Оптрони (оптрони) са такива полупроводникови устройства, в които има източник и приемник на излъчване (излъчвател на светлина и фотодетектор) с един или друг вид оптична връзка между тях.

Принципът на работа на оптроните от всякакъв вид се основава на следното. В излъчвателя енергията на електрическия сигнал се преобразува в светлина, а във фотодетектора, напротив, светлинният сигнал предизвиква електрически отговор (сигнал). В практиката са широко разпространени само оптроните, които имат директна оптична връзка от емитера към фотодетектора и като правило се изключват всички видове електрическа връзка между тези елементи.Наличието на оптична връзка осигурява електрическа изолация между входа (емитер) и изход (фотодетектор).

По този начин в електронна схема такова устройство изпълнява функцията на свързващ елемент, в който в същото време се извършва електрическа (галванична) изолация на входа и изхода.

Използването на оптоелектронни устройства е доста разнообразно: за комуникация на единици оборудване, между които има значителна потенциална разлика; за защита на входните вериги на измервателни устройства от смущения и смущения, оптично, безконтактно управление на вериги с висок ток и високо напрежение (твърдотелни релета), задействане на мощни тиристори, триаци, управление на електромеханични релейни устройства.

Създаването на "дълги" оптрони (устройства с разширен гъвкав оптичен световод като оптичен канал) отвори напълно нова посока за използване на оптрони - комуникация на разстояние чрез оптични влакна.

Оптоелектронни устройства се използват и в чисто радиотехнически модулационни схеми, автоматично регулиране на усилването и др. Тук се използва влиянието на оптичния канал за привеждане на схемата в оптимален работен режим, за безконтактна смяна на режима и др.

Конвенционалните графични обозначения на основните типове оптрони са показани на фиг. 15.1.

15.1 Класификация на оптоелектронни устройства

Оптоелектронните устройства се класифицират според следните критерии.

Тип на използвания излъчвателОптроните се делят на:

с излъчвател на миниатюрни крушки с нажежаема жичка. Оптроните на такива излъчватели са инерционни и в момента практически не се използват, въпреки че се използват в резисторни оптрони.

с излъчвател на неонови крушки, които използват блясъка на електрически разряд на газова смес неоново-аргон. Тези видове излъчватели се характеризират с ниска светлинна мощност, ниска устойчивост на механични натоварвания, ограничена издръжливост, големи размери и пълна несъвместимост с интегрираната технология. Въпреки това, в някои видове оптрони те могат да се използват.

с емитер върху електролуминесцентни клетки , Електролуминесцентните клетки имат ниска ефективност на преобразуване на електрическа енергия в светлина, ниска издръжливост (особено тънкослойни) и трудно се контролират (например оптималният режим за прахови фосфори е ~ 220 V при f = 400 ... 800 Hz). Основното предимство на тези излъчватели е тяхната структурна и технологична съвместимост с фоторезистори, възможността за създаване на многофункционални, многоелементни оптронни структури на тази основа. В момента те са с ограничена употреба.

с излъчвател на светодиоди и лазерни диоди. Основният най-универсален тип емитер, използван в оптроните, е полупроводников инжекционен диод, излъчващ светлина - LED. Това се дължи на следните предимства: висока ефективност на преобразуване на електрическата енергия в оптична; тесен спектър на излъчване (квазимонохроматичност); широчина на спектралния диапазон, покрит от различни светодиоди; насоченост на излъчването; висока скорост; ниски стойности на захранващите напрежения и токове; съвместимост с транзистори и интегрални схеми; лекота на модулиране на мощността на излъчване чрез промяна на тока напред; възможност за работа както в импулсен, така и в непрекъснат режим; линейност на ват-амперните характеристики в повече или по-малко широк диапазон от входни токове; висока надеждност и издръжливост; малки размери; технологична съвместимост с микроелектронни продукти.

Според вида на използвания фотодетекторОптроните се делят на:

Оптрони на базата на фоторезистори, чиито свойства се променят при осветяване по зададен комплексен закон, което позволява моделиране на математически функции и е стъпка към създаването на функционална оптоелектроника. Фоторезистивните оптрони обаче са инерционни.

Оптрони на базата на фотодиоди;

Оптрони на базата на фототранзистори;

Оптрони на базата на фототиристори.

Последните три са най-универсалните фотодетектори, работещи с отворен p-n преход. В преобладаващата част от случаите те са направени на базата на силиций, като областта на максималната им спектрална чувствителност е близо до λ=0,7...0,9 μm.

По вид на използвания оптичен каналОптроните се делят на:

Оптрони с отворен оптичен канал. При такива оптрони емитерът и фотодетекторът са разделени от въздушна междина. Те се използват широко за определяне на броя на оборотите на въртящи се валове, синхронизиране на движението на механични системи, като сензори за положение и др. Оптроните с отворен канал от своя страна се разделят на оптрони, работещи при отражение и предаване.

Оптрони със затворен оптичен канал. При тях оптичният канал е защитен от всякакви външни влияния. Такива оптрони се използват за галванична изолация на входа и изхода електрически вериги. Ако като изходна верига се използват мощни захранващи устройства (тиристори, триаци, MOSFET), тогава такива оптрони се наричат ​​полупроводникови релета. Понастоящем такива релета са алтернатива на електромагнитните релета и тяхната технология непрекъснато се подобрява.

