включается в коллекторную цепь. Входным сигналом фототранзистора является модулированный световой поток, а выходным – изменение напряжения на резисторе нагрузки в коллекторной цепи)
Фототиристоры (оптоэлектронный прибор, имеющий структуру, схожую со структурой обычного тиристора и отличается от последнего тем, что включается не напряжением, а светом, освещающим затвор. Этот прибор применяется в управляемых светом выпрямителях и наиболее эффективен в управлении сильными токами при высоких напряжениях. Скорость отклика на свет - менее 1 мкс).
2. излучающие приборы
3. фотогальванические элементы (солнечные батареи).
43. Элементы оптоэлектроники. Светоприборы
Светоприборы - излучающие приборы, преобразующие электрическую энергию в энергию оптического излучения с определенной длиной волны или в узком диапазоне длин волн. В основе работы управляемых источников оптического излучения лежит одно из следующих физических явлений: температурное свечение, газоразрядное излучение, электролюминесценция, индуцированное излучение. Источники излучения бывают когерентными (лазеры) и некогерентными (лампы накаливания, газоразрядные лампы, электролюминесцентные элементы, инжекционные светодиоды).
Принцип действия полупроводниковых излучающих приборов основан на явлении электролюминесценции - явление излучения света телами под действием электрического поля. Электролюминесценция является частным случаем люминесценции - электромагнитное нетепловое излучение, обладающее длительностью, значительно превышающей период световых колебаний. Люминесцировать могут твердые, жидкие и газообразные тела. В оптоэлектронных приборах используется люминесценция кристаллических примесных полупроводников с широкой запрещенной зоной. В полупроводниках генерация оптического излучения обеспечивается инжекционной электролюминесценцией. Генерация оптического излучения в p-n-переходе объединяет два процесса: инжекцию носителей и электролюминесценцию.
Светодиод – полупроводниковый прибор с одним или несколькими электрическими переходами, преобразующий электрическую энергию в энергию некогерентного светового излучения, при смещении p-n-перехода в прямом направлении. Излучательная способность светодиода характеризуется: внутренней квантовой эффективностью (или внутренним квантовым выходом), определяемой отношением числа генерируемых фотонов к числу инжектированных в активную область носителей заряда за один и тот же промежуток времени; внешней квантовой эффективностью излучения (квантовым выходом), определяемой отношением числа фотонов, испускаемых диодом во внешнее пространство, к числу инжектируемых носителей через р-n-переход.
Характеристики светодиода: ВАХ, яркостная характеристика (зависимость яркости излучения от величины тока, протекающего через р-n-переход), спектральная характеристика (зависимость интенсивности излучения от длины волны излучаемого света или от энергии излучаемых квантов). Параметры светодиода: сила света (световой поток, приходящийся на единицу телесного угла в заданном направлении, выражается в канделах (кд)), яркость излучения (отношение силы света к площади светящейся поверхности), постоянное прямое напряжение (падение напряжения на диоде при заданном токе); цвет свечения или длина волны, соответствующая максимальному световому потоку; максимально допустимый постоянный прямой ток (определяет максимальную яркость излучения), максимальное допустимое постоянное обратное напряжение.
Отправить свою хорошую работу в базу знаний просто. Используйте форму, расположенную ниже
Студенты, аспиранты, молодые ученые, использующие базу знаний в своей учебе и работе, будут вам очень благодарны.
Размещено на http://www.allbest.ru
Размещено на http://www.allbest.ru
1. Классификация оптоэлектронных приборов и устройств
Оптоэлектроника охватывает два основных независимых направления - оптическое и электронно-оптическое. Оптическое направление базируется на эффектах взаимодействия твердого тела с электромагнитным излучением. Оно опирается на голографию, фотохимию, электрооптику и другие явления.
Оптическое направление иногда называют лазерным.
Электронно-оптическое направление использует принцип фотоэлектрического преобразования, реализуемого в твердом теле посредством внутреннего фотоэффекта, с одной стороны, и электролюминесценцией, с другой. В основе этого направления лежит замена гальванических и магнитных связей в традиционных электронных цепях оптическими. Это позволяет повысить плотность информации в канале связи, его быстродействие, помехозащищенность.
Таблица 1
|
Излучатели света |
Светодиод Полупроводниковый лазер Газовый лазер Твердотельный лазер Лазер на красителе |
|
|
Фотоприемники |
Фоторезистор Фотодиод (солнечная батарея) Фототранзистор Лавинный фотодиод Фотоэлемент Фотоумножитель |
|
|
Оптические волноводы |
Волоконно-оптический Пленочный Волноводная линза |
|
|
Оптическая память |
Устройства на основе: фотопленки Фотохромных материалов Термопластиков Аморфных полупроводников |
|
|
Функциональные приборы |
Преобразователь некогерентного излучения в когерентное оптический бистабильный элемент оптический вентиль |
|
|
Интегральные схемы |
Оптические ИС Оптоэлектронные ИС |
|
|
Модуляторы света и отклоняющие системы |
Система зеркал Электрооптические модуляторы магнитооптические модуляторы акустооптические модуляторы Волоконно-оптические разветвители и фильтры |
|
|
Светодиодный Электролюминесцентный Фосфорисцентный Жидкокристалический Плазменный |
2. Светодиодные источники повышенной яркости и белого света
Острая потребность в широкой номенклатуре информационных экранов, дисплеев, осветительных приборов обусловливает необходимость создания особо ярких светодиодов (ОЯ СИД) различной цветовой гаммы, в том числе и белого свечения.
Зеленые, белые, синие ОЯ СИД изготавливаются на структурах InGaN. Они имеют существенно большие прямые падения напряжения Uпр по сравнению с красными, желтыми и оранжевыми. Необходимость ограничения прямого тока объясняет целесообразность питания СИД от источников тока.
При выборе ОЯ СИД особое внимание уделяют типу колбы и конструкции. Колба должна быть прозрачной, если:
Требуется максимальная сила света при сравнительно небольшом (30°) угле излучения.
СИД используется с вторичной оптикой (цветными и матовыми фильтрами) или в качестве локального исправления источника света, например как фонарик;
Прозрачная колба используется в СИД всевозможных подсветок и светодиодов.
