بيت طب العظام أساسيات نظرية ماكسويل للمجال الكهرومغناطيسي. جامعة موسكو الحكومية لفنون الطباعة

طب العظام

أساسيات نظرية ماكسويل للمجال الكهرومغناطيسي. جامعة موسكو الحكومية لفنون الطباعة

مصادر الإشعاع الضوئي المستخدمة في الإلكترونيات الضوئية، بشكل عام، متنوعة للغاية. ومع ذلك، فإن معظمها (المصابيح المتوهجة الصغيرة ومصابيح تفريغ الغاز، وبواعث المسحوق والأفلام الكهربائية، وبواعث الإضاءة الكاثودية الفراغية والعديد من الأنواع الأخرى) لا تلبي المجموعة بأكملها المتطلبات الحديثةوتستخدم فقط في أجهزة معينة، بشكل رئيسي في أجهزة المؤشر وجزئيًا في أجهزة optocouplers.

عند تقييم احتمالات مصدر معين، يتم لعب الدور الحاسم من خلال حالة تجميع المادة المضيئة النشطة (أو المادة التي تملأ حجم العمل). من بين جميع الخيارات الممكنة (الفراغ، الغاز، السائل، الصلب)، يتم إعطاء الأفضلية لمادة الحالة الصلبة، و"داخلها" لمادة أحادية البلورية لأنها توفر أكبر قدر من المتانة والموثوقية للأجهزة.

يتكون أساس الإلكترونيات الضوئية من مجموعتين من الباعثات:

1) المولدات الضوئية للإشعاع المتماسك (الليزر)، ومن بينها ليزر أشباه الموصلات الذي ينبغي تمييزه؛

1) ثنائيات أشباه الموصلات الباعثة للضوء بناءً على مبدأ التلألؤ الكهربائي بالحقن التلقائي.

جهاز أشباه الموصلات الضوئية هو جهاز من أشباه الموصلاتانبعاث أو تحويل الإشعاع الكهرومغناطيسي الحساس لهذا الإشعاع في المناطق المرئية والأشعة تحت الحمراء و (أو) فوق البنفسجية من الطيف، أو استخدام هذا الإشعاع للتفاعل الداخلي لعناصره.

يمكن تقسيم أجهزة أشباه الموصلات الضوئية إلى بواعث أشباه الموصلات ومستقبلات الإشعاع والمقرنات الضوئية والدوائر الإلكترونية الضوئية المتكاملة (الشكل 2.1).

باعث أشباه الموصلات هو جهاز أشباه الموصلات الضوئية الذي يحول الطاقة الكهربائية إلى طاقة الإشعاع الكهرومغناطيسي في المناطق المرئية والأشعة تحت الحمراء والأشعة فوق البنفسجية من الطيف.

يمكن للعديد من بواعث أشباه الموصلات أن تبعث فقط موجات كهرومغناطيسية غير متماسكة. وتشمل هذه بواعث أشباه الموصلات في المنطقة المرئية من الطيف - أجهزة عرض معلومات أشباه الموصلات (الثنائيات الباعثة للضوء، ومؤشرات إشارة أشباه الموصلات، والمقاييس والشاشات)، بالإضافة إلى بواعث أشباه الموصلات في منطقة الأشعة تحت الحمراء من الطيف - الثنائيات الباعثة للأشعة تحت الحمراء.

بواعث أشباه الموصلات متماسكة- هذه هي أشعة ليزر أشباه الموصلات مع أنواع مختلفة من الإثارة. يمكنها إصدار موجات كهرومغناطيسية ذات سعة وتردد وطور واتجاه انتشار واستقطاب معين، وهو ما يتوافق مع مفهوم التماسك.

الغرض من العمل هو الدراسة التجريبية لخصائص الأجهزة الحساسة للضوء والباعثة للضوء.

معلومات نظرية مختصرة

يمكن تقسيم أجهزة أشباه الموصلات الضوئية إلى مجموعتين: باعثة للضوء وحساسة للضوء (مستقبلة للضوء). تتضمن المجموعة الأولى مصابيح LED وبواعث الليزر شبه الموصلة، وتشمل المجموعة الثانية الثنائيات الضوئية والترانزستورات الضوئية والثايرستور الضوئي والمقاومات الضوئية وعددًا آخر.

مقدمة. المجال الحديث للإلكترونيات الضوئية واسع للغاية، ويغطي دراسة الأجهزة التي يرتبط تشغيلها بالظواهر الضوئية والكهربائية، مثل الأنواع المختلفة من الخلايا الحساسة للضوء، ومولدات الضوء، والمعدلات، وشاشات العرض، وما إلى ذلك. سنقتصر على دراسة الأجهزة وأجهزة الكشف عن الضوء.

تعريف الإلكترونيات الضوئية هي دراسة وتطبيق المعدات الإلكترونية التي توفر الضوء وتكتشفه وتتحكم فيه. الأجهزة الإلكترونية الضوئية هي محولات كهربائية إلى بصرية أو بصرية إلى كهربائية، أو الأجهزة التي تستخدم مثل هذه الأجهزة في تشغيلها.

LED عبارة عن جهاز به وصلات p-n بين طبقات المواد شبه الموصلة المدرجة في تركيبته. إنه يحول طاقة التيار المتدفق من خلاله إلى إشعاع كهرومغناطيسي غير متماسك.

عندما يمر تيار أمامي عبر الصمام الثنائي في منطقة الوصلة p-n، تحدث إعادة تركيب الإلكترونات والثقوب. يمكن أن تكون هذه العملية مصحوبة بإشعاع كهرومغناطيسي بتردد تحدده العلاقة:

تقوم هذه الأجهزة بتحويل الطاقة الكهربائية إلى طاقة ضوئية. تنبعث منها الضوء عند تفعيلها بالطاقة الكهربائية. تقوم هذه الأجهزة بتوليد إشارة كهربائية صغيرة عند إضاءتها، وبالتالي تحويل الطاقة الضوئية إلى طاقة كهربائية.

