Les optocoupleurs (optocoupleurs) sont de tels dispositifs à semi-conducteurs dans lesquels se trouvent une source et un récepteur de rayonnement (émetteur de lumière et photodétecteur) avec l'un ou l'autre type de connexion optique entre eux.

Le principe de fonctionnement des optocoupleurs de tout type est basé sur ce qui suit. Dans l'émetteur, l'énergie du signal électrique est convertie en lumière, et dans le photodétecteur, au contraire, le signal lumineux provoque une réponse électrique (signal). Dans la pratique, seuls se sont généralisés les optocoupleurs qui ont une connexion optique directe de l'émetteur au photodétecteur et, en règle générale, tous les types de connexion électrique entre ces éléments sont exclus.La présence d'une connexion optique assure une isolation électrique entre l'entrée (émetteur) et sortie (photodétecteur).

Ainsi, dans un circuit électronique, un tel dispositif remplit la fonction d'un élément de couplage, dans lequel est réalisée en même temps une isolation électrique (galvanique) de l'entrée et de la sortie.

L'utilisation des dispositifs optoélectroniques est assez diverse: pour la communication d'unités d'équipement, entre lesquelles il existe une différence de potentiel importante; pour protéger les circuits d'entrée des appareils de mesure contre les interférences et les interférences, contrôle optique sans contact des circuits à courant fort et à haute tension (relais à semi-conducteurs), déclenchement de thyristors puissants, triacs, contrôle des dispositifs à relais électromécaniques.

La création d'optocoupleurs "longs" (dispositifs avec un guide de lumière à fibre optique flexible étendu comme canal optique) a ouvert une toute nouvelle direction pour l'utilisation des produits optocoupleurs - la communication sur de longues distances via la fibre optique.

Les dispositifs optoélectroniques sont également utilisés dans les circuits de modulation purement radiotechniques, le contrôle automatique du gain, etc. L'influence du canal optique est utilisée ici pour amener le circuit dans le mode de fonctionnement optimal, pour le changement de mode sans contact, etc.

Les désignations graphiques conventionnelles des principaux types d'optocoupleurs sont illustrées à la Fig. 15.1.

15.1 Classification des dispositifs optoélectroniques

Les dispositifs optoélectroniques sont classés selon les critères suivants.

Type d'émetteur utilisé les optocoupleurs sont divisés en :

avec un émetteur sur des ampoules à incandescence miniatures. Les optocoupleurs sur de tels émetteurs sont inertiels et ne sont actuellement pratiquement pas utilisés, bien qu'ils soient utilisés dans des optocoupleurs à résistance.

avec un émetteur sur des ampoules au néon, qui utilisent la lueur d'une décharge électrique d'un mélange gazeux néon-argon. Ces types d'émetteurs se caractérisent par un faible rendement lumineux, une faible résistance aux contraintes mécaniques, une durabilité limitée, de grandes dimensions et une incompatibilité totale avec la technologie intégrée. Cependant, dans certains types d'optocoupleurs, ils peuvent être utilisés.

avec un émetteur sur des cellules électroluminescentes Les cellules électroluminescentes ont une faible efficacité de conversion de l'énergie électrique en lumière, une faible durabilité (en particulier celles à couche mince) et sont difficiles à contrôler (par exemple, le mode optimal pour les luminophores en poudre est d'environ 220 V à f = 400 ... 800Hz). Le principal avantage de ces émetteurs est leur compatibilité structurelle et technologique avec les photorésistances, la possibilité de créer des structures d'optocoupleurs multifonctionnelles et multiéléments sur cette base. Leur utilisation est actuellement limitée.

avec un émetteur sur diodes électroluminescentes et diodes laser. Le principal type d'émetteur le plus polyvalent utilisé dans les optocoupleurs est une diode électroluminescente à injection de semi-conducteur - LED. Cela est dû à ses avantages suivants : valeur élevée du rendement de conversion de l'énergie électrique en énergie optique ; spectre d'émission étroit (quasi-monochromaticité); étendue de la gamme spectrale couverte par différentes LED ; directivité du rayonnement ; haute vitesse; faibles valeurs des tensions et courants d'alimentation; compatibilité avec les transistors et les circuits intégrés ; facilité de modulation de la puissance de rayonnement en modifiant le courant direct ; la capacité de travailler à la fois en mode pulsé et continu; linéarité des caractéristiques watt-ampère dans une gamme plus ou moins large de courants d'entrée ; haute fiabilité et durabilité; petites dimensions; compatibilité technologique avec les produits microélectroniques.

Selon le type de photodétecteur utilisé les optocoupleurs sont divisés en :

Les optocoupleurs à base de photorésistances, dont les propriétés changent sous illumination selon une loi complexe donnée, ce qui permet de modéliser des fonctions mathématiques, et constitue une étape vers la création d'optoélectronique fonctionnelle. Cependant, les optocoupleurs photorésistifs sont inertiels.

Optocoupleurs basés sur des photodiodes;

optocoupleurs à base de phototransistors ;

Optocoupleurs à base de photothyristors.

Les trois derniers sont les photodétecteurs les plus polyvalents fonctionnant avec une jonction p-n ouverte. Dans l'écrasante majorité des cas, ils sont réalisés à base de silicium, et la région de leur sensibilité spectrale maximale est proche de λ = 0,7...0,9 μm.

Par type de canal optique utilisé les optocoupleurs sont divisés en :

Optocoupleurs à canal optique ouvert. Dans de tels optocoupleurs, l'émetteur et le photodétecteur sont séparés par un entrefer. Ils sont largement utilisés pour déterminer le nombre de tours des arbres rotatifs, synchroniser le mouvement des systèmes mécaniques, tels que les capteurs de position, etc. Les optocoupleurs à canal ouvert sont quant à eux divisés en optocoupleurs fonctionnant en réflexion et en transmission.