Оптрони с "разширен" оптичен канал. В такива оптрони емитерът и фотодетекторът могат да бъдат разположени на значително разстояние. При тях оптичният канал, свързващ емитер и фотодетектор, може да бъде влакнест световод. Такива оптоелектронни устройства се използват широко за предаване на информация в локални компютърни мрежи.

Според спектралния диапазон на оптичния каналОптроните се делят на:

Оптрони във видимия диапазон с дължина на вълната на оптичното излъчване от 0,4 до 0,75 микрона.

Оптрони в близкия инфрачервен диапазон с дължина на вълната на оптичното излъчване от 0,8 до 1,2 микрона. Този тип излъчване е особено ефективен за оптоелектронни устройства с отворен канал.

На конструктивна и технологична основаОптроните се делят на:

Оптрони (елементарни оптрони), които съдържат един емитер и един елементарен фотодетектор. В зависимост от вида на използвания фотоприемник те биват резистивни, диодни, транзисторни, тиристорни и др.

Оптоелектронни (оптрони) интегрални схеми, които в допълнение към елементарния оптрон съдържат допълнителни електронни устройства: усилватели, компаратори, логически схеми и др. В такива интегрални схеми входовете и изходите са галванично изолирани.

Специални видове оптрони: диференциални оптрони, които съдържат няколко излъчвателя и фотодетектора; оптоелектронни датчици за присъствие, дим, датчици за положение и др.

Оптоелектронните устройства (OED) са измервателни уреди с принципно нов тип устройство за четене, базирано на използването на различни оптоелектронни ефекти и осигуряващо аналогово възприемане на резултата от измерването от човек.

Принципът на действие на OED се състои в пряко или косвено въздействие на измерената стойност върху специално индикаторно вещество, поставено по скалата или комбинирано с нея, при което възниква определен физико-химичен ефект, който позволява да се прецени стойността на измерената стойност чрез промяна на електрооптичните, магнитооптичните, електротермично оптичните, електрохимично оптичните или електромеханично оптичните характеристики. Отчитанията се вземат според визуалното проявление на ефекта. Най-често използваната промяна оптични свойствавещества (цвят, яркост, прозрачност). За стойността на измерваната величина се съди и по изменение на геометричното положение на оптичния параметър, например, но по движението на светлинен стълб. Съвременните OED са изградени основно върху електрооптични ефекти с електро- и катодолуминесцентно светлинно излъчване, както и газоразрядни. Обещаващи са ефекти без излъчване на светлина, при които оптичното състояние на веществото се променя под действието на електрическо поле (коефициенти на поглъщане, отражение, разсейване, пречупване или спектрален състав на светлината). Най-интересни в тази група ефекти са ефектите в течните кристали. Понастоящем е създадено промишлено производство на материали и елементи, базирани на тези ефекти (светодиоди, прахообразни фосфори, хемотронни клетки и др.) С електрофизични параметри, което позволява да се създават на тяхна основа OED с достатъчно високи метрологични характеристики .

На фиг. 2.41. показана е опростена блокова схема, обясняваща принципите на работа на оптоелектронно устройство с четящо устройство OU, състоящ се от скалата У, градуиран в единици на измерваната величина х, и оптоелектрически указател При.

Ориз. 2.41. Опростена блокова схема на OED

При прилагане на измерената стойност хкъм входа на измервателния преобразувател Пс чувствителност a Y ¢, в последния се формира електрически сигнал Y= a Y ¢X, което осигурява надеждна работа на действащото устройство ВЗУ. Като Пизползвайте нормализиращи усилватели, преобразуватели на импеданс, преобразуватели на капацитет, функционални преобразуватели и др. ВЗУгенерират контролен сигнал Зот вида, който е необходим за възбуждане в индикаторното вещество IVвизуален оптоелектронен ефект. Най-често Зосигурява създаване на електрически, магнитни и топлинни полета.

Като цяло зависимостта Зот Yнелинеен и може да бъде представен по следния начин: З= a Z ¢Y m , където m е коефициентът, определен от вида на оптоелектронния ефект (за повечето електрооптични ефекти m = 1); и z ¢ -чувствителност ВЗУ.

От фиг.2.41. като вземем предвид отбелязаните трансформации, получаваме

, (2.61)

където а Y = 1/ а Y¢, а z= а z ¢ – коефициенти на трансформация.

Оптичен параметър IVе указател При, чиято позиция спрямо скалата Уопредели индикацията X P, съответстваща на стойността на измерваната величина х.

В зависимост от метода на движение и принципа на формиране на показалеца се разграничават оптоелектронни устройства с аналогови и дискретно-аналогови четящи устройства. На фиг. 2.42. представени различни видовеи форми за справка за съвременните ОЕП.

Източници на оптично лъчение, използвани в оптоелектрониката, най-общо казано, е много разнообразна. Повечето от тях обаче (субминиатюрни лампи с нажежаема жичка и газоразрядни лампи, прахови и филмови електролуминесцентни излъчватели, вакуумен катодолуминофор и много други видове) не отговарят на всички съвременни изисквания и се използват само в отделни устройства, главно в индикаторни устройства и отчасти в оптрони.

При оценката на перспективите на конкретен източник решаваща роля играе агрегатното състояние на активното светещо вещество (или веществото, което запълва работния обем). От всички възможни варианти (вакуум, газ, течност, твърдо вещество) предпочитание се дава на твърдо вещество, а "вътре" в него - монокристал, тъй като осигурява най-голяма издръжливост и надеждност на устройствата.

