I fotoaccoppiatori (fotoaccoppiatori) sono dispositivi a semiconduttore che contengono una sorgente e un ricevitore di radiazioni (emettitore di luce e fotorilevatore) con uno o un altro tipo di connessione ottica tra di loro.

Il principio di funzionamento dei fotoaccoppiatori di qualsiasi tipo si basa su quanto segue. Nell'emettitore l'energia del segnale elettrico viene convertita in luce e nel fotorilevatore, al contrario, il segnale luminoso provoca una risposta elettrica (segnale). In pratica, si sono diffusi solo gli optoaccoppiatori, che hanno una connessione ottica diretta dall'emettitore al fotorilevatore e, di norma, sono esclusi tutti i tipi di comunicazione elettrica tra questi elementi. La presenza della comunicazione ottica fornisce l'isolamento elettrico tra l'ingresso (. emettitore) e l'uscita (fotorivelatore).

Pertanto, in un circuito elettronico, tale dispositivo svolge la funzione di un elemento di comunicazione, in cui, allo stesso tempo, viene effettuato l'isolamento elettrico (galvanico) dell'ingresso e dell'uscita.

L'uso dei dispositivi optoelettronici è piuttosto vario: per collegare apparecchiature tra le quali esiste una significativa differenza di potenziale; per proteggere i circuiti di ingresso dei dispositivi di misurazione da interferenze e interferenze, controllo ottico e senza contatto di circuiti ad alta corrente e alta tensione (relè a stato solido), lancio di potenti tiristori, triac, controllo di dispositivi a relè elettromeccanici.

La creazione di fotoaccoppiatori "lunghi" (dispositivi con una guida luminosa in fibra ottica flessibile estesa come canale ottico) ha aperto una direzione completamente nuova per l'uso dei prodotti fotoaccoppiatori: la comunicazione a distanza tramite fibra ottica.

I dispositivi optoelettronici vengono utilizzati anche in circuiti di modulazione puramente radiotecnici, controllo automatico del guadagno, ecc. L'impatto lungo il canale ottico viene utilizzato qui per portare il circuito alla modalità operativa ottimale, per la regolazione della modalità senza contatto, ecc.

I simboli grafici dei principali tipi di optoaccoppiatori sono mostrati in Fig. 15.1.

15.1 Classificazione dei dispositivi optoelettronici

I dispositivi optoelettronici sono classificati secondo i seguenti criteri.

Per tipo di emettitore utilizzato Gli optoaccoppiatori si dividono in:

con un emettitore basato su lampadine a incandescenza in miniatura.

con un emettitore basato su lampadine al neon che sfruttano il bagliore di una scarica elettrica miscela di gas neon-argon. Queste tipologie di emettitori sono caratterizzati da bassa resa luminosa, bassa resistenza alle sollecitazioni meccaniche, durata limitata, grandi dimensioni e completa incompatibilità con la tecnologia integrata. Tuttavia, possono trovare applicazione in alcuni tipi di accoppiatori ottici.

con un emettitore basato su celle elettroluminescenti Le celle elettroluminescenti hanno una bassa efficienza nel convertire l'energia elettrica in luce, una bassa durata (soprattutto quelle a film sottile) e sono difficili da controllare (ad esempio, la modalità ottimale per i fosfori in polvere è ~220 V a). f = 400...800 Hz). Il vantaggio principale di questi emettitori è il loro design e la compatibilità tecnologica con i fotoresistori e la possibilità di creare strutture optoaccoppiatrici multifunzionali e multielemento su questa base. Attualmente hanno un utilizzo limitato.

con un emettitore basato su LED e diodi laser. Il principale tipo più universale di emettitore utilizzato negli accoppiatori ottici è un diodo emettitore di luce a iniezione di semiconduttore: il LED. Ciò è dovuto ai seguenti vantaggi: alta efficienza di conversione dell'energia elettrica in energia ottica;

spettro di emissione ristretto (quasi monocromatico); Gli optoaccoppiatori si dividono in:

ampiezza della gamma spettrale coperta dai vari LED;

direzione della radiazione; alte prestazioni; bassi valori di tensioni e correnti di alimentazione; compatibile con transistor e circuiti integrati;

facilità di modulazione della potenza di radiazione modificando la corrente diretta; capacità di lavorare sia in modalità pulsata che continua; linearità della caratteristica watt-ampere su un intervallo più o meno ampio di correnti di ingresso; elevata affidabilità e durata;

piccole dimensioni; compatibilità tecnologica con i prodotti microelettronici.

Gli ultimi tre sono i fotorilevatori più universali che funzionano con una giunzione pn aperta. Nella stragrande maggioranza dei casi sono realizzati a base di silicio e la regione della loro massima sensibilità spettrale è vicina a λ = 0,7...0,9 μm.

Per tipo di canale ottico utilizzato Gli optoaccoppiatori si dividono in:

Optoaccoppiatori con un canale ottico aperto. In tali fotoaccoppiatori, l'emettitore e il fotorivelatore sono separati da un traferro. Sono ampiamente utilizzati per determinare la velocità degli alberi rotanti, sincronizzare il movimento di sistemi meccanici, come sensori di posizione, ecc. I fotoaccoppiatori a canale aperto, a loro volta, sono suddivisi in fotoaccoppiatori riflettenti e di trasmissione.

Optoaccoppiatori con un canale ottico chiuso. In essi, il canale ottico è protetto da qualsiasi influenza esterna. Tali fotoaccoppiatori vengono utilizzati per l'isolamento galvanico di ingresso e uscita circuiti elettrici. Se come circuito di uscita vengono utilizzati dispositivi di potenza potenti (tiristori, triac, transistor ad effetto di campo), tali fotoaccoppiatori sono chiamati relè a stato solido. Tali relè rappresentano attualmente un'alternativa ai relè elettromagnetici e la loro tecnologia viene costantemente migliorata.

Optoaccoppiatori con canale ottico “esteso”. In tali fotoaccoppiatori, l'emettitore e il fotorilevatore possono essere posizionati a una distanza considerevole. In essi, il canale ottico che collega l'emettitore e il fotorivelatore può essere una guida di luce in fibra. Tali dispositivi optoelettronici sono ampiamente utilizzati per trasmettere informazioni nelle reti informatiche locali.