مصابيح LED هي تلك المتوفرة على شكل مصابيح كهربائية ملونة والتي تأتي في الأجهزة الإلكترونية الضوئية والأجهزة المنزلية ولعب الأطفال والعديد من الأماكن الأخرى. الثنائيات الباعثة للضوء هي صمامات ثنائية تؤثر على إنتاج الضوء عندما تتدفق الكهرباء من خلالها. تمتلك الثنائيات خاصية تسمح للتيار بالمرور في اتجاه واحد فقط وليس في الاتجاه الآخر.

- القيمة المقابلة لفجوة نطاق أشباه الموصلات، - ثابت بلانك . ومع ذلك، بالتزامن مع آلية إعادة التركيب (الإشعاعية)، تعمل آلية غير إشعاعية أيضًا، وترتبط بشكل خاص بامتصاص الطاقة بواسطة الشبكة البلورية. عند تصنيع مصابيح LED، فإنهم يسعون جاهدين لتقليل تأثيرها. يتم تقدير كفاءة تحويل الطاقة الكهربائية إلى ضوء بالقيمة وتسمى كفاءة الكم الداخلية. يتم تحديده من خلال نسبة عدد الفوتونات المنبعثة إلى عدد أزواج الموجات الحاملة المعاد تجميعها.

الثنائيات الباعثة للضوء. تسمى هذه الشوائب بالذرات المانحة لأنها تساهم بإلكترون "حر" نسبيًا في البنية. تسمى هذه الشوائب بالذرات المستقبلة لأن عدد الإلكترونات غير كافي لإكمال الروابط التساهمية للشبكة، مما يؤدي إلى وجود ثقب يقبل الإلكترون بسرعة. يمكن للإلكترونات والثقوب أن تتحرك تحت تأثير الحقل الكهربائيوعندما تتحد معًا يتكون فوتون أو جسيم ضوئي. تتطلب إعادة التركيب هذه نقل طاقة الإلكترون الحر غير المنضم إلى حالة أخرى.

كما يلي من (5.1)، الطول الموجي لإشعاع LED

يتناسب عكسيا مع فجوة نطاق أشباه الموصلات. بالنسبة للثنائيات المصنوعة من الجرمانيوم والسيليكون وزرنيخيد الغاليوم، فإن الحد الأقصى للطاقة المنبعثة يحدث في منطقة الأشعة تحت الحمراء، وبالإضافة إلى ذلك، بالنسبة لثنائيات الجرمانيوم والسيليكون، هناك احتمال كبير لإعادة التركيب غير الإشعاعي.

قد تكون هذه النصوص مثيرة للاهتمام أيضًا

وفي السيليكون والجرمانيوم، تكون الأغلبية على شكل حرارة، والضوء المنبعث لا يكاد يذكر. تنتج هذه الأخطاء عن وجود التوافقيات في الشبكة، بالإضافة إلى دقة القياس في أجهزة الاختبار. هل يمكن للقاضي أن يعتمد على الوقائع الظاهرة التي لم يزعمها الأطراف فحسب، بل يجب أن يكون قد تم الحصول عليها بطريقة أخرى، أو هل يمكنه أن يبني قراره فقط على الوقائع التي يزعمها الأطراف؟ لماذا نستخدم مجموعة من المعرفة في إدارة المشاريع؟ . ويشارك مشروع الإلكترونيات الضوئية البلازما في الأبحاث التجريبية والشاملة في مجال الإلكترونيات العضوية، بدءًا من تنفيذ الأجهزة، وتوصيفها الإلكترونيات الضوئية، وحتى نمذجة خصائصها الفيزيائية.

لتصنيع مصابيح LED المنبعثة في النطاق المرئي، يتم استخدام مواد خاصة لأشباه الموصلات - فوسفيد الغاليوم، ونيتريد الغاليوم، وكربيد السيليكون وغيرها مع فجوة شريطية كبيرة. تستخدم مصابيح LED الحديثة الوصلات غير المتجانسة، أي هياكل أشباه الموصلات القائمة على مواد ذات فجوات نطاقية مختلفة.

يشمل مجال الإلكترونيات العضوية تقنيات مختلفة تستخدم الأجهزة الأساسية. الثنائيات الباعثة للضوء في مجال شاشات العرض المسطحة والإضاءة منخفضة الطاقة ترانزستورات التأثير الميداني في الدوائر المنطقية - ذاكرة لدعم الأسلاك الكهربائية البدوية أو خارج الشبكة. يتم تطوير أنشطة المجموعة من خلال التعاون المحلي والوطني والدولي مع شركاء من العالم الأكاديمي، وكذلك الهياكل الصناعية الإقليمية والوطنية.

ترسيب البخار بواسطة الشعاع الأيوني

تستخدم معظم المكونات الإلكترونية الضوئية الكاثودات الناتجة عن التبخر الفراغي. يتضمن ترسيب بخار الشعاع الأيوني الترسيب عن طريق التبخر على الركيزة وتعريض الركيزة في نفس الوقت لحزمة من الأيونات النشطة. تؤدي هذه الطريقة إلى تغييرات بصرية وكهربائية وميكانيكية و الخواص الكيميائيةالطبقة المودعة. تتيح هذه الطريقة، على وجه الخصوص، ضغط الطبقات المترسبة من أجل الحد من انتشار الأكسجين والماء داخل المكونات. وهذا يحسن عمر خدمة المكونات.

في التين. يوضح الشكل 5.1 اعتماد شدة إشعاع مصابيح LED المصنوعة من مواد مختلفة على الطول الموجي (الخصائص الطيفية)، ويظهر هناك أيضًا رمز LED على الدوائر الكهربائية.

أرز. 5.1. الخصائص الطيفية وتعيين المصابيح على المخططات الكهربائية.

تطوير أشباه الموصلات غير العضوية ذات البنية النانوية

وفي هذا السياق، تم تطوير تقنيات الرش بالشعاع الأيوني الناعم في المختبر. المكونات الإلكترونية البصرية الهجينة باستخدام خصائص العضوية و مادة غير عضويةفي نفس الجهاز، أظهرت الآن إمكانات مهمة لتطوير حلول تنافسية منخفضة التكلفة. في هذا السياق، نحن مهتمون بتخليق البلورات النانوية لأكسيد الفلز غير العضوي مع أشكال مورفولوجية يتم التحكم فيها جيدًا والمستخدمة في الطبقات النشطة لأجهزتنا، بالإضافة إلى ترسيب الطبقات الرقيقة غير العضوية عن طريق الانحلال الحراري للهباء الجوي المستخدم كأقطاب كهربائية موصلة شفافة أو طبقات عازلة أو طبقات عازلة في المكونات المطورة في المختبر.