Совершенствование светодиодов.
3. Устройство и принцип действия фоторезистора
Фоторезистор - это полупроводниковый резистор, действие которого основано на фоторезистивном эффекте.
При облучении фоторезистора фотонами в полупроводниковом фоточувствительном слое возникает избыточная концентрация носителей заряда. Если к фоторезистору приложено напряжение, то через него будет проходить дополнительная составляющая тока - фототок, обусловленный избыточной концентрацией носителей.
Фототок соответствует прохождению через фоторезистор и через внешнюю цепь электронов.
Если облучения нет, то фоторезистор имеет некоторое большое сопротивление RТ, называемое темновым. Оно является одним из параметров фоторезистора и составляет 104 - 107 Ом. Соответствующий ток через фоторезистор называют темновым током.
При действии излучения с достаточной энергией фотонов на фоторезистор в нем происходит генерация пар подвижных носителей заряда (электронов и дырок) и его сопротивление уменьшается.
Для фоторезисторов применяют различные полупроводники, имеющие нужные свойства. Так, например, сернистый свинец наиболее чувствителен к инфракрасным, а сернистый кадмий - к видимым лучам. Фоторезисторы характеризуются интегральной чувствительностью S, т.е. отношением фототока Iф к световому потоку Ф при номинальном значении напряжения:
А также удельной чувствительностью, т.е. интегральной чувствительностью отнесенной к 1 В приложенного напряжения:
фоторезистивный полупроводниковый оптический
где Ф - световой поток.
Обычно удельная чувствительность составляет несколько сотен или тысяч микроампер на вольт-люмен.
Фоторезисторы имеют линейную вольт-амперную и нелинейную энергетическую характеристику.
К параметрам фоторезисторов кроме темнового сопротивления и удельной чувствительности следует еще отнести максимальное допустимое рабочее напряжение (до 600 В), кратность изменения сопротивления (может быть до 500), температурный коэффициент фототока:
Значительная зависимость сопротивления от температуры характерная для полупроводников, является недостатком фоторезисторов. Существенным недостатком надо считать также их большую инерционность, объясняющуюся довольно большим временем рекомбинации электронов и дырок после прекращения облучения, Практически фоторезисторы применяются лишь на частотах не выше нескольких сотен герц или единиц килогерц. Собственные шумы фоторезисторов значительны. Тем не менее, фоторезисторы широко применяются в различных схемах автоматики и во многих других устройствах.
4. Устройство и принцип действия оптоэлектронного блокинг-генератора
Вариант импульсного устройства типа блокинг-генератор представлен на рис. 1. Применение диодного оптрона позволяет исключить импульсный трансформатор, не поддающийся микроминиатюризации. Оптрон пропускает постоянный ток, поэтому схема формирует импульсы прямоугольной формы, длительность которых ограничена лишь инерционностью транзистора и параметрами С-цепи. Важным достоинством является высокая помехоустойчивость схемы по цепи питания.
Схема работает следующим образом (рис. 1).
Рисунок 1. Оптронный блокинг - генератор: схема; диаграммы работы
При поступлении на вход запертого транзистора запускающего сигнала ir транзистор переходит в активный режим, через СИД оптрона начинает протекать ток коллектора транзистора iк и в базу транзистора через фотодиод оптрона и конденсатор С поступает ток обратной связи iб. Под действием сигнала обратной связи транзистор переходит в режим насыщения. Амплитуды выходного напряжения Uвых и коллекторного тока насыщения Iкн равны:
Uвых = Uп-Uн-Uсд;
Где - Соответственно напряжения насыщения VT и на светодиоде.
Транзистор и СИД соединены последовательно.
Современные СИД имеют меньшее значение максимально допустимого прямого тока, чем транзистор. Поэтому предельное значение выходного тока в схеме определяется не транзистором, а СИД оптрона и составляет 100--200 мА.
Длительность выходного импульса tи равна интервалу времени, на котором базовый ток транзистора спадает от начального значения Iб,о до тока на границе насыщения Iб н, т. е.
Коэффициент передачи по току транзистора;
где, - базовое сопротивление транзистора;
Ток базы; - ток базы при насыщении транзистора.
Получим выражение для расчета длительности импульса:
где - коэффициент передачи по току оптрона,
Таким образом, для формирования импульсов большой длительности необходимо применение транзисторов с большим, так как диодных оптронов менее 5-10-2.
Длительность паузы между импульсами tn определяется временем восстановления базовой цепи -- длительностью разряда хронирующего конденсатора С через резистор R:
Оптронный блокинг - генератор по сравнению с трансформаторным обладает повышенной термостабильностью, так как коэффициент передачи оптрона с ростом температуры уменьшается, а транзистора увеличивается; кроме того, схема проще конструктивно, технологичнее. Недостатком схемы является снижение энергии выходного импульса, связанное с малой допустимой мощностью рассеяния СИД оптрона.
Размещено на Allbest.ru
...Подобные документы
Работа оптоэлектронных приборов основана на электронно-фотонных процессах получения, передачи и хранения информации. Одним из оптоэлектронных приборов является оптрон, принцип действия которого состоит в преобразовании электрического сигнала в оптический.
реферат , добавлен 07.01.2009
Электронные приборы, действие которых основано на электронных процессах в полупроводниках (полупроводниковые приборы). Классификация полупроводниковых приборов по назначению и принципу действия, типу материала, конструкции и технологии, применению.
реферат , добавлен 17.03.2011
Ознакомление с оптоэлектронными приборами - устройствами, в которых при обработке информации происходит преобразование электрических сигналов в оптические и обратно. Оптрон - основной элемент оптоэлектроники. Принцип действия инжекционного светодиода.
реферат , добавлен 06.01.2009
Внешний вид ряда датчиков: света, давления, температуры, скорости, перемещения. Перечень разновидностей фоторезисторов и перечисление области их применения. Внешний вид и принципиальная схема работы лабораторного стенда "Исследование фоторезисторов".
презентация , добавлен 14.03.2011
Физические основы работы фоторезисторов, их вольтамперные, световые и спектральные характеристики; инерционность. Структура фоторезистора, схема его включения и принцип действия. Характеристика примесной фотопроводимости, явление электропроводности.