Secondo la gamma spettrale del canale ottico Gli optoaccoppiatori si dividono in:

Optoaccoppiatori della gamma visibile con una lunghezza d'onda della radiazione ottica da 0,4 a 0,75 micron.

Optoaccoppiatori nel vicino IR con lunghezze d'onda ottiche da 0,8 a 1,2 micron. Questo tipo di radiazione è particolarmente efficace per i dispositivi optoelettronici a canale aperto.

Secondo il design e le caratteristiche tecnologiche Gli optoaccoppiatori si dividono in:

Opocoppie (accoppiatori ottici elementari), che contengono un emettitore e un fotorivelatore elementare. A seconda del tipo di fotorivelatore utilizzato, possono essere resistivi, diodi, transistor, tiristori, ecc.

Circuiti integrati optoelettronici (accoppiatori ottici), che, oltre a un accoppiatore ottico elementare, contengono dispositivi elettronici aggiuntivi: amplificatori, comparatori, circuiti logici, ecc. In tali circuiti integrati, gli ingressi e le uscite sono isolati galvanicamente.

Tipi speciali di optoaccoppiatori: optoaccoppiatori differenziali, che contengono diversi emettitori e fotorilevatori; sensori optoelettronici di presenza, sensori di fumo, sensori di posizione, ecc.

I dispositivi optoelettronici (OED) sono strumenti di misura con un tipo di dispositivo di lettura fondamentalmente nuovo, basato sull'uso di vari effetti optoelettronici e che fornisce una percezione analogica del risultato della misurazione da parte di una persona.

Il principio di funzionamento dell'OEP consiste nell'influenza diretta o indiretta della quantità misurata su una speciale sostanza indicatrice posta lungo la scala o combinata con essa, in cui si verifica un determinato effetto fisico-chimico, che consente di giudicare il valore della grandezza misurata modificando le caratteristiche elettro-ottiche, magneto-ottiche, elettro-termo-ottiche, elettrochimico-ottiche o elettromeccaniche. Le letture vengono effettuate in base alla manifestazione visiva dell'effetto. Il cambiamento più comunemente usato proprietà ottiche sostanze (colore, brillantezza, trasparenza). Il valore della grandezza misurata viene giudicato, ad esempio, anche dalla variazione della posizione geometrica del parametro ottico, ma dal movimento della colonna luminosa. Gli OEP moderni si basano principalmente su effetti elettro-ottici con emissione di luce, elettro e catodoluminescenza, nonché scarica di gas. Promettenti sono gli effetti senza emissione di luce, in cui sotto l'influenza campo elettrico cambia lo stato ottico della sostanza (coefficienti di assorbimento, riflessione, diffusione, rifrazione o composizione spettrale della luce). Gli effetti più interessanti in questo gruppo sono quelli nei cristalli liquidi. Attualmente è stata stabilita la produzione industriale di materiali ed elementi basati su questi effetti (LED, fosfori in polvere, celle di chemiotrone, ecc.) con parametri elettrofisici che consentono di creare OED con caratteristiche metrologiche sufficientemente elevate sulla base.

Nella fig. 2.41. mostrato semplificato diagramma a blocchi, che spiega i principi di funzionamento di un dispositivo optoelettronico con un dispositivo di lettura Amplificatore operazionale, costituito da una scala Sh, graduato in unità della quantità misurata X e puntatore optoelettrico U.

Riso. 2.41. Schema a blocchi semplificato dell'OEP

Quando si alimenta il valore misurato X all'ingresso trasduttore di misura P con sensibilità a Y ¢, in quest'ultimo viene generato un segnale elettrico Y= a Y ¢X, garantendo un funzionamento affidabile del dispositivo di influenza VZU. COME P utilizzare amplificatori normalizzatori, convertitori di impedenza, condensatori, convertitori funzionali, ecc. VZU generare un segnale di controllo Z del tipo necessario per l'eccitazione nella sostanza indicatrice IV effetto optoelettronico visivo. Più spesso Z garantisce la creazione di campi elettrici, magnetici e termici.

In generale, la dipendenza Z da Y non lineare e può essere rappresentato come segue: Z= a Z ¢Y m , dove m è il coefficiente determinato dal tipo di effetto optoelettronico (per la maggior parte degli effetti elettro-ottici m = 1); e z ¢ – sensibilità VZU.

Dalla Figura 2.41. tenendo conto delle trasformazioni notate che otteniamo

, (2.61)

Dove UN Y = 1/ UN Sì¢, UN z = UN z¢ – fattori di conversione.

Parametro ottico IVè un puntatore U, in base alla sua posizione rispetto alla scala Sh determinare la lettura XP, corrispondente al valore della grandezza misurata X.

A seconda del metodo di movimento e del principio di formazione del puntatore, si distinguono i dispositivi optoelettronici con dispositivi di lettura analogici e analogici discreti. Nella fig. 2.42. presentato vari tipi e forme di riferimento nell'OEP moderno.

Sorgenti di radiazioni ottiche utilizzate in l'optoelettronica, in generale, è molto diversificata. Tuttavia, la maggior parte di esse (lampadine subminiaturizzate a incandescenza e a scarica di gas, emettitori elettroluminescenti a polvere e pellicola, catodoluminescenti sotto vuoto e molti altri tipi) non soddisfano l'intero insieme dei requisiti moderni e vengono utilizzati solo in alcuni dispositivi, principalmente in dispositivi indicatori e in parte negli optoaccoppiatori.

Quando si valutano le prospettive di una particolare fonte, il ruolo determinante è giocato dallo stato di aggregazione della sostanza luminosa attiva (o della sostanza che riempie il volume di lavoro). Di tutte le opzioni possibili (vuoto, gas, liquido, solido), viene data preferenza alla sostanza allo stato solido e "al suo interno" alla sostanza monocristallina poiché fornisce la massima durata e affidabilità dei dispositivi.