إن خاصية الجهد الحالي لمصباح LED (الشكل 5.2) تشبه خاصية الصمام الثنائي التقليدي لأشباه الموصلات. تكمن خصوصيتها في أن الفولتية الأمامية يمكن أن تصل إلى عدة فولت (بسبب فجوة النطاق الكبيرة)، والجهد العكسي صغير بسبب سمك الوصلة pn الصغير. في حالة حدوث عطل كهربائي لمصباح LED، بسبب تأثير التأين في حجم تقاطع p-n، قد يحدث أيضًا إشعاع للطاقة الكهرومغناطيسية. إلا أن شدة الإشعاع في هذا الوضع منخفضة، ولا تجد تطبيقا عمليا.

تقنيات جديدة يجري تطويرها

تضمين المواد العضوية عن طريق الاستئصال بالليزر. . يمكن استخدام ظاهرة الاستئصال بالليزر لإنتاج طبقات عضوية رقيقة: فهي تتمتع بميزة إنتاج طبقات ذات سماكة يمكن التحكم فيها وجودة بلورية جيدة عند درجة الحرارة. بيئة. لتجنب تدهور التركيب الجزيئي للمركب، من الضروري العمل بكثافة تدفق منخفضة قريبة من عتبة التدفق. يسمح الاستئصال بالليزر أيضًا بالحفر الانتقائي للطبقات المودعة مسبقًا من خلال قناع.

أرز. 5.2. خصائص الجهد الحالي للمصابيح.

من الخصائص المهمة لمصباح LED السطوع، أي الاعتماد على سطوع الإشعاع على حجم التيار إلى الأمام. يتم تحديد السطوع بنسبة شدة الإضاءة إلى مساحة السطح المضيء. يظهر الشكل التقريبي لهذه الخاصية. 5.3. يتم تفسير انحناءاته في القسمين الأولي والأخير من خلال حقيقة أنه عند التيارات المنخفضة والعالية يزداد احتمال إعادة التركيب غير الإشعاعي.

تطوير أقطاب كهربائية تعتمد على أنابيب الكربون النانوية. . من وجهة نظر كهربائية، تتميز الأنابيب النانوية بكونها إما معدنية أو شبه موصلة اعتمادًا على شكلها الهندسي. ومن خلال مناهج الحلول، نهدف إلى تطوير وتحسين الأقطاب الكهربائية المعتمدة على أنابيب الكربون النانوية.

تطوير المكونات الهجينة عن طريق هطول الأمطار المشترك. . مبدأ هطول الأمطار المشترك للمكونات الهجينة. كنهج جديد، نقترح الترسيب المشترك للمواد العضوية عن طريق التبخر والمواد غير العضوية عن طريق الرش الأيوني. يمكن أيضًا استخدام هذه الطبقات الهجينة كطبقات عازلة لتغليف المكونات.

أرز. 5.3. خصائص سطوع LED.

مصابيح LED، على عكس الأجهزة الباعثة الأخرى (المصابيح المتوهجة، وما إلى ذلك)، سريعة المفعول للغاية (خالية من القصور الذاتي). الوقت الذي يصل فيه التدفق الضوئي الناتج عن مؤشر LED عند تطبيق نبضة تيار مباشر مستطيلة إلى الحد الأقصى من بضعة ميكروثانية إلى عشرات النانو ثانية.

الأجهزة الضوئية

الخلايا الكهروضوئية العضوية والهجينة

تسمح الخلايا الكهروضوئية بتحويل الطاقة الضوئية إلى طاقة كهربائية عن طريق امتصاص الفوتونات، ثم إنشاء ونقل الشحنات الحرة في النهاية في طبقة نشطة تتكون من مواد مانحة للإلكترون ومستقبلة للإلكترون. تتمتع الخلايا العضوية المعتمدة على جزيئات مترافقة صغيرة أو بوليمرات شبه موصلة بميزة تطويرها بتكلفة منخفضة على ركائز مرنة.

بالنسبة للخلايا الشمسية العضوية، فإن الأهداف الرئيسية هي. التحكم في التشكل على مقياس النانومتر لكلا المكونين بناءً على جزيئات صغيرة متبخرة وخلايا تعتمد على بوليمرات مترافقة ومستقبلات جزيئية قابلة للذوبان.

تتميز مصابيح LED بالمعلمات الرئيسية التالية: الطول الموجي للإشعاع الأقصى أو لون التوهج؛ السطوع أو شدة الإضاءة عند تيار أمامي معين؛ انخفاض الجهد الأمامي عند تيار أمامي معين والحد الأقصى المسموح به للتيار الأمامي والجهد العكسي والطاقة التي يتبددها LED.

الثنائي الضوئي هو جهاز شبه موصل يكون وصلة p-n مفتوحة للإشعاع الخارجي. إذا لم تكن مصادر الجهد الخارجية متصلة بأطراف الصمام الثنائي لأشباه الموصلات، فإن الوصلة p-n تكون في حالة توازن. في هذه الحالة يكون فرق الجهد عند أطراف الدايود صفراً، وعند السطح البيني بين طبقات أشباه الموصلات يوجد مجال كهربائي داخلي يمنع حركة حاملات الأغلبية عبر الوصلة p-n.

تحسين الأقطاب الكهربائية باستخدام طرق الشعاع الأيوني. نمذجة المناطق النشطة للخلايا لتحسين خصائصها وعمرها. تحسين هياكل القطب الكهربائي للخلايا الشمسية على أساس الجزيئات الصغيرة المتبخرة. بالتوازي مع المكونات العضوية، بدأنا مؤخرًا في إنتاج وتوصيف الإلكترونيات الضوئية للخلايا الكهروضوئية الهجينة القائمة على أكاسيد المعادن ذات البنية النانوية. نحن مهتمون بشكل رئيسي بالخلايا الصلبة الحساسة للصبغة، والتي يمكن للأداء المحتمل لها بالإضافة إلى الخلايا الحساسة، أن نواصل أيضًا تطوير المكونات الهجينة التقليدية.

