광전자공학의 기초. 광전자 장치의 분류

광커플러(광커플러)는 소스와 방사선 수신기(발광체 및 광검출기) 사이에 하나 또는 다른 유형의 광학 연결이 있는 반도체 장치입니다.

모든 종류의 광커플러의 작동 원리는 다음을 기반으로 합니다. 이미터에서는 전기 신호의 에너지가 빛으로 변환되고, 광검출기에서는 이와 반대로 빛 신호가 전기적 응답(신호)을 유발합니다. 실제로, 이미 터에서 광검출기로의 직접적인 광학 연결이 있고 일반적으로 이러한 요소 사이의 모든 유형의 전기 연결이 제외되는 광 커플러 만 널리 보급되었습니다. 광학 연결의 존재는 입력 사이의 전기적 절연을 제공합니다 (이미터) 및 출력(광검출기).

따라서 전자 회로에서 이러한 장치는 입력 및 출력의 전기적(갈바닉) 절연이 동시에 수행되는 결합 요소의 기능을 수행합니다.

광전자 장치의 사용은 매우 다양합니다. 장비 장치의 통신에는 상당한 전위차가 있습니다. 측정 장치의 입력 회로를 간섭 및 간섭, 고전류 및 고전압 회로(고체 계전기)의 광학, 비접촉 제어, 강력한 사이리스터 트리거링, 트라이악, 전기 기계 계전기 장치로부터 보호합니다.

"긴" 광커플러(광 채널로 확장된 유연한 광섬유 광 가이드가 있는 장치)의 생성은 광섬유를 통한 원거리 통신인 광커플러 제품 사용에 대한 완전히 새로운 방향을 열었습니다.

광전자 장치는 순전히 무선 엔지니어링 변조 회로, 자동 이득 제어 등에 사용됩니다. 여기서 광 채널 영향은 비접촉 모드 변경 등을 위해 회로를 최적의 작동 모드로 전환하는 데 사용됩니다.

옵토 커플러의 주요 유형에 대한 기존 그래픽 지정이 그림 15.1에 나와 있습니다.

15.1 광전자 장치의 분류

광전자 장치는 다음 기준에 따라 분류됩니다.

사용되는 이미 터 유형광 커플러는 다음과 같이 나뉩니다.

소형 백열 전구에 이미 터와 함께. 이러한 이미 터의 광 커플러는 관성이며 저항 광 커플러에 사용되지만 현재 실제로 사용되지 않습니다.

네온 아르곤 가스 혼합물의 방전 광선을 사용하는 네온 전구의 이미 터로. 이러한 유형의 이미터는 낮은 광 출력, 기계적 응력에 대한 낮은 저항, 제한된 내구성, 큰 치수 및 통합 기술과의 완전한 비호환성을 특징으로 합니다. 그러나 특정 유형의 광 커플러에서는 사용할 수 있습니다.

전계발광 전지에 에미터가 있는 전자발광 전지는 전기 에너지를 빛으로 변환하는 효율이 낮고 내구성(특히 박막 전지)이 낮고 제어가 어렵습니다(예: 분말 형광체의 최적 모드는 ~ 220V에서 f = 400 ... 800Hz). 이러한 에미터의 주요 장점은 포토레지스터와의 구조적 및 기술적 호환성, 이를 기반으로 다기능, 다원소 광커플러 구조를 생성할 수 있다는 것입니다. 현재 사용이 제한적입니다.

발광 다이오드 및 레이저 다이오드에 이미 터가 있습니다. 광커플러에 사용되는 가장 다재다능한 이미터 유형은 반도체 주입형 발광 다이오드(LED)입니다. 이것은 다음과 같은 장점 때문입니다. 전기 에너지를 광학 에너지로 변환하는 효율성의 높은 가치; 좁은 방출 스펙트럼(준 단색도); 다양한 LED가 커버하는 스펙트럼 범위의 폭; 방사선의 방향성; 고속; 낮은 공급 전압 및 전류 값; 트랜지스터 및 집적 회로와의 호환성; 순방향 전류를 변경하여 방사 전력 변조의 용이성; 펄스 및 연속 모드 모두에서 작동하는 기능; 다소 넓은 범위의 입력 전류에서 와트-암페어 특성의 선형성; 높은 신뢰성과 내구성; 작은 치수; 마이크로 전자 제품과의 기술 호환성.

사용하는 광검출기의 종류에 따라광 커플러는 다음과 같이 나뉩니다.

수학적 기능을 모델링할 수 있는 주어진 복잡한 법칙에 따라 조명 아래에서 속성이 변하는 포토레지스터를 기반으로 하는 광커플러는 기능적 광전자공학의 생성을 향한 단계입니다. 그러나 포토레지스트 옵토커플러는 관성입니다.

포토다이오드 기반 광커플러;

포토트랜지스터 기반 광커플러;

광사이리스터를 기반으로 하는 광커플러.

마지막 3개는 개방형 p-n 접합으로 작동하는 가장 다재다능한 광검출기입니다. 압도적인 대다수의 경우 실리콘을 기반으로 만들어지며 최대 스펙트럼 감도 영역은 λ=0.7...0.9μm에 가깝습니다.

사용하는 광채널 유형별광 커플러는 다음과 같이 나뉩니다.

개방형 광 채널이 있는 광커플러. 이러한 광커플러에서 이미 터와 광검출기는 에어 갭으로 분리됩니다. 그들은 회전 샤프트의 회전 수를 결정하고 위치 센서 등과 같은 기계 시스템의 움직임을 동기화하는 데 널리 사용됩니다. 개방 채널이 있는 광 커플러는 차례로 반사 및 전송에서 작동하는 광 커플러로 나뉩니다.