Основата на оптоелектрониката се формира от две групи излъчватели:

1) оптични генератори на кохерентно излъчване (лазери), сред които трябва да се откроят полупроводниковите лазери;

1) светоизлъчващи полупроводникови диоди, базирани на принципа на електролуминесценцията на спонтанното инжектиране.

Оптоелектронно полупроводниково устройство е полупроводниково устройство, коетоизлъчване или преобразуване на електромагнитно лъчение, чувствително към това лъчение във видимата, инфрачервената и (или) ултравиолетовата област на спектъра или използване на такова лъчение за вътрешно взаимодействие на неговите елементи.

Оптоелектронните полупроводникови устройства могат да бъдат разделени на полупроводникови излъчватели, приемници на излъчване, оптрони и оптоелектронни интегрални схеми (фиг. 2.1).

Полупроводниковият емитер е оптоелектронно полупроводниково устройство, което преобразува електрическа енергияв енергията на електромагнитното излъчване във видимата, инфрачервената и ултравиолетовата област на спектъра.

Много полупроводникови излъчватели могат да излъчват само некохерентни електромагнитни вълни. Те включват полупроводникови излъчватели на видимата област на спектъра - полупроводникови устройства за показване на информация (светодиоди, полупроводникови индикатори за знаци, скали и екрани), както и полупроводникови излъчватели на инфрачервената област на спектъра - инфрачервени излъчващи диоди.

Кохерентни полупроводникови излъчвателиса полупроводникови лазери различни видовевъзбуда. Те могат да излъчват електромагнитни вълни с определена амплитуда, честота, фаза, посока на разпространение и поляризация, което отговаря на концепцията за кохерентност.

Приемникът на полупроводниково излъчване е оптоелектронно полупроводниково устройство, което е чувствително към електромагнитно излъчване във видимата, инфрачервената и (или) ултравиолетовата област.звспектър или преобразува енергията на електромагнитното излъчване директно в електрическа енергия.

Полупроводниковите приемници на радиация включват фоторезистори, фотодиоди, фотоклетки, фототранзистори и фототиристори.

Търсене на пълен текст:

Къде да търся:

навсякъде
само в заглавието
само в текст

Изход:

описание
думи в текста
само заглавката

Начало > Резюме > Комуникации и комуникации

Оптоелектронни устройства

Основните характеристики на светодиодите във видимия диапазон

Основни характеристики на диодите, излъчващи инфрачервена светлина

Оптоелектронни устройства в широк смисъл

Списък на използваните източници

Оптоелектронни устройства

Работата на оптоелектронните устройства се основава на електронно-фотонни процеси на приемане, предаване и съхраняване на информация.

Най-простото оптоелектронно устройство е оптоелектронна двойка или оптрон. Принципът на работа на оптрона, състоящ се от източник на излъчване, среда за потапяне (оптично влакно) и фотодетектор, се основава на преобразуването на електрически сигнал в оптичен и след това обратно в електрически.

Оптроните като функционални устройства имат следните предимства пред конвенционалните радиоелементи:

пълна галванична изолация "вход - изход" (изолационното съпротивление надвишава 10 12 - 10 14 ома);

абсолютна устойчивост на шум в канала за предаване на информация (носителите на информация са електрически неутрални частици - фотони);

еднопосочен поток от информация, който е свързан с характеристиките на разпространението на светлината;

широколентов достъп поради високата честота на оптичните вибрации,

достатъчна скорост (единици наносекунди);

високо напрежение на пробив (десетки киловолта);

ниско ниво на шум;

добра механична якост.

Според изпълняваните функции оптронът може да се сравни с трансформатор (съединителен елемент) с реле (ключ).

В оптроните се използват полупроводникови източници на излъчване - светодиоди, изработени от материали на съединения от групата НО III б V , сред които най-обещаващи са фосфидът и галиевият арсенид. Спектърът на тяхното излъчване е в областта на видимата и близката инфрачервена радиация (0,5 - 0,98 микрона). Светодиодите на основата на галиев фосфид имат червено и зелено сияние. Обещаващи са светодиодите от силициев карбид, които имат жълт блясък и работят при повишени температури, влажност и в агресивна среда.

Светодиодите, които излъчват светлина във видимия диапазон на спектъра, се използват в електронни часовници и микрокалкулатори.

Светодиодите се характеризират със спектрален състав на радиация, който е доста широк, радиационен модел; квантова ефективност, определяща се от отношението на броя на излъчените светлинни кванти към броя на тези, които са преминали през стр-н-преход на електрони; мощност (с невидимо излъчване) и яркост (с видимо излъчване); волт-ампер, лумен-ампер и ват-ампер характеристики; скорост (увеличаване и намаляване на електролуминесценцията по време на импулсно възбуждане), диапазон на работната температура. Когато работната температура се повиши, яркостта на светодиода намалява и мощността на излъчване намалява.

Основните характеристики на светодиодите във видимия диапазон са дадени в табл. 1, а инфрачервеният обхват - в табл. 2.