Il fondamento dell'optoelettronica è formato da due gruppi di emettitori:

1) generatori ottici di radiazione coerente (laser), tra i quali vanno distinti i laser a semiconduttore;

1) diodi a semiconduttore emettitori di luce basati sul principio dell'elettroluminescenza ad iniezione spontanea.

Un dispositivo a semiconduttore optoelettronico è un dispositivo a semiconduttore cheemette o converte radiazione elettromagnetica, sensibile a questa radiazione nelle regioni visibile, infrarossa e (o) ultravioletta dello spettro, o utilizza tale radiazione per l'interazione interna dei suoi elementi.

I dispositivi a semiconduttore optoelettronici possono essere suddivisi in emettitori a semiconduttore, ricevitori di radiazioni, accoppiatori ottici e circuiti integrati optoelettronici (Fig. 2.1).

Un emettitore a semiconduttore è un dispositivo semiconduttore optoelettronico che converte energia elettrica nell’energia della radiazione elettromagnetica nelle regioni visibile, infrarossa e ultravioletta dello spettro.

Molti emettitori di semiconduttori possono emettere solo onde elettromagnetiche incoerenti. Questi includono emettitori a semiconduttore nella regione visibile dello spettro - dispositivi di visualizzazione delle informazioni a semiconduttore (diodi emettitori di luce, indicatori di segnale a semiconduttore, scale e schermi), nonché emettitori a semiconduttore nella regione a infrarossi dello spettro - diodi emettitori di infrarossi.

Emettitori coerenti a semiconduttore sono laser a semiconduttore con vari tipi eccitazione. Possono emettere onde elettromagnetiche con una certa ampiezza, frequenza, fase, direzione di propagazione e polarizzazione, che corrisponde al concetto di coerenza.

Un ricevitore di radiazioni a semiconduttore è un dispositivo semiconduttore optoelettronico sensibile alle radiazioni elettromagnetiche nella regione visibile, infrarossa e (o) ultraviolettazvspettro o convertire l'energia della radiazione elettromagnetica direttamente in energia elettrica.

I ricevitori di radiazioni a semiconduttore includono fotoresistori, fotodiodi, fotocellule, fototransistor e fototiristori.

Ricerca nel testo completo:

Dove cercare:

ovunque
solo nel titolo
solo nel testo

Ritirare:

descrizione
parole nel testo
solo intestazione

Home > Abstract >Comunicazioni e comunicazioni

Dispositivi optoelettronici

Principali caratteristiche dei diodi emettitori di luce visibile

Principali caratteristiche dei diodi emettitori di luce infrarossa

Dispositivi optoelettronici in senso lato

Elenco delle fonti utilizzate

Dispositivi optoelettronici

Il funzionamento dei dispositivi optoelettronici si basa su processi elettrone-fotonici di ricezione, trasmissione e memorizzazione di informazioni.

Il dispositivo optoelettronico più semplice è una coppia optoelettronica o accoppiatore ottico. Il principio di funzionamento di un fotoaccoppiatore, costituito da una sorgente di radiazioni, un mezzo di immersione (guida luminosa) e un fotorilevatore, si basa sulla conversione di un segnale elettrico in uno ottico e quindi di nuovo in uno elettrico.

Gli optoaccoppiatori come dispositivi funzionali presentano i seguenti vantaggi rispetto ai radioelementi convenzionali:

completo isolamento galvanico “ingresso – uscita” (resistenza di isolamento superiore a 10 12 – 10 14 Ohm);

assoluta immunità al rumore nel canale di trasmissione delle informazioni (i portatori di informazioni sono particelle elettricamente neutre - fotoni);

flusso unidirezionale di informazioni, che è associato alle caratteristiche della propagazione della luce;

banda larga grazie all'alta frequenza delle vibrazioni ottiche,

velocità sufficiente (pochi nanosecondi);

alta tensione di rottura (decine di kilovolt);

basso livello di rumore;

buona resistenza meccanica.

In base alle funzioni che svolge, un fotoaccoppiatore può essere paragonato a un trasformatore (elemento di accoppiamento) con un relè (tasto).

Nei dispositivi optoaccoppiatori vengono utilizzate sorgenti di radiazioni a semiconduttore: diodi emettitori di luce realizzati con materiali di composti del gruppo UN III B V , tra i quali i più promettenti sono il fosfuro di gallio e l'arseniuro. Il loro spettro di emissione si trova nel visibile e nel vicino radiazione infrarossa(0,5 – 0,98 µm). I diodi emettitori di luce a base di fosfuro di gallio hanno una luce rossa e verde. I LED in carburo di silicio sono promettenti perché hanno una luce gialla e funzionano a temperature elevate, umidità e in ambienti aggressivi.

Vengono utilizzati i LED che emettono luce nella gamma visibile dello spettro orologio elettronico e microcalcolatori.

I diodi emettitori di luce sono caratterizzati da una composizione spettrale della radiazione piuttosto ampia, un modello di direttività; efficienza quantistica, determinata dal rapporto tra il numero di quanti di luce emessi e il numero di quanti che li attraversano P-N-transizione degli elettroni; potenza (con radiazione invisibile) e luminosità (con radiazione visibile); caratteristiche volt-ampere, lumen-ampere e watt-ampere; velocità (aumento e diminuzione dell'elettroluminescenza durante l'eccitazione pulsata), intervallo di temperatura operativa. All'aumentare della temperatura di funzionamento diminuisce la luminosità del LED e diminuisce la potenza di emissione.

Le principali caratteristiche dei diodi emettitori di luce nella gamma visibile sono riportate nella tabella. 1 e la gamma degli infrarossi - nella tabella. 2.