폐쇄형 광 채널이 있는 광커플러. 그들에서 광 채널은 외부 영향으로부터 보호됩니다. 이러한 광 커플러는 입력 및 출력의 갈바닉 절연에 사용됩니다. 전기 회로. 강력한 전원 장치(사이리스터, 트라이악, MOSFET)가 출력 회로로 사용되는 경우 이러한 광 커플러를 솔리드 스테이트 릴레이라고 합니다. 이러한 계전기는 현재 전자기 계전기의 대안이며 기술이 지속적으로 개선되고 있습니다.

"확장된" 광 채널이 있는 광커플러. 이러한 광커플러에서 이미 터와 광검출기는 상당한 거리에 위치할 수 있습니다. 그들에서 이미 터와 광검출기를 연결하는 광학 채널은 섬유 광 가이드가 될 수 있습니다. 이러한 광전자 장치는 로컬 컴퓨터 네트워크에서 정보를 전송하는 데 널리 사용됩니다.

광 채널의 스펙트럼 범위에 따라광 커플러는 다음과 같이 나뉩니다.

0.4 ~ 0.75미크론의 광 복사 파장을 가진 가시 범위의 광커플러.

0.8 ~ 1.2 미크론의 광 복사 파장을 갖는 근적외선 범위의 광커플러. 이러한 유형의 방사선은 개방 채널이 있는 광전자 장치에 특히 효과적입니다.

건설적이고 기술적인 기반 위에서광 커플러는 다음과 같이 나뉩니다.

하나의 이미터와 하나의 기본 광검출기를 포함하는 광커플러(기본 광커플러). 사용되는 광검출기의 유형에 따라 저항성, 다이오드, 트랜지스터, 사이리스터 등이 될 수 있습니다.

기본 광 커플러 외에도 증폭기, 비교기, 논리 회로 등의 추가 전자 장치가 포함된 광전자(광 커플러) 집적 회로. 이러한 집적 회로에서 입력과 출력은 갈바닉 절연됩니다.

특수 유형의 광커플러: 여러 이미터와 광검출기를 포함하는 차동 광커플러. 존재, 연기, 위치 센서 등을 위한 광전자 센서

광전자소자(OED)는 다양한 광전자 효과를 이용하여 사람이 측정 결과를 아날로그로 인식할 수 있도록 하는 근본적으로 새로운 형태의 판독 장치를 갖춘 측정기입니다.

OED의 작동 원리는 특정 물리 화학적 효과가 발생하는 척도를 따라 배치되거나 결합 된 특수 지표 물질에 대한 측정 값의 직접 또는 간접적 영향으로 구성되어 값을 판단 할 수 있습니다. 전기 광학, 자기 광학, 전기 열 광학, 전기 화학 광학 또는 전기 기계 광학 특성을 변경하여 측정 값의 . 효과의 시각적 표현에 따라 판독값을 취합니다. 가장 일반적으로 사용되는 변경 광학적 특성물질(색상, 밝기, 투명도). 측정된 양의 값은 예를 들어 광학 매개변수의 기하학적 위치의 변화에 의해서도 판단되지만, 조명 기둥의 움직임에 의해서도 판단됩니다. 최신 OED는 주로 전기 및 음극 발광 발광과 가스 방전을 통한 전기 광학 효과에 기반을 두고 있습니다. 물질의 광학 상태가 전기장의 작용(흡수, 반사, 산란, 굴절 또는 빛의 스펙트럼 구성 계수)의 작용에 따라 변하는 발광 없는 효과가 유망합니다. 이 효과 그룹에서 가장 흥미로운 것은 액정의 효과입니다. 현재 이러한 효과(발광 다이오드, 분말 형광체, 화학자 전지 등)를 기반으로 전기 물리학적 매개변수를 사용하여 재료 및 요소의 산업적 생산이 확립되었으며, 이를 기반으로 충분히 높은 도량형으로 OED를 생성할 수 있습니다. 형질.

무화과에. 2.41. 판독 장치가 있는 광전자 장치의 작동 원리를 설명하는 단순화된 블록 다이어그램이 표시됩니다. OU, 스케일로 구성된 여, 측정된 양의 단위로 눈금 엑스, 및 광전 포인터 ~에.

쌀. 2.41. OED의 단순화된 블록 다이어그램

측정값을 적용할 때 엑스측정 변환기의 입력에 피감도 a Y ¢, 후자에서는 전기 신호가 형성됩니다 와이= 작동 장치의 안정적인 작동을 보장하는 Y ¢X VZU. 처럼 피정규화 증폭기, 임피던스 변환기, 커패시턴스 변환기, 기능 변환기 등을 사용하십시오. VZU제어 신호를 생성 지지시 물질의 여기를 위해 필요한 종류 IV시각적 광전자 효과. 가장 자주 지전기장, 자기장 및 열장 생성을 제공합니다.

일반적으로 종속성 지~에서 와이비선형이며 다음과 같이 나타낼 수 있습니다. 지= a Z ¢Y m , 여기서 m은 광전자 효과의 유형에 의해 결정된 계수입니다(대부분의 전자 광학 효과 m = 1). 및 z ¢ -감도 VZU.

그림 2.41에서. 언급된 변환을 고려하여 다음을 얻습니다.

, (2.61)

어디 ㅏ Y = 1/ ㅏ Y¢, ㅏ z= ㅏ z ¢ - 변환 계수.

광학 매개변수 IV포인터이다 ~에, 스케일에 상대적인 위치 여표시를 결정 엑스피, 측정된 양의 값에 해당 엑스.

이동 방법과 포인터 형성 원리에 따라 아날로그 및 이산 아날로그 판독 장치가 있는 광전자 장치가 구별됩니다. 무화과에. 2.42. 제시 다른 유형및 현대 OEP에 대한 참조 형식.