контрольная работа , добавлен 12.03.2015
Светодиод - полупроводниковый прибор с электронно-дырочным переходом, создающий оптическое излучение при пропускании через него электрического тока: история создания, виды, классификация. Устройство светодиодных световых приборов, область применения.
реферат , добавлен 05.05.2013
Автоматическая поверка стрелочных измерительных приборов линейных перемещений. Принцип действия функциональных основных компонентов. Область возможных схемных решений. Реализация функциональных компонентов. Устройство генератора тестовых сигналов.
контрольная работа , добавлен 04.02.2011
Характеристика электромеханических приборов для измерения постоянного, переменного тока и напряжения. Их конструкция, принцип действия, область применения, достоинства и недостатки. Определение и классификация электронных вольтметров, схемы приборов.
курсовая работа , добавлен 26.03.2010
Физические основы полупроводниковых приборов. Принцип действия биполярных транзисторов, их статические характеристики, малосигнальные параметры, схемы включения. Полевые транзисторы с управляющим электронно-дырочным переходом и изолированным затвором.
контрольная работа , добавлен 13.02.2015
Принцип действия и параметры элементов ПЗС, а также разновидности их конструкций. Распределение поверхностного потенциала в МДП-структуре в направлении, перпендикулярном затвору. Принцип действия ПЗС основан на накоплении и хранении зарядовых пакетов.
Ознакомление с оптоэлектронными приборами - устройствами, в которых при обработке информации происходит преобразование электрических сигналов в оптические и обратно. Оптрон - основной элемент оптоэлектроники. Принцип действия инжекционного светодиода.
Отправить свою хорошую работу в базу знаний просто. Используйте форму, расположенную ниже
Студенты, аспиранты, молодые ученые, использующие базу знаний в своей учебе и работе, будут вам очень благодарны.
Министерство образования Республики Беларусь
Учреждение образования
“Белорусский государственный университет
информатики и радиоэлектроники”
кафедра ЭВС
"Основы оптоэлектроники. Классификация оптоэлектронных устройств"
МИНСК, 2008
Оптоэлектроника является важной самостоятельной областью функциональной электроники и микроэлектроники. Оптоэлектронный прибор - это устройство, в котором при обработке информации происходит преобразование электрических сигналов в оптические и обратно.
Существенная особенность оптоэлектронных устройств состоит в том, что элементы в них оптически связаны, а электрически изолированы друг от друга.
Благодаря этому легко обеспечивается согласование высоковольтных и низковольтных, а также высокочастотных и низкочастотных цепей. Кроме того, оптоэлектронным устройствам присущи и другие достоинства: возможность пространственной модуляции световых пучков, что в сочетании с изменениями во времени дает три степени свободы (в чисто электронных цепях две); возможность значительного ветвления и пересечения световых пучков в отсутствие гальванической связи между каналами; большая функциональная нагрузка световых пучков ввиду возможности изменения многих их параметров (амплитуды, направления, частоты, фазы, поляризации).
Оптоэлектроника охватывает два основных независимых направления - оптическое и электронно-оптическое. Оптическое направление базируется на эффектах взаимодействия твердого тела с электромагнитным излучением. Оно опирается на голографию, фотохимию, электрооптику и другие явления. Оптическое направление иногда называют лазерным.
Электронно-оптическое направление использует принцип фотоэлектрического преобразования, реализуемого в твердом теле посредством внутреннего фотоэффекта, с одной стороны, и электролюминесценцией, с другой. В основе этого направления лежит замена гальванических и магнитных связей в традиционных электронных цепях оптическими. Это позволяет повысить плотность информации в канале связи, его быстродействие, помехозащищенность.
Рис.1. Оптрон с внутренней (а) и внешними (б) фотонными связями: 1, 6 - источники света; 2 - световод; 3, 4 - приемники света; 5 - усилитель.
Основным элементом оптоэлектроники является оптрон. Различают оптроны с внутренней (рис.1, а) и внешними (рис.1, б) фотонными связями. Простейший оптрон представляет собой четырехполюсник (рис.1, а), состоящий из трех элементов: фотоизлучателя 1, световода 2 и приемника света 3, заключенных в герметичном светонепроницаемом корпусе. При подаче на вход электрического сигнала в виде импульса или перепада входного тока возбуждается фотоизлучатель. Световой поток по световоду попадает в фотоприемник, на выходе которого образуется электрический импульс или перепад выходного тока. Этот тип оптрона является усилителем электрических сигналов, в нем внутренняя связь фотонная, а внешние - электрические.
Другой тип оптрона - с электрической внутренней связью и фотонными внешними связями (рис.1, б) - является усилителем световых сигналов, а также преобразователем сигналов одной частоты в сигналы другой частоты, например сигналов инфракрасного излучения в сигналы видимого спектра. Приемник света 4 преобразует входной световой сигнал в электрический. Последний усиливается усилителем 5 и возбуждает источник света 6.
В настоящее время разработано большое число оптоэлектронных устройств различного назначения. В микроэлектронике, как правило, используются только те оптоэлектронные функциональные элементы, для которых имеется возможность интеграции, а также совместимость технологии их изготовления с технологией изготовления соответствующих интегральных микросхем.
Фотоизлучатели. К источникам света оптоэлектроникой предъявляются такие требования, как миниатюрность, малая потребляемая мощность, высокие эффективность и надежность, большой срок службы, технологичность. Они должны обладать высоким быстродействием, допускать возможность изготовления в виде интегральных устройств.
Наиболее широкое распространение в качестве электролюминесцентных источников получили инжекционные светодиоды, в которых испускание света определяется механизмом межзонной рекомбинации электронов и дырок. Если пропускать достаточно большой ток инжекции через p-n-переход (в прямом направлении), то часть электронов из валентной зоны перейдет в зону проводимости (рис.2). В верхней части валентной зоны образуются свободные состояния (дырки), а в нижней части зоны проводимости - заполнение состояния (электроны проводимости).
