Оптоэлектронные приборы 1 Оптоэлектронные приборы 2

Описание к КПК «Оптоэлектронные приборы»

Оптоэлектроника - раздел электроники, изучающий эффекты взаимодействия оптического излучения с электронами в веществах (главным образом в твердых телах) и методы создания приборов и устройств, использующих эти эффекты для получения, преобразования, передачи, хранения и отображения информации.

Оптоэлектронные полупроводниковые приборы (ОПП) делят на излучатели, приемники излучения, оптопары и оптоэлектронные ИМС.

Основными параметрами ОПП являются: частота колебаний [Герц], длина волны [нанометр или Ангстрем (1Å=0,1 нм)], световой поток Ф [люмен], сила света I [кандела], светимость M [люмен/м²], освещенность E [люкс], яркость излучения (кандела/м²) и пр.

Полупроводниковые излучатели – ОПП, преобразующие электрическую энергию в энергию электромагнитного излучения (ЭМИ). Многие излучатели могут излучать только некогерентные электромагнитные колебания (светоизлучающий диод (СИД) (рис.7, 8, 15), знаковые индикаторы (рис. 4, 5, 6, 10), шкалы, экраны, инфракрасные излучающие диоды). Когерентные излучатели – полупроводниковые лазеры с различными видами возбуждения. Они могут излучать электромагнитные волны (ЭМВ) с определенной амплитудой, частотой, фазой, направлением распространения и поляризацией, что и соответствует понятию когерентности.

Светом называют видимое человеческим глазом электромагнитное изучение с длинами волн от 380 до 780 нм (рис. 31), являющееся частью диапазона оптического излучения. Оптическим диапазоном спектра электромагнитных колебаний принято считать диапазон колебаний с диной волны от 1 мм до 1 нм. Оптический диапазон замечателен тем, что именно в нем наиболее отчетливо проявляется корпускулярно-волновой дуализм; энергия фотона и соответствующая ей частота колебаний и длина волны связаны соотношениями 32 и 33.

Основным элементом полупроводникового излучателя (рис. 54) является инжекционный светоизлучающий диод (СИД) (рис. 56), который представляет собой полупроводниковый кристалл (рис. 66, 81) с одним p-n-переходом (или гетеропереходом), непосредственно преобразующий электрическую энергию в энергию некогерентного светового излучения (рис. 85, 78). Излучение светодиодов и инфракрасных диодов (ИКД) вызвано самопроизвольной рекомбинацией носителей заряда при прохождении прямого тока через выпрямляющий переход (рис. 30 а). Рекомбинация носителей заряда может происходить как в самом переходе, так и в прилегающих к переходу областях структуры. Чтобы кванты энергии – фотоны, освободившиеся при рекомбинации, соответствовали квантам видимого света, ширина запрещенной зоны исходного полупроводника должна быть более 1,7 эВ. При меньшей ширине запрещенной зоны кванты энергии, освобождающихся при рекомбинации носителей заряда, соответствуют инфракрасной области излучения. Таким образом, разница между СИД и ИКД заключается только в отличии исходного полупроводникового материала (рис. 43, ВАХ GaAs-инфракрасного диода, т.к. ∆W=1,43 эВ). Особенностью карбида кремния отметим его политипизм, т.е. существование нескольких кристаллических модификаций, отличающихся шириной запрещенной зоны (от 2,39 до 3,33 эВ). СИД на основе соединений арсенида галлия – красного цвета свечения, фосфиды галлия и индия дают желто и желто-зеленое свечение, карбид-кремниевые – красно-оранжевое и желтое свечение.

Полупроводниковый знаковый индикатор (рис. 58)– прибор отображения информации, состоящий из полупроводниковых (рис. 81) излучающих элементов, предназначенный для представления информации в виде знаков, организованный в один или несколько разрядов (рис. 4, 5, 6, 10). В полупроводниковых излучателях используются две основные конфигурации высвечиваемых элементов:

1) Семисегментная (рис. 70, 72, 4, 5, 6); структура знакового индикатора состоит из семи излучающих элементов и децимальной точки, т.е. 8 переходов в одном монокристалле полупроводника, излучающих свет при прохождении тока в прямом направлении. Различные комбинации излучающих элементов, обеспечиваемые внешней коммутацией, позволяют воспроизвести цифры от 0 до 9 и некоторые буквы.

2) Матричная (рис. 74, 10) с числом точек 36 (7 рядов по 5 точек, в каждом ряду плюс 1 точка), воспроизводящая все цифры, буквы и знаки (универсальный цифробуквенный индикатор). Иногда их называют полупроводниковыми экранами, например, АЛ 306А (рис.6).

Параметры излучателей как элементов электрической схемы определяются вольт-амперной характеристикой (ВАХ) рис. 43.

Полупроводниковый приемник излучения (рис. 55) – ОПП, чувствительный к ЭМИ видимой, инфракрасной и (или) ультрафиолетовой области спектра или преобразующий энергию ЭМИ непосредственно в электрическую энергию (рис. 86). К приемникам относятся фоторезисторы, фотодиоды, фотоэлементы, фототранзисторы и фототиристоры (рис. 59-62, 11-12), фотоумножители, приборы с зарядовой связью, приемники проникающей радиации и корпускулярно-преобразовательные приборы.