에 사용되는 광학 방사원 광전자공학은 일반적으로 매우 다양합니다. 그러나 그들 대부분(초소형 백열등 및 가스 방전 램프, 분말 및 필름 전계발광 이미터, 진공 음극 발광체 및 기타 여러 유형)은 현대 요구 사항의 전체를 충족하지 않으며 주로 표시 장치 및 부분적으로는 개별 장치에만 사용됩니다. 광 커플러.

특정 광원의 전망을 평가할 때 활성 발광 물질(또는 작업 부피를 채우는 물질)의 집합 상태가 결정적인 역할을 합니다. 가능한 모든 옵션(진공, 가스, 액체, 고체) 중에서 고체 물질을 선호하고 "내부"에는 장치의 가장 큰 내구성과 신뢰성을 제공하는 단결정 물질이 있습니다.

광전자 공학의 기초는 두 그룹의 이미 터로 구성됩니다.

1) 간섭성 방사선의 광 발생기(레이저), 그 중 반도체 레이저가 선택되어야 합니다.

1) 자발적 주입 전자발광 원리에 기초한 발광 반도체 다이오드.

광전자 반도체 소자는스펙트럼의 가시광선, 적외선 및 (또는) 자외선 영역에서 이 복사선에 민감한 전자기 복사선을 방출하거나 변환하거나 요소의 내부 상호 작용을 위해 이러한 복사선을 사용합니다.

광전자 반도체 장치는 반도체 방출기, 방사선 수신기, 광 커플러 및 광전자 집적 회로로 나눌 수 있습니다(그림 2.1).

반도체 이미 터는 변환하는 광전자 반도체 장치입니다. 전기 에너지스펙트럼의 가시광선, 적외선 및 자외선 영역에서 전자기 복사 에너지로.

많은 반도체 에미터는 비간섭성 전자기파만 방출할 수 있습니다. 여기에는 스펙트럼의 가시 영역의 반도체 이미 터-반도체 정보 표시 장치 (발광 다이오드, 반도체 기호 표시기, 저울 및 스크린)와 스펙트럼의 적외선 영역의 반도체 이미 터-적외선 방출 다이오드가 포함됩니다.

코히런트 반도체 이미터반도체 레이저입니다 다양한 방식각성. 그들은 일관성의 개념에 해당하는 특정 진폭, 주파수, 위상, 전파 방향 및 편파를 가진 전자기파를 방출할 수 있습니다.

반도체 방사선 수신기는 가시광선, 적외선 및(또는) 자외선 영역의 전자기 복사에 민감한 광전자 반도체 장치입니다.zv스펙트럼 또는 전자기 방사선의 에너지를 전기 에너지로 직접 변환합니다.

반도체 방사선 수신기에는 포토레지스터, 포토다이오드, 포토셀, 포토트랜지스터 및 포토사이리스터가 포함됩니다.

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광전자 장치

가시광선 영역의 발광 다이오드의 주요 특성

적외선 발광 다이오드의 주요 특징

넓은 의미의 광전자 소자

사용된 소스 목록

광전자 장치

광전자 장치의 작업은 정보를 수신, 전송 및 저장하는 전자-광자 프로세스를 기반으로 합니다.

가장 간단한 광전자 장치는 광전자 쌍 또는 광 커플러입니다. 방사선 소스, 침지 매체(광섬유) 및 광검출기로 구성된 광 커플러의 작동 원리는 전기 신호를 광학 신호로 변환한 다음 다시 전기 신호로 변환하는 것을 기반으로 합니다.

기능 장치로서의 광커플러는 기존 무선 소자에 비해 다음과 같은 장점이 있습니다.

완전한 갈바닉 절연 "입력 - 출력"(절연 저항이 10 12 - 10 14 옴을 초과함);

정보 전송 채널의 절대 노이즈 내성(정보 캐리어는 전기적으로 중성인 입자 - 광자);

빛의 전파 특징과 관련된 정보의 단방향 흐름;

광 진동의 높은 주파수로 인한 광대역,

충분한 속도(나노초 단위);

높은 항복 전압(수십 킬로볼트);

낮은 소음 수준;

좋은 기계적 강도.

수행되는 기능에 따라 광 커플러는 릴레이(키)가 있는 변압기(커플링 요소)와 비교할 수 있습니다.

광 커플러에서는 반도체 방사선 소스가 사용됩니다. 그룹의 화합물 재료로 만든 발광 다이오드 하지만 III 비 V , 그 중 가장 유망한 것은 인화물과 갈륨 비소입니다. 방사 스펙트럼은 가시광선 및 근적외선(0.5 - 0.98 미크론) 영역에 있습니다. 갈륨 인화물을 기반으로 하는 발광 다이오드는 빨간색과 녹색으로 빛납니다. 탄화규소 LED는 황색 발광을 하고 고온, 습도 및 공격적인 환경에서 작동하는 유망합니다.

스펙트럼의 가시 범위에서 빛을 방출하는 LED는 전자 시계 및 마이크로 계산기에 사용됩니다.

발광 다이오드는 방사 패턴이 상당히 넓은 방사 스펙트럼 구성이 특징입니다. 통과한 빛의 수에 대한 방출된 빛의 수의 비율로 결정되는 양자 효율 피-N-전자의 전이; 전력(보이지 않는 방사선 포함) 및 밝기(가시 방사선 포함); 볼트-암페어, 루멘-암페어 및 와트-암페어 특성; 속도(펄스 여기 동안 전자발광의 증가 및 감소), 작동 온도 범위. 작동 온도가 상승하면 LED의 밝기가 감소하고 복사 전력이 감소합니다.

가시광선 영역의 발광 다이오드의 주요 특성은 표에 나와 있습니다. 1, 적외선 범위 - 표. 2.