Tabella 1 Principali caratteristiche dei diodi emettitori di luce visibile

Tipo di diodo	Luminosità, cd/m 2, o intensità luminosa, mcd		Colore bagliore	Corrente diretta diretta, mA
KL101 A-B AL102A-G AL307A-G	10 – 20 cd/m2 40 – 250 mcd 150 – 1500 mcd		Rosso, verde Rosso, verde

I diodi emettitori di luce nei dispositivi optoelettronici sono collegati ai fotorilevatori tramite un mezzo di immersione, il cui requisito principale è la trasmissione del segnale con perdite e distorsioni minime. Nei dispositivi optoelettronici vengono utilizzati mezzi di immersione solidi: composti organici polimerici (adesivi e vernici ottiche), mezzi calcogenuri e fibre ottiche. A seconda della lunghezza del canale ottico tra l'emettitore e il fotorilevatore, i dispositivi optoelettronici possono essere suddivisi in optoaccoppiatori (lunghezza del canale 100 - 300 micron), optoisolatori (fino a 1 m) e linee di comunicazione in fibra ottica - collegamenti in fibra ottica (fino a a decine di chilometri).

Tabella 2. Principali caratteristiche dei diodi emettitori di luce infrarossa

Tipo di diodo	Potenza di radiazione totale, mW	Tensione diretta costante, V	Lunghezza d'onda della radiazione, micron	Tempo di salita dell'impulso di radiazione, ns	Tempo di decadimento dell'impulso di radiazione, ns
AL106A-D	0,6 – 1 (con corrente 50 mA) 0,2 – 1,5 (con corrente 100 mA) 6 – 10 (con corrente 100 mA) 1,5 (a 100 mA di corrente) 0,2 (a 20 mA di corrente) 10 (con corrente 50 mA)

I fotorilevatori utilizzati nei dispositivi optoaccoppiatori sono soggetti ai requisiti per la corrispondenza delle caratteristiche spettrali con l'emettitore, minimizzando le perdite durante la conversione di un segnale luminoso in un segnale elettrico, fotosensibilità, velocità, dimensione dell'area fotosensibile, affidabilità e livello di rumore.

Per gli optoaccoppiatori, i più promettenti sono i fotorilevatori con effetto fotoelettrico interno, quando l'interazione dei fotoni con gli elettroni all'interno di materiali con determinate proprietà fisiche porta a transizioni di elettroni nel volume del reticolo cristallino di questi materiali.

L'effetto fotoelettrico interno si manifesta in due modi: in un cambiamento nella resistenza del fotorilevatore sotto l'influenza della luce (fotoresistori) o nella comparsa di fotoemf all'interfaccia tra due materiali: semiconduttore-semiconduttore, metallo-semiconduttore ( fotocellule commutate, fotodiodi, fototransistor).

I fotorilevatori con effetto fotoelettrico interno sono suddivisi in fotodiodi (con P-N-giunzione, struttura MIS, barriera Schottky), fotoresistori, fotorivelatori con amplificazione interna (fototransistor, fototransistor composti, fototiristori, fototransistor ad effetto di campo).

I fotodiodi sono basati su silicio e germanio. La sensibilità spettrale massima del silicio è 0,8 micron e del germanio - fino a 1,8 micron. Operano con polarizzazione inversa P-N-transizione, che consente di aumentarne le prestazioni, la stabilità e la linearità delle caratteristiche.

I fotodiodi vengono spesso utilizzati come fotorilevatori per dispositivi optoelettronici di varia complessità. P- io-N-strutture dove io– regione impoverita di alto campo elettrico. Variando lo spessore di questa regione è possibile ottenere buone caratteristiche di prestazione e sensibilità grazie alla bassa capacità e tempo di volo delle portanti.

I fotodiodi a valanga hanno maggiore sensibilità e prestazioni, utilizzando l'amplificazione della fotocorrente quando si moltiplicano i portatori di carica. Tuttavia, questi fotodiodi non sono sufficientemente stabili in un intervallo di temperature e richiedono alimentatori ad alta tensione. I fotodiodi con barriera Schottky e struttura MIS sono promettenti per l'uso in determinati intervalli di lunghezze d'onda.

I fotoresistori sono costituiti principalmente da film semiconduttori policristallini a base di un composto (cadmio con zolfo e selenio). La sensibilità spettrale massima dei fotoresistori è 0,5 - 0,7 micron. Le fotoresistenze vengono solitamente utilizzate in condizioni di scarsa illuminazione; in sensibilità sono paragonabili ai fotomoltiplicatori: dispositivi con effetto fotoelettrico esterno, ma richiedono alimentazione a bassa tensione. Gli svantaggi dei fotoresistori sono le basse prestazioni e gli elevati livelli di rumore.

I fotorilevatori amplificati internamente più comuni sono i fototransistor e i fototiristori. I fototransistor sono più sensibili dei fotodiodi, ma più lenti. Per aumentare ulteriormente la sensibilità del fotorilevatore, viene utilizzato un fototransistor composito, che è una combinazione di transistor fotografici e di amplificazione, ma ha prestazioni basse.

Negli optoaccoppiatori, un fototiristore (un dispositivo a semiconduttore con tre P- N- transizioni, commutazione quando illuminato), che ha sensibilità e livello del segnale di uscita elevati, ma velocità insufficiente.

La varietà di tipi di fotoaccoppiatori è determinata principalmente dalle proprietà e dalle caratteristiche dei fotorilevatori. Una delle principali applicazioni degli optoaccoppiatori è l'efficace isolamento galvanico di trasmettitori e ricevitori di segnali digitali e segnali analogici. In questo caso, il fotoaccoppiatore può essere utilizzato in modalità convertitore o commutatore di segnale. L'optoaccoppiatore è caratterizzato dal segnale di ingresso consentito (corrente di controllo), coefficiente di trasferimento di corrente, velocità (tempo di commutazione) e capacità di carico.

Il rapporto tra il coefficiente di trasferimento di corrente e il tempo di commutazione è chiamato fattore di qualità dell'accoppiatore ottico ed è 10 5 – 10 6 per gli accoppiatori ottici con fotodiodo e fototransistor. Gli optoaccoppiatori basati su fototiristori sono ampiamente utilizzati. Gli accoppiatori ottici a fotoresistenza non sono ampiamente utilizzati a causa della bassa stabilità temporale e della temperatura. Gli schemi di alcuni optoaccoppiatori sono mostrati in Fig. 4, a – d.