Optocoupleurs à canal optique fermé. En eux, le canal optique est protégé de toute influence extérieure. Ces optocoupleurs sont utilisés pour l'isolation galvanique de l'entrée et de la sortie circuits électriques. Si des dispositifs de puissance puissants (thyristors, triacs, MOSFET) sont utilisés comme circuit de sortie, ces optocoupleurs sont appelés relais à semi-conducteurs. De tels relais sont actuellement une alternative aux relais électromagnétiques et leur technologie est en constante amélioration.

Optocoupleurs à canal optique "étendu". Dans de tels optocoupleurs, l'émetteur et le photodétecteur peuvent être situés à une distance considérable. Dans ceux-ci, le canal optique reliant l'émetteur et le photodétecteur peut être un guide de lumière à fibre. De tels dispositifs optoélectroniques sont largement utilisés pour transmettre des informations dans les réseaux informatiques locaux.

Selon la gamme spectrale du canal optique les optocoupleurs sont divisés en :

Optocoupleurs dans le domaine visible avec une longueur d'onde de rayonnement optique de 0,4 à 0,75 microns.

Optocoupleurs dans le proche infrarouge avec une longueur d'onde de rayonnement optique de 0,8 à 1,2 microns. Ce type de rayonnement est particulièrement efficace pour les dispositifs optoélectroniques à canal ouvert.

Sur une base constructive et technologique les optocoupleurs sont divisés en :

Opocoupleurs (optocoupleurs élémentaires), qui contiennent un émetteur et un photodétecteur élémentaire. Selon le type de photodétecteur utilisé, ils peuvent être résistifs, à diode, à transistor, à thyristor, etc.

Circuits intégrés optoélectroniques (optocoupleurs), qui, en plus de l'optocoupleur élémentaire, contiennent des dispositifs électroniques supplémentaires: amplificateurs, comparateurs, circuits logiques, etc. Dans de tels circuits intégrés, les entrées et les sorties sont isolées galvaniquement.

Types spéciaux d'optocoupleurs : optocoupleurs différentiels, qui contiennent plusieurs émetteurs et photodétecteurs ; capteurs optoélectroniques de présence, de fumée, de position, etc.

Les dispositifs optoélectroniques (OED) sont des instruments de mesure dotés d'un type de dispositif de lecture fondamentalement nouveau basé sur l'utilisation de divers effets optoélectroniques et offrant une perception analogique du résultat de la mesure par une personne.

Le principe de fonctionnement de l'OED consiste en l'effet direct ou indirect de la valeur mesurée sur une substance indicatrice spéciale placée le long de l'échelle ou combinée avec elle, dans laquelle un certain effet physico-chimique se produit, ce qui permet de juger de la valeur de la valeur mesurée en modifiant les caractéristiques électro-optiques, magnéto-optiques, électrothermiques-optiques, électrochimiques-optiques ou électromécaniques-optiques . Les lectures sont prises en fonction de la manifestation visuelle de l'effet. Le changement le plus utilisé propriétés optiques substances (couleur, brillance, transparence). La valeur de la valeur mesurée est également jugée par le changement de la position géométrique du paramètre optique, par exemple, mais par le mouvement de la colonne lumineuse. Les OED modernes sont construits principalement sur des effets électro-optiques avec émission de lumière électrique et cathodoluminescente, ainsi que décharge de gaz. Les effets sans émission lumineuse sont prometteurs, dans lesquels l'état optique d'une substance change sous l'action d'un champ électrique (coefficients d'absorption, de réflexion, de diffusion, de réfraction ou de composition spectrale de la lumière). Les plus intéressants dans ce groupe d'effets sont les effets dans les cristaux liquides. À l'heure actuelle, la production industrielle de matériaux et d'éléments basés sur ces effets (diodes électroluminescentes, luminophores en poudre, cellules chimiotroniques, etc.) avec des paramètres électrophysiques s'est établie, ce qui permet de créer sur leur base des OED avec des paramètres métrologiques suffisamment élevés. les caractéristiques.

Sur la fig. 2.41. un schéma de principe simplifié est représenté expliquant les principes de fonctionnement d'un dispositif optoélectronique avec un dispositif de lecture UO, composé de l'échelle O, graduée en unités de la valeur mesurée X, et un pointeur optoélectrique À.

Riz. 2.41. Schéma fonctionnel simplifié de l'OED

Lors de l'application de la valeur mesurée Xà l'entrée du transducteur de mesure P avec une sensibilité a Y ¢, dans ce dernier un signal électrique est formé Oui= a Y ¢X, qui assure un fonctionnement fiable du dispositif agissant VZU. Comme P utiliser des amplificateurs de normalisation, des convertisseurs d'impédance, des convertisseurs de capacité, des convertisseurs fonctionnels, etc. VZU générer un signal de commande Z du type nécessaire à l'excitation dans la substance indicatrice IV effet optoélectronique visuel. Le plus souvent Z permet la création de champs électriques, magnétiques et thermiques.

En général, la dépendance Z de Oui non linéaire et peut être représenté comme suit : Z= a Z ¢Y m , où m est le coefficient déterminé par le type d'effet optoélectronique (pour la plupart des effets électro-optiques m = 1) ; et z ¢ -sensibilité VZU.

De la Fig.2.41. en tenant compte des transformations notées, on obtient

, (2.61)

où un Y = 1/ un Y¢, un z= un z ¢ – coefficients de transformation.

Paramètre optique IV est un pointeur À, dont la position par rapport à l'échelle O déterminer l'indication XP, correspondant à la valeur de la grandeur mesurée X.

Selon la méthode de mouvement et le principe de formation du pointeur, on distingue les dispositifs optoélectroniques avec dispositifs de lecture analogiques et analogiques discrets. Sur la fig. 2.42. représentée différents types et formes de référence pour OEP moderne.

Sources de rayonnement optique utilisées dans l'optoélectronique, d'une manière générale, sont très diverses. Cependant, la plupart d'entre eux (lampes à incandescence et à décharge subminiatures, émetteurs électroluminescents à poudre et à film, cathodoluminophore sous vide et de nombreux autres types) ne répondent pas à la totalité des exigences modernes et ne sont utilisés que dans des dispositifs individuels, principalement dans des dispositifs indicateurs et en partie dans optocoupleurs.

