лекция_Оптоэлектроника

Фоторезистором называю т полупроводниковый фотоэлектрически й прибор с внутренним фотоэффектом, в котором используется явление фотопроводимости, т.е. изменение электрической проводимости полупроводника под действием оптического излучения.

Фоторезистор обладает нач альной проводимостью σ0, которую назыв ают темновой σ0=q(nоµn + роµp), где q-за ряд электрона; п0, р0 - концентрация подвижных носителей заряда в полупроводнике в р авновесном состоянии; µn , µp - подвижность электронов и дырок соответственно. Под д ействием cвета в полупроводнике генер ируются избыточные подвижные носители заряда, концентрация которых увеличивается на величину ∆п и ∆р, а проводимость полупроводника изменяется на величину σф =q(µn ∆п + µр ∆р), называемую фотопроводимостью.При изм енении яркости освещения изменяется фотопроводимость полупроводника. Увеличени е проводимости полупроводника при освещении фоторезистора приводит к возрастанию тока в цепи. Разность токов при наличии и отсутствии освещения называют световым током или фототоком.

Характеристики и парамет ры фоторезистора

ВАХ представляет собой зависимость тока Iф протекающего через фоторезистор от напряжения U, приложенного к его выводам, при неизменной величине св етового потока (рис. 23.). В рабочем диапазоне напряжений ВАХ фоторезисторов при р азличных значениях светового потока практически линейны (линейны в пределах допустимой для них мощности рассеяния). На рис. 23. показаны схемы замера Iф.

Энергетическая (световая или люкс-амперная) характеристика представляет собой зависимость фототока от падающего светового потока при постоянно м напряжении на фоторезисторе (рис. 24.).

Рис. 23

27

Параметрами фоторезистора являются:

Темновое сопротивление — сопротивление фоторезистора при отсутствии освещения. Оно измеряется через 30 с после затемнения фоторезистора, предварительно находящегося под освещенностью 200 лк и составляет 104...107 Ом.

Удельная интегральная чувствительность - отношение фототока к произведению светового потока на приложенное напряжение.

Чувствительность называют интегральной, потому что ее измеряют при освещении фоторезистора светом сложного спектрального состава при освещенности 200 лк.

Различают чувствительность интегральную к белому свету, и спектральную – к

свету определенного цвета.

Чувствительность характеризует изменение фототока в цепи фоторезистора при изменении светового потока на один люмен: КФ=∆I/∆Ф при U=const. Интегральная чувствительность фоторезисторов составляет единицы ампер на люмен. Спектральная чувствительность характеризуется изменением фототока при изменении светового потока на 1 лм только для определенной длины волны света.

Граничная частота fгр - это частота синусоидального сигнала, модулирующего световой

поток, при котором чувствительность фоторезистора уменьшается в 2 раз по сравнению с чувствительностью при немодулированном потоке fгр =1О3...1О5 Гц.

Температурный коэффициент фототока - коэффициент, показывающий изменение фототока при изменении температуры и постоянном световом потоке

фоточувствительными резисторами, у которых низкий импеданс. Применение импедансного мостика – фотодетектирования и усиления ухудшает параметры фотоприемника. У отодиода этого недостатка нет.

Фотодиодом называют полупроводниковый фотоэлектрический прибор, в котором используется внутренний фотоэффект. Фотод даже солнечные элементы СЭ и “ звездные батареи”. Устройство фотодиода аналогично устройству обычного плоскостного диода. Отличие состоит в том, что его р-п-переход одной стороной обращен к стеклянному окну, через которое поступает свет.

Фотодиоды могут работать в одном из двух режимов:

- без внешнего источника электрической энергии – вентильный (фотогенераторный. или фотогальванический режим);

- с внешним источником электрической энергии - фотодиодный или фотопреобразовательный режим.

