Целью работы является экспериментальное иследование характеристик фоточувствительных и светоизлучающих приборов.

Краткие теоретические сведения.

Оптоэлектронные полупроводниковые приборы можно разделить на две группы: излучающие и фоточувтсвительные (фотоприемные). К первой группе относятся светодиоды и полупроводниковые лазерные излучатели, а ко второй – фотодиоды, фототранзисторы, фототиристоры, фоторезисторы и ряд других.

Светодиод представляет собой прибор с p-n переходами между слоями полупроводниковых материалов, входящих в его состав. Он преобразует энергию протекающего через него тока в электромагнитное некогерентное излучение.

При прохождении через диод прямого тока в зоне p-n перехода происходит рекомбинация электронов и дырок. Этот процесс может сопровождаться электромагнитным излучением с частотой , определяемой соотношением:

(5.1)

где

– величина, соответствующая ширине запрещенной зоны полупроводника,– постоянная Планка. Однако, одновременно с данным (излучательным) механизмом рекомбинации действует и безызлучательный, связанный в частности с поглощением энергии кристаллической решеткой. При изготовлении светодиодов его влияние стремятся уменьшить. Эффективность преобразования электрической энергии в световую оценивается величиной, называемой внутренним квантовым выходом. Он определяется отношением числа излученных фотонов к количеству прорекомбинировавших пар носителей.

Как следует из (5.1), длина волны излучения светодиода

обратно пропорциональна ширине запрещенной зоны полупроводника. У диодов, из германия, кремния и арсенида галлия, максимум излучаемой энергии приходится на инфракрасную область, и, кроме того, у германиевых и кремниевых диодов велика вероятность безызлучательной рекомбинации.

Для изготовления светодиодов, излучающих в видимом диапазоне, применяются специальные полупроводниковые материалы – фосфид галлия, нитрид галлия, карбид кремния и другие с большой шириной запрещенной зоны. В современных светодиодах используются гетеропереходы, то есть полупроводниковые структуры на основе материалов с разной шириной запрещенной зоны.

На рис. 5.1 приведены зависимости интенсивности излучения светодиодов из различных материалов от длины волны (спектральные характеристики), там же показано условное обозначение светодиода на электрических схемах.

Рис. 5.1. Спектральные характеристики и обозначение светодиодов на электрических схемах.

Вольтамперная характеристика светодиода (рис. 5.2) похожа на характеристику обычного полупроводникового диода. Ее особенность состоит в том, что величины прямых напряжений могут достигать нескольких вольт (из-за большой ширины запрещенной зоны), а обратные напряжения невелики вследствие малой толщины p-n перехода. При электрическом пробое светодиода, вследствие ударной ионизации в объеме p-n перехода также может возникнуть излучение электромагнитной энергии. Однако, интенсивность излучения в таком режиме мала, и он не находит практического применения.

Рис. 5.2. Вольтамперные характеристики светодиодов.

Важной характеристикой светодиода является яркостная, то есть зависимость яркости излучения от величины прямого тока. Яркость определяется отношением силы света к площади светящейся поверхности. Примерный вид такой характеристики приведен на рис. 5.3. Ее загибы на начальном и конечном участках объясняются тем, что при малых и больших токах увеличивается вероятность безызлучательной рекомбинации.

Рис. 5.3. Яркостная характеристика светодиода.

Светодиоды, в отличие от других излучающих приборов (ламп накаливания и т.п.), являются очень быстродействующими (безынерционными). Время, за которое световой поток, формируемый светодиодом при подаче прямоугольного импульса прямого тока, достигает максимума, лежит в пределах от единиц микросекунд до десятков наносекунд.

Светодиоды характеризуются следующими основными параметрами: длина волны максимума излучения или цвет свечения; яркость или сила света при заданном прямом токе; прямое падение напряжения при заданном прямом токе и максимально допустимые прямой ток, обратное напряжение и мощность, рассеиваемая светодиодом.

Фотодиод представляет собой полупроводниковый прибор, p-n переход которого открыт для действия внешнего излучения. Если к выводам полупроводникового диода не подключены внешние источники напряжений, то p-n переход находится в равновесном состоянии. При этом разность потенциалов на выводах диода равна нулю, а на границе раздела слоев полупроводника существует внутреннее электрическое поле, препятствующее перемещению основных носителей через p-n переход.

Под действием электромагнитного излучения (при освещении), в объеме перехода происходит разрыв связей электронов с атомами – генерация электронно-дырочных пар. Данное явление называется внутренним фотоэффектом. Поле p-n перехода будет перемещать образовавшиеся дырки в область p -полупроводника, а электроны соответственно в n -полупроводник, разделяя генерируемые носители. При этом на внешних краях полупроводниковых слоев появится некоторая разность потенциалов («+» на аноде диода, «–» на его катоде) и одновременно на величину этой разности уменьшится высота потенциального барьера p-n перехода.

Генерируемая фотодиодом, под действием света, разность потенциалов, называется фото э.д.с.

. Ее величина зависит от светового потока (рис. 5.4), но фото э.д.с. не может превысить контактной разности потенциалов. Это объясняется тем, что направления внешнего и внутреннего полей противоположны и с увеличениемуменьшается суммарное электрическое поле, вызывающее перемещение носителей зарядов. При равенстве фото э.д.с. исила, вызывающая перемещение носителей исчезнет. Величина разности потенциалов, образующаяся на выводах фотодиода при разомкнутой внешней цепи называется напряжением холостого хода.