Такая инверсная заселенность не является равновесной и приводит к хаотическому испусканию фотонов при обратных переходах электронов. Возникающее при этом в р-n-переходе некогерентное свечение и является электролюминесценцией.
Рис.2. К объяснению принципа действия инжекционного светодиода.
Фотон, испускаемый при люминесцентном переходе из заполненной части зоны проводимости в свободную часть валентной зоны, вызывает индуцированное излучение идентичного фотона, заставив еще один электрон перейти в валентную зону. Однако фотон такой же энергии (от?E=E2-E1 до?E=2?E) не может поглотиться, так как нижнее состояние свободно (в нем нет электронов), а верхнее состояние уже заполнено. Это означает, что p-n-переход прозрачен для фотонов такой энергии, т.е. для соответствующей частоты. Наоборот, фотоны с энергией, большей?E+2?E, могут поглощаться, переводя электроны из валентной зоны в зону проводимости. В то же время для таких энергий индуцированное испускание фотонов невозможно, так как верхнее исходное состояние не заполнено, а нижнее состояние заполнено. Таким образом, вынужденное излучение возможно в узком диапазоне около частоты, соответствующей энергии запрещенной зоны?Е с шириной спектра?E.
Наилучшими материалами для светодиодов являются арсенид галлия, фосфид галлия, фосфид кремния, карбид кремния и др. Светодиоды имеют высокое быстродействие (порядка 0,5 мкс), но потребляют большой ток (около 30 А/см2). В последнее время разработаны светодиоды на основе арсенида галлия - алюминия, мощности которых составляют от долей до нескольких милливатт при прямом токе в десятки миллиампер.К. п. д. светодиодов не превышает 1 - 3%.
Перспективными источниками света являются инжекционные лазеры, позволяющие концентрировать высокие энергии в узкой спектральной области при высоких к. п. д. и быстродействии (десятки пикосекунд). Эти лазеры можно изготовлять в виде матриц на одном базовом кристалле по той же технологии, что и интегральные микросхемы. Недостатком простых инжекционных лазеров является то, что они имеют приемлемые характеристики лишь при использовании охлаждения до очень низких температур. При нормальной температуре галлий-арсенидовый лазер имеет малую среднюю мощность, низкий к. п. д. (порядка 1%), небольшие стабильность работы и срок службы. Дальнейшее усовершенствование инжекционного лазера путем создания перехода сложной структуры с использованием гетеропереходов (гетеропереход - граница между слоями с одинаковыми типами электропроводности, но с разной шириной запрещенной зоны) позволило получить малогабаритный источник света, работающий при нормальной температуре с к. п. д.10 - 20% и приемлемыми характеристиками.
Фотоприемники. Для преобразования световых сигналов в электрические используют фотодиоды, фототранзисторы, фоторезисторы, фототиристоры и другие приборы.
Фотодиод представляет собой смещенный в обратном направлении p-n-переход, обратный ток насыщения которого определяется количеством носителей заряда, порождаемых в нем действием падающего света (рис.3). Параметры фотодиода выражают через значения тока, протекающего в его цепи. Чувствительность фотодиода, которую принято называть интегральной, определяют как отношение фототока к вызвавшему его световому потоку Ф?. Порог чувствительности фотодиодов оценивают по известным значениям интегральной (токовой) чувствительности и темнового тока Id, т.е. тока, протекающего в цепи в отсутствие облученности чувствительного слоя.
Основными материалами для фотодиодов являются германий и кремний. Кремниевые фотодиоды обычно чувствительны в узкой области спектра (от? = 0,6 - 0,8 мкм до? = 1,1 мкм) с максимумом при? = 0,85 мкм, а германиевые фотодиоды имеют границы чувствительности? = 0,4 - 1,8 мкм с максимумом при? ? 1,5 мкм. В фотодиодном режиме при напряжении питания 20 В темновой ток кремниевых фотодиодов обычно не превышает 3 мкА, в то время как у германиевых; фотодиодов при напряжении питания 10 В он достигает 15-20 мкА.
Рис.3. Схема и вольт-амперные характеристики фотодиода.
Рис.4. Схема и вольт-амперные характеристики фототранзистора.
Фототранзисторы представляют собой приемники лучистой энергии с двумя или с большим числом р-п-переходов, обладающие свойством усиления фототока при облучении чувствительного слоя. Фототранзистор соединяет в себе свойства фотодиода и усилительные свойства транзистора (рис.4). Наличие у фототранзистора оптического и электрического входов одновременно позволяет создать смещение, необходимое для работы на линейном участке энергетической характеристики, а также компенсировать внешние воздействия. Для обнаружения малых сигналов напряжение, снимаемое с фототранзистора, должно быть усилено. В этом случае следует увеличить сопротивление выхода переменному току при минимальном темновом токе в цепи коллектора, создавая положительное смещение на базе.
Световоды. Между источником и приемником света в оптроне находится световод. Для уменьшения потерь при отражении от границы раздела светодиода и проводящей среды (световода) последняя должна обладать большим коэффициентом преломления. Такие среды называются иммерсионными. Иммерсионный материал должен обладать также хорошей адгезией к материалам источника и приемника, обеспечивать достаточное согласование по коэффициентам расширения, быть прозрачным в рабочей области и т.д. Наиболее перспективными являются свинцовые стекла с показателем преломления 1,8-1,9 и селеновые стекла с показателем преломления 2,4-2,6. На рис.5 показано поперечное сечение твердотельного оптрона с иммерсионным световодом.
В качестве световодов в оптоэлектронике находят применение тонкие нити стекла или прозрачной пластмассы. Это направление получило название волоконной оптики. Волокна покрывают светоизолирующими материалами и соединяют в многожильные световые кабели. Они выполняют те же функции по отношению к свету, что и металлические провода по отношению к току. С помощью волоконной оптики можно: осуществлять поэлементную передачу изображения с разрешающей способностью, определяемой диаметром световолокна (порядка 1 мкм); производить пространственные трансформации изображения благодаря возможности изгибания и скручивания волокон световода; передавать изображения на значительные расстояния и т.д. На Рис.6 показан световод в виде кабеля из светопроводящих волокон.