1 번 테이블 가시광선 영역의 발광 다이오드의 주요 특성

다이오드 유형

밝기, cd / m 2 또는 광도, mkcd

글로우 컬러

직접 순방향 전류, mA

KL101 A - B

AL102 A - G

AL307 A - G

10 - 20cd/m2

40 - 250mcd

150 - 1500mcd

레드 그린

광전자 장치의 발광 다이오드는 침지 매체를 통해 광검출기에 연결되며, 이에 대한 주요 요구 사항은 손실과 왜곡이 최소화된 신호 전송입니다. 광전자 장치는 고분자 유기 화합물(광학 접착제 및 바니시), 칼코게나이드 매체 및 광섬유와 같은 고체 침지 매체를 사용합니다. 이미 터와 광검출기 사이의 광 채널 길이에 따라 광전자 장치는 광 커플러 (채널 길이 100 - 300 미크론), 광 절연체 (최대 1m) 및 광섬유 통신 라인 - FOCL (최대 수십 킬로미터).

표 2. 적외선 발광 다이오드의 주요 특징

다이오드 유형

총 방사 전력, mW

DC 순방향 전압, V

방사선 파장, µm

방사선 펄스 상승 시간, ns

방사선 펄스의 감쇠 시간, ns

AL106 A - D

0.6 - 1(50mA에서)

0.2 - 1.5(100mA에서)

6 - 10(100mA에서)

1.5(100mA에서)

0.2(20mA에서)

10(현재 50mA에서)

광커플러에 사용되는 광검출기는 스펙트럼 특성을 이미 터와 일치시키고, 광 신호를 전기 신호로 변환할 때 최소 손실, 감광도, 속도, 감광 영역 크기, 신뢰성 및 노이즈 수준에 대한 요구 사항이 적용됩니다.

광커플러의 경우 내부 광전 효과가 있는 광검출기가 가장 유망합니다. 특정 물리적 특성을 가진 물질 내부의 전자와 광자의 상호 작용이 이러한 물질의 결정 격자 대부분에서 전자 전이를 유도할 때입니다.

내부 광전 효과는 두 가지 방식으로 나타납니다. 빛의 작용에 따른 광검출기의 저항 변화(감광 저항기) 또는 두 재료(반도체-반도체, 금속-반도체) 사이의 계면에서 광기전력이 나타나는 것 (밸브 광전지, 광다이오드, 광트랜지스터).

내부 광전 효과가 있는 광검출기는 광다이오드( 피-N-접합, MIS 구조, 쇼트키 장벽), 포토레지스터, 내부 증폭이 있는 광검출기(포토트랜지스터, 합성 포토트랜지스터, 포토사이리스터, 필드 포토트랜지스터).

포토다이오드는 실리콘과 게르마늄을 기반으로 만들어집니다. 실리콘의 최대 분광 감도는 0.8 µm이고 게르마늄의 분광 감도는 최대 1.8 µm입니다. 그들은 역 바이어스로 작동합니다. 피-N- 특성의 속도, 안정성 및 선형성을 증가시킬 수 있는 전환.

대부분의 경우 광다이오드는 다양한 복잡성의 광전자 장치의 광검출기로 사용됩니다. 피- 나-N-구조물 나높은 전기장의 고갈 영역입니다. 이 영역의 두께를 다양하게 함으로써 캐리어의 낮은 정전용량과 비행시간으로 인해 속도와 감도 면에서 좋은 특성을 얻을 수 있다.

전하 캐리어를 곱하는 동안 광전류의 증폭을 사용하는 Avalanche 포토다이오드는 감도와 속도가 향상되었습니다. 그러나 이러한 포토다이오드는 온도 범위에서 충분히 안정적이지 않고 고전압 전원 공급 장치가 필요합니다. 쇼트키 장벽과 MIS 구조를 가진 포토다이오드는 특정 파장 범위에서 사용하기에 유망합니다.

포토레지스트는 주로 화합물(황 및 셀레늄이 포함된 카드뮴)을 기반으로 하는 다결정 반도체 필름으로 만들어집니다. 포토레지스터의 최대 분광 감도는 0.5 - 0.7 µm입니다. 포토 레지스터는 일반적으로 저조도에서 사용됩니다. 감도 측면에서 외부 광전 효과가 있는 장치인 광전자 증배관과 비슷하지만 저전압 전원 공급 장치가 필요합니다. 포토레지스터의 단점은 저속과 높은 노이즈 레벨입니다.

내부 증폭 기능이 있는 가장 일반적인 광검출기는 광트랜지스터와 광사이리스터입니다. 포토트랜지스터는 포토다이오드보다 민감하지만 느립니다. 광검출기의 감도를 높이기 위해 광 트랜지스터와 증폭 트랜지스터가 결합된 복합 광 트랜지스터가 사용되지만 속도가 느리다.

광커플러에서 광사이리스터(3개의 피- N-전환, 조명 시 스위칭), 감도 및 출력 신호 레벨이 높지만 속도가 충분하지 않습니다.

다양한 유형의 광커플러는 주로 광검출기의 특성과 특성에 따라 결정됩니다. 광 커플러의 주요 응용 프로그램 중 하나는 디지털 및 수신기의 효과적인 갈바닉 절연입니다. 아날로그 신호. 이 경우 광 커플러는 변환기 또는 신호 스위처 모드에서 사용할 수 있습니다. 광커플러는 허용 가능한 입력 신호(제어 전류), 전류 전달 비율, 속도(스위칭 시간) 및 부하 용량이 특징입니다.