маса 1 Основните характеристики на светодиодите във видимия диапазон

Тип диод	Яркост, cd / m 2, или интензитет на светлината, mkcd		Цвят на блясък	Прав ток, mA
KL101 A - B AL102 A - G AL307 A - G	10 - 20 cd / m 2 40 - 250 mcd 150 - 1500 mcd		Червено зелено Червено зелено

Светодиодите в оптоелектронните устройства са свързани към фотодетектори чрез потапяща среда, основното изискване за която е предаването на сигнала с минимални загуби и изкривявания. Оптоелектронните устройства използват твърди среди за потапяне - полимерни органични съединения (оптични лепила и лакове), халкогенидни среди и оптични влакна. В зависимост от дължината на оптичния канал между излъчвателя и фотодетектора, оптоелектронните устройства могат да бъдат разделени на оптрони (дължина на канала 100 - 300 микрона), оптоизолатори (до 1 m) и оптични комуникационни линии - FOCL (нагоре до десетки километри).

Таблица 2. Основни характеристики на диодите, излъчващи инфрачервена светлина

Тип диод	Обща мощност на излъчване, mW	DC право напрежение, V	Дължина на вълната на радиация, µm	Време на нарастване на радиационния импулс, ns	Време на затихване на радиационния импулс, ns
AL106 A - D	0,6 - 1 (при 50 mA) 0,2 - 1,5 (при 100 mA) 6 - 10 (при 100 mA) 1,5 (при 100 mA) 0,2 (при 20 mA) 10 (при ток 50 mA)

Фотодетекторите, използвани в оптрони, са обект на изисквания за съвпадение на спектралните характеристики с излъчвателя, минимални загуби при преобразуване на светлинен сигнал в електрически, фоточувствителност, скорост, размер на фоточувствителна зона, надеждност и ниво на шум.

За оптроните най-обещаващи са фотодетекторите с вътрешен фотоелектричен ефект, когато взаимодействието на фотони с електрони вътре в материали с определени физични свойства води до електронни преходи в по-голямата част от кристалната решетка на тези материали.

Вътрешният фотоефект се проявява по два начина: в промяна на съпротивлението на фотодетектора под действието на светлината (фоторезистори) или в поява на фотоедс на границата между два материала - полупроводник-полупроводник, метал-полупроводник. (вентилни фотоклетки, фотодиоди, фототранзистори).

Фотодетекторите с вътрешен фотоелектричен ефект се разделят на фотодиоди (с стр-н-възел, MIS структура, бариера на Шотки), фоторезистори, фотодетектори с вътрешно усилване (фототранзистори, композитни фототранзистори, фототиристори, полеви фототранзистори).

Фотодиодите са направени на базата на силиций и германий. Максималната спектрална чувствителност на силиция е 0,8 µm, а на германия – до 1,8 µm. Те работят с включено обратно отклонение стр-н-преход, който позволява да се повиши тяхната скорост, стабилност и линейност на характеристиките.

Най-често фотодиодите се използват като фотодетектори на оптоелектронни устройства с различна сложност. стр- аз-н-структури където азе изчерпаната област на силното електрическо поле. Чрез промяна на дебелината на тази област е възможно да се получат добри характеристики по отношение на скорост и чувствителност поради ниския капацитет и времето на полет на носителите.

Лавинните фотодиоди, които използват усилване на фототока при умножаване на носители на заряд, имат повишена чувствителност и скорост. Тези фотодиоди обаче не са достатъчно стабилни в температурния диапазон и изискват захранване с високо напрежение. Фотодиодите с бариера на Шотки и с MIS структура са обещаващи за използване в определени диапазони на дължини на вълните.

Фоторезисторите се произвеждат главно от поликристални полупроводникови филми на базата на съединение (кадмий със сяра и селен). Максималната спектрална чувствителност на фоторезисторите е 0,5 - 0,7 µm. Фоторезисторите обикновено се използват при слаба светлина; по отношение на чувствителността те са сравними с фотоумножителите - устройства с външен фотоефект, но изискват захранване с ниско напрежение. Недостатъците на фоторезисторите са ниска скорост и високо ниво на шум.

Най-разпространените фотодетектори с вътрешно усилване са фототранзисторите и фототиристорите. Фототранзисторите са по-чувствителни от фотодиодите, но по-бавни. За повишаване на чувствителността на фотодетектора се използва композитен фототранзистор, който е комбинация от фото и усилвателни транзистори, но е с ниска скорост.

В оптроните фототиристор (полупроводниково устройство с три стр- н- преходи, превключване при осветяване), който има висока чувствителност и ниво на изходния сигнал, но недостатъчна скорост.

Разнообразието от видове оптрони се определя главно от свойствата и характеристиките на фотодетекторите. Едно от основните приложения на оптроните е ефективната галванична изолация на предаватели и приемници на цифрови и аналогови сигнали. В този случай оптронът може да се използва в режим на конвертор или превключвател на сигнали. Оптронът се характеризира с приемлив входен сигнал (управляващ ток), коефициент на пренос на ток, скорост (време на превключване) и капацитет на натоварване.

Съотношението на коефициента на пренос на ток към времето на превключване се нарича качествен фактор на оптрона и е 10 5 - 10 6 за фотодиодни и фототранзисторни оптрони. Широко се използват оптрони, базирани на фототиристори. Оптроните, базирани на фоторезистори, не се използват широко поради ниската времева и температурна стабилност. Диаграмите на някои оптрони са показани на фиг. четири, a - Mr.