Рис. 5.4. Зависимость фото э.д.с. и тока короткого замыкания p-n перехода от величины светового потока.

Если выводы диода с освещенным p-n переходом замкнуть накоротко, то по проводнику потечет электрический ток, называемый фототоком , обусловленый направленным перемещением образовавшихся в зоне перехода свободных носителей. Их движение будет происходить под действием внутреннего электрического поля перехода. При освещенном фотодиоде этот ток будет поддерживаться за счет энергии светового излучения, вызывающего генерацию электронно-дырочных пар. При нулевом сопротивлении внешней цепи такой ток называется током короткого замыкания.

Величина фототока , как и величина фото-э.д.с., пропорциональна световому потоку (рис. 5.4), но соответствующая зависимость

не имеет ярко выраженного участка насыщения, так как при любом количестве образовавшихся носителей, электрическое поле, воздействующее на них будет равно полю контактной разности потенциалов.

Таким образом при наличии внешних источников света, фотодиод может служить в качестве генератора э.д.с. или тока, т.е. выполнять функции преобразователя световой энергии в электрическую. На этом принципе основано действие солнечных преобразователей (батарей). Описанный режим работы фотодиода (без внешних источников) называется вентильным.

Вольтамперная характеристика фотодиода, т.е. зависимость тока через него от величины внешнего приложенного напряжения определенным образом связана с освещенностью. Очевидно, если p-n переход не освещен, то вольтамперная характеристика фотодиода будет идентична соответствующей характеристике обычного диода. Этой ситуации соответствует график на рис. 5.5 для

=0.

Рис. 5.5. Вольтамперные характеристики фотодиода.

При подаче на затемненный фотодиод обратного напряжения через него будет протекать так называемый темновой ток , определяемый, как и для обычного диода соотношением:

(5.2)

где – ток насыщения,– температурный потенциал,

- приложенное напряжение. При освещении p-n перехода запертого диода в его объеме и прилегающих областях будут генерироваться пары носителей. Они станут увлекаться внешним электрическим полем к краям полупроводниковых слоев и через диод потечет обратный ток

(5.3)

где – темновой ток,– ток, создаваемый носителями, рожденными электромагнитным излучением (фототок). Этот ток условно имеет отрицательный знак. Так как величина фототока пропорциональна световому потоку

, то с ростом освещенности обратная ветвь ВАХ фотодиода будет практически параллельно смещаться вниз, как показано на рис. 5.5. Данный режим работы фотодиода (при обратном смещенииp-nперехода) называется фотодиодным.

Если на фотодиод подать напряжение равное нулю, то это будет соответствовать его короткому замыканию и, как отмечалось ранее, через внешнюю цепь будет протекать некоторый ток, называемый током короткого замыкания

.

При смене полярности напряжения на диоде внешнее электрическое поле включается встречно с полем фото э.д.с., что вызывает уменьшение потока носителей через p-n переход и соответственно снижение обратного тока. Когда прямое напряжение достигнет некоторой величины, ток диод прекратится. Величина этого напряжения соответствует режиму холостого хода и будет равна

, генерируемой диодом при заданной освещенности и разомкнутой внешней цепи. Дальнейший рост отпирающей разности потенциалов вызовет протекание через диод прямого тока, зависимость которого от напряжения описывается соотношением, аналогичным (5.2)

, а суммарный ток будет равен

.

Фотодиоды обычно используются как датчики освещенности и работают при обратном смещении, то есть в фотодиодном режиме. Они характеризуются следующими параметрами: – темновой ток (обратный ток затемненного фотодиода при заданной температуре и обратном напряжении);

– интегральная, или

– дифференциальная фоточувствительность. Последняя часто определяется как отношение изменения обратного тока

к вызвавшему его изменению светового потока

.

Чувствительность фотодиода зависит от длины волны подающего света. Данная зависимость для фотодиодов, изготовленных из различных материалов и его обозначение на принципиальных схемах приведены на рис. 5.6.

Рис. 5.6. Спектральные характеристики фотодиода и его обозначение на электрических схемах.

Так как биполярный транзистор представляет собой структуру, содержащую p-n переходы, то управление током в нем, может быть осуществлено не только при изменении соответствующих напряжений, но и путем освещения области базы. Транзистор, для которого предусмотрен такой режим работы, называется фототранзистором. В отсутствие освещенности его вольтамперные характеристики идентичны аналогичным характеристикам обычного транзистора.

Под воздействием светового потока в p-n переходах базовой области будут генерироваться электронно-дырочные пары. Полем запертого коллекторного перехода электроны (для n-p-n транзистора) будут втягиваться в область коллектора, увеличивая его ток. Данная ситуация аналогична работе фотодиода в режиме обратного смещения.

Дырки, возникшие при освещении фототранзистора (n-p-n типа), остаются в базе, увеличивая ее положительный потенциал, что приводит к повышению интенсивности инжекции электронов из эмиттера. Дополнительные электроны, достигнув коллекторного перехода, втянутся его полем в область коллектора и создадут дополнительное приращение коллекторного тока. Полный коллекторный ток фототранзистора при включении его по схеме с общим эмиттером будет описываться соотношением:

где

– сквозной коллекторный ток,– фототок коллекторного перехода, величина которого зависит от внешней освещенности. Из (5.4) следует, что коллекторным током фототранзистора можно управлять как по цепи базы, так и изменяя величину светового потока. Фоточувствительность такого транзистора примерно в

раз больше чувствительности фотодиода.