스위칭 시간에 대한 전류 전달 계수의 비율을 옵토커플러의 품질 계수라고 하며 포토다이오드 및 포토트랜지스터 옵토커플러의 경우 10 5 - 10 6 입니다. 광사이리스터를 기반으로 하는 광커플러가 널리 사용됩니다. 포토레지스터 기반의 광커플러는 낮은 시간 및 온도 안정성으로 인해 널리 사용되지 않습니다. 일부 광 커플러의 다이어그램이 그림 1에 나와 있습니다. 네, 에이 - 씨.

간섭성 방사선원으로 높은 안정성, 우수한 에너지 특성 및 효율을 갖는 레이저가 사용됩니다. 광전자 공학에서 소형 장치 설계를 위해 반도체 레이저가 사용됩니다. 예를 들어 기존 정보 전송 라인 대신 광섬유 통신 라인에 사용되는 레이저 다이오드(케이블 및 와이어). 그들은 높은 대역폭(기가헤르츠의 대역폭), 전자기 간섭에 대한 저항, 낮은 무게 및 크기, 입력에서 출력까지의 완전한 전기 절연, 폭발 및 화재 안전을 갖추고 있습니다. FOCL의 특징은 특수 광섬유 케이블을 사용한다는 점이며 그 구조는 그림 1에 나와 있습니다. 5. 이러한 케이블의 산업용 샘플은 1 - 3dB/km 이하의 감쇠를 갖습니다. 광섬유 통신 회선은 전화 및 컴퓨터 네트워크, 전송된 이미지의 고품질 케이블 텔레비전 시스템을 구축하는 데 사용됩니다. 이 회선을 통해 수만 건의 전화 대화와 여러 텔레비전 프로그램을 동시에 전송할 수 있습니다.

최근 OIC(Optical Integrated Circuit)가 집중적으로 개발되고 보편화되고 있으며, 모든 소자는 기판에 필요한 물질을 증착하여 형성된다.

광전자공학에서 유망한 것은 전자 시계의 지표로 널리 사용되는 액정 기반 장치입니다. 액정은 유기물(액체) 결정의 성질을 갖고 결정상과 액체 사이의 전이 상태에 있다.

액정 표시기는 해상도가 높고 상대적으로 저렴하며 전력 소모가 적고 높은 조명 수준에서 작동합니다.

단결정과 유사한 성질을 갖는 액정(네마틱스)은 표시등 및 광학기억소자에 가장 많이 사용되며, 열을 가하면 색이 변하는 액정(콜레스테릭)이 개발되어 널리 사용되고 있습니다. 정보의 열광학 기록에 사용됩니다.

비교적 최근에 개발된 광전자 소자는 고유한 특성으로 인해 다양한 과학 및 기술 분야에서 널리 사용됩니다. 그들 중 다수는 진공 및 반도체 기술에 유사점이 없습니다. 그러나 신소재의 개발, 이들 소자의 전기적 및 동작적 특성의 개선, 제조를 위한 기술적 방법의 개발과 관련하여 여전히 해결되지 않은 많은 문제가 있다.

광전자 반도체 소자 - 스펙트럼의 가시광선, 적외선 또는 자외선 영역에서 복사, 투과 또는 흡수 현상의 사용을 기반으로 하는 반도체 장치.

넓은 의미의 광전자 장치는 장치입니다. , 작업에 광 복사 사용: 정보 신호 생성, 감지, 변환 및 전송. 일반적으로 이러한 장치에는 하나 이상의 광전자 요소 세트가 포함됩니다. 차례로, 장치 자체는 다양한 산업 분야에서 널리 사용하기 위해 대량 생산되는 것을 대표적인 것으로 간주하여 일반 및 특수 장치로 나눌 수 있으며 특수 장치는 특정 산업의 특성을 고려하여 생산됩니다. 우리의 경우, 인쇄.

다양한 광전자 소자는 다음 제품 그룹으로 나뉩니다. 방사선 소스 및 수신기, 표시기, 광학 요소 및 도광체뿐만 아니라 제어를 생성하고 정보를 표시 및 저장할 수 있는 광학 매체. 어떤 체계화도 철저할 수는 없지만 1869년에 화학 원소의 주기 법칙을 발견한 우리 동포 Dmitry Ivanovich Mendeleev(1834-1907)가 올바르게 지적했듯이 과학은 계산이 나타나는 곳에서 시작됩니다. 평가, 비교, 분류, 패턴 식별, 기준 정의, 일반적인 특징. 이를 고려하여 특정 요소에 대한 설명을 진행하기 전에 적어도 일반적으로 광전자 제품의 고유한 특성을 제공해야 합니다.

위에서 언급했듯이 광전자공학의 주요 특징은 정보와의 연결입니다. 예를 들어, 강철 샤프트를 경화시키기 위한 일부 설비에서 레이저 방사선이 사용되는 경우 이 설비를 광전자 장치로 돌리는 것은 거의 합리적이지 않습니다(레이저 방사선 소스 자체에 그렇게 할 권리가 있음에도 불구하고).

또한 광전자공학에는 일반적으로 고체 소자가 포함된다는 점에 주목했습니다(모스크바 전력 공학 연구소는 "반도체 광전자공학의 장치 및 장치"라고 하는 "광전자공학" 과정에 대한 교과서를 출판했습니다). 그러나 광전자 공학에 대한 개별 간행물은 광전자 증배관 및 음극선관(전기 진공 장치 유형에 속함), 가스 레이저 및 기타 고체 상태가 아닌 장치의 작동에 대해 자세히 논의하기 때문에 이 규칙은 그리 엄격하지 않습니다. 그러나 인쇄 업계에서는 이러한 장치가 반도체를 포함한 고체 상태 장치와 함께 널리 사용되어 유사한 문제를 해결하므로 이 경우에는 충분히 고려할 권리가 있습니다.

광전자 분야의 저명한 전문가인 Yuri Romanovich Nosov에 따르면 이를 과학적 및 기술적 방향으로 특징짓는 세 가지 특징을 더 언급할 필요가 있습니다.