Lors de l'évaluation des perspectives d'une source particulière, l'état global de la substance lumineuse active (ou de la substance qui remplit le volume de travail) joue un rôle décisif. De toutes les options possibles (sous vide, gaz, liquide, solide), la préférence est donnée à une substance solide, et "à l'intérieur" de celle-ci - une monocristalline, comme offrant la plus grande durabilité et fiabilité des appareils.

La base de l'optoélectronique est formée par deux groupes d'émetteurs :

1) les générateurs optiques de rayonnement cohérent (lasers), parmi lesquels il convient de distinguer les lasers à semi-conducteurs ;

1) des diodes semi-conductrices électroluminescentes basées sur le principe de l'électroluminescence à injection spontanée.

Un dispositif semi-conducteur optoélectronique est un dispositif semi-conducteur quiémettre ou convertir un rayonnement électromagnétique, sensible à ce rayonnement dans les domaines visible, infrarouge et (ou) ultraviolet du spectre, ou utiliser un tel rayonnement pour l'interaction interne de ses éléments.

Les dispositifs semi-conducteurs optoélectroniques peuvent être divisés en émetteurs semi-conducteurs, récepteurs de rayonnement, optocoupleurs et circuits intégrés optoélectroniques (Fig. 2.1).

Un émetteur semi-conducteur est un dispositif semi-conducteur optoélectronique qui convertit énergie électrique dans l'énergie du rayonnement électromagnétique dans les régions visible, infrarouge et ultraviolette du spectre.

De nombreux émetteurs à semi-conducteurs ne peuvent émettre que des ondes électromagnétiques incohérentes. Il s'agit notamment des émetteurs à semi-conducteurs de la région visible du spectre - dispositifs d'affichage d'informations à semi-conducteurs (diodes électroluminescentes, indicateurs de signes à semi-conducteurs, échelles et écrans), ainsi que des émetteurs à semi-conducteurs de la région infrarouge du spectre - diodes émettrices infrarouges.

Emetteurs semi-conducteurs cohérents sont des lasers à semi-conducteur divers typeséveil. Ils peuvent émettre des ondes électromagnétiques avec une certaine amplitude, fréquence, phase, sens de propagation et polarisation, ce qui correspond au concept de cohérence.

Un récepteur de rayonnement à semi-conducteur est un dispositif semi-conducteur optoélectronique qui est sensible au rayonnement électromagnétique dans la région visible, infrarouge et (ou) ultraviolette.zvspectre ou convertit l'énergie du rayonnement électromagnétique directement en énergie électrique.

Les récepteurs de rayonnement à semi-conducteur comprennent les photorésistances, les photodiodes, les cellules photoélectriques, les phototransistors et les photothyristors.

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Dispositifs optoélectroniques

Les principales caractéristiques des diodes électroluminescentes dans le visible

Principales caractéristiques des diodes électroluminescentes infrarouges

Dispositifs optoélectroniques au sens large

Liste des sources utilisées

Dispositifs optoélectroniques

Le travail des dispositifs optoélectroniques est basé sur des processus électron-photon de réception, de transmission et de stockage d'informations.

Le dispositif optoélectronique le plus simple est une paire optoélectronique, ou optocoupleur. Le principe de fonctionnement d'un optocoupleur, composé d'une source de rayonnement, d'un milieu d'immersion (fibre optique) et d'un photodétecteur, est basé sur la conversion d'un signal électrique en un signal optique, puis de nouveau en un signal électrique.

Les optocoupleurs en tant que dispositifs fonctionnels présentent les avantages suivants par rapport aux éléments radio conventionnels :

isolation galvanique complète "entrée - sortie" (la résistance d'isolement dépasse 10 12 - 10 14 ohms);

immunité absolue au bruit dans le canal de transmission d'informations (les supports d'informations sont des particules électriquement neutres - photons);

flux d'informations unidirectionnel, associé aux caractéristiques de propagation de la lumière;

haut débit en raison de la fréquence élevée des vibrations optiques,

vitesse suffisante (unités de nanosecondes);

tension de claquage élevée (dizaines de kilovolts);

faible niveau de bruit ;

bonne résistance mécanique.

Selon les fonctions exercées, un optocoupleur peut être comparé à un transformateur (élément de couplage) avec un relais (clé).

Dans les optocoupleurs, des sources de rayonnement à semi-conducteurs sont utilisées - des diodes électroluminescentes fabriquées à partir de matériaux de composés du groupe MAIS III B V , parmi lesquels les plus prometteurs sont le phosphure et l'arséniure de gallium. Le spectre de leur rayonnement se situe dans la région du rayonnement visible et proche infrarouge (0,5 - 0,98 microns). Les diodes électroluminescentes à base de phosphure de gallium ont une lueur rouge et verte. Les LED au carbure de silicium sont prometteuses, ayant une lueur jaune et fonctionnant à des températures élevées, à l'humidité et dans des environnements agressifs.

Les LED qui émettent de la lumière dans la gamme visible du spectre sont utilisées dans les montres électroniques et les microcalculatrices.

Les diodes électroluminescentes se caractérisent par une composition spectrale de rayonnement assez large, un diagramme de rayonnement ; efficacité quantique, déterminée par le rapport entre le nombre de quanta de lumière émis et le nombre de ceux qui sont passés à travers p-n-transition des électrons ; puissance (avec rayonnement invisible) et luminosité (avec rayonnement visible); caractéristiques volt-ampère, lumen-ampère et watt-ampère ; vitesse (augmentation et diminution de l'électroluminescence lors d'une excitation pulsée), plage de température de fonctionnement. Lorsque la température de fonctionnement augmente, la luminosité de la LED diminue et la puissance de rayonnement diminue.