Семейство выходных вольтамперных характеристик фототранзистора приведено на рис. 5.7. Там же представлена эквивалентная схема фототранзистора в виде комбинации обычного транзистора и фотодиода.

Рис. 5.7. Вольтамперные характеристики, обозначение и эквивалентное представление биполярного фототранзистора.

Если комбинированное управление током коллектора не требуется, то фототранзистор может не иметь базового вывода. Данный режим работы называется режимом с «оторванной» или свободной базой. Фототранзистор при этом обладает не только максимальной чувствительностью, но и максимальной нестабильностью своих параметров. С целью повышения стабильности вывод базы через резистор может быть соединен с эмиттерным контактом.

Фототиристоры представляют собой переключающие полупроводниковые приборы, напряжение включения которых может изменяться под воздействием на соответствующие p-n переходы светового потока. Условие включения тиристора выглядит следующим образом:

, гдеи– коэффициенты передачи эквивалентных транзисторов. В отсутствие освещенности вольтамперная характеристика фототиристора аналогична характеристике обычного переключающего прибора (динистора или тиристора при

). Освещение переходов фототиристора вызывает рост токов соответствующихтранзисторов и их коэффициентов передачи. Это приведет к уменьшению напряжения включения структуры, как показано на рис. 5.8. В случае достаточно интенсивного освещения фототиристор будет включен при любом значении прямого напряжения, как и тиристор при токе управления большем тока спрямления.

Рис. 5.8. Вольтамперные характеристики и обозначение фототиристора.

Таким образом, подав на затемненный фототиристор некоторое напряжение, а затем кратковременно осветив p-n переход, прибор можно перевести во включенное состояние. Выключить фототиристор, как и обычный переключающий прибор, удается лишь при уменьшении анодного тока до значения, меньшего, чем ток удержания. Фототиристор может иметь и дополнительный вывод – управляющий электрод, что позволяет включать его при подаче как электрического, так и светового сигнала.

Фоторезистором называется двухэлектродный полупроводниковый прибор, сопротивление которого зависит от внешней освещенности. В отличие от ранее рассмотренных приборов, фоторезистор не содержит выпрямляющих переходов и является линейным элементом, т.е. его вольтамперная характеристика описывается при любой полярности напряжения соотношением:

, где– ток, протекающий через фоторезистор,– сопротивление при заданной освещенности. Вольтамперные характеристики фоторезистора и его обозначение на электрических схемах приведены на рис. 5.9.

Рис. 5.9. Вольтамперные характеристики и обозначение фоторезисторов на электрических схемах.

Основными параметрами фоторезистора являются: темновое сопротивление (сопротивление при световом потоке

), кратность изменения сопротивления, равная отношению темнового сопротивления к сопротивлению при заданной освещенности. Фоторезисторы, как и фотодиоды, неодинаково реагируют на световые потоки с разными длинами волн. Наиболее чувствительными к инфракрасному излучению являются фоторезисторы, изготовленные из селенида и сульфида свинца, а при работе в видимом диапазоне используются фоторезисторы из селенида и сульфида кадмия.

Излучатель света и фотоприемник могут помещаться в один корпус, образуя прибор, называемый оптроном или оптопарой. В зависимости от комбинаций излучателей и приемников света существуют различные виды оптронов. Структура и обозначения на принципиальных схемах некоторых из них приведены на рис. 5.10.

Рис. 5.10. Обозначение на электрических схемах различных видов оптронов.

Описание лабораторной установки.

Установка для проведения лабораторной работы № 5 «Исследование оптоэлектронных приборов» состоит из лабораторного и измерительного стендов, внешний вид передних панелей которых приведен на рис.1.8 и 5.11.

Лабораторный стенд содержит в своем составе регулируемый источник питания с диапазоном изменения выходного напряжения 015В и ограничителем тока нагрузки на уровне 60мА. Тумблер включения источника питания, ручка регулировки напряжения и выходные гнезда размещены в правой части панели лабораторного стенда. Там же расположена кнопка с надписью «Выкл. Е», при нажатии которой выходное напряжение отключается от гнезда с маркировкой «+».

Кроме этого имеются два источника тока, величины которых задаются соответствующими переключателями. Ток базы может устанавливаться равным нулю, 0,1мкА, 1мкА, 10мкА, а ток второго источника– 0, 0,5мА, 10мА, 20мА и 30мА.

В данной лабораторной работе исследуются характеристики светодиодов АЛ336Б (VD1) с красным, АЛ336Г (VD2) с зеленым сетом свечения и инфракрасного светодиода АЛ107А (VD3).

Резистор номиналом 680 Ом служит для ограничения величины прямого тока через светодиоды. Кроме этого проводится исследование фотоприемников различного типа, входящих в состав оптронов диодного АОД101А (U1), транзисторного АОТ128А (U2), тиристорного АОУ103В (U3) и резисторного ОЭП10 (U4). Резисторы

(величиной 1 кОм) и

(величиной 10 кОм) используются при исследовании оптрона в режиме передачи аналоговых сигналов, проводимом в работе № 6.

Включение лабораторного стенда осуществляется тумблером «Вкл.». О функционировании источника питания свидетельствует загорание зеленого светодиода, расположенного у данного тумблера.

Порядок проведения лабораторной работы.

1. Домашняя подготовка.