تحت تأثير الإشعاع الكهرومغناطيسي (تحت الإضاءة)، يتم كسر روابط الإلكترونات مع الذرات في الحجم الانتقالي - توليد أزواج ثقب الإلكترون. وتسمى هذه الظاهرة التأثير الكهروضوئي الداخلي. سيعمل حقل الوصلة pn على نقل الثقوب الناتجة إلى المنطقة ص-أشباه الموصلات، والإلكترونات، على التوالي ن-أشباه الموصلات، وفصل الناقلات المولدة. في هذه الحالة، سيظهر فرق جهد معين عند الحواف الخارجية لطبقات أشباه الموصلات (“+” على أنود الصمام الثنائي، “-” على كاثوده) وفي نفس الوقت ارتفاع حاجز الجهد pn سوف ينخفض التقاطع بمقدار هذا الفرق.

تهدف الجهود الرئيسية إلى التحكم الدقيق في البنى النانوية من خلال التطوير المنخفض التكلفة لطبقات أكسيد الفلز النانوي. مبدأ خلايا الصبغة الحساسة في الحالة الصلبة. جهة الاتصال: تييري تريجوت، برونو لوكاس. ويعمل الفريق على تطوير تقنيات جديدة لإنتاج دوائر إلكترونية تعتمد على الترانزستورات العضوية. الهدف هو الحصول على منتجات منخفضة التكلفة بسبب المواد المستخدمة وطرق الإنتاج المستخدمة. مجالان من مجالات البحث تم تطويرهما بشكل أساسي في المختبر.

الترانزستورات العضوية الشفافة. الدوائر المرنة المنتجة بطرق الطباعة. تمت دراستها من الناحية النظرية. فيزياء أشباه الموصلات العضوية. حلول تكنولوجيا الطباعة. حالة الواجهات: حسب طرق الترسيب والمواد المودعة.

يسمى فرق الجهد الناتج عن الثنائي الضوئي تحت تأثير الضوء photo emf.

. تعتمد قيمته على التدفق الضوئي (الشكل 5.4)، ولكن صورة EMF. لا يمكن أن يتجاوز فرق الاتصال المحتمل . ويفسر ذلك حقيقة أن اتجاهات المجالات الخارجية والداخلية متعارضة ومتزايدة يتناقص المجال الكهربائي الإجمالي المسبب لحركة حاملات الشحنة. إذا كانت الصورة emf متساوية. و سوف تختفي القوة المسببة لحركة الناقلات. يُطلق على حجم فرق الجهد المتكون عند أطراف الثنائي الضوئي عندما تكون الدائرة الخارجية مفتوحة جهد الدائرة المفتوحة.

هندسة السلاسل العضوية. الخصائص النموذجية للترانزستور العضوي المترسب على ركيزة مرنة. بالإضافة إلى ذلك، نقوم بتطوير مكونات متقدمة أخرى تعتمد على الترانزستورات العضوية، مثل الخلايا الكهروضوئية. حقًا، تأثيرات مختلفةيمكن إنتاجها في المواد الصلبة عن طريق امتصاص أو انبعاث الفوتون من المادة، مثل الموصلية الضوئية أو التأثير الكهروضوئي، والتي ترتبط مباشرة بآليات النقل. يمكن استخدام الترانزستور الضوئي الذي يستغل خصائص التوصيل الضوئي للطبقة النشطة من الترانزستور كمفتاح مستخرج للضوء، أو كمضخم شبكة بصرية، أو كدائرة كشف، أو كجهاز استشعار.

أرز. 5.4. الاعتماد على الصورة emf. وتيار الدائرة القصيرة للوصلة p-n من حجم التدفق الضوئي.

إذا كانت أسلاك الصمام الثنائي المزود بوصلة p-n المضيئة قصيرة الدائرة، فسوف يتدفق تيار كهربائي يسمى التيار الضوئي عبر الموصل ، بسبب الحركة الموجهة للناقلات الحرة المتكونة في المنطقة الانتقالية. ستحدث حركتهم تحت تأثير المجال الكهربائي الداخلي للانتقال. عندما يضيء الثنائي الضوئي، سيتم الحفاظ على هذا التيار بواسطة طاقة الإشعاع الضوئي، مما يتسبب في توليد أزواج ثقب الإلكترون. مع عدم وجود مقاومة للدائرة الخارجية، يُسمى هذا التيار بتيار الدائرة القصيرة.

المصابيح العضوية

الترانزستور العضوي على ركيزة مرنة تحت الإثارة الضوئية. الاستجابة الزمنية للترانزستور الفولتية المختلفةاستنزاف اعتمادا على الإضاءة. جهة الاتصال: ريمي أنتوني، برونو لوكاس. تقوم الثنائيات العضوية الباعثة للضوء بتحويل الطاقة الكهربائية إلى طاقة ضوئية. تكون الهياكل من النوع الساندويتش مع طبقة عضوية واحدة أو أكثر محصورة بين قطبين كهربائيين، أحدهما شفاف بالنسبة لطول الموجة المنبعثة. إن تطبيق مجال كهربائي على أطراف أحد المكونات يسمح بإدخال حاملات الأحمال التي ستنتقل إلى الطبقات العضوية، وإعادة تركيب هذه الحاملات ينتج شبه جسيم يسمى إكسيتون.

حجم التيار الضوئي ، مثل قيمة photo-emf، تتناسب مع التدفق الضوئي (الشكل 5.4)، ولكن الاعتماد المقابل

لا يحتوي على قسم تشبع واضح، لأنه بالنسبة لأي عدد من الموجات الحاملة المتكونة، فإن المجال الكهربائي المؤثر عليها سيكون مساويا لمجال فرق جهد التلامس.