Come sorgenti di radiazioni coerenti vengono utilizzati laser con elevata stabilità, buone caratteristiche energetiche ed efficienza. Nell'optoelettronica, per la progettazione di dispositivi compatti, vengono utilizzati laser a semiconduttore - diodi laser, utilizzati, ad esempio, nelle linee di comunicazione in fibra ottica invece delle tradizionali linee di trasmissione delle informazioni - cavi e fili. Hanno un rendimento elevato (larghezza di banda di unità di gigahertz), resistenza alle interferenze elettromagnetiche, peso e dimensioni ridotte, isolamento elettrico completo dall'ingresso all'uscita, sicurezza antideflagrante e antincendio. Una particolarità del FOCL è l'utilizzo di uno speciale cavo in fibra ottica, la cui struttura è mostrata in Fig. 5. I campioni industriali di tali cavi hanno un'attenuazione di 1 – 3 dB/km e inferiore. Le linee di comunicazione in fibra ottica vengono utilizzate per costruire reti telefoniche e informatiche, sistemi televisivi via cavo con immagini trasmesse di alta qualità. Queste linee consentono la trasmissione simultanea di decine di migliaia di conversazioni telefoniche e di numerosi programmi televisivi.

Recentemente sono stati sviluppati intensamente e si sono diffusi i circuiti integrati ottici (OIC), i cui tutti gli elementi sono formati mediante deposizione dei materiali necessari su un substrato.

I dispositivi a cristalli liquidi, ampiamente utilizzati come indicatori negli orologi elettronici, sono promettenti nel campo dell'optoelettronica. I cristalli liquidi lo sono materia organica(liquido) con le proprietà di un cristallo e sono in uno stato di transizione tra la fase cristallina e quella liquida.

Gli indicatori a cristalli liquidi hanno un'alta risoluzione, sono relativamente economici, consumano poca energia e funzionano a livelli di luce elevati.

Cristalli liquidi con proprietà simili ai cristalli singoli (nematici) sono spesso utilizzati negli indicatori luminosi e nei dispositivi di memoria ottica. Sono stati sviluppati e ampiamente utilizzati cristalli liquidi che cambiano colore quando riscaldati (colesterici). utilizzato per la registrazione termo-ottica delle informazioni.

I dispositivi optoelettronici, sviluppati relativamente di recente, si sono diffusi in vari campi della scienza e della tecnologia grazie alle loro proprietà uniche. Molti di loro non hanno analoghi nella tecnologia del vuoto e dei semiconduttori. Tuttavia, ci sono ancora molti problemi irrisolti legati allo sviluppo di nuovi materiali, al miglioramento delle caratteristiche elettriche e operative di questi dispositivi e allo sviluppo di metodi tecnologici per la loro fabbricazione.

Dispositivo a semiconduttore optoelettronico - un dispositivo a semiconduttore il cui funzionamento si basa sull'utilizzo di fenomeni di radiazione, trasmissione o assorbimento nelle regioni visibili, infrarosse o ultraviolette dello spettro.

I dispositivi optoelettronici in senso lato sono dispositivi , utilizzando la radiazione ottica per il loro lavoro: generare, rilevare, convertire e trasmettere un segnale di informazione. Di norma, questi dispositivi includono l'uno o l'altro set di elementi optoelettronici. A loro volta, i dispositivi stessi possono essere suddivisi in standard e speciali, considerando standard quelli prodotti in serie per un ampio utilizzo in vari settori, e i dispositivi speciali vengono prodotti tenendo conto delle specificità di un particolare settore, nel nostro caso la stampa.

L'intera gamma di elementi optoelettronici è suddivisa nei seguenti gruppi di prodotti: sorgenti e ricevitori di radiazioni, indicatori, elementi ottici e guide luminose, nonché supporti ottici che consentono la creazione di elementi di controllo, visualizzazione e memorizzazione di informazioni. È noto che qualsiasi sistematizzazione non può essere esaustiva, ma, come ha giustamente notato il nostro connazionale Dmitry Ivanovich Mendeleev (1834-1907), che scoprì la legge periodica degli elementi chimici nel 1869, la scienza inizia dove appare il conteggio, vale a dire. valutazione, confronto, classificazione, individuazione di modelli, definizione di criteri, caratteristiche comuni. Tenuto conto di ciò, prima di procedere alla descrizione degli elementi specifici, è necessario fornire, almeno in termini generali, una caratteristica distintiva dei prodotti optoelettronici.

Come accennato in precedenza, la principale caratteristica distintiva dell'optoelettronica è la connessione con le informazioni. Ad esempio, se la radiazione laser viene utilizzata in alcune installazioni per indurire alberi di acciaio, non è affatto naturale classificare questa installazione come un dispositivo optoelettronico (sebbene la stessa fonte di radiazione laser abbia il diritto di farlo).

È stato inoltre notato che gli elementi a stato solido sono solitamente classificati come optoelettronica (l'Istituto per l'energia di Mosca ha pubblicato un libro di testo per il corso "Optoelettronica" intitolato "Strumenti e dispositivi di optoelettronica a semiconduttori"). Ma questa regola non è molto rigida, poiché alcune pubblicazioni sull'optoelettronica discutono in dettaglio il funzionamento di fotomoltiplicatori e tubi catodici (sono un tipo di dispositivi elettrici a vuoto), laser a gas e altri dispositivi che non sono allo stato solido. Tuttavia, nel settore della stampa, i dispositivi citati sono ampiamente utilizzati insieme a quelli a stato solido (compresi quelli a semiconduttore), risolvendo problemi simili, quindi in questo caso hanno tutto il diritto di essere presi in considerazione.

Vale la pena menzionare altre tre caratteristiche distintive che, secondo il famoso esperto nel campo dell'optoelettronica, Yuri Romanovich Nosov, lo caratterizzano come direzione scientifica e tecnica.

La base fisica dell'optoelettronica è costituita da fenomeni, metodi e mezzi per i quali sono fondamentali la combinazione e la continuità dei processi ottici ed elettronici. Un dispositivo optoelettronico è ampiamente definito come un dispositivo sensibile alla radiazione elettromagnetica nelle regioni visibile, infrarossa (IR) o ultravioletta (UV), o un dispositivo che emette e converte la radiazione incoerente o coerente in queste stesse regioni spettrali.