광전자공학의 물리적 기반은 광학 및 전자 프로세스의 결합과 연속성이 기본이 되는 현상, 방법 및 수단으로 구성됩니다. 넓은 의미에서 광전자 장치는 가시광선, 적외선(IR) 또는 자외선(UV) 영역의 전자기 복사에 민감한 장치 또는 동일한 스펙트럼에서 간섭성 또는 간섭성 복사를 방출하고 변환하는 장치로 정의됩니다. 지역.

광전자공학의 기술적 기반은 현대 마이크로일렉트로닉스의 건설적이고 기술적인 개념에 의해 결정됩니다. 요소의 소형화; 단단한 평면 구조의 우선 개발; 요소와 기능의 통합.

광전자공학의 기능적 목적은 컴퓨터 과학 문제를 해결하는 것입니다. 다양한 외부 영향을 해당 전기 및 광학 신호로 변환하여 정보 생성(형성); 정보 이전; 주어진 알고리즘에 따른 정보의 처리(변환); 기록, 실제 저장, 비파괴 읽기, 지우기와 같은 프로세스를 포함한 정보 저장; 정보 표시, 즉 정보 시스템의 출력 신호를 인간이 인지할 수 있는 형태로 변환하는 것.

사용된 소스 목록

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

연방 교육 기관

고등 전문 교육의 주립 교육 기관

튜멘 주립 석유 및 가스 대학

교통 연구소

요약

"광전자 장치"주제.

완전한:

OBD 그룹 - 08

체커딘

확인됨:

시도로바 A.E.

벨로루시 공화국 교육부

교육 기관

"벨로루시 주립 대학

정보학 및 라디오 전자공학”

전기자동차학과

"광전자공학의 기초. 분류 광전자 장치"

2008년 민스크

광전자 공학은 기능 전자 및 마이크로 전자 공학의 중요한 독립 영역입니다. 광전자 장치는 정보를 처리할 때 전기 신호를 광 신호로 또는 그 반대로 변환하는 장치입니다.

광전자 장치의 본질적인 특징은 그 안에 있는 요소가 광학적으로 결합되어 있지만 서로 전기적으로 절연되어 있다는 것입니다.

이를 통해 고전압 및 저전압은 물론 고주파 및 저주파 회로를 쉽게 일치시킬 수 있습니다. 또한 광전자 장치에는 다른 장점이 내재되어 있습니다. 시간의 변화와 함께 3개의 자유도(순수한 전자 회로에서 2개)를 제공하는 광선의 공간 변조 가능성; 채널 사이에 갈바닉 연결이 없을 때 광선의 상당한 분기 및 교차 가능성; 많은 매개변수(진폭, 방향, 주파수, 위상, 편광)를 변경할 가능성으로 인해 광선의 큰 기능 부하.

광전자공학은 광학 및 전자 광학의 두 가지 주요 독립 영역을 다룹니다. 광학 방향은 고체와 전자기 복사의 상호 작용 효과를 기반으로 합니다. 그것은 홀로그래피, 광화학, 전기 광학 및 기타 현상에 의존합니다. 광학 방향은 때때로 레이저 방향이라고 합니다.

전자-광학 방향은 한편으로는 내부 광전 효과를 통해 고체에서 구현되고 다른 한편으로는 전계 발광을 통해 구현되는 광전 변환의 원리를 사용합니다. 이 방향은 기존 전자 회로의 갈바닉 및 자기 연결을 광학 연결로 대체하는 것을 기반으로 합니다. 이를 통해 통신 채널의 정보 밀도, 속도, 노이즈 내성을 높일 수 있습니다.

그림 1. 내부(a) 및 외부(b) 광자 결합이 있는 광커플러: 1, 6 – 광원; 2 - 라이트 가이드; 3, 4 - 수광기; 5 - 증폭기.

광전자공학의 주요 요소는 광커플러입니다. 내부(그림 1, a) 및 외부(그림 1, b) 광자 결합이 있는 광 커플러가 있습니다. 가장 간단한 광 커플러는 4단자 네트워크(그림 1, a)로, 광 방출기 1, 도광체 2 및 수광기 3의 세 가지 요소로 구성되며 밀봉된 빛이 새지 않는 하우징에 들어 있습니다. 펄스 또는 입력 전류 강하의 형태로 전기 신호가 입력에 가해지면 광이미터가 여기됩니다. 광 가이드를 통한 광속은 광검출기로 들어가고 출력에서 전기 펄스 또는 출력 전류 강하가 형성됩니다. 이 유형의 광 커플러는 내부 결합이 광자이고 외부 결합이 전기적인 전기 신호 증폭기입니다.

또 다른 유형의 옵토커플러 - 전기적 인터커플링 및 포토닉 포함 외부 관계(그림 1, b) - 광 신호 증폭기뿐만 아니라 한 주파수의 신호를 다른 주파수의 신호로 변환하는 변환기(예: 적외선 신호를 가시 스펙트럼 신호로 변환)입니다. 수광부(4)는 입력된 광 신호를 전기적 신호로 변환한다. 후자는 증폭기 5에 의해 증폭되고 광원 6을 여기시킵니다.

현재, 다양한 목적을 위한 많은 수의 광전자 소자가 개발되었다. 마이크로 전자 공학에서는 원칙적으로 통합 가능성이있는 광전자 기능 요소 만 사용되며 해당 집적 회로의 제조 기술과 제조 기술의 호환성이 있습니다.

광 방출기. 광전자공학 광원은 소형화, 저전력 소비, 고효율신뢰성, 긴 서비스 수명, 제조 가능성. 그것들은 고속이어야 하고 통합 장치 형태로 제조할 수 있어야 합니다.