Les principales caractéristiques des diodes électroluminescentes dans le domaine visible sont données dans le tableau. 1, et la plage infrarouge - dans le tableau. 2.

Tableau 1 Les principales caractéristiques des diodes électroluminescentes dans le visible

Type de diode	Luminosité, cd/m 2, ou intensité lumineuse, mkcd		Couleur éclatante	Courant direct direct, mA
KL101 A - B AL102 A - G AL307 A - G	10 - 20 cd/m2 40 - 250 mcd 150 - 1500 mcd		Rouge, Vert Rouge, Vert

Les diodes électroluminescentes dans les dispositifs optoélectroniques sont connectées aux photodétecteurs par un milieu d'immersion, dont la principale exigence est la transmission du signal avec des pertes et des distorsions minimales. Les dispositifs optoélectroniques utilisent des milieux d'immersion solides - des composés organiques polymères (adhésifs et vernis optiques), des milieux chalcogénures et des fibres optiques. Selon la longueur du canal optique entre l'émetteur et le photodétecteur, les dispositifs optoélectroniques peuvent être divisés en optocoupleurs (longueur de canal 100 - 300 microns), opto-isolateurs (jusqu'à 1 m) et lignes de communication à fibre optique - FOCL (jusqu'à à des dizaines de kilomètres).

Tableau 2. Principales caractéristiques des diodes électroluminescentes infrarouges

Type de diode	Puissance de rayonnement totale, mW	Tension continue continue, V	Longueur d'onde de rayonnement, µm	Temps de montée de l'impulsion de rayonnement, ns	Temps de décroissance de l'impulsion de rayonnement, ns
AL106 A - D	0,6 - 1 (à 50 mA) 0,2 - 1,5 (à 100 mA) 6 - 10 (à 100 mA) 1,5 (à 100 mA) 0,2 (à 20 mA) 10 (au courant 50 mA)

Les photodétecteurs utilisés dans les optocoupleurs sont soumis à des exigences d'adaptation des caractéristiques spectrales avec l'émetteur, des pertes minimales lors de la conversion d'un signal lumineux en signal électrique, de la photosensibilité, de la vitesse, de la taille d'une zone photosensible, de la fiabilité et du niveau de bruit.

Pour les optocoupleurs, les photodétecteurs à effet photoélectrique interne sont les plus prometteurs, lorsque l'interaction des photons avec des électrons à l'intérieur de matériaux ayant certaines propriétés physiques conduit à des transitions d'électrons dans la masse du réseau cristallin de ces matériaux.

L'effet photoélectrique interne se manifeste de deux manières : par une modification de la résistance du photodétecteur sous l'action de la lumière (photorésistances) ou par l'apparition d'une photo-emf à l'interface entre deux matériaux - semi-conducteur-semi-conducteur, métal-semi-conducteur (photocellules vannes, photodiodes, phototransistors).

Les photodétecteurs à effet photoélectrique interne sont divisés en photodiodes (avec p-n-jonction, structure MIS, barrière Schottky), photorésistances, photodétecteurs à amplification interne (phototransistors, phototransistors composites, photothyristors, phototransistors de champ).

Les photodiodes sont fabriquées à base de silicium et de germanium. La sensibilité spectrale maximale du silicium est de 0,8 µm et celle du germanium jusqu'à 1,8 µm. Ils travaillent avec un biais inverse sur p-n-transition, qui permet d'augmenter leur vitesse, stabilité et linéarité des caractéristiques.

Le plus souvent, les photodiodes sont utilisées comme photodétecteurs de dispositifs optoélectroniques de complexité variable. p- je-n-structures où je est la région appauvrie du champ électrique élevé. En faisant varier l'épaisseur de cette région, il est possible d'obtenir de bonnes caractéristiques en termes de vitesse et de sensibilité dues à la faible capacité et au temps de vol des porteurs.

Les photodiodes à avalanche, qui utilisent l'amplification du photocourant lors de la multiplication des porteurs de charge, ont une sensibilité et une vitesse accrues. Cependant, ces photodiodes ne sont pas suffisamment stables dans la gamme de température et nécessitent des alimentations à haute tension. Les photodiodes à barrière Schottky et à structure MIS sont prometteuses pour une utilisation dans certaines gammes de longueurs d'onde.

Les photorésistances sont constituées principalement de films semi-conducteurs polycristallins à base d'un composé (cadmium avec soufre et sélénium). La sensibilité spectrale maximale des photorésistances est de 0,5 à 0,7 µm. Les photorésistances sont généralement utilisées en basse lumière ; en termes de sensibilité, ils sont comparables aux photomultiplicateurs - des appareils à effet photoélectrique externe, mais nécessitent une alimentation basse tension. Les inconvénients des photorésistances sont la faible vitesse et le niveau de bruit élevé.

Les photodétecteurs à amplification interne les plus courants sont les phototransistors et les photothyristors. Les phototransistors sont plus sensibles que les photodiodes, mais plus lents. Pour augmenter la sensibilité du photodétecteur, un phototransistor composite est utilisé, qui est une combinaison de transistors photo et amplificateurs, mais il a une faible vitesse.

Dans les optocoupleurs, un photothyristor (un dispositif semi-conducteur à trois p- n-transitions, commutation lorsqu'il est allumé), qui a une sensibilité et un niveau de signal de sortie élevés, mais une vitesse insuffisante.

La variété des types d'optocoupleurs est principalement déterminée par les propriétés et les caractéristiques des photodétecteurs. L'une des principales applications des optocoupleurs est l'isolation galvanique efficace des émetteurs et récepteurs de signaux numériques et signaux analogiques. Dans ce cas, l'optocoupleur peut être utilisé en mode convertisseur ou aiguilleur de signal. L'optocoupleur se caractérise par un signal d'entrée (courant de commande), un rapport de transfert de courant, une vitesse (temps de commutation) et une capacité de charge acceptables.