يعتمد الطول الموجي للضوء المنبعث والخصائص الإلكترونية الضوئية الأخرى على طبيعة الطبقة المنبعثة. خصائص الخلية الكهروضوئية في الظلام وتحت الضوء. تسمح هذه المكونات، على سبيل المثال، بنقل المعلومات عن طريق الحفاظ على العزل الكهربائي، والذي يمكن استخدامه أيضًا لتقييم أدائها من حيث العمر الافتراضي أو الاستقرار الحراري.

تقنيات التوصيف المتقدمة

قياس حركة الأحمال وظواهر النقل

وبالتالي، فإن خصائص المكونات العضوية تعتمد بشكل كبير على حركة الناقل وآليات النقل. لذلك، لتقييم هذه المعلمات الدقيقة التي تحتاج إلى قياس، قمنا بتطوير طريقة قياس التنقل بناءً على قياسات العزل الكهربائي: الاستقراء بتردد منخفض جدًا في تمثيل خسائر العزل الكهربائي كدالة للتردد يسمح بالحصول على الموصلية. ثم، بناءً على كثافة التيار مقابل خاصية الجهد، يتم تحديد كثافة الموجة الحاملة لتحديد حركتها أخيرًا.

وبالتالي، في ظل وجود مصادر إضاءة خارجية، يمكن أن يعمل الثنائي الضوئي كمولد للقوى الدافعة الكهربية. أو الحالي، أي. أداء وظائف تحويل الطاقة الضوئية إلى طاقة كهربائية. يعتمد تشغيل محولات الطاقة الشمسية (البطاريات) على هذا المبدأ. يُطلق على الوضع الموصوف لتشغيل الصمام الثنائي الضوئي (بدون مصادر خارجية) وضع الصمام.

خاصية الجهد الحالي للثنائي الضوئي، أي. إن اعتماد التيار من خلاله على حجم الجهد الخارجي المطبق يرتبط بطريقة معينة بالإضاءة. من الواضح أنه إذا لم يتم إضاءة الوصلة pn، فإن خاصية الجهد الحالي للثنائي الضوئي ستكون مطابقة للخاصية المقابلة للديود التقليدي. يتوافق هذا الوضع مع الرسم البياني في الشكل. 5.5 ل

=0.

أرز. 5.5. خصائص الجهد الحالي للثنائي الضوئي.

عندما يتم تطبيق جهد عكسي على الثنائي الضوئي المظلم، سوف يتدفق من خلاله ما يسمى بالتيار المظلم ، يتم تحديده، كما هو الحال بالنسبة للديود التقليدي، بالعلاقة:

(5.2)

أين - تيار التشبع، - درجة الحرارة المحتملة،

- الجهد التطبيقية. عند إضاءة الوصلة pn للدايود المسور، سيتم إنشاء أزواج من الموجات الحاملة في حجمه والمناطق المجاورة. سيتم نقلها بواسطة المجال الكهربائي الخارجي إلى حواف طبقات أشباه الموصلات وسيتدفق تيار عكسي عبر الصمام الثنائي

(5.3)

أين - الظلام الحالي، - التيار الناتج عن الموجات الحاملة الناتجة عن الإشعاع الكهرومغناطيسي (التيار الضوئي). هذا التيار له تقليديا علامة سلبية. لأن حجم التيار الضوئي يتناسب مع التدفق الضوئي

، ثم مع زيادة الإضاءة، فإن الفرع العكسي لخاصية الجهد الحالي للثنائي الضوئي سوف ينزاح لأسفل بشكل متوازٍ تقريبًا، كما هو موضح في الشكل. 5.5. يسمى وضع تشغيل الثنائي الضوئي (مع الانحياز العكسي للوصلة p-n) بالديود الضوئي.

إذا تم تطبيق جهد يساوي الصفر على الصمام الثنائي الضوئي، فسوف يتوافق ذلك مع دائرته القصيرة، وكما ذكرنا سابقًا، سوف يتدفق بعض التيار عبر الدائرة الخارجية، يسمى تيار الدائرة القصيرة

عندما تتغير قطبية الجهد على الصمام الثنائي، يتم تشغيل المجال الكهربائي الخارجي في مواجهة مجال photoemf، مما يؤدي إلى انخفاض في تدفق الموجات الحاملة عبر تقاطع pn، وبالتالي انخفاض في التيار العكسي. عندما يصل الجهد الأمامي إلى قيمة معينة، سيتوقف تيار الصمام الثنائي. تتوافق قيمة هذا الجهد مع وضع الخمول وستكون مساوية لـ

، المتولدة بواسطة الصمام الثنائي عند إضاءة معينة ودائرة خارجية مفتوحة. ستؤدي الزيادة الإضافية في فرق جهد الفتح إلى تدفق تيار أمامي عبر الصمام الثنائي، والذي يتم وصف اعتماده على الجهد بعلاقة مشابهة لـ (5.2)

، وسيكون التيار الإجمالي متساويًا

تُستخدم الثنائيات الضوئية عادةً كأجهزة استشعار للضوء وتعمل في وضع التحيز العكسي، أي في وضع الثنائي الضوئي. وهي تتميز بالمعلمات التالية: - التيار المظلم (التيار العكسي للثنائي الضوئي المظلم عند درجة حرارة معينة وجهد عكسي)؛

- متكاملة، أو

– حساسية للضوء التفاضلية. غالبًا ما يتم تعريف الأخير على أنه نسبة التغير في التيار العكسي

للتغير في التدفق الضوئي الذي تسبب في ذلك

تعتمد حساسية الصمام الثنائي الضوئي على الطول الموجي لمصباح العرض. يظهر الشكل هذا الاعتماد على الثنائيات الضوئية المصنوعة من مواد مختلفة وتعيينها على مخططات الدوائر. 5.6.

أرز. 5.6. الخصائص الطيفية للثنائي الضوئي وتعيينه على المخططات الكهربائية.

نظرًا لأن الترانزستور ثنائي القطب عبارة عن هيكل يحتوي على وصلات p-n، فيمكن التحكم في التيار فيه ليس فقط عن طريق تغيير الفولتية المقابلة، ولكن أيضًا عن طريق إضاءة منطقة القاعدة. يسمى الترانزستور الذي يتم توفير وضع التشغيل هذا له بالترانزستور الضوئي. في غياب الإضاءة، تكون خصائص الجهد الحالي مطابقة لتلك الخاصة بالترانزستور التقليدي.