Като източници на кохерентно излъчване се използват лазери, които имат висока стабилност, добри енергийни характеристики и ефективност. В оптоелектрониката за проектиране на компактни устройства се използват полупроводникови лазери - лазерни диоди, използвани например във влакнесто-оптични комуникационни линии вместо традиционните линии за предаване на информация - кабелни и жични. Те имат висока честотна лента (широчина на честотната лента от гигахерц), устойчивост на електромагнитни смущения, ниско тегло и размери, пълна електрическа изолация от входа до изхода, експлозивна и пожаробезопасност. Характеристика на FOCL е използването на специален оптичен кабел, чиято структура е показана на фиг. 5. Промишлените проби от такива кабели имат затихване от 1 - 3 dB / km и по-ниско. Оптичните комуникационни линии се използват за изграждане на телефонни и компютърни мрежи, системи за кабелна телевизия с високо качество на предаваното изображение. Тези линии позволяват едновременно предаване на десетки хиляди телефонни разговори и няколко телевизионни програми.

Напоследък интензивно се развиват и навлизат оптични интегрални схеми (OICs), всички елементи на които се формират чрез отлагане на необходимите материали върху субстрат.

Обещаващи в оптоелектрониката са устройствата на базата на течни кристали, които се използват широко като индикатори в електронни часовници. Течните кристали са органична материя(течност) със свойствата на кристал и са в преходно състояние между кристалната фаза и течността.

Индикаторите с течни кристали имат висока разделителна способност, сравнително евтини, консумират ниска мощност и работят при високи нива на осветеност.

Течните кристали със свойства, подобни на монокристалите (нематици) се използват най-често в светлинни индикатори и устройства с оптична памет.Разработени са и широко използвани течни кристали, които променят цвета си при нагряване (холестерици).Други видове течни кристали (смектици) са използва се за термооптичен запис на информация.

Оптоелектронните устройства, разработени сравнително наскоро, се използват широко в различни области на науката и технологиите поради техните уникални свойства. Много от тях нямат аналози във вакуумната и полупроводниковата техника. Все още обаче има много нерешени проблеми, свързани с разработването на нови материали, подобряването на електрическите и експлоатационните характеристики на тези устройства и разработването на технологични методи за тяхното производство.

Оптоелектронно полупроводниково устройство - полупроводниково устройство, чиято работа се основава на използване на явления на излъчване, предаване или поглъщане във видимата, инфрачервената или ултравиолетовата област на спектъра.

Оптоелектронните устройства в широк смисъл са устройства , използващи оптично лъчение за своята работа: генериране, откриване, преобразуване и предаване на информационен сигнал. По правило тези устройства включват един или друг набор от оптоелектронни елементи. От своя страна самите устройства могат да бъдат разделени на типични и специални, като за типични се считат тези, които се произвеждат масово за широка употреба в различни индустрии, а специалните устройства се произвеждат, като се вземат предвид спецификите на определена индустрия - в нашия случай, печат.

Цялото разнообразие от оптоелектронни елементи е разделено на следните продуктови групи: източници и приемници на радиация, индикатори, елементи на оптика и светлинни водачи, както и оптични носители, които ви позволяват да създавате контроли, да показвате и съхранявате информация. Известно е, че всяка систематизация не може да бъде изчерпателна, но, както правилно отбеляза нашият сънародник Дмитрий Иванович Менделеев (1834-1907), който през 1869 г. открива периодичния закон на химичните елементи, науката започва там, където се появява броенето, т.е. оценка, сравнение, класификация, идентифициране на модели, дефиниране на критерии, Общи черти. Като се има предвид това, преди да се премине към описанието на конкретни елементи, е необходимо да се даде поне в общи линии отличителна характеристика на оптоелектронните продукти.

Както бе споменато по-горе, основната отличителна черта на оптоелектрониката е връзката с информацията. Например, ако лазерно лъчение се използва в някаква инсталация за закаляване на стоманени валове, тогава едва ли е разумно да се припише тази инсталация на оптоелектронни устройства (въпреки че самият източник на лазерно лъчение има право на това).

Беше отбелязано също, че оптоелектрониката обикновено включва твърдотелни елементи (Московският институт за енергетика публикува учебник по курса "Оптоелектроника", наречен "Устройства и устройства на полупроводниковата оптоелектроника"). Но това правило не е много строго, тъй като отделни публикации по оптоелектроника обсъждат подробно работата на фотоумножители и електронно-лъчеви тръби (те принадлежат към типа електровакуумни устройства), газови лазери и други устройства, които не са в твърдо състояние. В печатарската индустрия обаче тези устройства се използват широко заедно с твърдотелни (включително полупроводникови), решавайки подобни проблеми, следователно в този случай те имат пълното право да бъдат разгледани.

Струва си да се споменат още три отличителни черти, които според известния специалист в областта на оптоелектрониката Юрий Романович Носов го характеризират като научно-техническо направление.

Физическата основа на оптоелектрониката се състои от явления, методи и средства, за които комбинацията и непрекъснатостта на оптични и електронни процеси са фундаментални. В широк смисъл, оптоелектронно устройство се дефинира като устройство, което е чувствително към електромагнитно излъчване във видимата, инфрачервената (IR) или ултравиолетовата (UV) област, или устройство, което излъчва и преобразува некохерентно или кохерентно лъчение в същия спектър региони.

Техническата основа на оптоелектрониката се определя от конструктивните и технологични концепции на съвременната микроелектроника: миниатюризация на елементите; преференциално развитие на твърди планарни структури; интеграция на елементи и функции.