Интегральная оптика. Одним из перспективных направлений функциональной микроэлектроники является интегральная оптика, обеспечивающая создание сверхпроизводительных систем передачи и обработки оптической информации. Область исследований интегральной оптики включает распространение, преобразование и усиление электромагнитного излучения оптического диапазона в диэлектрических тонкопленочных волноводах и волоконных световодах. Основным элементом интегральной оптики является объемный или поверхностный оптический микроволновод. Простейший симметричный объемный оптический микроволновод представляет собой локализованную по одной или двум пространственным измерениям область с показателем преломления, превышающим показатель преломления окружающей оптической среды. Такая оптически более плотная область есть нечто иное, как канал или несущий слой диэлектрического волновода.
Рис.5. Разрез твердотельного оптрона с иммерсионным световодом: 1 - планарная диффузия; 2 - селеновое стекло; 3 - омические контакты; 4 - диффузионная мезаструктура; 5 - источник света; 6 - приемник света.
Рис.6. Световод в виде кабеля из светопроводящих волокон: 1 - источник света; 2 - приемник света; 3 - световой кабель.
Примером несимметричного поверхностного диэлектрического волновода может служить тонкая пленка оптически прозрачного диэлектрика или полупроводника с показателем преломления, превышающим показатель преломления оптически прозрачной подложки. Степень локализации электромагнитного поля, а также отношение потоков энергии, переносимых вдоль несущего слоя и подложки, определяются эффективным поперечным размером несущего слоя и разностью показателей преломления несущего слоя и подложки при заданной частоте излучения. Сравнительно простым и наиболее подходящим для твердотельных оптических устройств является оптический полосковый микроволновод, выполненный в виде тонкой диэлектрической пленки (рис.7), нанесенной на подложку методами микроэлектроники (например, вакуумным напылением). С помощью маски на диэлектрическую подложку можно наносить с высокой степенью точности целые оптические схемы. Применение электронно-лучевой литографии обеспечило успехи в создании как одиночных оптических полосковых волноводов, так и оптически связанных на определенной длине, а впоследствии расходящихся волноводов, что существенно для создания направленных ответвителей и частотно-избирательных фильтров в системах интегральной оптики.
Рис 7. Оптический полосковый микроволновод с прямоугольным поперечным сечением: 1 - подложка; 2 - диэлектрическая пленка.
Оптоэлектронные микросхемы. На основе оптоэлектроники разработано большое число микросхем. Рассмотрим некоторые оптоэлектронные микросхемы, выпускаемые отечественной промышленностью. В микроэлектронике наиболее широко применяют оптоэлектронные микросхемы гальванической развязки. К ним относят быстродействующие переключатели, коммутаторы аналоговых сигналов, ключи и аналоговые оптоэлектронные устройства, предназначенные для использования в системах функциональной обработки аналоговых сигналов.
Основным элементом любой оптоэлектронной микросхемы является оптронная пара (рис.8, а, б), состоящая из источника света 1, управляемого входным сигналом, иммерсионной среды 2, оптически связанной с источником света, и фотоприемника 3. Параметрами оптронной пары являются сопротивление развязки по постоянному току, коэффициент передачи тока (отношение фототока приемника к току излучателя), время переключения и проходная емкость.
На базе оптоэлектронных пар создаются оптоэлектронные микросхемы различного назначения.
Рис.8. Схема и технологическое выполнение оптронной пары:
1 - источник света; 2 - иммперсионная среда; 3 - фотоприемник.
ЛИТЕРАТУРА
Петров К.С. Радиоматериалы, радиокомпоненты и электроника: Учебное пособие для вузов. - СПб: Питер, 2003. - 512 с.
Опадчий Ю.Ф. и др. Аналоговая и цифровая электроника: Учебник для вузов / Ю.Ф. Опадчий, О.П. Глудкин, А.И. Гуров; Под. ред. О.П. Глудкина. М.: Горячая Линия - Телеком, 2002. - 768 с.
Акимов Н.Н. и др. Резисторы, конденсаторы, трансформаторы, дроссели, коммутационные устройства РЭА: Справочник / Н.Н. Акимов, Е.П. Ващуков, В.А. Прохоренко, Ю.П. Ходоренок. Мн.: Беларусь, 2005. - 591 с.
...Подобные документы
Работа оптоэлектронных приборов основана на электронно-фотонных процессах получения, передачи и хранения информации. Одним из оптоэлектронных приборов является оптрон, принцип действия которого состоит в преобразовании электрического сигнала в оптический.
реферат , добавлен 07.01.2009
Выбор диода, выполняющего заданную функцию, его маркировка и характеристики, схема включения и принцип работы. Схема включения полевого транзистора с общим истоком в динамическом режиме. Преимущества и недостатки некоторых устройств оптоэлектроники.
контрольная работа , добавлен 11.11.2010
Направления и задачи деятельности оптоэлектронных технологий. Характеристика и цели использования приборов оптоэлектроники. Аппаратура для технических измерений и оптоволоконной связи. Лазерно-оптические информационные системы для специальных применений.
курсовая работа , добавлен 16.10.2013
Состояние проблемы автоматического распознавания речи. Обзор устройств чтения аудио сигналов. Архитектура системы управления периферийными устройствами. Схема управления электрическими устройствами. Принципиальная схема включения электрических устройств.
дипломная работа , добавлен 18.10.2011
Физическая и техническая основы оптоэлектроники, ее функциональное назначение. Принцип устройства плоскостного транзистора. Работа полупроводниковых приемников с использованием фотоэффекта. Параметры фототранзисторов, их виды, конструкции, параметры.
курсовая работа , добавлен 18.12.2009
Предназначение канала связи для передачи сигналов между удаленными устройствами. Способы защиты передаваемой информации. Нормированная амплитудно-частотная характеристика канала. Технические устройства усилителей электрических сигналов и кодирования.
контрольная работа , добавлен 05.04.2017
Идея создания и применения оптронов. Физические основы оптронной техники. Измерения оптоэлектронными многоканальными системами. Изготовление подложек из монокристаллов Bi12GeO20 и подготовка поверхности подложек к эпитаксии. Структура германата висмута.