가장 널리 사용되는 전계발광 소스는 전자와 정공의 대역간 재결합 메커니즘에 의해 발광이 결정되는 주입 LED입니다. 충분히 큰 주입 전류가 p-n 접합을 통해(순방향으로) 통과하면 가전자대에서 전자의 일부가 전도대로 이동합니다(그림 2). 가전자대의 상부에는 자유 상태(정공)가 형성되고, 전도대의 하부에는 채워진 상태(전도 전자)가 형성된다.

이러한 역 모집단은 평형이 아니며 역전자 전이 동안 광자의 혼돈 방출로 이어집니다. 이 경우 pn 접합에서 발생하는 비간섭성 글로우는 전계발광입니다.

그림 2. 주입 LED의 작동 원리를 설명합니다.

전도대의 채워진 부분에서 가전자대의 자유 부분으로의 발광 전이 동안 방출된 광자는 동일한 광자의 유도 방출을 일으켜 다른 전자가 가전자대로 점프하게 합니다. 그러나 동일한 에너지(∆E=E2-E1에서 ∆E=2δE까지)의 광자는 흡수될 수 없습니다. 왜냐하면 하위 상태는 자유롭고(전자가 없음) 상위 상태는 이미 채워져 있기 때문입니다. 이것은 pn 접합이 이 에너지의 광자에 대해 투명하다는 것을 의미합니다. 해당 주파수에 대해 반대로 ∆E+2δE보다 큰 에너지를 가진 광자는 흡수되어 전자를 가전자대에서 전도대로 이동할 수 있습니다. 동시에, 그러한 에너지의 경우, 상부 초기 상태는 채워지지 않고 하부 상태는 채워지기 때문에 유도된 광자의 방출은 불가능합니다. 따라서 스펙트럼 폭 δE를 갖는 밴드 갭 에너지 ∆Е에 해당하는 주파수 주변의 좁은 범위에서 유도 방출이 가능합니다.

LED에 가장 적합한 재료는 갈륨 비소, 갈륨 인화물, 실리콘 인화물, 실리콘 카바이드 등입니다. LED는 고속(약 0.5μs)이지만 높은 전류(약 30A/cm2)를 소비합니다. 최근에 갈륨 비소 - 알루미늄을 기반으로 한 LED가 개발되었으며 그 전력 범위는 수십 밀리암페어의 직류에서 분수에서 수 밀리와트에 이릅니다. LED의 p.d.는 1 - 3%를 초과하지 않습니다.

유망한 광원은 주입 레이저로 좁은 스펙트럼 영역에 높은 에너지를 고효율 및 고속(수십 피코초)으로 집중할 수 있습니다. 이러한 레이저는 집적 회로와 동일한 기술을 사용하여 단일 기본 칩에서 매트릭스 형태로 만들 수 있습니다. 단순 주입 레이저의 단점은 매우 낮은 온도로 냉각할 때만 허용 가능한 성능을 갖는다는 것입니다. ~에 평온갈륨 비소 레이저는 작은 평균 전력, 낮은 효율(약 1%), 낮은 안정성 및 서비스 수명. 이종접합(heterojunction)을 사용하여 복잡한 구조의 접합을 생성하여 주입 레이저의 추가 개선(이종 접합 - 동일한 유형의 전기 전도도를 갖지만 다른 밴드 갭을 갖는 층 사이의 경계)을 통해 작동하는 소형 광원을 얻을 수 있었습니다. 10 - 20%의 효율과 허용 가능한 특성을 가진 상온.

광검출기. 광 신호를 전기 신호로 변환하기 위해 광 다이오드, 광 트랜지스터, 광 저항, 광 사이리스터 및 기타 장치가 사용됩니다.

포토다이오드는 역 바이어스된 pn 접합이며, 역전류포화도는 입사광의 작용에 의해 생성된 전하 캐리어의 수에 의해 결정됩니다(그림 3). 포토 다이오드의 매개 변수는 회로에 흐르는 전류 값으로 표현됩니다. 일반적으로 적분이라고 하는 광다이오드의 감도는 광전류와 광전류의 비율로 정의됩니다. 광속푸. 포토다이오드의 감도 임계값은 적분(전류) 감도와 암전류 Id의 알려진 값, 즉 민감한 층의 조사가 없을 때 회로에 흐르는 전류.

포토다이오드의 주재료는 게르마늄과 실리콘이다. 실리콘 포토다이오드는 일반적으로 스펙트럼의 좁은 영역(λ = 0.6 - 0.8 μm ~ λ = 1.1 μm)에서 최대 λ = 0.85 μm로 민감하고 게르마늄 포토다이오드는 최대 감도 한계 λ = 0.4 - 1.8 μm를 갖습니다. λ ≈ 1.5 µm에서. 공급 전압이 20V인 포토다이오드 모드에서 실리콘 포토다이오드의 암전류는 일반적으로 3μA를 초과하지 않는 반면 게르마늄의 암전류는 3μA를 초과하지 않습니다. 10V의 공급 전압에서 광다이오드의 경우 15-20μA에 이릅니다.

그림 3. 포토다이오드의 회로도 및 전류-전압 특성.

그림 4. 포토 트랜지스터의 회로도 및 전류-전압 특성.

포토트랜지스터는 2개 이상의 pn 접합을 갖는 복사 에너지를 받는 수신기로, 감광층이 조사되면 광전류를 증폭시키는 특성을 갖는다. 포토트랜지스터는 포토다이오드의 특성과 트랜지스터의 증폭 특성을 결합한 것입니다(그림 4). 광 트랜지스터에 광 및 전기 입력이 동시에 존재하면 에너지 특성의 선형 섹션에서 작동하는 데 필요한 바이어스를 생성하고 이를 보상할 수 있습니다. 외부 영향. 작은 신호를 감지하려면 포토 트랜지스터에서 가져온 전압을 증폭해야 합니다. 이 경우 출력 저항을 높이십시오. 교류컬렉터 회로에 최소한의 암전류로 베이스에 양의 바이어스를 생성합니다.