تحت تأثير تدفق الضوء، سيتم إنشاء أزواج ثقب الإلكترون في تقاطعات p-n في منطقة القاعدة. بواسطة مجال وصلة المجمع المقفلة، سيتم سحب الإلكترونات (لترانزستور n-p-n) إلى منطقة المجمع، مما يزيد من تيارها. يشبه هذا الموقف تشغيل الثنائي الضوئي في وضع التحيز العكسي.

تبقى الثقوب التي تظهر عند إضاءة الترانزستور الضوئي (نوع n-p-n) في القاعدة مما يزيد من إمكاناته الإيجابية مما يؤدي إلى زيادة شدة حقن الإلكترون من الباعث. سيتم سحب الإلكترونات الإضافية، التي وصلت إلى تقاطع المجمع، بواسطة مجالها إلى منطقة المجمع وخلق زيادة إضافية في تيار المجمع. سيتم وصف إجمالي تيار المجمع للترانزستور الضوئي عند تشغيله وفقًا لدائرة ذات باعث مشترك بالعلاقة:

- من خلال تيار المجمع، - تيار ضوئي لوصلة المجمع، ويعتمد حجمه على الإضاءة الخارجية. من (5.4) يترتب على ذلك أنه يمكن التحكم في تيار المجمع للترانزستور الضوئي من خلال الدائرة الأساسية وعن طريق تغيير قيمة تدفق الضوء. حساسية الضوء لمثل هذا الترانزستور تقريبًا

أضعاف حساسية الثنائي الضوئي.

تظهر عائلة خصائص الجهد الحالي للترانزستور الضوئي في الشكل. 5.7. يتم أيضًا تقديم الدائرة المكافئة للترانزستور الضوئي في شكل مزيج من الترانزستور التقليدي والصمام الثنائي الضوئي.

أرز. 5.7. خصائص الجهد الحالي، والتسمية والتمثيل المكافئ للترانزستور الضوئي ثنائي القطب.

إذا لم تكن هناك حاجة للتحكم في تيار المجمع المدمج، فقد لا يكون للترانزستور الضوئي طرف أساسي. يُطلق على وضع التشغيل هذا اسم "الوضع الممزق" أو الوضع الأساسي الحر. في هذه الحالة، لا يتمتع الترانزستور الضوئي بأقصى قدر من الحساسية فحسب، بل يتمتع أيضًا بأقصى قدر من عدم الاستقرار لمعلماته. من أجل زيادة الاستقرار، يمكن توصيل خرج القاعدة بجهة اتصال الباعث من خلال المقاوم.

يقوم جهاز الثايرستات الضوئية بتبديل أجهزة أشباه الموصلات، والتي يمكن أن يتغير جهد التبديل الخاص بها تحت تأثير تدفق الضوء على تقاطعات p-n المقابلة. شرط تشغيل الثايرستور هو كما يلي:

، أين و - معاملات نقل الترانزستورات المكافئة. في غياب الإضاءة، تكون خاصية الجهد الحالي للثايرستور الضوئي مشابهة لخاصية جهاز التبديل التقليدي (دينيستور أو الثايرستور مع

). تؤدي إضاءة تقاطعات الثايرستور الضوئي إلى زيادة تيارات الترانزستورات المقابلة ومعاملات النقل الخاصة بها. سيؤدي ذلك إلى انخفاض في جهد التشغيل للهيكل، كما هو موضح في الشكل. 5.8. في حالة الإضاءة الشديدة بما فيه الكفاية، سيتم تشغيل الثايرستور الضوئي عند أي قيمة للجهد الأمامي، وكذلك الثايرستور عندما يكون تيار التحكم أكبر من تيار التصحيح.

أرز. 5.8. خصائص الجهد الحالي وتعيين الثايرستور الضوئي.

وبالتالي، من خلال تطبيق بعض الجهد على الثايرستور الضوئي المظلم ثم إضاءة الوصلة p-n لفترة وجيزة، يمكن تحويل الجهاز إلى حالة التشغيل. من الممكن إيقاف تشغيل الثايرستور الضوئي، مثل جهاز التبديل التقليدي، فقط عندما يتم تقليل تيار الأنود إلى قيمة أقل من تيار التثبيت. قد يحتوي الثايرستور الضوئي أيضًا على مخرج إضافي - قطب تحكم، والذي يسمح بتشغيله عند توفير إشارة كهربائية وإشارة ضوئية.

المقاوم الضوئي عبارة عن جهاز شبه موصل ثنائي القطب تعتمد مقاومته على الإضاءة الخارجية. على عكس الأجهزة التي تمت مناقشتها سابقًا، لا يحتوي المقاوم الضوئي على وصلات تصحيحية وهو عنصر خطي، أي. يتم وصف خاصية الجهد الحالي لأي قطبية جهد نسبة:

، أين - التيار المتدفق عبر المقاوم الضوئي، - المقاومة عند إضاءة معينة. تظهر في الشكل خصائص الجهد الحالي للمقاوم الضوئي وتعيينه على المخططات الكهربائية. 5.9.

أرز. 5.9. خصائص الجهد الحالي وتعيين المقاومات الضوئية على الدوائر الكهربائية.

المعلمات الرئيسية للمقاوم الضوئي هي: مقاومة الظلام (المقاومة عند التدفق الضوئي

)، عامل تغير المقاومة ، تساوي نسبة مقاومة الظلام إلى المقاومة عند إضاءة معينة. تستجيب المقاومات الضوئية، مثل الثنائيات الضوئية، بشكل مختلف لتدفقات الضوء ذات الأطوال الموجية المختلفة. الأكثر حساسية للأشعة تحت الحمراء هي المقاومات الضوئية المصنوعة من السيلينيد وكبريتيد الرصاص، وعند التشغيل في النطاق المرئي، تستخدم المقاومات الضوئية المصنوعة من السيلينيد وكبريتيد الكادميوم.