дипломная работа , добавлен 25.10.2012
Устройство, принцип действия и режимы работы биполярного транзистора; классификация, схемы включения, вольт-амперные характеристики. Расчет электрических цепей с полупроводниковыми приборами. Определение рабочей точки, технология изготовления, применение.
презентация , добавлен 14.11.2014
Понятие коммутационных устройств, классификация, параметры и характеристика, система условных обозначений, конструкции и материалы, зарубежные аналоги. Принцип действия исполнительных систем и виды энергии, используемой для управления устройствами.
реферат , добавлен 13.03.2011
Каналы утечки речевой информации. Методы формирования и преобразования сигналов. Характеристика радиомикрофона с амплитудной модуляцией. Признаки и классификация закладных устройств. Сущность и принцип действия амплитудной модуляции гармонической несущей.
Министерство образования Республики Беларусь
Учреждение образования
“Белорусский государственный университет
информатики и радиоэлектроники”
кафедра ЭВС
"Основы оптоэлектроники. Классификация оптоэлектронных устройств"
МИНСК, 2008
Оптоэлектроника является важной самостоятельной областью функциональной электроники и микроэлектроники. Оптоэлектронный прибор - это устройство, в котором при обработке информации происходит преобразование электрических сигналов в оптические и обратно.
Существенная особенность оптоэлектронных устройств состоит в том, что элементы в них оптически связаны, а электрически изолированы друг от друга.
Благодаря этому легко обеспечивается согласование высоковольтных и низковольтных, а также высокочастотных и низкочастотных цепей. Кроме того, оптоэлектронным устройствам присущи и другие достоинства: возможность пространственной модуляции световых пучков, что в сочетании с изменениями во времени дает три степени свободы (в чисто электронных цепях две); возможность значительного ветвления и пересечения световых пучков в отсутствие гальванической связи между каналами; большая функциональная нагрузка световых пучков ввиду возможности изменения многих их параметров (амплитуды, направления, частоты, фазы, поляризации).
Оптоэлектроника охватывает два основных независимых направления - оптическое и электронно-оптическое. Оптическое направление базируется на эффектах взаимодействия твердого тела с электромагнитным излучением. Оно опирается на голографию, фотохимию, электрооптику и другие явления. Оптическое направление иногда называют лазерным.
Электронно-оптическое направление использует принцип фотоэлектрического преобразования, реализуемого в твердом теле посредством внутреннего фотоэффекта, с одной стороны, и электролюминесценцией, с другой. В основе этого направления лежит замена гальванических и магнитных связей в традиционных электронных цепях оптическими. Это позволяет повысить плотность информации в канале связи, его быстродействие, помехозащищенность.
Рис.1. Оптрон с внутренней (а) и внешними (б) фотонными связями: 1, 6 – источники света; 2 – световод; 3, 4 – приемники света; 5 – усилитель.
Основным элементом оптоэлектроники является оптрон. Различают оптроны с внутренней (рис.1, а) и внешними (рис.1, б) фотонными связями. Простейший оптрон представляет собой четырехполюсник (рис.1, а), состоящий из трех элементов: фотоизлучателя 1, световода 2 и приемника света 3, заключенных в герметичном светонепроницаемом корпусе. При подаче на вход электрического сигнала в виде импульса или перепада входного тока возбуждается фотоизлучатель. Световой поток по световоду попадает в фотоприемник, на выходе которого образуется электрический импульс или перепад выходного тока. Этот тип оптрона является усилителем электрических сигналов, в нем внутренняя связь фотонная, а внешние - электрические.
Другой тип оптрона - с электрической внутренней связью и фотонными внешними связями (рис.1, б) - является усилителем световых сигналов, а также преобразователем сигналов одной частоты в сигналы другой частоты, например сигналов инфракрасного излучения в сигналы видимого спектра. Приемник света 4 преобразует входной световой сигнал в электрический. Последний усиливается усилителем 5 и возбуждает источник света 6.
В настоящее время разработано большое число оптоэлектронных устройств различного назначения. В микроэлектронике, как правило, используются только те оптоэлектронные функциональные элементы, для которых имеется возможность интеграции, а также совместимость технологии их изготовления с технологией изготовления соответствующих интегральных микросхем.
Фотоизлучатели. К источникам света оптоэлектроникой предъявляются такие требования, как миниатюрность, малая потребляемая мощность, высокие эффективность и надежность, большой срок службы, технологичность. Они должны обладать высоким быстродействием, допускать возможность изготовления в виде интегральных устройств.
Наиболее широкое распространение в качестве электролюминесцентных источников получили инжекционные светодиоды, в которых испускание света определяется механизмом межзонной рекомбинации электронов и дырок. Если пропускать достаточно большой ток инжекции через p-n-переход (в прямом направлении), то часть электронов из валентной зоны перейдет в зону проводимости (рис.2). В верхней части валентной зоны образуются свободные состояния (дырки), а в нижней части зоны проводимости - заполнение состояния (электроны проводимости).
Такая инверсная заселенность не является равновесной и приводит к хаотическому испусканию фотонов при обратных переходах электронов. Возникающее при этом в р-n-переходе некогерентное свечение и является электролюминесценцией.
Рис.2. К объяснению принципа действия инжекционного светодиода.
Фотон, испускаемый при люминесцентном переходе из заполненной части зоны проводимости в свободную часть валентной зоны, вызывает индуцированное излучение идентичного фотона, заставив еще один электрон перейти в валентную зону. Однако фотон такой же энергии (от ∆E=E2-E1 до ∆E=2δE) не может поглотиться, так как нижнее состояние свободно (в нем нет электронов), а верхнее состояние уже заполнено. Это означает, что p-n-переход прозрачен для фотонов такой энергии, т.е. для соответствующей частоты. Наоборот, фотоны с энергией, большей ∆E+2δE, могут поглощаться, переводя электроны из валентной зоны в зону проводимости. В то же время для таких энергий индуцированное испускание фотонов невозможно, так как верхнее исходное состояние не заполнено, а нижнее состояние заполнено. Таким образом, вынужденное излучение возможно в узком диапазоне около частоты, соответствующей энергии запрещенной зоны ∆Е с шириной спектра δE.