Рассмотрим работу фотодиода в вентильном режиме, схема включения представлена на рис. 27. При отсутствии светового потока на границе р-п-перехода создается контактная разность потенциалов. Через переход навстречу друг другу протекают два тока Iдиф и Iдр, которые уравновешивают друг друга. При освещении р-п-перехода фотоны, проходя в толщу полупроводника, передают части валентных электронов энергию, достаточную для перехода их в зону проводимости, т.е. за счет внутреннего фотоэффекта генерируются дополнительные пары электрон-дырка. Под действием контактной разности потенциалов р- п-перехода неосновные носители заряда п-области -дырки— переходят в р-область, а неосновные носители заряда р-области электроны - в п-область. Дрейфовый ток получает дополнительное приращение, называемое фототоком Iф. Дрейф неосновных носителей приводит к накоплению избыточных дырок в р-области, а электронов - в п-области. Это

28

приводит к созданию на зажимах фотодиода при разомкнутой внешней цепи разности потенциалов, называемой фотоЭДС.

Фотодиоды, работающие в режиме фотогенератора, часто используются в качестве источников питания, преобразующих энергию солнечного излучения в электрическую.

В фотодиодном или фотопреобразовательном режиме работы последовательно с фотодиодом включается внешн ий источник энергии, смещающий диод в обратном направ-

Рис. 27.

Рис. 2 6.

линии (рис. 27.). При отсутствии светового потока под действием обратного напряжения через фотодиод протекает обычный начальный обратной ток I0, который называют темновым. Темновой ток ограничивает минимальное значение

подключить источник напряжения, значение и полярность которого можно изменять, то снятые при этом ВАХ будут иметь такой же вид, как у обычного полупроводникового диода (рис. 28.). При освещении фотодиода существенно изменяется лишь обратная ветвь ВАХ, прямые же ветви практически совпадают. В квадранте III ф отодиод работает в фотодиодном режиме, а в квадранте IV - в фотовентильном режжиме, т.е. фотодиод становится источником электрической энергии. Квадрант I - это нерабочая область для фотодиода, в этом квадранте р-п-переход смещен в прямом направлении.

Параметрами фотодиодов являются:

Темновой ток 1Т - начальный обратный ток, протекающий через диод при отсутствии внешнего смещения и светового излу чения (1О...2ОмкА для германиевых и U 1... 2 мкА для кремниевых диодов) .

Рабочее напряжение Up - номинальное напряжение, прикладывааемое к фотодиоду в фотодиодном режиме Up = 10...30 В. Интегральная чувствительность Sинт, показывающая, как изменяется фототок при единичном изменении светового потока Sинт = dIф/dФ.

— частота, при которой интегральная чувствительность уменьшается в 2 раз (fгp = 106 ... 1012 Гц).

29

Фототранзисторы

Фототранзистором называют полупроводниковый управляемый оптическим излучением прибор с двумя взаимодействующими р-п-переходами.

Фототранзисторы, как и обычные транзисторы, могут иметь p-n-р- и п-p-n-структуру. Конструктивно фототранзистор выполнен так, что световой поток облучает область базы. Наибольшее практическое п рименение нашло включение фототранзистора в схеме с ОЭ, при этом нагрузка включается в коллекторную цепь. Входным сигна лом фототранзистора является модулированный световой поток, а выходным - изменение напряжения на резисторе нагрузки в коллекторной цепи.

Напряжение питания на ф ототранзистор подают, как и на обычный биполярный транзистор, работающий в акти вном режиме, т.е. эмиттерный переход смещен в прямом направлении, а коллекторн ый – в обратном (рис.29,а). Однако он может работать и с отключенным выводом базы (рис. 29, б), а напряжение прикладывается между эмит-тером и коллектором. Такое включ ение называется включением с плавающей базой и характерно только для фототранзисторо в. При этом фототранзистор работает в активном режиме близко к границе отсечки. При Ф = 0 ток очень мал и равен темновому току

Iт = I+KOα .

1

ВАХ аналогичны выходным характеристикам биполярного транзистора, включенного по схеме с ОЭ, где параметром является не ток базы, а световой поток или фототок при

I6 = const (рис. 29,в).