라이트 가이드. 광커플러에서 광원과 수광기 사이에는 라이트 가이드가 있습니다. LED와 전도성 매체(광섬유) 사이의 계면에서 반사 손실을 줄이려면 후자가 높은 굴절률을 가져야 합니다. 이러한 매체를 침지라고 합니다. 침지 재료는 소스 및 리시버 재료에 대한 접착력도 좋아야 하고 팽창 계수 측면에서 충분한 일치를 제공해야 하며 작업 영역에서 투명해야 합니다. 가장 유망한 것은 굴절률이 1.8-1.9인 납 유리와 굴절률이 2.4-2.6인 셀레늄 유리입니다. 그림 5는 immersion light guide가 있는 솔리드 스테이트 옵토커플러의 단면을 보여줍니다.

유리 또는 투명 플라스틱의 얇은 필라멘트는 광전자공학에서 도광체로 사용됩니다. 이 방향을 광섬유라고 합니다. 광섬유는 차광 재료로 덮여 있으며 다중 코어 광 케이블에 연결됩니다. 전류와 관련하여 금속 와이어와 동일한 기능을 빛에 대해 수행합니다. 광섬유의 도움으로 다음이 가능합니다. 광섬유의 직경(약 1미크론)에 의해 결정된 해상도로 이미지의 요소별 전송을 수행합니다. 도광체의 섬유를 구부리고 비틀릴 가능성으로 인해 이미지의 공간적 변형을 생성합니다. 장거리 등으로 이미지를 전송합니다. 그림 6은 광 전도성 섬유 케이블 형태의 광 가이드를 보여줍니다.

통합 광학. 기능적 마이크로일렉트로닉스의 유망한 분야 중 하나는 광학 정보의 전송 및 처리를 위한 매우 효율적인 시스템의 생성을 보장하는 통합 광학입니다. 통합 광학의 연구 영역에는 유전체 박막 도파관 및 광섬유의 광학 범위에서 전자기 복사의 전파, 변환 및 증폭이 포함됩니다. 통합 광학의 주요 요소는 벌크 또는 표면 광학 마이크로파 가이드입니다. 가장 단순한 대칭 체적 광학 마이크로웨이브 가이드는 주변 광학 매체의 굴절률보다 큰 굴절률을 갖는 1차원 또는 2차원 공간에 국한된 영역입니다. 이러한 광학적으로 더 조밀한 영역은 유전체 도파관의 채널 또는 캐리어 층과 다른 것입니다.

그림 5. immersion light guide가 있는 솔리드 스테이트 옵토커플러 섹션: 1 – 평면 확산; 2 - 셀레늄 유리; 3 - 저항 접점; 4 - 확산 메사 구조; 5 - 광원; 6 - 수광기.

그림 6. 광 전도성 섬유 케이블 형태의 도광체: 1 - 광원; 2 - 수광기; 3 - 라이트 케이블.

비대칭 표면 유전체 도파관의 예는 광학적으로 투명한 기판의 굴절률보다 큰 굴절률을 갖는 광학적으로 투명한 유전체 또는 반도체의 박막입니다. 전자기장의 국부화 정도와 캐리어 층과 기판을 따라 전달되는 에너지 플럭스의 비율은 캐리어 층의 유효 가로 크기와 캐리어 층의 굴절률과 기판의 굴절률 차이에 의해 결정됩니다. 주어진 방사선 주파수에서 기판. 비교적 간단하고 고체 상태의 광학 장치에 가장 적합한 것은 얇은 유전체 필름(그림 7) 형태로 만들어진 광학 스트립 마이크로웨이브 가이드로, 마이크로일렉트로닉스 방법(예: 진공 증착)으로 기판에 증착됩니다. 마스크를 사용하면 전체 광회로를 유전체 기판에 고정밀도로 적용할 수 있습니다. 전자빔 리소그래피의 사용은 단일 광학 스트립 도파관과 특정 길이에 걸쳐 광학적으로 결합된 도파관의 생성에 성공을 보장했으며, 후속적으로 발산 도파관을 만들었습니다. 이는 통합 광학 시스템에서 지향성 결합기 및 주파수 선택 필터 생성에 필수적입니다. .

그림 7. 직사각형의 광학 스트립 마이크로웨이브 가이드 교차 구역: 1 - 기판; 2 - 유전체 필름.

광전자 마이크로 회로. 광전자 공학을 기반으로 많은 수의 미세 회로가 개발되었습니다. 국내 산업에서 생산되는 일부 광전자 마이크로 회로를 고려하십시오. 마이크로 전자 공학에서는 갈바닉 절연의 광전자 마이크로 회로가 가장 널리 사용됩니다. 여기에는 아날로그 신호 기능 처리 시스템에 사용하기 위한 고속 스위치, 아날로그 신호 스위치, 스위치 및 아날로그 광전자 장치가 포함됩니다.

모든 광전자 마이크로 회로의 주요 요소는 입력 신호에 의해 제어되는 광원 1, 광원에 광학적으로 결합된 침지 매체 2 및 광검출기 3으로 구성된 광 커플러 쌍(그림 8, a, b)입니다. 옵토커플러 쌍 매개변수는 디커플링 저항입니다. 직류, 전류 전달 비율(수신기 광전류 대 이미터 전류의 비율), 스위칭 시간, 스루 커패시턴스.

광전자 쌍을 기반으로 다양한 목적을 위한 광전자 미세 회로가 생성됩니다.