La base tecnica dell'optoelettronica è determinata dal design e dai concetti tecnologici della moderna microelettronica: miniaturizzazione degli elementi; sviluppo preferenziale di strutture planari solide; integrazione di elementi e funzioni.

Lo scopo funzionale dell'optoelettronica è risolvere problemi informatici: generazione (formazione) di informazioni convertendo varie influenze esterne in corrispondenti segnali elettrici e ottici; trasferimento di informazioni; elaborare (trasformare) le informazioni secondo un determinato algoritmo; archiviazione delle informazioni, compresi processi quali la registrazione, l'archiviazione stessa, la lettura non distruttiva, la cancellazione; visualizzazione di informazioni, ad es. convertire i segnali di uscita di un sistema informativo in una forma percepibile dall'uomo.

Elenco delle fonti utilizzate

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

AGENZIA FEDERALE PER L'ISTRUZIONE

Istituzione educativa statale di istruzione professionale superiore

UNIVERSITÀ STATALE DEL PETROLIO E DEL GAS DI TYUMEN

ISTITUTO DEI TRASPORTI

Astratto

sull'argomento "Dispositivi optoelettronici".

Completato:

Gruppi OBD - 08

Chekardinn

Controllato:

Sidorova A.E.

Ministero dell'Istruzione della Repubblica di Bielorussia

Istituzione educativa

“Università statale bielorussa

informatica e radioelettronica”

Dipartimento dell'UEM

"Fondamenti di optoelettronica. Classificazione dispositivi optoelettronici"

MINSK, 2008

L'optoelettronica è un importante campo indipendente dell'elettronica funzionale e della microelettronica. Un dispositivo optoelettronico è un dispositivo in cui, durante l'elaborazione delle informazioni, i segnali elettrici vengono convertiti in segnali ottici e viceversa.

Una caratteristica essenziale dei dispositivi optoelettronici è che gli elementi in essi contenuti sono otticamente collegati ed elettricamente isolati gli uni dagli altri.

Grazie a ciò, è facilmente garantito l'adattamento dei circuiti ad alta e bassa tensione, nonché ad alta frequenza e bassa frequenza. Inoltre, i dispositivi optoelettronici presentano altri vantaggi: la possibilità di modulazione spaziale dei fasci luminosi, che, in combinazione con i cambiamenti nel tempo, dà tre gradi di libertà (due nei circuiti puramente elettronici); la possibilità di ramificazioni e intersezioni significative dei fasci luminosi in assenza di connessione galvanica tra i canali; grande carico funzionale dei fasci luminosi grazie alla possibilità di modificare molti dei loro parametri (ampiezza, direzione, frequenza, fase, polarizzazione).

L'optoelettronica copre due principali aree indipendenti: ottica ed elettro-ottica. La direzione ottica si basa sugli effetti dell'interazione di un solido con la radiazione elettromagnetica. Si basa sull'olografia, sulla fotochimica, sull'elettroottica e su altri fenomeni. La direzione ottica è talvolta chiamata laser.

La direzione elettro-ottica sfrutta il principio della conversione fotoelettrica, realizzata in un corpo solido attraverso l'effetto fotoelettrico interno, da un lato, e l'elettroluminescenza, dall'altro. Questa direzione si basa sulla sostituzione dei collegamenti galvanici e magnetici nei circuiti elettronici tradizionali con quelli ottici. Ciò consente di aumentare la densità delle informazioni nel canale di comunicazione, la sua velocità e l'immunità al rumore.

Fig.1. Optoaccoppiatore con connessioni fotoniche interne (a) ed esterne (b): 1, 6 – sorgenti luminose; 2 – guida luminosa; 3, 4 – ricevitori di luce; 5 – amplificatore.

L'elemento principale dell'optoelettronica è un accoppiatore ottico. Esistono optoaccoppiatori con connessioni fotoniche interne (Fig. 1, a) ed esterne (Fig. 1, b). L'accoppiatore ottico più semplice è una rete a quattro terminali (Fig. 1, a), composta da tre elementi: fotoemettitore 1, guida luminosa 2 e ricevitore luminoso 3, racchiusi in un involucro sigillato e resistente alla luce. Quando all'ingresso viene applicato un segnale elettrico sotto forma di impulso o di caduta di corrente in ingresso, il fotoemettitore viene eccitato. Il flusso luminoso attraverso la guida luminosa entra nel fotorilevatore, all'uscita del quale si forma un impulso elettrico o una caduta di corrente in uscita. Questo tipo di fotoaccoppiatore è un amplificatore di segnali elettrici, in cui l'accoppiamento interno è fotonico e l'accoppiamento esterno è elettrico.

Un altro tipo di accoppiatore ottico è con interaccoppiamento elettrico e fotonico relazioni esterne(Fig. 1, b) - è un amplificatore di segnali luminosi, nonché un convertitore di segnali di una frequenza in segnali di un'altra frequenza, ad esempio segnali di radiazione infrarossa in segnali dello spettro visibile. Il ricevitore luminoso 4 converte il segnale luminoso in ingresso in un segnale elettrico. Quest'ultimo viene amplificato dall'amplificatore 5 ed eccita la sorgente luminosa 6.

Attualmente sviluppato gran numero dispositivi optoelettronici per vari scopi. Nella microelettronica, di norma, vengono utilizzati solo quegli elementi funzionali optoelettronici per i quali esiste la possibilità di integrazione, nonché la compatibilità della loro tecnologia di produzione con la tecnologia di produzione dei corrispondenti circuiti integrati.

Emettitori di foto. Le sorgenti luminose optoelettroniche sono soggette a requisiti quali miniaturizzazione, basso consumo energetico, alta efficienza e affidabilità, a lungo termine servizi, tecnologia. Devono avere prestazioni elevate e poter essere fabbricati come dispositivi integrati.

Le sorgenti elettroluminescenti più utilizzate sono i LED ad iniezione, in cui l'emissione di luce è determinata dal meccanismo di ricombinazione interbanda di elettroni e lacune. Se si fa passare una corrente di iniezione sufficientemente grande attraverso la giunzione p-n (nella direzione in avanti), alcuni elettroni dalla banda di valenza si sposteranno nella banda di conduzione (Fig. 2). Nella parte superiore della banda di valenza si formano stati liberi (lacune) e nella parte inferiore della banda di conduzione si forma uno stato pieno (elettroni di conduzione).