Энергетические и спектра льные характеристики такие же, как у фотодиода.

Основными параметрами фототранзистора являются:

1.Рабочее напряжение (10... 15 В).

2.Темновой ток (до сотен микроампер).

3.Рабочий ток (до десятков миллиампер).

4.Максимально допустим ая мощность рассеяния (до десятков ватт).

5. Статический коэффициент усиления по фототоку Куф = (l + h21э), который измеряется как отношение фототока коллектора транзистора с плавающей базой к фототоку коллекторного перехода при отключенном эмиттере и постоянном световом потоке и лежит в диапазоне зн ачений (1.. .6) • 10 2.

6. Интегральная чувствительность - отношение фототока к падающему световому потоку, составляет 0,2…2 А/л м, т. е в(1+h21Э). раз выше по сравнению с чувствительностью эквивалентного диода.

30

Оптопары

Оптопара – оптоэлектронный полупроводниковый прибор, содержащий источник и приемник оптического излучения, оптически и конструктивно связанные между собой, и предназначенный для выполнения различных функциональных преоб разований электри-- ческих и оптических сигналов. В интегральных оптоэлектронных схемах источником оптического излучения является инжекционный светодиод, обеспе чивающий высокое быстродействие оптопары. Фотоприемниками могут быть: фоторезисторы, фотодиоды, фототранзисторы, фототиристоры, фотоварикапы. Сочетание в одном конструктивном элементе светодиода с одним из этих фотоприемников позволило создать ряд оптопар с различными характеристикам и: резисторных, диодных, транзисторных , тиристорных и др. (рис. 30.).

Рис. 30.

Кабельные модемы могут иметь оптопары для сопряжения проводного Интернета с ноутбуком. При таком использовании линии связи она не должна зазе мляться в ноутбуке. На приемном конце линии включают транзисторную оптопару, через к оторую информация передается в ноутбук для последующей обработки (рис.31.).

Рис. 31. Устройство сопряжения линии связи с ноутбу ком

В состав устройства со пряжения входит операционный усилит ель для получения требуемого уровня сигналов. В передающем канале включена д ругая оптопара, на которую поступают импуль сные сигналы с клавиатуры ноутбука. На выходе оптопары передаваемые сигналы усиливаются транзистором.

Принцип действия оптопар основан на двойном преобразовании энер гии. В источниках излучения энергия электрического сигнала преобразуется в оптическое излучение, а в фотоприемниках оптический сигнал преобразуется в электрически й сигнал (ток или напряжение). Оптопара представляет собой прибор с электрическими входными и выходными сигналами.

Резисторные оптопары наиболее универсальны. Могут использоваться в аналоговых и ключевых устройствах, име ют широкий диапазон изменения сопротивления (десятки ...

сотни мегаом в неосвещенно м и сотни ом в освещенном состояниях), низкий частотный диапазон.

31

- не требуется прокладки новых кабелей при перенасыщенности об ъекта коммуникациями; например в городах и на больших предприятиях при организации компьютерных сетей, телевизионных и телеф онных каналов;

-при длине связи до 1,5 к м ни снег, ни дождь помех не создают, п омеху создает только сильный туман;

-выигрыш в габаритно-массовых показателях по сравнению с ми ллиметровой радиосвязью (меньшие размеры приемной и передающей апертур (“ антенн“).

Волоконно-оптические линии связи

В волоконно-оптических с истемах передачи ВОСП и в волоконно-оптических сетях кабельного телевидения CTV в качестве сигналов, несущих инфор мацию, применяются инфракрасные световые волны.

ВОСП обладают большими достоинствами, поэтому они вытесняют чисто электронные системы в областях межконтинентальной связи, трансатлантической связи, телефонии, в сетях компьютерной связи, к абельного телевидения и др.

Вволоконно-оптических ли ниях связи ВОЛС применяют как аналоговую (рис. 24.,а), так

ицифровую (рис.24,б) модуляцию сигналов.