Le rapport du coefficient de transfert de courant au temps de commutation est appelé facteur de qualité de l'optocoupleur et est de 10 5 - 10 6 pour les optocoupleurs à photodiode et phototransistor. Les optocoupleurs à base de photothyristors sont largement utilisés. Les optocoupleurs basés sur des photorésistances ne sont pas largement utilisés en raison de leur faible stabilité dans le temps et en température. Les schémas de certains optocoupleurs sont illustrés à la fig. quatre, a- M.

En tant que sources de rayonnement cohérentes, des lasers sont utilisés, qui ont une stabilité élevée, de bonnes caractéristiques énergétiques et une efficacité. En optoélectronique, pour la conception de dispositifs compacts, des lasers à semi-conducteurs sont utilisés - des diodes laser, utilisées, par exemple, dans les lignes de communication à fibre optique au lieu des lignes de transmission d'informations traditionnelles - câble et fil. Ils ont une bande passante élevée (bande passante d'un gigahertz), une résistance aux interférences électromagnétiques, un faible poids et dimensions, une isolation électrique complète de l'entrée à la sortie, une sécurité contre les explosions et les incendies. Une caractéristique de FOCL est l'utilisation d'un câble à fibre optique spécial, dont la structure est illustrée à la Fig. 5. Les échantillons industriels de tels câbles ont une atténuation de 1 à 3 dB / km et moins. Les lignes de communication à fibre optique sont utilisées pour construire des réseaux téléphoniques et informatiques, des systèmes de télévision par câble avec une haute qualité de l'image transmise. Ces lignes permettent la transmission simultanée de dizaines de milliers de conversations téléphoniques et de plusieurs programmes télévisés.

Récemment, les circuits intégrés optiques (OIC) ont été développés de manière intensive et se sont répandus, dont tous les éléments sont formés par dépôt des matériaux nécessaires sur un substrat.

Les dispositifs à base de cristaux liquides, largement utilisés comme indicateurs dans les montres électroniques, sont prometteurs en optoélectronique. Les cristaux liquides sont matière organique(liquide) avec les propriétés d'un cristal et sont dans un état de transition entre la phase cristalline et le liquide.

Les indicateurs à cristaux liquides ont une résolution élevée, sont relativement bon marché, consomment peu d'énergie et fonctionnent à des niveaux d'éclairage élevés.

Les cristaux liquides avec des propriétés similaires aux monocristaux (nématiques) sont le plus souvent utilisés dans les indicateurs lumineux et les dispositifs de mémoire optique. Des cristaux liquides qui changent de couleur lorsqu'ils sont chauffés (cholestériques) ont été développés et sont largement utilisés. D'autres types de cristaux liquides (smectiques) sont utilisé pour l'enregistrement thermo-optique d'informations.

Les dispositifs optoélectroniques, développés relativement récemment, sont largement utilisés dans divers domaines scientifiques et technologiques en raison de leurs propriétés uniques. Beaucoup d'entre eux n'ont pas d'analogues dans la technologie du vide et des semi-conducteurs. Cependant, il reste encore de nombreux problèmes non résolus liés au développement de nouveaux matériaux, à l'amélioration des caractéristiques électriques et opérationnelles de ces dispositifs et au développement de méthodes technologiques pour leur fabrication.

Dispositif semi-conducteur optoélectronique - un dispositif semi-conducteur dont le fonctionnement est basé sur l'utilisation de phénomènes de rayonnement, de transmission ou d'absorption dans les domaines visible, infrarouge ou ultraviolet du spectre.

Les dispositifs optoélectroniques au sens large sont des dispositifs , utiliser le rayonnement optique pour leur travail : générer, détecter, convertir et transmettre un signal d'information. En règle générale, ces dispositifs comprennent l'un ou l'autre ensemble d'éléments optoélectroniques. À leur tour, les appareils eux-mêmes peuvent être divisés en appareils typiques et spéciaux, en considérant comme typiques ceux qui sont produits en série pour une large utilisation dans diverses industries, et des appareils spéciaux sont produits en tenant compte des spécificités d'une industrie particulière - dans notre cas, impression.

Toute la variété des éléments optoélectroniques est divisée dans les groupes de produits suivants : sources et récepteurs de rayonnement, indicateurs, éléments optiques et guides de lumière, ainsi que des supports optiques qui vous permettent de créer des commandes, d'afficher et de stocker des informations. On sait que toute systématisation ne peut être exhaustive, mais, comme l'a noté à juste titre notre compatriote Dmitri Ivanovitch Mendeleev (1834-1907), qui a découvert la loi périodique des éléments chimiques en 1869, la science commence là où apparaît le comptage, c'est-à-dire évaluation, comparaison, classification, identification de modèles, définition de critères, caractéristiques communes. Compte tenu de cela, avant de procéder à la description d'éléments spécifiques, il est nécessaire de donner au moins en termes généraux une caractéristique distinctive des produits optoélectroniques.

Comme mentionné ci-dessus, la principale caractéristique distinctive de l'optoélectronique est la connexion avec l'information. Par exemple, si le rayonnement laser est utilisé dans une installation pour durcir des arbres en acier, il n'est guère raisonnable d'attribuer cette installation à des dispositifs optoélectroniques (bien que la source de rayonnement laser elle-même ait le droit de le faire).

Il a également été noté que l'optoélectronique comprend généralement des éléments à semi-conducteurs (l'Institut d'ingénierie électrique de Moscou a publié un manuel sur le cours "Optoélectronique" intitulé "Dispositifs et dispositifs d'optoélectronique à semi-conducteurs"). Mais cette règle n'est pas très stricte, car des publications individuelles sur l'optoélectronique traitent en détail du fonctionnement des photomultiplicateurs et des tubes à rayons cathodiques (ils appartiennent au type de dispositifs à électrovide), des lasers à gaz et d'autres dispositifs qui ne sont pas à l'état solide. Cependant, dans l'industrie de l'impression, ces dispositifs sont largement utilisés avec ceux à semi-conducteurs (y compris les semi-conducteurs), résolvant des problèmes similaires, par conséquent, dans ce cas, ils ont tout à fait le droit d'être pris en compte.