Una popolazione così inversa non è in equilibrio e porta all'emissione caotica di fotoni durante le transizioni elettroniche inverse. Il bagliore incoerente che appare nella giunzione pn è l'elettroluminescenza.

Fig.2. Alla spiegazione del principio di funzionamento di un LED ad iniezione.

Un fotone emesso durante una transizione luminescente dalla parte piena della banda di conduzione alla parte libera della banda di valenza provoca l'emissione stimolata di un fotone identico, provocando lo spostamento di un altro elettrone nella banda di valenza. Tuttavia, un fotone della stessa energia (da ∆E=E2-E1 a ∆E=2δE) non può essere assorbito, poiché lo stato inferiore è libero (non ci sono elettroni in esso) e lo stato superiore è già pieno. Ciò significa che la giunzione pn è trasparente ai fotoni di tale energia, cioè per la frequenza corrispondente. Al contrario, fotoni con energie maggiori di ∆E+2δE possono essere assorbiti, trasferendo elettroni dalla banda di valenza alla banda di conduzione. Allo stesso tempo, per tali energie l'emissione indotta di fotoni è impossibile, poiché lo stato iniziale superiore non è riempito, ma lo è lo stato inferiore. Pertanto, l'emissione stimolata è possibile in un intervallo ristretto attorno alla frequenza corrispondente all'energia bandgap ∆E con larghezza spettrale δE.

I materiali migliori per i LED sono l'arseniuro di gallio, il fosfuro di gallio, il fosfuro di silicio, il carburo di silicio, ecc. I LED hanno prestazioni elevate (circa 0,5 μs), ma consumano corrente elevata (circa 30 A/cm2). Recentemente, sono stati sviluppati LED basati sull'arseniuro di gallio - alluminio, la cui potenza varia da frazioni a diversi milliwatt con una corrente diretta di decine di milliampere.K. p.d. dei LED non supera l'1 - 3%.

Sorgenti luminose promettenti sono i laser a iniezione, che consentono di concentrare energie elevate in una regione spettrale ristretta con elevata efficienza e velocità (decine di picosecondi). Questi laser possono essere prodotti come array su un singolo chip di base utilizzando la stessa tecnologia dei circuiti integrati. Lo svantaggio dei laser a iniezione semplice è che hanno prestazioni accettabili solo se raffreddati a temperature molto basse. A temperatura normale il laser all'arseniuro di gallio è basso potenza media, bassa efficienza (circa 1%), bassa stabilità e durata. Un ulteriore miglioramento del laser ad iniezione creando una transizione di una struttura complessa utilizzando eterogiunzioni (un'eterogiunzione è il confine tra strati con gli stessi tipi di conduttività elettrica, ma con diversi gap di banda) ha permesso di ottenere una sorgente luminosa di piccole dimensioni funzionante a temperature normali con un'efficienza del 10 - 20 % e caratteristiche accettabili.

Fotorilevatori. Per convertire i segnali luminosi in segnali elettrici, vengono utilizzati fotodiodi, fototransistor, fotoresistori, fototiristori e altri dispositivi.

Un fotodiodo è una giunzione p-n polarizzata inversamente, corrente inversa la cui saturazione è determinata dal numero di portatori di carica generati in esso dall'azione della luce incidente (fig. 3). I parametri di un fotodiodo sono espressi attraverso i valori della corrente che circola nel suo circuito. La sensibilità di un fotodiodo, che solitamente viene chiamata integrale, è definita come il rapporto tra la fotocorrente e quella che l'ha provocata flusso luminoso Fυ. La soglia di sensibilità dei fotodiodi è stimata in base ai valori noti della sensibilità integrale (corrente) e della corrente oscura Id, ad es. corrente che scorre nel circuito in assenza di irraggiamento dello strato sensibile.

I materiali principali per i fotodiodi sono germanio e silicio. I fotodiodi al silicio sono generalmente sensibili in un intervallo ristretto dello spettro (da λ = 0,6 - 0,8 μm a λ = 1,1 μm) con un massimo a λ = 0,85 μm, mentre i fotodiodi al germanio hanno limiti di sensibilità λ = 0,4 - 1,8 µm con un massimo a λ ≈ 1,5 µm. Nella modalità fotodiodo con una tensione di alimentazione di 20 V, la corrente oscura dei fotodiodi al silicio solitamente non supera i 3 μA, mentre per il germanio; fotodiodi con una tensione di alimentazione di 10 V raggiunge 15-20 μA.

Fig.3. Caratteristiche circuitali e corrente-tensione del fotodiodo.

Fig.4. Caratteristiche circuitali e corrente-tensione di un fototransistor.

I fototransistor sono ricevitori di energia radiante con due o più giunzioni pn, che hanno la proprietà di amplificare la fotocorrente quando lo strato sensibile viene irradiato. Un fototransistor combina le proprietà di un fotodiodo e le proprietà di amplificazione di un transistor (Fig. 4). La presenza simultanea di ingressi ottici ed elettrici sul fototransistor consente di creare una polarizzazione necessaria per il funzionamento nella porzione lineare della caratteristica energetica, nonché di compensare influenze esterne. Per rilevare piccoli segnali, la tensione prelevata dal fototransistor deve essere amplificata. In questo caso, dovresti aumentare la resistenza di uscita corrente alternata alla minima corrente di buio nel circuito del collettore, creando una polarizzazione positiva alla base.

Guide luminose. C'è una guida luminosa tra la sorgente luminosa e il ricevitore di luce nel fotoaccoppiatore. Per ridurre le perdite durante la riflessione dall'interfaccia tra il LED e il mezzo conduttore (fibra), quest'ultimo deve avere un elevato indice di rifrazione. Tali ambienti sono chiamati immersione. Il materiale di immersione deve inoltre avere una buona adesione ai materiali della sorgente e del ricevitore, fornire un adattamento sufficiente nei coefficienti di dilatazione, essere trasparente nell'area di lavoro, ecc. I più promettenti sono gli occhiali al piombo con un indice di rifrazione di 1,8-1,9 e gli occhiali al selenio con un indice di rifrazione di 2,4-2,6. La Figura 5 mostra la sezione trasversale di un fotoaccoppiatore a stato solido con una guida luminosa ad immersione.