В ходе домашней подготовки требуется, пользуясь справочной литературой, определить и записать в рабочую тетрадь основные параметры исследуемых в данной работе полупроводниковых приборов. Кроме того, необходимо зарисовать схемы для проведения измерений и таблицы для записи результатов исследований.

2. Проведение лабораторной работы.

2.1. Исследование вольтамперных характеристик светодиодов.

Собрать, используя диод VD1, схему, приведенную на рис. 5.12.

Рис. 5.12. Схема для исследования прямой ветви вольтамперной характеристики светодиодов.

Установить ручку регулятора напряжения в крайнее левое положение (

); предел измеренияPV1 – 1,5В, предел измерения PA1 – 10мА. Включить питание лабораторного стенда.

Увеличивая вращением ручки регулятора вправо напряжение источника питания, провести измерения зависимости падения напряжения на диоде от величины прямого тока, устанавливая его значения равными: 0мА, 1мА, 3мА, 5мА, 10мА, 20мА, 30мА, 40мА, 50мА. Заполнить полученными данными первую строку таблицы:

(мА)
(В)
(В)
(В)

Провести аналогичные измерения для диодов VD2, VD3. Их подключение необходимо проводить при обесточенном лабораторном стенде.

Собрать, используя диод VD1, схему, приведенную на рис. 5.13.

Рис. 5.13. Схема для исследования обратной ветви вольтамперной характеристики светодиодов.

Установить предел измерения PA1 – 0,1мА, PV1 – 15В. Изменяя регулятором запирающее напряжение на диоде, провести измерение обратного тока и заполнить первую строку таблицы:

(В)
(мА)
(мА)
(мА)

Провести аналогичные измерения для диодов VD2, VD3.

2.2. Исследование вольтамперных характеристик фотодиода.

В цикле данных исследований используется арсенид-галлиевый фотодиод, входящий в состав диодного оптрона U1.

2.2.1. Исследование прямой ветви вольтамперной характеристики фотодиода.

Собрать схему, приведенную на рис. 5.14.

Рис. 5.14. Схема для исследования прямой ветви вольтамперной характеристики фотодиода.

Установить регулятор напряжения в крайнее левое положение (

), переключатель, задающий ток– в нулевое состояние, предел измерения вольтметраPV1 – 0,75В, миллиамперметра PA1 – 10мА.

Увеличивая выходное напряжение источника питания, задать прямые токи фотодиода равными указанным в таблице на рис. 5.15, измерить падение напряжения на нем и заполнить полученными данными первую строку таблицы.

Устанавливая переключателем с надписью «I» значения тока светодиода равными 5, 10, 20 и 30мА и, тем самым, увеличивая освещенность фотодиода, провести аналогичные измерения.

(мА)
(В)									мА
(В)									мА
(В)									мА
(В)									мА
(В)									мА

Рис. 5.15. Таблица для записи результатов исследований прямой ветви вольтамперной характеристики фотодиода.

2.2.2. Исследование напряжения холостого хода и тока короткого замыкания фотодиода.

Отсоединить от схемы (рис. 5.14) источник питания и, задавая ток через светодиод равным 0,5, 10, 20 и 30мА, измерить значения напряжения холостого хода фотодиода при его работе в вентильном режиме. Зафиксировать полученные результаты в таблице:

(мА)
(В)

Для измерения тока короткого замыкания собрать схему, приведенную на рис. 5.16. Задавая токи через светодиод в соответствии с указанными в вышеприведенной таблице, измерить величины токов короткого замыкания фотодиода и занести полученные результаты в нижнюю строку таблицы.

Рис. 5.16. Схема для измерения тока короткого замыкания фотодиода при его работе в вентильном режиме.

2.2.3. Исследование промежуточной ветви вольтамперной характеристики фотодиода при работе в вентильном режиме.

Собрать схему, приведенную на рис. 5.17.

Рис. 5.17. Схема для исследования вольтамперной характеристики фотодиода.

Задать ток светодиода равным 5 мА. Изменяя напряжение на выходе источника питания, установить ток через фотодиод равным нулю. Данное напряжение должно быть близко к измеренному ранее значению

при соответствующем токе светодиода. Уменьшая напряжение до нуля, провести измерения токов фотодиода для трех-пяти его значений и занести полученные результаты в таблицу:

(В)
(мА)

Величина прямого тока при нулевом напряжении источника питания должна быть близка к соответствующему значению

. Провести цикл аналогичных измерений для токов через светодиод, равных 10, 20 и 30мА.

2.2.4. Исследование обратной ветви вольтамперной характеристики фотодиода.

Собрать схему, приведенную на рис. 5.18.

Рис. 5.18. Схема для исследования обратной ветви вольтамперной характеристики фотодиода.

Установить ток через светодиод равным нулю, напряжение источника питания – близким к нулю, предел измерения PV1 – 15В, предел измерения PA1 – 0,1мА.

Провести измерения зависимости обратного тока фотодиода от величины запирающего напряжения и заполнить соответствующими данными первую строку таблицы, приведенной на рис. 5.19. Устанавливая ток через светодиод равным 5, 10, 20 и 30мА, проделать аналогичные измерения и результаты занести в ту же таблицу.

(В)
(мА)								мА
(мА)								мА
(мА)								мА
(мА)								мА
(мА)								мА

Рис. 5.19. Таблица для записи результатов при исследовании обратной ветви вольтамперной характеристики фотодиода.