Il convient de mentionner trois autres caractéristiques distinctives qui, selon le spécialiste bien connu dans le domaine de l'optoélectronique, Yuri Romanovich Nosov, la caractérisent comme une direction scientifique et technique.

La base physique de l'optoélectronique est constituée de phénomènes, de méthodes et de moyens pour lesquels la combinaison et la continuité des processus optiques et électroniques sont fondamentales. Au sens large, un dispositif optoélectronique est défini comme un dispositif sensible aux rayonnements électromagnétiques dans les domaines du visible, de l'infrarouge (IR) ou de l'ultraviolet (UV), ou un dispositif qui émet et convertit un rayonnement incohérent ou cohérent dans le même domaine spectral. Régions.

La base technique de l'optoélectronique est déterminée par les concepts constructifs et technologiques de la microélectronique moderne : miniaturisation des éléments ; développement préférentiel de structures planes solides; intégration d'éléments et de fonctions.

Le but fonctionnel de l'optoélectronique est de résoudre des problèmes informatiques : génération (formation) d'informations en convertissant diverses influences externes en signaux électriques et optiques correspondants ; transfert d'informations; traitement (transformation) d'informations selon un algorithme donné ; stockage d'informations, y compris processus tels que l'enregistrement, le stockage proprement dit, la lecture non destructive, l'effacement; affichage d'informations, c'est-à-dire transformation des signaux de sortie du système d'information en une forme perceptible par l'homme.

Liste des sources utilisées

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

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

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

AGENCE FÉDÉRALE POUR L'ÉDUCATION

Etablissement public d'enseignement supérieur professionnel

UNIVERSITÉ DU PÉTROLE ET DU GAZ D'ÉTAT DE TYUMEN

INSTITUT DES TRANSPORTS

abstrait

sur le thème "Dispositifs optoélectroniques".

Complété:

Groupes OBD - 08

Checkardin

Vérifié:

Sidorova A.E.

Ministère de l'éducation de la République du Bélarus

établissement d'enseignement

"Université d'État de Biélorussie

informatique et radioélectronique »

Département d'EVS

"Bases de l'optoélectronique. Classification dispositifs optoélectroniques"

MINSK, 2008

L'optoélectronique est un domaine indépendant important de l'électronique fonctionnelle et de la microélectronique. Un dispositif optoélectronique est un dispositif dans lequel, lors du traitement d'informations, des signaux électriques sont convertis en signaux optiques et inversement.

Une caractéristique essentielle des dispositifs optoélectroniques est que les éléments qu'ils contiennent sont optiquement couplés, mais électriquement isolés les uns des autres.

Cela facilite l'adaptation des circuits haute tension et basse tension, ainsi que des circuits haute fréquence et basse fréquence. De plus, d'autres avantages sont inhérents aux dispositifs optoélectroniques : la possibilité de modulation spatiale des faisceaux lumineux, qui, en combinaison avec les changements dans le temps, donne trois degrés de liberté (deux dans les circuits purement électroniques) ; la possibilité de ramification et d'intersection importantes des faisceaux lumineux en l'absence de liaison galvanique entre les canaux ; grande charge fonctionnelle des faisceaux lumineux en raison de la possibilité de modifier nombre de leurs paramètres (amplitude, direction, fréquence, phase, polarisation).

L'optoélectronique couvre deux principaux domaines indépendants - optique et électronique-optique. La direction optique est basée sur les effets de l'interaction d'un corps solide avec un rayonnement électromagnétique. Il repose sur l'holographie, la photochimie, l'électro-optique et d'autres phénomènes. La direction optique est parfois appelée direction laser.

La direction électron-optique utilise le principe de la conversion photoélectrique, mise en oeuvre dans un corps solide par effet photoélectrique interne, d'une part, et l'électroluminescence, d'autre part. Cette direction est basée sur le remplacement des connexions galvaniques et magnétiques dans les circuits électroniques traditionnels par des connexions optiques. Cela vous permet d'augmenter la densité d'informations dans le canal de communication, sa vitesse, son immunité au bruit.

Fig. 1. Optocoupleur à couplages photoniques interne (a) et externe (b) : 1, 6 – sources lumineuses ; 2 - guide de lumière; 3, 4 - récepteurs de lumière ; 5 - amplificateur.

L'élément principal de l'optoélectronique est l'optocoupleur. Il existe des optocoupleurs à couplage photonique interne (Fig. 1, a) et externe (Fig. 1, b). L'optocoupleur le plus simple est un réseau à quatre bornes (Fig. 1, a), composé de trois éléments: un photo-émetteur 1, un guide de lumière 2 et un récepteur de lumière 3, enfermés dans un boîtier étanche à la lumière. Lorsqu'un signal électrique est appliqué à l'entrée sous la forme d'une impulsion ou d'une chute du courant d'entrée, un photoémetteur est excité. Le flux lumineux à travers le guide de lumière pénètre dans le photodétecteur, à la sortie duquel se forme une impulsion électrique ou une chute du courant de sortie. Ce type d'optocoupleur est un amplificateur de signaux électriques, dans lequel le couplage interne est photonique et les externes sont électriques.

Un autre type d'optocoupleur - avec intercouplage électrique et photonique relations extérieures(Fig.1, b) - est un amplificateur de signaux lumineux, ainsi qu'un convertisseur de signaux d'une fréquence en signaux d'une autre fréquence, par exemple, des signaux de rayonnement infrarouge en signaux du spectre visible. Le récepteur de lumière 4 convertit le signal lumineux d'entrée en signal électrique. Ce dernier est amplifié par l'amplificateur 5 et excite la source lumineuse 6.

À l'heure actuelle, un grand nombre de dispositifs optoélectroniques à diverses fins ont été développés. En microélectronique, en règle générale, seuls sont utilisés les éléments fonctionnels optoélectroniques pour lesquels il existe une possibilité d'intégration, ainsi que la compatibilité de leur technologie de fabrication avec la technologie de fabrication des circuits intégrés correspondants.