Обязательными элементами ВОСП в обеих видах модуляции являются три элемента:

а)

б)

Рис.32. Структурные схемы аналоговой (а) и цифровой (б) волоконно-оптической системы передачи

33

1.Передатчик, где входной электрический сигнал через схему возбуждения и кодировки преобразуется в оптический сигнал. Преобразователем электронного сигнала в элекРис.24. Структурные схемы трический, как указывалось выше, (Э-О преобразование) используются светодиоды или инжекционные лазеры.аналоговой (а) и цифровой (б) волоконно-оптической системы передачи

2.Линия связи. В качестве линии связи используется волоконный световод, для этого модулированное оптическое излучение вводится в световод. Далее оптический сигнал распространяется по световоду. При необходимости дополнительного усиления или преобразования оптического сигнала используется ретранслятор.

3.Приемник. Он преобразует входные оптические сигналы в выходные электрические, усиливает их, декодируюет и выводит на оконечное устройство.

В аналоговой ВОСП обеспечивается модуляция интенсивности излучения, которое пропорционально входному электрическому сигналу. Сегодня высококачественная передача при аналоговой системе возможна только на расстояния до 10 км, так как на качество передачи сильно влияют нелинейные искажения, главные из которых это нелинейности вольт-амперных характеристик светодиодов и лазеров.

В цифровой ВОСП передача информации производится в виде световых импульсов. При поступлении на вход системы связи аналогового сигнала его необходимо кодиро-

вать в процессе импульснокодовой модуляции ИКМ, мультипликсировать (для увели-

чения пропускной способности системы – уплотнения сигнала по длине волны), кодировать в передающей схеме и, наконец, обеспечить импульсную модуляцию интенсивности излучения светодиода или лазера.

На приеме в цифровой ВОСП обеспечивается обратный процесс – преобразование световых импульсов в выходной электрический сигнал цифровой (для ЭВМ) или аналоговый.

Цифровая ВОСП обеспечивает передачу широкополосного сигнала высокого качества на большие расстояния.

Контрольное задание

В задачах требуется дать обстоятельные ответы на конкретные вопросы курса. Ответ по каждому вопросу должен содержать достаточно полные пояснения с использованием в зависимости от характера вопроса схем, рисунков, определений и формул, если это

34

Задача №1

возможно. Вопросы составлены так, что ответы на них имеются в базе данных настоящих методических указаний (в приложении к этой работе и в рекомендованной литературе). Номера вопросов задач для контрольной работы приведены в таблице.

Раскрыть классификационные группировки оптоэлектронных полупроводниковых приборов используя рис.7 и ответить на поставленный вопрос.

Вопросы к задаче №1

1.1. - 1.1.1. Дать определение, что такое оптоэлектронный полупроводниковый прибор, показать их общую классификацию и привести примеры конкретного прибора.

- 1.1.3. Какой длине волны соответствует максимальная чувствительность глаза:

а) 0,41 мкм: б) 0,56 мкм, и) 0,63 мм; г] 0,72 мм?

- 1.1.4. Какой из параметров характеризует среду распространения электромагнитной волны:

а) длина волны λ;

б) показатель преломления n,

в) напряженность электрического поля Е; г) начальная фаза φо?

общую классификацию некогерентных инфракрасных излучающих светодиодов (ИКсветодиодов) и привести примеры конкретного прибора.

35

- 1.3.5. От чего зависит частота излучения светодиода: а) напряжения; б) прямого тока;

в) ширины запрещенной зоны; г) обратного напряжения?

1.4. - 1.4.1. Дать определение, что такое когерентные излучатели инфракрасных волн – лазеры, показать классификацию лазеров по видам возбуждения, перехода и

излучатель-ной рекомбинации, привести примеры перехода и излучательной

типу резонатора и привести примеры активной области и резонатора.

- 1.6.2. Какое из обозначений соответствует излучательному прибору:

- 1.6.4. Что называется числовой апертурой: а) диаметр сердцевины волокна;