2.3. Исследование выходных характеристик фототранзистора.

В ходе данных исследований используется фототранзистор, входящий в состав транзисторного оптрона

.

Собрать схему, приведенную на рис. 5.20.

Рис. 5.20. Схема для исследования выходных характеристик фототранзистора.

Установить токи иравными нулю, ручку регулятора напряжения – в крайнее левое положение, предел измеренияPA1 – 0,1мА, предел измерения PV1 – 15В.

Провести измерения тока коллектора транзистора при напряжении источника питания, равном 0, 1, 3, 6, 9, 12 и 15В, и результаты занести в соответствующую строку таблицы, приведенной на рис. 5.21. Устанавливая токи базы равными 1, 5 и 10мкА, провести аналогичные измерения для неосвещенного транзистора (при

= 0). Записать полученные результаты в соответствующие строки таблицы.

Установить ток светодиода равным 20мА и провести цикл аналогичных измерений.

(В)
(мА)
(мА)								мкА
(мА)								мкА
(мА)								мкА
(мА)									мА
(мА)								мкА
(мА)								мкА
(мА)								мкА

Рис. 5.21. Таблица для записи результатов исследования выходных характеристик фототранзистора.

2.4. Исследование фототиристора.

При выполнении данного пункта используется фототиристор, входящий в состав тиристорного оптрона

.

Собрать схему, приведенную на рис. 5.22.

Рис. 5.22. Схема для исследования фототиристора.

Установить ток через фотодиод равным нулю, ручку регулятора выходного напряжения – в крайнее левое положение, предел измерения PV1 – 15В.

Увеличивая напряжение источника питания, попытаться включить тиристор. Если он включен, то загорится светодиод VD2. Измерить величину

. Уменьшить напряжение питания до нуля и нажать кнопку «Выкл. Е» для перевода тиристора в исходное состояние. Задавая ток светодиода равным 2, 5, 10 и 20мА, провести аналогичные измерения и результаты занести в таблицу:

(мА)
(В)

Установить ток светодиода равным нулю. Выключить тиристор. Задать максимальное напряжение источника питания и, последовательно увеличивая ток через светодиод, включить тиристор. Попытаться выключить его путем снижения тока светодиода до нулевого значения.

2.5. Исследование фоторезистора.

При выполнении данного пункта лабораторной работы исследуются характеристики фоторезистора, входящего в состав оптрона

.

Собрать схему, приведенную на рис. 5.23.

Рис. 5.23. Схема для исследования фоторезистора.

Установить ток равным нулю, ручку регулятора напряжения – в крайнее левое положение (

), предел измеренияPV1 – 15В, PA1 – 0,1мА.

Изменяя напряжение на фоторезисторе, провести замеры протекающего через него тока и результаты занести в первую строку таблицы, приведенной на рис. 5.24. Последовательно увеличивая значения токов через лампочку накаливания, провести аналогичные измерения и записать результаты в соответствующие строки таблицы.

(В)
(мА)							мА
(мА)							мА
(мА)							мА
(мА)							мА
(мА)							мА

Рис. 5.24. Таблица для записи результатов исследований вольтамперной характеристики фоторезистора.

Изменить полярность напряжения источника питания и измерительных приборов (собрать схему, приведенную на рис. 5.25). Провести цикл аналогичных измерений и результаты зафиксировать в таблице.

Рис. 5.25. Схема для исследования вольтамперной характеристики фоторезистора при обратной полярности напряжения.

3. Обработка экспериментальных результатов.

3.1. Обработка результатов, полученных при выполнении пункта 2.1.

Построить на одном листе миллиметровки прямые и обратные ветви вольтамперных характеристик исследованных диодов, взяв масштаб по оси токов и напряжений для прямой ветви 5мА/см, 0,5В/см и, соответственно, для обратной ветви 0,1мА/см и 1,5В/см.

3.2. Обработка результатов пунктов 2.2.12.2.4 лабораторной работы.

Построить на одном листе миллиметровки семейство полных вольтамперных характеристик фотодиода при различных уровнях освещенности, задаваемых током светодиода. Масштаб по оси токов для прямой ветви вольтамперной характеристики выбрать равным 5мА/см, по оси напряжений 0,1В/см. При построении обратной ветви масштабы взять равными 0,1мА/см и 1,5В/см. Отметить на характеристиках величины напряжений холостого хода и токов короткого замыкания.

По данным, полученным в пункте 2.2.2, построить зависимости

и

, где– ток через светодиод. Масштабы по осям, на которых откладываются значения соответствующих величин, выбрать равными 5мА/см – по оси токов; 0,1В/см – по оси

и 0,2мА/см – по оси

.

3.3. Обработка результатов, полученных при выполнении пункта 2.3.

Построить на одном листе миллиметровки семейство выходных характеристик фототранзистора при различных значениях тока светодиода. По оси напряжений масштаб выбрать равным 1В/см, а по оси токов 2мА/см.

3.4. Обработка результатов пункта 2.4 лабораторной работы.

Построить зависимость напряжения включения фототиристора от тока светодиода, выбрав масштаб по оси токов 2мА/см, а по оси напряжений 3В/см. Объяснить полученные при выполнении данного пункта результаты.

3.5. Обработка результатов пункта 2.5.

Построить на одном листе миллиметровки семейство вольтамперных характеристик фоторезистора при обоих полярностях подаваемого напряжения, выбрав масштаб по оси токов 5мА/см, а по оси напряжений 3В/см.