Наилучшими материалами для светодиодов являются арсенид галлия, фосфид галлия, фосфид кремния, карбид кремния и др. Светодиоды имеют высокое быстродействие (порядка 0,5 мкс), но потребляют большой ток (около 30 А/см2). В последнее время разработаны светодиоды на основе арсенида галлия - алюминия, мощности которых составляют от долей до нескольких милливатт при прямом токе в десятки миллиампер.К. п. д. светодиодов не превышает 1 - 3%.
Перспективными источниками света являются инжекционные лазеры, позволяющие концентрировать высокие энергии в узкой спектральной области при высоких к. п. д. и быстродействии (десятки пикосекунд). Эти лазеры можно изготовлять в виде матриц на одном базовом кристалле по той же технологии, что и интегральные микросхемы. Недостатком простых инжекционных лазеров является то, что они имеют приемлемые характеристики лишь при использовании охлаждения до очень низких температур. При нормальной температуре галлий-арсенидовый лазер имеет малую среднюю мощность, низкий к. п. д. (порядка 1%), небольшие стабильность работы и срок службы. Дальнейшее усовершенствование инжекционного лазера путем создания перехода сложной структуры с использованием гетеропереходов (гетеропереход - граница между слоями с одинаковыми типами электропроводности, но с разной шириной запрещенной зоны) позволило получить малогабаритный источник света, работающий при нормальной температуре с к. п. д.10 - 20% и приемлемыми характеристиками.
Фотоприемники. Для преобразования световых сигналов в электрические используют фотодиоды, фототранзисторы, фоторезисторы, фототиристоры и другие приборы.
Фотодиод представляет собой смещенный в обратном направлении p-n-переход, обратный ток насыщения которого определяется количеством носителей заряда, порождаемых в нем действием падающего света (рис.3). Параметры фотодиода выражают через значения тока, протекающего в его цепи. Чувствительность фотодиода, которую принято называть интегральной, определяют как отношение фототока к вызвавшему его световому потоку Фυ. Порог чувствительности фотодиодов оценивают по известным значениям интегральной (токовой) чувствительности и темнового тока Id, т.е. тока, протекающего в цепи в отсутствие облученности чувствительного слоя.
Основными материалами для фотодиодов являются германий и кремний. Кремниевые фотодиоды обычно чувствительны в узкой области спектра (от λ = 0,6 – 0,8 мкм до λ = 1,1 мкм) с максимумом при λ = 0,85 мкм, а германиевые фотодиоды имеют границы чувствительности λ = 0,4 - 1,8 мкм с максимумом при λ ≈ 1,5 мкм. В фотодиодном режиме при напряжении питания 20 В темновой ток кремниевых фотодиодов обычно не превышает 3 мкА, в то время как у германиевых; фотодиодов при напряжении питания 10 В он достигает 15-20 мкА.
Рис.3. Схема и вольт-амперные характеристики фотодиода.
Рис.4. Схема и вольт-амперные характеристики фототранзистора.
Фототранзисторы представляют собой приемники лучистой энергии с двумя или с большим числом р-п-переходов, обладающие свойством усиления фототока при облучении чувствительного слоя. Фототранзистор соединяет в себе свойства фотодиода и усилительные свойства транзистора (рис.4). Наличие у фототранзистора оптического и электрического входов одновременно позволяет создать смещение, необходимое для работы на линейном участке энергетической характеристики, а также компенсировать внешние воздействия. Для обнаружения малых сигналов напряжение, снимаемое с фототранзистора, должно быть усилено. В этом случае следует увеличить сопротивление выхода переменному току при минимальном темновом токе в цепи коллектора, создавая положительное смещение на базе.
Световоды. Между источником и приемником света в оптроне находится световод. Для уменьшения потерь при отражении от границы раздела светодиода и проводящей среды (световода) последняя должна обладать большим коэффициентом преломления. Такие среды называются иммерсионными. Иммерсионный материал должен обладать также хорошей адгезией к материалам источника и приемника, обеспечивать достаточное согласование по коэффициентам расширения, быть прозрачным в рабочей области и т.д. Наиболее перспективными являются свинцовые стекла с показателем преломления 1,8-1,9 и селеновые стекла с показателем преломления 2,4-2,6. На рис.5 показано поперечное сечение твердотельного оптрона с иммерсионным световодом.
В качестве световодов в оптоэлектронике находят применение тонкие нити стекла или прозрачной пластмассы. Это направление получило название волоконной оптики. Волокна покрывают светоизолирующими материалами и соединяют в многожильные световые кабели. Они выполняют те же функции по отношению к свету, что и металлические провода по отношению к току. С помощью волоконной оптики можно: осуществлять поэлементную передачу изображения с разрешающей способностью, определяемой диаметром световолокна (порядка 1 мкм); производить пространственные трансформации изображения благодаря возможности изгибания и скручивания волокон световода; передавать изображения на значительные расстояния и т.д. На Рис.6 показан световод в виде кабеля из светопроводящих волокон.
Интегральная оптика. Одним из перспективных направлений функциональной микроэлектроники является интегральная оптика, обеспечивающая создание сверхпроизводительных систем передачи и обработки оптической информации. Область исследований интегральной оптики включает распространение, преобразование и усиление электромагнитного излучения оптического диапазона в диэлектрических тонкопленочных волноводах и волоконных световодах. Основным элементом интегральной оптики является объемный или поверхностный оптический микроволновод. Простейший симметричный объемный оптический микроволновод представляет собой локализованную по одной или двум пространственным измерениям область с показателем преломления, превышающим показатель преломления окружающей оптической среды. Такая оптически более плотная область есть нечто иное, как канал или несущий слой диэлектрического волновода.
Рис.5. Разрез твердотельного оптрона с иммерсионным световодом: 1 – планарная диффузия; 2 - селеновое стекло; 3 – омические контакты; 4 – диффузионная мезаструктура; 5 – источник света; 6 – приемник света.
Рис.6. Световод в виде кабеля из светопроводящих волокон: 1 - источник света; 2 – приемник света; 3 – световой кабель.