Photoémetteurs. Les sources lumineuses optoélectroniques sont soumises à des exigences telles que la miniaturisation, la faible consommation d'énergie, haute efficacité et fiabilité, longue durée de vie, fabricabilité. Ils doivent avoir une vitesse élevée, permettre la possibilité de fabrication sous forme de dispositifs intégrés.

Les sources électroluminescentes les plus utilisées sont les LED à injection, dans lesquelles l'émission lumineuse est déterminée par le mécanisme de recombinaison interbande des électrons et des trous. Si un courant d'injection suffisamment important traverse la jonction pn (dans le sens direct), une partie des électrons de la bande de valence ira dans la bande de conduction (Fig. 2). Dans la partie supérieure de la bande de valence, des états libres (trous) se forment et dans la partie inférieure de la bande de conduction, un remplissage de l'état (électrons de conduction) se forme.

Une telle population inverse n'est pas à l'équilibre et conduit à une émission chaotique de photons lors des transitions électroniques inverses. La lueur incohérente apparaissant dans ce cas dans la jonction pn est l'électroluminescence.

Fig.2. Expliquer le principe de fonctionnement de la LED d'injection.

Un photon émis lors d'une transition luminescente de la partie pleine de la bande de conduction vers la partie libre de la bande de valence provoque l'émission induite d'un photon identique, faisant sauter un autre électron dans la bande de valence. Cependant, un photon de même énergie (de ∆E=E2-E1 à ∆E=2δE) ne peut pas être absorbé, car l'état inférieur est libre (il n'y a pas d'électrons dedans), et l'état supérieur est déjà rempli. Cela signifie que la jonction p-n est transparente pour les photons de cette énergie, c'est-à-dire pour la fréquence correspondante. Inversement, des photons d'énergies supérieures à ∆E+2δE peuvent être absorbés, transférant des électrons de la bande de valence vers la bande de conduction. En même temps, pour de telles énergies, l'émission induite de photons est impossible, puisque l'état initial supérieur n'est pas rempli, tandis que l'état inférieur est rempli. Ainsi, l'émission stimulée est possible dans une plage étroite autour de la fréquence correspondant à l'énergie de la bande interdite ∆Е avec la largeur spectrale δE.

Les meilleurs matériaux pour les LED sont l'arséniure de gallium, le phosphure de gallium, le phosphure de silicium, le carbure de silicium, etc. Les LED ont une vitesse élevée (environ 0,5 μs), mais consomment un courant élevé (environ 30 A/cm2). Récemment, des LED à base d'arséniure de gallium - aluminium ont été développées, dont la puissance varie de quelques fractions à plusieurs milliwatts à un courant continu de dizaines de milliampères.K. p.d. des LED ne dépasse pas 1 - 3%.

Les sources lumineuses prometteuses sont les lasers à injection, qui permettent de concentrer de hautes énergies dans une région spectrale étroite avec un rendement élevé et une vitesse élevée (dizaines de picosecondes). Ces lasers peuvent être réalisés sous forme de matrices sur une seule puce de base en utilisant la même technologie que les circuits intégrés. L'inconvénient des lasers à injection simple est qu'ils n'ont des performances acceptables que lorsqu'un refroidissement à très basse température est utilisé. À température normale laser à l'arséniure de gallium a un petit puissance moyenne, faible efficacité (environ 1%), faible stabilité et durée de vie. Une amélioration supplémentaire du laser à injection en créant une jonction d'une structure complexe à l'aide d'hétérojonctions (hétérojonction - la frontière entre des couches avec les mêmes types de conductivité électrique, mais avec des bandes interdites différentes) a permis d'obtenir une source lumineuse de petite taille fonctionnant à température normale avec un rendement de 10 à 20 % et des caractéristiques acceptables.

Photodétecteurs. Pour convertir les signaux lumineux en signaux électriques, des photodiodes, des phototransistors, des photorésistances, des photothyristors et d'autres dispositifs sont utilisés.

La photodiode est une jonction p-n polarisée en inverse, courant inverse dont la saturation est déterminée par le nombre de porteurs de charge générés en elle par l'action de la lumière incidente (Fig. 3). Les paramètres d'une photodiode sont exprimés en termes de valeurs du courant circulant dans son circuit. La sensibilité de la photodiode, communément appelée intégrale, est définie comme le rapport du photocourant à celui qui l'a provoqué. flux lumineux Fυ. Le seuil de sensibilité des photodiodes est estimé à partir des valeurs connues de la sensibilité intégrale (courant) et du courant d'obscurité Id, c'est-à-dire courant circulant dans le circuit en l'absence d'irradiation de la couche sensible.

Les principaux matériaux des photodiodes sont le germanium et le silicium. Les photodiodes au silicium sont généralement sensibles dans une région étroite du spectre (de λ = 0,6 - 0,8 μm à λ = 1,1 μm) avec un maximum à λ = 0,85 μm, et les photodiodes au germanium ont des limites de sensibilité λ = 0,4 - 1,8 µm avec un maximum à λ ≈ 1,5 µm. En mode photodiode avec une tension d'alimentation de 20 V, le courant d'obscurité des photodiodes au silicium ne dépasse généralement pas 3 µA, alors que celui du germanium ; photodiodes à une tension d'alimentation de 10 V, il atteint 15-20 μA.

Fig.3. Schéma et caractéristiques courant-tension de la photodiode.

Fig.4. Schéma et caractéristiques courant-tension du phototransistor.

Les phototransistors sont des récepteurs d'énergie rayonnante à deux jonctions pn ou plus, qui ont la propriété d'amplifier le photocourant lorsque la couche sensible est irradiée. Un phototransistor combine les propriétés d'une photodiode et les propriétés amplificatrices d'un transistor (Fig. 4). La présence d'entrées optiques et électriques dans le phototransistor en même temps permet de créer la polarisation nécessaire au fonctionnement dans la section linéaire de la caractéristique d'énergie, ainsi que de compenser influences externes. Pour détecter de petits signaux, la tension prélevée sur le phototransistor doit être amplifiée. Dans ce cas, augmentez la résistance de sortie courant alternatif avec un courant d'obscurité minimal dans le circuit du collecteur, créant une polarisation positive à la base.