Sottili fili di vetro o plastica trasparente vengono utilizzati come guide luminose nell'optoelettronica. Questa direzione è chiamata fibra ottica. Le fibre sono rivestite con materiali isolanti dalla luce e collegate in cavi luce multipolari. Svolgono nei confronti della luce le stesse funzioni che i fili metallici svolgono nei confronti della corrente. Utilizzando la fibra ottica è possibile: effettuare la trasmissione di immagini elemento per elemento con una risoluzione determinata dal diametro della fibra ottica (circa 1 micron); produrre trasformazioni spaziali dell'immagine grazie alla capacità di piegare e torcere le fibre della guida luminosa; trasmettere immagini su lunghe distanze, ecc. La figura 6 mostra una guida luminosa sotto forma di cavo costituito da fibre conduttrici di luce.

Ottica integrata. Uno dei settori promettenti della microelettronica funzionale è l'ottica integrata, che garantisce la creazione di sistemi ad alte prestazioni per la trasmissione e l'elaborazione delle informazioni ottiche. Il campo di ricerca nell'ottica integrata comprende la propagazione, conversione e amplificazione della radiazione elettromagnetica nella gamma ottica in guide d'onda dielettriche a film sottile e fibre ottiche. L'elemento principale dell'ottica integrata è una guida ottica a microonde sfusa o superficiale. La più semplice guida ottica volumetrica simmetrica a microonde è una regione localizzata in una o due dimensioni spaziali con un indice di rifrazione superiore all'indice di rifrazione del mezzo ottico circostante. Questa regione otticamente più densa non è altro che un canale o strato portante di una guida d'onda dielettrica.

Fig.5. Sezione di un optoaccoppiatore allo stato solido con guida luminosa ad immersione: 1 – diffusione planare; 2 - vetro al selenio; 3 – contatti ohmici; 4 – mesastruttura di diffusione; 5 – sorgente luminosa; 6 – ricevitore di luce.

Fig.6. Guida luminosa sotto forma di cavo costituito da fibre conduttrici di luce: 1 - sorgente luminosa; 2 – ricevitore di luce; 3 – cavo luce.

Un esempio di guida d'onda dielettrica superficiale asimmetrica è una pellicola sottile di un dielettrico o semiconduttore otticamente trasparente con un indice di rifrazione superiore all'indice di rifrazione del substrato otticamente trasparente. Grado di localizzazione campo elettromagnetico, nonché il rapporto dei flussi di energia trasferiti lungo lo strato portante e il substrato, sono determinati dalla dimensione trasversale effettiva dello strato portante e dalla differenza negli indici di rifrazione dello strato portante e del substrato ad una data frequenza di radiazione. Relativamente semplice e più adatta per dispositivi ottici a stato solido è una guida ottica a microonde stripline, realizzata sotto forma di un sottile film dielettrico (Fig. 7) depositato su un substrato utilizzando metodi microelettronici (ad esempio deposizione sotto vuoto). Utilizzando una maschera, è possibile applicare interi circuiti ottici a un substrato dielettrico con un elevato grado di precisione. L'uso della litografia a fascio di elettroni ha fornito il successo nella creazione sia di guide d'onda a striscia ottica singola che di guide d'onda accoppiate otticamente su una certa lunghezza, e successivamente di guide d'onda divergenti, che è essenziale per la creazione di accoppiatori direzionali e filtri selettivi in ​​frequenza nei sistemi ottici integrati .

Figura 7. Guida ottica per microonde stripline con rettangolare sezione trasversale: 1 – substrato; 2 – pellicola dielettrica.

Microcircuiti optoelettronici. È stato sviluppato un gran numero di microcircuiti basati sull'optoelettronica. Diamo un'occhiata ad alcuni microcircuiti optoelettronici prodotti dall'industria nazionale. Nella microelettronica, i microcircuiti di isolamento galvanico optoelettronico sono i più utilizzati. Questi includono interruttori ad alta velocità, interruttori di segnale analogico, interruttori e sensori ottici analogici dispositivi elettronici, destinato all'uso in sistemi funzionali di elaborazione del segnale analogico.

L'elemento principale di qualsiasi microcircuito optoelettronico è una coppia di accoppiatori ottici (Fig. 8, a, b), costituita da una sorgente luminosa 1, controllata da un segnale di ingresso, un mezzo di immersione 2, accoppiato otticamente alla sorgente luminosa e un fotorilevatore 3 I parametri della coppia di optoaccoppiatori sono la resistenza di disaccoppiamento DC, coefficiente di trasferimento di corrente (rapporto tra la fotocorrente del ricevitore e la corrente dell'emettitore), tempo di commutazione e capacità di throughput.

I microcircuiti optoelettronici per vari scopi vengono creati sulla base di coppie optoelettroniche.

Fig.8. Schema e implementazione tecnologica della coppia di optoaccoppiatori:

1 – sorgente luminosa; 2 – mezzo di immersione; 3 – fotorivelatore.

LETTERATURA

1. Petrov K.S. Materiali radio, componenti radio ed elettronica: Esercitazione per le università. – San Pietroburgo: Pietro, 2003. – 512 p.

2. Opadchiy Yu.F. e altri Elettronica analogica e digitale: Libro di testo per le università / Yu.F. Opadchiy, O.P. Gludkin, A.I. Gurov; Sotto. ed. O.P. Gludkina. M.: Linea diretta– Telecomunicazioni, 2002. – 768 pag.

3. Akimov N.N. ed altri Resistori, condensatori, trasformatori, induttanze, dispositivi di commutazione REA: Elenco / N.N. Akimov, E.P. Vashukov, V.A. Prokhorenko, Yu.P. Khodorenok. Mn.: Bielorussia, 2005. – 591 p.