Примером несимметричного поверхностного диэлектрического волновода может служить тонкая пленка оптически прозрачного диэлектрика или полупроводника с показателем преломления, превышающим показатель преломления оптически прозрачной подложки. Степень локализации электромагнитного поля, а также отношение потоков энергии, переносимых вдоль несущего слоя и подложки, определяются эффективным поперечным размером несущего слоя и разностью показателей преломления несущего слоя и подложки при заданной частоте излучения. Сравнительно простым и наиболее подходящим для твердотельных оптических устройств является оптический полосковый микроволновод, выполненный в виде тонкой диэлектрической пленки (рис.7), нанесенной на подложку методами микроэлектроники (например, вакуумным напылением). С помощью маски на диэлектрическую подложку можно наносить с высокой степенью точности целые оптические схемы. Применение электронно-лучевой литографии обеспечило успехи в создании как одиночных оптических полосковых волноводов, так и оптически связанных на определенной длине, а впоследствии расходящихся волноводов, что существенно для создания направленных ответвителей и частотно-избирательных фильтров в системах интегральной оптики.
Рис 7. Оптический полосковый микроволновод с прямоугольным поперечным сечением: 1 – подложка; 2 – диэлектрическая пленка.
Оптоэлектронные микросхемы. На основе оптоэлектроники разработано большое число микросхем. Рассмотрим некоторые оптоэлектронные микросхемы, выпускаемые отечественной промышленностью. В микроэлектронике наиболее широко применяют оптоэлектронные микросхемы гальванической развязки. К ним относят быстродействующие переключатели, коммутаторы аналоговых сигналов, ключи и аналоговые оптоэлектронные устройства, предназначенные для использования в системах функциональной обработки аналоговых сигналов.
Основным элементом любой оптоэлектронной микросхемы является оптронная пара (рис.8, а, б), состоящая из источника света 1, управляемого входным сигналом, иммерсионной среды 2, оптически связанной с источником света, и фотоприемника 3. Параметрами оптронной пары являются сопротивление развязки по постоянному току, коэффициент передачи тока (отношение фототока приемника к току излучателя), время переключения и проходная емкость.
На базе оптоэлектронных пар создаются оптоэлектронные микросхемы различного назначения.
Рис.8. Схема и технологическое выполнение оптронной пары:
1 – источник света; 2 – иммперсионная среда; 3 – фотоприемник.
ЛИТЕРАТУРА
1. Петров К.С. Радиоматериалы, радиокомпоненты и электроника: Учебное пособие для вузов. – СПб: Питер, 2003. – 512 с.
2. Опадчий Ю.Ф. и др. Аналоговая и цифровая электроника: Учебник для вузов / Ю.Ф. Опадчий, О.П. Глудкин, А.И. Гуров; Под. ред. О.П. Глудкина. М.: Горячая Линия – Телеком, 2002. – 768 с.
3. Акимов Н.Н. и др. Резисторы, конденсаторы, трансформаторы, дроссели, коммутационные устройства РЭА: Справочник / Н.Н. Акимов, Е.П. Ващуков, В.А. Прохоренко, Ю.П. Ходоренок. Мн.: Беларусь, 2005. – 591 с.
Cтраница 1
Оптоэлектронные приборы являются элементной базой оптоэлектроники - сравнительно нового и перспективного направления электронной техники. Оптоэлектроника использует оптические и электронные явления в веществах, их взаимные связи, преобразования для передачи, обработки и хранения информации.
Оптоэлектронные приборы могут работать на постоянном токе, а предельно высокие их частоты (107 - 108 Гц) полностью определяются быстродействием излучателя и фотоприемника.
Оптоэлектронный прибор - это прибор, чувствительный к электромагнитному излучению в видимой, инфракрасной или ультрафиолетовой областях спектра, либо прибор, излучающий и преобразующий некогерентное или когерентное излучение в этих спектральных областях.
Оптоэлектронные приборы, представляющие собой единую конструкцию, состоящую из светоизлучателя и фотоприемника, связанных между собой оптически, называют оптронами.
Оптоэлектронные приборы составляют особую группу полупроводниковых приборов; они состоят из излучателя и (или) приемника электромагнитного излучения оптического диапазона частот. В качестве излучателя обычно служит элемент, преобразующий электрическую энергию в энергию электромагнитного излучения, а приемником является фоточувствительный элемент, преобразующий энергию электромагнитного излучения в электрическую энергию.
Оптоэлектронные приборы - это приборы, для работы которых используют электромагнитные излучения оптического диапазона. Элементная база современной оптоэлектроники достаточно разнообразна и включает в себя следующие основные группы приборов: оптоизлучатели - светоизлучающие диоды и лазеры; фотоэлектрические приемники излучения - фоторезисторы и фотоприемники с P - jV - nepexo - дом; приборы, управляющие излучением, - модуляторы, дефлекторы и др.; приборы для отображения информации - - индикаторы; приборы для электрической изоляции - оптроны; оптические каналы связи и оптические запоминающие устройства. Перечисленные группы приборов осуществляют генерацию, преобразование, передачу и хранение информации. Носителями информации в оптоэлектронике являются нейтральные в электрическом смысле частицы - фотоны, которые нечувствительны к влиянию электрических и электромагнитных полей, не взаимодействуют между собой и создают однонаправленность передачи сигнала, что обеспечивает высокую помехозащищенность и гальваническую развязку входных и выходных цепей. Оптоэлектронные приборы принимают, преобразуют и генерируют излучение в видимой, инфракрасной и ультрафиолетовой областях спектра.
Оптоэлектронные приборы применяют в автоматике для развязки электрических цепей.
Оптоэлектронные приборы, работающие на принципе изменения сопротивления под действием лучистой энергии, называются фоторезисторами. Они работают на внутреннем фотоэффекте. Он выражается в том, что кванты лучистой энергии, проникая в светочувствительный слой полупроводника, сообщают его электронам дополнительную энергию, достаточную для отрыва электронов от атомов вещества. Это приводит к увеличению свободных электронов и уменьшению сопротивления полупроводника. Например, при освещении сернистого кадмия число фотоэлектронов может в десять тысяч раз превысить число свободных электронов при затемненном состоянии светочувствительного слоя.