Определить по данным характеристикам сопротивление фоторезистора в области нулевых значений напряжений при разных освещенностях, построить график зависимости сопротивления фоторезистора от величины тока, протекающего через источник излучения.

Сак А.В. Прогнозирование и планирование экономики (Документ)

Клиначев Н.В. Теория систем автоматического регулирования (Документ)

Бочаров А.Б. Учебно-методический комплекс по курсу Логика (Документ)

Бахарев П.В. Арбитражный процесс. Учебно-методический комплекс (Документ)

Старова Л.И. Анализ производственно-хозяйственной деятельности предприятия (Документ)

Светлицкий И.С. Экономическая теория (Документ)

Данильченко А.В. (и др.) Мировая экономика: Учебно-методический комплекс (Документ)

Гуткович Е.М. Учебно-методический комплекс по дисциплине Банковское право (Документ)

n1.doc

Тема 4.1 Основы оптоэлектроники. Классификация оптоэлектронных устройств.
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.

Основным элементом оптоэлектроники является оптрон. Различают оптроны с внутренней (рис. 9.4, а) и внешними (рис. 9.4, б ) фотонными связями. Простейший оптрон представляет собой четырехполюсник (рис. 9.4, 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. 9.4, 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 раз-

Личного 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

Рис. 9.5. К объяснению принципа действия инжекционного светодиода

через p - n -переход (в прямом направлении), то часть электронов из валентной зоны перейдет в зону проводимости (рис. 9.5). В верхней части валентной зоны образуются свободные состояния (дырки), а в нижней части зоны проводимости - заполнение состоя-

Ния (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. 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 = E 2 - E 1 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/см 2). 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. 9.6). 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 I d , 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.

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. 9.7). 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. 9.8 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. 9.9 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.

П римером 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. 9.10), 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.

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. 9.11, 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. 9.11. Схема и технологическое выполнение оптронной пары:

1 – источник света; 2 – иммперсионная среда; 3 – фотоприемник.

Тема 4.2 ЭЛЕМЕНТЫ ОПТОЭЛЕТРОННЫХ УСТРОЙСТВ
1. Оптоэлектронный переключатель представляет гибридную микросхему, содержащую оптоэлектронную пару и усилитель. В переключателе используются высокоэффективные светодиоды на основе apceнида галлия, легированного кремнием, и быстродействующие кремниевые p - i - n -фотодиоды. Иммерсионной средой является халькогенидное стекло с показателем преломления 2,7. Коэффициент передачи тока в оптоэлектронной паре составляет 3-5 при нормальной температуре, времена включения (сумма времен задержка и нарастания фронта) 100-250 пс, гальваническая развязка цепи светодиода и фотоприемника по постоянному току 10 9 Ом. Микросхема выполнена в круглом металлостеклянном корпусе типа ТО-5.

2. Оптоэлектронный ключ предназначен для коммутации высоковольтных цепей переменного и постоянного токов. Он имеет четыре независимых канала, каждый из которых содержит две оптоэлектронные пары, состоящие из светодиода и высоковольтного p - i - n - фотодиода. Фотодиоды соединены встречно-последовательно, поэтому сопротивление ключа в запертом состоянии (в отсутствие тока через светодиоды) независимо от полярности приложенного напряжения определяется темновым сопротивлением смещенного в обратном направлении p - i - n -фотодиода; значение его составляет примерно 10 9 Ом.

3. Транзисторный ключ предназначен для коммутации постоянных напряжений до 50 В. Прибор имеет два независимых канала, каждый из которых содержит оптоэлектронную пару, состоящую из арсенидгаллиевого светодиода и кремниевого n - p - i - n -фототранзистора. Оптоэлектронная пара имеет коэффициент передачи тока 2, номинальный рабочий ток 10 мА, быстродействие в режиме усиления 100-300 нс.

4.Коммутатор аналоговых сигналов предназначен для применения в системах селективной обработки аналоговых сигналов. Электрическая схема одного канала коммутатора приведена на рис. 9.12. Канал содержит оптоэлектронную пару, состоящую из арсенидгаллиевого светодиода и двух встречно включенных n - i - n -фотодиодов, выполненных в одном монокристалле.

На рис. 9.13 показаны электрические схемы некоторых других типов оптоэлектронных микросхем. Ключевая микросхема (рис. 9.13, а ) включает в себя быстродействующую диодную оптоэлектронную пару, согласованную с монолитным кремниевым усилителем. Она предназначена для замены трансформаторных и релейных связей в логических устройствах ЭВМ и дискретной автоматики. Аналоговый ключ (рис. 9.13, б ) относится к




линейным схемам с оптоэлектронным управлением. При мощности управляющего сигнала 60-80 мВт параметры прерывателя достигают значений, необходимых для стандартных полупроводниковых микросхем. Оптоэлектронные маломощные реле постоянного тока (рис. 9.13, в) предназначены для замены аналоговых

электромеханических реле с быстродействием в миллисекундном диапазоне и гарантируемым числом срабатываний 10 4 -10 7 .