Функционалната цел на оптоелектрониката е да решава проблемите на компютърните науки: генериране (формиране) на информация чрез преобразуване на различни външни въздействия в съответните електрически и оптични сигнали; трансфер на информация; обработка (преобразуване) на информация по зададен алгоритъм; съхранение на информация, включително процеси като запис, действително съхранение, безразрушително четене, изтриване; информационен дисплей, т.е. трансформиране на изходните сигнали на информационната система до възприемаема от човека форма.

Списък на използваните източници

http://www.hi-edu.ru/e-books/xbook138/01/index.html?part-004.htm

http://www.hi-edu.ru/e-books/xbook138/01/index.html?part-003.htm

http://revolution.allbest.ru/radio/00049966_0.html

http://revolution.allbest.ru/radio/00049842.html

ФЕДЕРАЛНА АГЕНЦИЯ ЗА ОБРАЗОВАНИЕ

Държавна образователна институция за висше професионално образование

ТЮМЕНСКИ ДЪРЖАВЕН УНИВЕРСИТЕТ ЗА НЕФТ И ГАЗ

ТРАНСПОРТЕН ИНСТИТУТ

абстрактно

на тема "Оптоелектронни устройства."

Завършено:

OBD групи - 08

Чекардин

Проверено:

Сидорова А.Е.

Министерство на образованието на Република Беларус

образователна институция

„Беларуски държавен университет

информатика и радиоелектроника”

Отдел ЕДС

"Основи на оптоелектрониката. Класификация оптоелектронни устройства"

МИНСК, 2008 г

Оптоелектрониката е важна независима област от функционалната електроника и микроелектрониката. Оптоелектронно устройство е устройство, в което при обработка на информация електрическите сигнали се преобразуват в оптични сигнали и обратно.

Съществена характеристика на оптоелектронните устройства е, че елементите в тях са оптично свързани, но електрически изолирани един от друг.

Това улеснява съпоставянето на високоволтови и нисковолтови вериги, както и високочестотни и нискочестотни вериги. В допълнение, други предимства са присъщи на оптоелектронните устройства: възможността за пространствена модулация на светлинните лъчи, която в комбинация с промените във времето дава три степени на свобода (две в чисто електронни схеми); възможността за значително разклоняване и пресичане на светлинни лъчи при липса на галванична връзка между каналите; голямо функционално натоварване на светлинните лъчи поради възможността за промяна на много от техните параметри (амплитуда, посока, честота, фаза, поляризация).

Оптоелектрониката обхваща две основни независими области – оптична и електронно-оптична. Оптичната посока се основава на ефектите от взаимодействието на твърдо тяло с електромагнитно излъчване. Разчита на холография, фотохимия, електрооптика и други явления. Оптичната посока понякога се нарича лазерна посока.

Електронно-оптичното направление използва принципа на фотоелектричното преобразуване, реализирано в твърдо тяло чрез вътрешен фотоелектричен ефект, от една страна, и електролуминесценция, от друга. Тази посока се основава на замяната на галванични и магнитни връзки в традиционните електронни схеми с оптични. Това ви позволява да увеличите плътността на информацията в комуникационния канал, неговата скорост, устойчивост на шум.

Фиг. 1. Оптрон с вътрешни (а) и външни (б) фотонни връзки: 1, 6 – източници на светлина; 2 - светлинен водач; 3, 4 - светлинни приемници; 5 - усилвател.

Основният елемент на оптоелектрониката е оптронът. Има оптрони с вътрешно (фиг. 1, а) и външно (фиг. 1, б) фотонно свързване. Най-простият оптрон е четиритерминална мрежа (фиг. 1, а), състояща се от три елемента: фотоизлъчвател 1, светлинен проводник 2 и светлинен приемник 3, затворени в запечатан светлонепроницаем корпус. Когато на входа се подаде електрически сигнал под формата на импулс или спад на входния ток, се възбужда фотоемитер. Светлинният поток през световода постъпва във фотодетектора, на изхода на който се образува електрически импулс или спад на изходния ток. Този тип оптрон представлява усилвател на електрически сигнали, при който вътрешното свързване е фотонно, а външното е електрическо.

Друг вид оптрон - с електрическо свързване и фотонен външни отношения(Фиг.1, б) - е усилвател на светлинни сигнали, както и преобразувател на сигнали от една честота в сигнали от друга честота, например сигнали от инфрачервено лъчение в сигнали от видимия спектър. Светлинният приемник 4 преобразува входния светлинен сигнал в електрически. Последният се усилва от усилвател 5 и възбужда светлинен източник 6.

В момента са разработени голям брой оптоелектронни устройства за различни цели. В микроелектрониката по правило се използват само онези оптоелектронни функционални елементи, за които има възможност за интегриране, както и съвместимостта на технологията на тяхното производство с технологията на производство на съответните интегрални схеми.

Фотоизлъчватели. Оптоелектронните източници на светлина са предмет на изисквания като миниатюризация, ниска консумация на енергия, висока ефективности надеждност, дълъг експлоатационен живот, технологичност. Те трябва да имат висока скорост, да позволяват възможност за производство под формата на интегрирани устройства.

Най-широко използваните електролуминесцентни източници са инжекционните светодиоди, при които излъчването на светлина се определя от механизма на междулентова рекомбинация на електрони и дупки. Ако през p-n прехода (в посока напред) се прекара достатъчно голям инжекционен ток, тогава част от електроните от валентната зона ще отидат в зоната на проводимост (фиг. 2). В горната част на валентната зона се образуват свободни състояния (дупки), а в долната част на зоната на проводимост се образува запълване на състоянието (електрони на проводимостта).