Guides de lumière. Entre la source et le récepteur de lumière dans l'optocoupleur se trouve un guide de lumière. Pour réduire les pertes par réflexion de l'interface entre la LED et le milieu conducteur (fibre optique), ce dernier doit avoir un indice de réfraction élevé. Ces médias sont appelés immersion. Le matériau d'immersion doit également avoir une bonne adhérence aux matériaux source et récepteur, fournir une correspondance suffisante en termes de coefficients de dilatation, être transparent dans la zone de travail, etc. Les plus prometteurs sont les verres au plomb avec un indice de réfraction de 1,8-1,9 et les verres au sélénium avec un indice de réfraction de 2,4-2,6. La figure 5 montre une coupe transversale d'un optocoupleur à semi-conducteurs avec un guide de lumière à immersion.

De fins filaments de verre ou de plastique transparent sont utilisés comme guides de lumière en optoélectronique. Cette direction est appelée fibre optique. Les fibres sont recouvertes de matériaux isolants de la lumière et connectées dans des câbles légers multiconducteurs. Ils remplissent la même fonction vis-à-vis de la lumière que les fils métalliques vis-à-vis du courant. A l'aide de la fibre optique, il est possible : d'effectuer une transmission élément par élément d'une image avec une résolution déterminée par le diamètre de la fibre optique (environ 1 micron) ; produire des transformations spatiales de l'image dues à la possibilité de courber et de tordre les fibres du guide de lumière ; transmettre des images sur de longues distances, etc. La figure 6 montre un guide de lumière sous la forme d'un câble de fibres conductrices de lumière.

optique intégrée. L'un des domaines prometteurs de la microélectronique fonctionnelle est l'optique intégrée, qui assure la création de systèmes super-efficaces pour la transmission et le traitement de l'information optique. Le domaine de recherche en optique intégrée comprend la propagation, la conversion et l'amplification du rayonnement électromagnétique dans le domaine optique dans les guides d'ondes diélectriques à couches minces et les fibres optiques. L'élément principal de l'optique intégrée est un guide hyperfréquence optique en volume ou en surface. Le guide micro-ondes optique volumétrique symétrique le plus simple est une région localisée dans une ou deux dimensions spatiales avec un indice de réfraction supérieur à celui du milieu optique environnant. Une telle région optiquement plus dense est autre chose qu'un canal ou une couche porteuse d'un guide d'onde diélectrique.

Fig.5. Coupe d'un optocoupleur à l'état solide avec un guide de lumière à immersion : 1 – diffusion planaire ; 2 - verre de sélénium; 3 – contacts ohmiques ; 4 - mésastructure de diffusion ; 5 – source lumineuse ; 6 - récepteur de lumière.

Fig.6. Guide de lumière sous la forme d'un câble de fibres conductrices de lumière : 1 - source lumineuse ; 2 - récepteur de lumière ; 3 - câble de lumière.

Un exemple d'un guide d'ondes diélectrique à surface asymétrique est un film mince d'un diélectrique ou d'un semi-conducteur optiquement transparent avec un indice de réfraction supérieur à celui du substrat optiquement transparent. Le degré de localisation du champ électromagnétique, ainsi que le rapport des flux d'énergie transférés le long de la couche porteuse et du substrat, sont déterminés par la taille transversale effective de la couche porteuse et la différence entre les indices de réfraction de la couche porteuse et du substrat à une fréquence de rayonnement donnée. Un guide micro-ondes à bande optique relativement simple et le plus adapté aux dispositifs optiques à semi-conducteurs, réalisé sous la forme d'un film diélectrique mince (Fig. 7), déposé sur un substrat par des méthodes microélectroniques (par exemple, par dépôt sous vide). En utilisant un masque, des circuits optiques entiers peuvent être appliqués sur un substrat diélectrique avec un haut degré de précision. L'utilisation de la lithographie par faisceau d'électrons a assuré le succès dans la création de guides d'ondes à bande optique unique et optiquement couplés sur une certaine longueur, puis de guides d'ondes divergents, ce qui est essentiel pour la création de coupleurs directionnels et de filtres sélectifs en fréquence dans les systèmes d'optique intégrée. .

Fig 7. Guide micro-ondes à bande optique avec un rectangle la Coupe transversale: 1 - substrat ; 2 - film diélectrique.

Microcircuits optoélectroniques. Un grand nombre de microcircuits ont été développés sur la base de l'optoélectronique. Considérons certains microcircuits optoélectroniques produits par la branche de production nationale. En microélectronique, les microcircuits optoélectroniques à isolation galvanique sont les plus largement utilisés. Ceux-ci comprennent des commutateurs à grande vitesse, des commutateurs de signaux analogiques, des commutateurs et des dispositifs optoélectroniques analogiques destinés à être utilisés dans des systèmes de traitement fonctionnel de signaux analogiques.

L'élément principal de tout microcircuit optoélectronique est une paire d'optocoupleurs (Fig. 8, a, b), constituée d'une source lumineuse 1 contrôlée par un signal d'entrée, d'un milieu d'immersion 2 optiquement couplé à la source lumineuse et d'un photodétecteur 3. Le les paramètres de la paire d'optocoupleurs sont la résistance de découplage le long courant continu, rapport de transfert de courant (rapport entre le photocourant du récepteur et le courant de l'émetteur), le temps de commutation et la capacité.

Sur la base de paires optoélectroniques, des microcircuits optoélectroniques à diverses fins sont créés.

Fig.8. Schéma et mise en œuvre technologique de l'optocoupleur :

1 - source lumineuse; 2 - milieu d'immersion ; 3 - photodétecteur.

LITTÉRATURE

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