Представляют интерес оптоэлектронные микросхемы серии 249, в которую входят четыре группы приборов, представляющих собой электронные ключи на основе электролюминесцентных диодов и транзисторов. Электрическая схема всех групп

Приборов одинакова (рис. 9.14). Конструктивно микросхемы оформлены в прямоугольном плоском корпусе интегральных микросхем с 14 выводами и имеют два изолированных канала, что уменьшает габариты и массу аппаратуры, а также расширяет функциональные возможности микросхем. Светодиоды выполнены на основе кремния и имеют п + - p - n i - n + - структуру. Наличие двух каналов в ключе позволяет использовать его в качестве интегрального прерывателя аналоговых сигналов и получать высокий коэффициент передачи сигнала (10-100) при включении фототранзисторов по схеме составного транзистора.

Оптоэлектронные приборы
Работа оптоэлектронных приборов основана на электронно-фотонных процессах получения, передачи и хранения информации.

Простейшим оптоэлектронным прибором является оптоэлектронная пара, или оптрон. Принцип действия оптрона, состоящего из источника излучения, иммерсионной среды (световода) и фотоприемника, основан на преобразовании электрического сигнала в оптический, а затем снова в электрический.

Оптроны как функциональные приборы обладают следующими преимуществами перед обычными радиоэлементами:

Полной гальванической развязкой «вход – выход» (сопротивление изоляции превышает 10 12 – 10 14 Ом);

Абсолютной помехозащищенностью в канале передачи информации (носителями информации являются электрически нейтральные частицы – фотоны);

Однонаправленностью потока информации, которая связана с особенностями распространения света;

Широкополосностью из-за высокой частоты оптических колебаний,

Достаточным быстродействием (единицы наносекунд);

Высоким пробивным напряжением (десятки киловольт);

Малым уровнем шумов;

Хорошей механической прочностью.

По выполняемым функциям оптрон можно сравнивать с трансформатором (элементом связи) при реле (ключом).

В оптронных приборах применяют полупроводниковые источники излучения – светоизлучающие диоды, изготовляемые из материалов соединений группы А III B V , среди которых наиболее перспективны фосфид и арсенид галлия. Спектр их излучения лежит в области видимого и ближнего инфракрасного излучения (0,5 – 0,98 мкм). Светоизлучающие диоды на основе фосфида галлия имеют красный и зеленый цвет свечения. Перспективны светодиоды из карбида кремния, обладающие желтым цветом свечения и работающие при повышенных температурах, влажности и в агрессивных средах.

Светодиоды, излучающие свет в видимом диапазоне спектра, используют в электронных часах и микрокалькуляторах.

Светоизлучающие диоды характеризуются спектральным составом излучения, который достаточно широк, диаграммой направленности; квантовой эффективностью, определяемой отношением числа испускаемых квантов света к количеству прошедших через p -n -переход электронов; мощностью (при невидимом излучении) и яркостью (при видимом излучении); вольт-амперными, люмен-амперными и ватт-амперными характеристиками; быстродействием (нарастанием и спадом электролюминесценции при импульсном возбуждении), рабочим диапазоном температур. При повышении рабочей температуры яркость светодиода падает и снижается мощность излучения.

Основные характеристики светоизлучающих диодов видимого диапазона приведены в табл. 32, а инфракрасного диапазона – в табл. 33.
Таблица 32 Основные характеристики светоизлучающих диодов видимого диапазона

Таблица 33. Основные характеристики светоизлучающих диодов инфракрасного диапазона

Тип диода	Полная мощность излучения, мВт	Постоянное прямое напряжение, В	Длина волны излучения, мкм	Время нарастания импульса излучения, нс	Время спада импульса излучения, нс	Масса, г
АЛ103 А, Б АЛ106 А – Д АЛ107 А, Б АЛ115 А	0,6 – 1 (при токе 50 мА) 0,2 – 1,5 (при токе 100 мА) 6 – 10 (при токе 100 мА) 1,5 (при токе 100 мА) 0,2 (при токе 20 мА) 10 (при токе 50 м А)	1,6	0,95 0,9 – 1	200 – 300	500	0,1

Светоизлучающие диоды в оптоэлектронных приборах соединяются с фотоприемниками иммерсионной средой, основным требованием к которой является передача сигнала с минимальными потерями и искажениями. В оптоэлектронных приборах используют твердые иммерсионные среды – полимерные органические соединения (оптические клеи и лаки), халькогенидные среды и волоконные световоды. В зависимости от длины оптического канала между излучателем и фотоприемником оптоэлектронные приборы можно подразделить на оптопары (длина канала 100 – 300 мкм), оптоизоляторы (до 1 м) и волоконно-оптические линии связи – ВОЛС (до десятков километров).

К фотоприемникам, используемым в оптронных приборах, предъявляют требования по согласованию спектральных характеристик с излучателем, минимуму потерь при преобразовании светового сигнала в электрический, фоточувствительности, быстродействию, размерам фоточувствительной площадки, надежности и уровню шумов.

Для оптронов наиболее перспективны фотоприемники с внутренним фотоэффектом, когда взаимодействие фотонов с электронами внутри материалов с определенными физическими свойствами приводит к переходам электронов в объеме кристаллической решетки этих материалов.

Внутренний фотоэффект проявляется двояко: в изменении сопротивления фотоприемника под действием света (фоторезисторы) либо в появлении фото-эдс на границе раздела двух материалов – полупроводник-полупроводник, металл-полупроводник (вентильные фотоэлементы, фотодиоды, фототранзисторы).

Фотоприемники с внутренним фотоэффектом подразделяют на фотодиоды (с p -n -переходом, МДП-структурой, барьером Шоттки), фоторезисторы, фотоприемники с внутренним усилением (фототранзисторы, составные фототранзисторы, фототиристоры, полевые фототранзисторы).