Такава обратна популация не е равновесна и води до хаотично излъчване на фотони по време на обратни електронни преходи. Некохерентното сияние, възникващо в този случай в pn прехода, е електролуминесценция.

Фиг.2. Да се ​​обясни принципът на работа на инжекционния светодиод.

Фотон, излъчен по време на луминисцентен преход от запълнената част на проводящата лента към свободната част на валентната лента, предизвиква индуцираното излъчване на идентичен фотон, което кара друг електрон да скочи във валентната лента. Въпреки това, фотон със същата енергия (от ∆E=E2-E1 до ∆E=2δE) не може да бъде погълнат, тъй като долното състояние е свободно (в него няма електрони), а горното вече е запълнено. Това означава, че p-n преходът е прозрачен за фотони с тази енергия, т.е. за съответната честота. Обратно, фотони с енергия, по-голяма от ∆E+2δE, могат да бъдат абсорбирани, прехвърляйки електрони от валентната зона към зоната на проводимост. В същото време за такива енергии индуцираното излъчване на фотони е невъзможно, тъй като горното начално състояние не е запълнено, докато долното състояние е запълнено. По този начин е възможно стимулирано излъчване в тесен диапазон около честотата, съответстваща на енергията на забранената зона ∆Е със спектрална ширина δE.

Най-добрите материали за светодиоди са галиев арсенид, галиев фосфид, силициев фосфид, силициев карбид и др. Светодиодите имат висока скорост (около 0,5 µs), но консумират голям ток (около 30 A/cm2). Напоследък са разработени светодиоди на основата на галиев арсенид - алуминий, чиято мощност варира от фракции до няколко миливата при постоянен ток от десетки милиампери.К. p.d. на светодиодите не надвишава 1 - 3%.

Обещаващи източници на светлина са инжекционните лазери, които позволяват да се концентрират високи енергии в тесен спектрален участък с висока ефективност и висока скорост (десетки пикосекунди). Тези лазери могат да бъдат направени под формата на матрици на единичен основен чип, като се използва същата технология като интегралните схеми. Недостатъкът на простите инжекционни лазери е, че те имат приемлива производителност само когато се използва охлаждане до много ниски температури. При нормална температуралазерът с галиев арсенид има малък средна мощност, ниска ефективност (около 1%), ниска стабилност и експлоатационен живот. По-нататъшното усъвършенстване на инжекционния лазер чрез създаване на кръстовище на сложна структура с помощта на хетеропреход (хетеропреход - границата между слоеве с еднакви видове електрическа проводимост, но с различни пропуски в лентата) направи възможно получаването на светлинен източник с малък размер, работещ при нормална температура с КПД 10 - 20 % и приемливи характеристики.

Фотодетектори. За преобразуване на светлинни сигнали в електрически се използват фотодиоди, фототранзистори, фоторезистори, фототиристори и други устройства.

Фотодиодът е обратно предубеден p-n преход, обратен токчието насищане се определя от броя на носителите на заряд, генерирани в него от действието на падаща светлина (фиг. 3). Параметрите на фотодиода се изразяват чрез стойностите на тока, протичащ в неговата верига. Чувствителността на фотодиода, която обикновено се нарича интегрална, се определя като отношението на фототока към този, който го е причинил. светлинен поток Fυ. Прагът на чувствителност на фотодиодите се оценява от известните стойности на интегралната (токова) чувствителност и тъмния ток Id, т.е. ток, протичащ във веригата при липса на облъчване на чувствителния слой.

Основните материали за фотодиодите са германий и силиций. Силициевите фотодиоди обикновено са чувствителни в тясна област на спектъра (от λ = 0,6 - 0,8 μm до λ = 1,1 μm) с максимум при λ = 0,85 μm, а германиевите фотодиоди имат граници на чувствителност λ = 0,4 - 1,8 μm с максимум при λ ≈ 1,5 µm. В режим на фотодиод със захранващо напрежение 20 V тъмният ток на силициевите фотодиоди обикновено не надвишава 3 μA, докато този на германия; фотодиоди при захранващо напрежение 10 V, то достига 15-20 μA.

Фиг.3. Схема и ток-напрежение на фотодиода.

Фиг.4. Схема и ток-напрежение на фототранзистора.

Фототранзисторите са приемници на лъчиста енергия с два или повече pn прехода, които имат свойството да усилват фототока при облъчване на чувствителния слой. Фототранзисторът съчетава свойствата на фотодиод и усилващите свойства на транзистора (фиг. 4). Наличието на оптични и електрически входове във фототранзистора в същото време позволява да се създаде необходимото отклонение за работа в линейния участък на енергийната характеристика, както и да се компенсира външни влияния. За да се открият малки сигнали, напрежението, взето от фототранзистора, трябва да бъде усилено. В този случай увеличете изходното съпротивление променлив токс минимален тъмен ток в колекторната верига, създавайки положително отклонение в основата.