يمكن وضع باعث الضوء والكاشف الضوئي في مبيت واحد، مما يشكل جهازًا يسمى optocoupler أو optocoupler. اعتمادًا على مجموعة بواعث الضوء وأجهزة الاستقبال، هناك أنواع مختلفة من أجهزة الإرسال الضوئية. يظهر الشكل الهيكلي والتسميات على المخططات الدائرية لبعضها. 5.10.

أرز. 5.10. التعيين على المخططات الكهربائية لأنواع مختلفة من أجهزة optocouplers.

وصف إعداد المختبر.

يتكون تركيب العمل المخبري رقم 5 "أبحاث الأجهزة الإلكترونية الضوئية" من منصات مختبرية وقياسية، مظهرتظهر الألواح الأمامية في الشكل 1.8 و5.11.

يحتوي مقعد المختبر على مصدر طاقة قابل للتعديل مع نطاق جهد خرج يبلغ 0 15 فولت ومحدد تيار الحمل عند 60 مللي أمبير. يوجد مفتاح إمداد الطاقة ومقبض ضبط الجهد ومآخذ الإخراج على الجانب الأيمن من لوحة مقاعد المختبر. يوجد أيضًا زر يسمى "إيقاف". E"، عند الضغط عليه، يتم فصل جهد الخرج عن المقبس الذي يحمل العلامة "+".

بالإضافة إلى ذلك، هناك مصدران للتيار، يتم تعيين قيمهما بواسطة المفاتيح المقابلة. التيار الأساسي يمكن ضبطها على صفر، 0.1 ميكرو أمبير، 1 ميكرو أمبير، 10 ميكرو أمبير، وتيار المصدر الثاني - 0، 0.5 مللي أمبير، 10 مللي أمبير، 20 مللي أمبير، 30 مللي أمبير.

في هذا العمل المختبري، تمت دراسة خصائص مصابيح LED AL336B (VD1) باللون الأحمر، وAL336G (VD2) مع مجموعة الضوء الأخضر وLED AL107A (VD3) بالأشعة تحت الحمراء.

المقاوم يعمل تصنيف 680 أوم على الحد من مقدار التيار الأمامي من خلال مصابيح LED. بالإضافة إلى ذلك، يتم إجراء دراسة على أجهزة الكشف الضوئي من مختلف الأنواع التي تشكل جزءًا من أدوات التوصيل الضوئي للديود AOD101A (U1)، والترانزستور AOT128A (U2)، والثايرستور AOU103B (U3)، والمقاوم OEP10 (U4). المقاومات

(القيمة 1 كيلو أوم) و

يتم استخدام (قيمة 10 كيلو أوم) عند دراسة optocoupler في وضع نقل الإشارة التناظرية، والذي تم تنفيذه في العمل رقم 6.

يتم تشغيل حامل المختبر باستخدام مفتاح التبديل "تشغيل". تتم الإشارة إلى عمل مصدر الطاقة من خلال إضاءة مؤشر LED الأخضر الموجود عند مفتاح التبديل هذا.

إجراءات إجراء العمل المختبري.

1. إعداد المنزل.

أثناء التحضير المنزلي، من الضروري، باستخدام الأدبيات المرجعية، تحديد وكتابة المعلمات الرئيسية لأجهزة أشباه الموصلات التي تمت دراستها في هذا العمل في كتاب العمل. بالإضافة إلى ذلك، من الضروري رسم الرسوم البيانية لأخذ القياسات والجداول لتسجيل نتائج البحوث.

2. إجراء العمل المختبري.

2.1. دراسة خصائص الجهد الحالي لمصابيح LED.

باستخدام الصمام الثنائي VD1، قم بتجميع الدائرة الموضحة في الشكل. 5.12.

أرز. 5.12. دائرة لدراسة الفرع المباشر لخاصية الجهد الحالي لمصابيح LED.

اضبط مقبض منظم الجهد على أقصى موضع على اليسار (

); حد القياس PV1 – 1.5 فولت، حد القياس PA1 – 10 مللي أمبير. قم بتشغيل مصدر الطاقة إلى موقف المختبر.

من خلال تحويل مقبض التحكم إلى اليمين، قم بزيادة جهد مصدر الطاقة وقياس اعتماد انخفاض الجهد على الصمام الثنائي على التيار الأمامي، مع ضبط قيمه على: 0mA، 1mA، 3mA، 5mA، 10mA، 20 مللي أمبير، 30 مللي أمبير، 40 مللي أمبير، 50 مللي أمبير. املأ الصف الأول من الجدول بالبيانات المستلمة:

(مللي أمبير)
(في)
(في)
(في)

إجراء قياسات مماثلة للثنائيات VD2، VD3. يجب أن يتم توصيلها مع إلغاء تنشيط حامل المختبر.

باستخدام الصمام الثنائي VD1، قم بتجميع الدائرة الموضحة في الشكل. 5.13.

أرز. 5.13. دائرة لدراسة الفرع العكسي لخاصية الجهد الحالي لمصابيح LED.

اضبط حد القياس PA1 – 0.1 مللي أمبير، PV1 – 15 فولت. باستخدام المنظم لتغيير جهد الحظر على الصمام الثنائي، قم بقياس التيار العكسي واملأ الصف الأول من الجدول:

(في)
(مللي أمبير)
(مللي أمبير)
(مللي أمبير)

إجراء قياسات مماثلة للثنائيات VD2، VD3.

2.2. دراسة خصائص الجهد الحالي للثنائي الضوئي.

في دورة هذه الدراسات، يتم استخدام الثنائي الضوئي زرنيخيد الغاليوم، وهو جزء من الصمام الثنائي optocoupler U1.

2.2.1. دراسة الفرع المباشر لخاصية الجهد الحالي للثنائي الضوئي.

قم بتجميع الدائرة الموضحة في الشكل. 5.14.

أرز. 5.14. دائرة لدراسة الفرع المباشر لخاصية الجهد الحالي للثنائي الضوئي.

اضبط منظم الجهد على أقصى موضع يسار (

)، تبديل الإعداد الحالي - الخامس حالة الصفر، حد قياس الفولتميتر PV1 هو 0.75 فولت، ومقياس PA1 ملليمتر هو 10 مللي أمبير.