Фотодиоды выполняют на основе кремния и германия. Максимальная спектральная чувствительность кремния 0,8 мкм, а германия – до 1,8 мкм. Они работают при обратном смещении на p -n -переходе, что позволяет повысить их быстродействие, стабильность и линейность характеристик.

Наиболее часто в качестве фотоприемников оптоэлектронных приборов различной сложности применяют фотодиоды p - i -n -структуры, где i – обедненная область высокого электрического поля. Меняя толщину этой области, можно получить хорошие характеристики по быстродействию и чувствительности за счет малой емкости и времени пролета носителей.

Повышенными чувствительностью и быстродействием обладают лавинные фотодиоды, использующие усиление фототока при умножении носителей заряда. Однако у этих фотодиодов недостаточно стабильны параметры в диапазоне температур и требуются источники питания высокого напряжения. Перспективны для использования в определенных диапазонах длин волн фотодиоды с барьером Шоттки и с МДП-структурой.

Фоторезисторы изготовляют в основном из поликристаллических полупроводниковых пленок на основе соединения (кадмия с серой и селеном). Максимальная спектральная чувствительность фоторезисторов 0,5 – 0,7 мкм. Фоторезисторы, как правило, применяют при малой освещенности; по чувствительности они сравнимы с фотоэлектронными умножителями – приборами с внешним фотоэффектом, но требуют низковольтного питания. Недостатками фоторезисторов являются низкое быстродействие и высокий уровень шумов.

Наиболее распространенными фотоприемниками с внутренним усилением являются фототранзисторы и фототиристоры. Фототранзисторы чувствительнее фотодиодов, но менее быстродействующие. Для большего повышения чувствительности фотоприемника применяют составной фототранзистор, представляющий сочетание фото- и усилительного транзисторов, однако он обладает невысоким быстродействием.

В оптронах в качестве фотоприемника можно использовать фототиристор (полупроводниковый прибор с тремя p - n -переходами, переключающийся при освещении), который обладает высокими чувствительностью и уровнем выходного сигнала, но недостаточным быстродействием.

Многообразие типов оптронов определяется в основном свойствами и характеристиками фотоприемников. Одно из основных применений оптронов – эффективная гальваническая развязка передатчиков и приемни­ков цифровых и аналоговых сигналов. В этом случае оптрон можно использовать в режиме преобразователя или коммутатора сигналов. Оптрон характеризуется допустимым входным сигналом (током управления), коэффициентом передачи тока, быстродействием (временем переключения) и нагрузочной способностью.

Отношение коэффициента передачи тока к времени переключения называется добротностью оптрона и составляет 10 5 – 10 6 для фотодиодных и фототранзисторных оптронов. Широко используют оптроны на основе фототиристоров. Оптроны на фоторезисторах не получили широкого распространения из-за низкой временной и температурной стабильности. Схемы некоторых оптронов приведены на рис. 130, а – г.

В качестве когерентных источников излучения применяют лазеры, обладающие высокой стабильностью, хорошими энергетическими характеристиками и эффективностью. В оптоэлектронике для конструирования компактных устройств используют полупроводниковые лазеры – лазерные диоды, применяемые, например, в волоконно-оптических линиях связи вместо традиционных линий передачи информации – кабельных и проводных. Они обладают высокой пропускной способностью (полоса пропускания единицы гигагерц), устойчивостью к воздействию электромагнитных помех, малой массой и габаритами, полной электрической изоляцией от входа к выходу, взрыво- и пожаробезопасностью. Особенностью ВОЛС является использование специального волоконно-оптического кабеля, структура которого представлена на рис. 131. Промышленные образцы таких кабелей имеют затухание 1 – 3 дБ/км и ниже. Волоконно-оптические линии связи используют для построения телефонных и вычислительных сетей, систем кабельного телевидения с высоким качеством передаваемого изображения. Эти линии допускают одновременную передачу десятков тысяч телефонных разговоров и нескольких программ телевидения.

В последнее время интенсивно разрабатываются и получают распространение оптические интегральные схемы (ОИС), все элементы которых формируются осаждением на подложку необходимых материалов.

Перспективными в оптоэлектронике являются приборы на основе жидких кристаллов, широко используемые в качестве индикаторов в электронных часах. Жидкие кристаллы представляют собой органическое вещество (жидкость) со свойствами кристалла и находятся в переходном состоянии между кристаллической фазой и жидкостью.

Индикаторы на жидких кристаллах имеют высокую разрешающую способность, сравнительно дешевы, потребляют малую мощность и работают при больших уровнях освещенности.

Жидкие кристаллы со свойствами, схожими с монокристаллами (нематики, наиболее часто используют в световых индикаторах и устройствах оптической памяти. Разработаны и широко применяются жидкие кристаллы, изменяющие цвет при нагревании (холестерики). Другие типы жидких кристаллов (смектики) используют для термооптической записи информации.

Оптоэлектронные приборы, разработанные сравнительно недавно, получили широкое распространение в различных областях науки и техники, благодаря своим уникальным свойствам. Многие из них не имеют аналогов в вакуумной и полупроводниковой технике. Однако существует еще много нерешенных проблем, связанных с разработкой новых материалов, улучшением электрических и эксплуатационных характеристик этих приборов и развитием технологических методов их изготовления.

Раздел 5. Устройства на приборах с зарядовой связью (ПЗС).