Световоди. Между източника и приемника на светлина в оптрона има световод. За да се намалят загубите от отражение от интерфейса между светодиода и проводящата среда (оптично влакно), последното трябва да има висок индекс на пречупване. Такива медии се наричат ​​потапяне. Материалът за потапяне трябва също така да има добра адхезия към материалите на източника и приемника, да осигурява достатъчно съответствие по отношение на коефициентите на разширение, да бъде прозрачен в работната зона и т.н. Най-обещаващи са оловните стъкла с коефициент на пречупване 1,8-1,9 и селеновите стъкла с коефициент на пречупване 2,4-2,6. Фигура 5 показва напречно сечение на твърдотелен оптрон с потапящ се световод.

Тънки нишки от стъкло или прозрачна пластмаса се използват като светлинни проводници в оптоелектрониката. Тази посока се нарича оптика. Влакната са покрити със светлоизолационни материали и свързани в многожилни светлинни кабели. Те изпълняват същата функция по отношение на светлината, както металните проводници по отношение на тока. С помощта на оптични влакна е възможно: да се извърши поелементно предаване на изображение с разделителна способност, определена от диаметъра на оптичното влакно (около 1 микрон); за създаване на пространствени трансформации на изображението поради възможността за огъване и усукване на влакната на светлинния водач; предаване на изображения на големи разстояния и др. Фигура 6 показва светлинен водач под формата на кабел от светлопроводими влакна.

интегрирана оптика. Една от обещаващите области на функционалната микроелектроника е интегрираната оптика, която осигурява създаването на свръхефективни системи за предаване и обработка на оптична информация. Областта на изследване в интегрираната оптика включва разпространението, преобразуването и усилването на електромагнитно излъчване в оптичния диапазон в диелектрични тънкослойни вълноводи и оптични влакна. Основният елемент на интегрираната оптика е обемен или повърхностен оптичен микровълнов водач. Най-простият симетричен обемен оптичен микровълнововод е област, локализирана в едно или две пространствени измерения с индекс на пречупване, по-голям от този на околната оптична среда. Такава оптически по-плътна област е нещо различно от канал или носещ слой на диелектричен вълновод.

Фиг.5. Разрез на твърдотелен оптрон с имерсионен световод: 1 – планарна дифузия; 2 - селеново стъкло; 3 – омични контакти; 4 - дифузионна мезаструктура; 5 – източник на светлина; 6 - светлинен приемник.

Фиг.6. Световод под формата на кабел от светлопроводими влакна: 1 - източник на светлина; 2 - светлинен приемник; 3 - светлинен кабел.

Пример за асиметричен повърхностен диелектричен вълновод е тънък филм от оптично прозрачен диелектрик или полупроводник с индекс на пречупване, по-голям от този на оптично прозрачния субстрат. Степента на локализация на електромагнитното поле, както и съотношението на енергийните потоци, пренесени по протежение на носещия слой и субстрата, се определят от ефективния напречен размер на носещия слой и разликата между индексите на пречупване на носещия слой и субстрат при дадена честота на излъчване. Сравнително прост и най-подходящ за твърдотелни оптични устройства е микровълнов водач с оптична лента, направен под формата на тънък диелектричен филм (фиг. 7), нанесен върху субстрат чрез микроелектронни методи (например чрез вакуумно отлагане). Използвайки маска, цели оптични вериги могат да бъдат приложени към диелектричен субстрат с висока степен на точност. Използването на електронно-лъчева литография осигури успех при създаването както на единични оптични лентови вълноводи, така и на оптично свързани на определена дължина, и впоследствие на дивергентни вълноводи, което е от съществено значение за създаването на насочени съединители и честотно-селективни филтри в интегрирани оптични системи .

Фиг. 7. Микровълнов водач с оптична лента с правоъгълник напречно сечение: 1 - субстрат; 2 - диелектричен филм.

Оптоелектронни микросхеми. На базата на оптоелектрониката са разработени голям брой микросхеми. Помислете за някои оптоелектронни микросхеми, произведени от местната индустрия. В микроелектрониката най-широко се използват оптоелектронни микросхеми с галванична изолация. Те включват високоскоростни превключватели, аналогови сигнални превключватели, превключватели и аналогови оптоелектронни устройства за използване в системи за функционална обработка на аналогови сигнали.

Основният елемент на всяка оптоелектронна микросхема е оптронна двойка (фиг. 8, a, b), състояща се от източник на светлина 1, управляван от входен сигнал, среда за потапяне 2, оптично свързана към източника на светлина, и фотодетектор 3. Параметрите на оптронната двойка са разделителното съпротивление постоянен ток, коефициент на пренос на ток (съотношение на фототока на приемника към тока на емитера), време на превключване и пропускателен капацитет.

На базата на оптоелектронни двойки се създават оптоелектронни микросхеми за различни цели.

Фиг.8. Схема и технологично изпълнение на оптрона:

1 - източник на светлина; 2 - среда за потапяне; 3 - фотодетектор.

ЛИТЕРАТУРА

1. Петров К.С. Радиоматериали, радиокомпоненти и електроника: Урокза университети. - Санкт Петербург: Питър, 2003. - 512 с.

2. Опадчи Ю.Ф. и др. Аналогова и цифрова електроника: Учебник за университети / Ю.Ф. Опадчи, О.П. Глудкин, А.И. Гюров; Под. изд. О.П. Глудкин. М.: Гореща линия- Телеком, 2002. - 768 с.

3. Акимов Н.Н. и др. Резистори, кондензатори, трансформатори, дросели, превключващи устройства за REA: Наръчник / N.N. Акимов, Е.П. Вашчуков, В.А. Прохоренко, Ю.П. Ходоренок. Минск: Беларус, 2005. - 591 с.