Фоторезистор (рис. 18, 11) - полупроводниковый элемент (рис. 66, 81), изменяющий свое электрическое сопротивление под действием внешнего излучения. Его принцип действия основан на внутреннем фотоэффекте в полупроводниках. Под действием потока излучения, падающего на рабочую поверхность фоторезистора, его внутреннее сопротивление уменьшается вследствие генерации пар свободных носителей заряда (электронов и дырок), за счет чего увеличивается электропроводность полупроводника (рис. 42). В качестве фоточувствительного материала в отечественных фоторезисторах широкого применения используются сульфиды и селениды кадмия и свинца (CdS, PbS, CdSe, PbSe). Материалы на основе кадмия чувствительны к излучениям в видимой и ближней инфракрасной областях, а на основе свинца - на длинах волн 1-5 мкм. Темновое сопротивление – это сопротивление фоторезистора в отсутствии освещения. Его принято определять через 30 с после затемнения ФР, предварительно находившегося под освещенностью 200 лк.

Фотодиод (рис. 16, 12, 86, 66, 81, 59, 55)- фоточувствительный полупроводниковый диод с р-n-переходом (между двумя типами полупроводника или между полупроводником и металлом). При освещении р-n-перехода в нем возникают электронно-дырочные пары. Направление тока носителей совпадает с направлением обратного тока перехода (рис. 30 б, 45), т.е. с ростом освещенности возрастает обратный ток фотодиода. Обратные токи практически не зависят от приложенного напряжения.

Фотодиод может работать в двух режимах - фотодиодном и фотогенераторном. В фотодиодном режиме прибор подключается к источнику питания, при этом на анод должен подаваться «-», а на катод «+». Этому режиму соответствуют зависимости в III квадранте вольт-амперной характеристики. Зависимости, приведенные в IV квадранте (рис. 45), отражают фотогенераторный режим работы, когда фотодиод может использоваться без источника питания, так как сам становится источником фотоЭДС, генерируя (под действием света) носители зарядов - свободные электроны.

Фотодиодные линейки и матрицы используются в современных спектрофотометрах, сканерах и других устройствах ввода оптической информации.

Фотоэлемент - полупроводниковый фотодиод, оптимизированный для прямого преобразования излучения Солнца в электрическую энергию. Для их обозначения часто используются также термины «солнечные элементы», «солнечные батареи». Солнечные элементы работают только в фотогенераторном режиме, функционально выступая в качестве электрических источников питания.

Рабочая площадка отдельного фотоэлемента может достигать площади в несколько квадратных сантиметров, а множество фотоэлементов, объединенных в батареи или панели, могут иметь (как, например, на космических станциях) площадь, измеряемую в квадратных метрах, вырабатывать напряжение в десятки вольт и давать ток в сотни ампер.

Фототранзисторы (ФТ) (рис. 17, 61, 86, 66, 81, 46) представляют собой тип дискретных оптоэлектронных фотоприемников, наиболее характерными чертами которого являются наличие механизма встроенного усиления (отсюда высокая фоточувствительность) и схемотехническая гибкость, обусловленная наличием третьего (правда, не всегда выводимого), управляющего электрода.

В корпусе имеется прозрачное окно, через которое свет попадает в область базы. Обычно его включают по схеме с ОЭ. Питающее напряжение включается таким образом, что коллекторный переход закрыт, а эмиттерный – открыт. Под воздействием света в базе генерируются электроны и дырки. Накопление в базе неравновесных основных носителей заряда понижает высоту потенциальных барьеров эмиттерного и коллекторного переходов, в связи с чем, увеличивается инжекция дырок из эмиттера в базу. Соответственно возрастает и ток коллектора. ФТ уступают ФД по быстродействию, но за счет усиления сигнала имеют высокую чувствительность. Фототранзисторы применяют в качестве аналоговых и ключевых приемников излучения, а также в оптопарах (рис. 23, 24, 25, 28, 29).

Фототиристор (рис. 55,62,66,81,86)- это тиристор, который включается воздействием светового потока. При освещении фототиристора в полупроводнике генерируются носители заряда обоих знаков (электроны и дырки), что приводит к увеличению тока через тиристор на величину фототока.

Фототиристор имеет четырехслойную р-n-р-n-структуру. Переход фототиристора под действием светового управляющего сигнала из закрытого состояния в открытое осуществляется при достижении уровня тока срабатывания I_ср скачком после преодоления определенного потенциального барьера. Напряжение включения уменьшается с увеличением освещенности.

Основное достоинство фототиристоров - способность переключать значительные токи и напряжения слабыми световыми сигналами - используется в устройствах «силовой» оптоэлектроники, таких, как системы управления исполнительными механизмами, выпрямителями и преобразователями. Как и фототранзисторы, фототиристоры часто применяются совместно с подобранными по характеристикам излучателями, в виде оптопар (рис. 27).

Оптопара (рис. 53, 21-29, 87, 39-41) представляет собой оптоэлектронный прибор, состоящий из излучающего и фотоприемного элементов, между которыми имеется оптическая связь, т.е. связь входа с выходом осуществляется с помощью световых сигналов, и обеспечена электрическая изоляция - (гальваническая) развязка входа и выхода. В качестве одного элемента оптопары – излучателя могут быть использованы ИКД, СИД, электролюминесцентный порошковый или пленочный излучатель, а также полупроводниковый лазер. Обычно применяют инфракрасный излучающий диод, который отличается от СИД и ЭЛИ большим КПД, а также простотой структуры и управления.

Классифицировать оптопары принято по типу фотоприемников – резисторные (рис.26), диодные (рис.21-22, 13), транзисторные (23-25, 28, 29, 14), тиристорные (рис. 27) и т.д. Спектральные характеристики приемника и излучателя должны, по возможности, совпадать.

Оптической средой распространения сигнала от излучателя к приемнику применяют волоконные световоды (рис.34).

Входной характеристикой оптрона является ВАХ используемого излучателя (например, СИД или ИКД), а выходной – ВАХ фотоприемника.