من خلال زيادة جهد الخرج لمصدر الطاقة، قم بتعيين التيارات الأمامية للثنائي الضوئي مساوية لتلك الموضحة في الجدول في الشكل. 5.15، قم بقياس انخفاض الجهد عبره واملأ الصف الأول من الجدول بالبيانات التي تم الحصول عليها.

باستخدام المفتاح المسمى "I" لضبط القيم الحالية لـ LED على 5 و10 و20 و30 مللي أمبير وبالتالي زيادة إضاءة الثنائي الضوئي، قم بإجراء قياسات مماثلة.

(مللي أمبير)
(في)									أماه
(في)									أماه
(في)									أماه
(في)									أماه
(في)									أماه

أرز. 5.15. جدول لتسجيل نتائج دراسات الفرع المباشر لخاصية الجهد الحالي للثنائي الضوئي.

2.2.2. دراسة جهد الدائرة المفتوحة وتيار الدائرة القصيرة للثنائي الضوئي.

افصل مصدر الطاقة عن الدائرة (الشكل 5.14) واضبط التيار من خلال مؤشر LED على 0.5 و10 و20 و30 مللي أمبير، وقم بقياس جهد الدائرة المفتوحة للثنائي الضوئي عندما يعمل في وضع الصمام. سجل نتائجك في الجدول:

(مللي أمبير)
(في)

لقياس تيار الدائرة القصيرة، قم بتجميع الدائرة الموضحة في الشكل. 5.16. ضبط التيارات من خلال مؤشر LED وفقًا لتلك المبينة في الجدول أعلاه، وقياس قيم تيارات الدائرة القصيرة للثنائي الضوئي وإدخال النتائج في الصف السفلي من الجدول.

أرز. 5.16. دائرة لقياس تيار الدائرة القصيرة للثنائي الضوئي عندما يعمل في وضع الصمام.

2.2.3. دراسة الفرع الوسيط لخاصية الجهد الحالي للثنائي الضوئي عند التشغيل في وضع الصمام.

قم بتجميع الدائرة الموضحة في الشكل. 5.17.

أرز. 5.17. دائرة لدراسة خصائص الجهد الحالي للثنائي الضوئي.

اضبط تيار LED على 5 مللي أمبير. عن طريق تغيير الجهد عند خرج مصدر الطاقة، اضبط التيار عبر الثنائي الضوئي على الصفر. يجب أن يكون هذا الجهد قريبًا من القيمة المقاسة مسبقًا

في تيار LED المناسب. خفض الجهد إلى الصفر، وقياس التيارات الضوئية لمدة ثلاثة إلى خمسة من قيمه وإدخال النتائج في الجدول:

(في)
(مللي أمبير)

يجب أن يكون حجم التيار الأمامي عند جهد إمداد الطاقة صفر قريبًا من القيمة المقابلة

. إجراء دورة من القياسات المماثلة للتيارات عبر LED تساوي 10 و 20 و 30 مللي أمبير.

2.2.4. دراسة الفرع العكسي لخاصية الجهد الحالي للثنائي الضوئي.

قم بتجميع الدائرة الموضحة في الشكل. 5.18.

أرز. 5.18. دائرة لدراسة الفرع العكسي لخاصية الجهد الحالي للثنائي الضوئي.

اضبط التيار من خلال مؤشر LED على الصفر، وجهد مصدر الطاقة ليقترب من الصفر، وحد القياس PV1 إلى 15 فولت، وحد القياس PA1 إلى 0.1 مللي أمبير.

قم بقياس اعتماد التيار العكسي للثنائي الضوئي على قيمة جهد الحجب واملأ الصف الأول من الجدول الموضح في الشكل بالبيانات المقابلة. 5.19. ضبط التيار من خلال LED على 5 و 10 و 20 و 30 مللي أمبير وإجراء قياسات مماثلة وإدخال النتائج في نفس الجدول.

(في)
(مللي أمبير)								أماه
(مللي أمبير)								أماه
(مللي أمبير)								أماه
(مللي أمبير)								أماه
(مللي أمبير)								أماه

أرز. 5.19. جدول لتسجيل النتائج عند دراسة الفرع العكسي لخاصية الجهد الحالي للثنائي الضوئي.

2.3. دراسة خصائص خرج الترانزستور الضوئي.

خلال هذه الدراسات، يتم استخدام الترانزستور الضوئي، وهو جزء من optocoupler الترانزستور

قم بتجميع الدائرة الموضحة في الشكل. 5.20.

أرز. 5.20. دائرة لدراسة خصائص خرج الترانزستور الضوئي.

ضبط التيارات و يساوي الصفر، ومقبض منظم الجهد في أقصى الموضع الأيسر، وحد القياس PA1 هو 0.1 مللي أمبير، وحد القياس PV1 هو 15 فولت.

قم بقياس تيار مجمع الترانزستور عند جهد مصدر الطاقة 0، 1، 3، 6، 9، 12 و15 فولت، وأدخل النتائج في الصف المقابل من الجدول الموضح في الشكل. 5.21. ضبط التيارات الأساسية على 1 و5 و10 ميكرو أمبير، وإجراء قياسات مماثلة لترانزستور غير مضاء (مع

= 0). سجل النتائج التي تم الحصول عليها في صفوف الجدول المناسبة.

اضبط تيار LED على 20 مللي أمبير وقم بإجراء دورة من القياسات المماثلة.

(في)
(مللي أمبير)
(مللي أمبير)	μA
(مللي أمبير)	μA
(مللي أمبير)	μA
(مللي أمبير)		أماه
(مللي أمبير)	μA
(مللي أمبير)	μA
(مللي أمبير)	μA

أرز. 5.21. جدول لتسجيل نتائج دراسة خصائص خرج الترانزستور الضوئي.

2.4. أبحاث الثايرستور الضوئي.

عند تنفيذ هذا العنصر، يتم استخدام Photothyristor، وهو جزء من Optiocoupler الثايرستور

قم بتجميع الدائرة الموضحة في الشكل. 5.22.

أرز. 5.22. دائرة لدراسة الثايرستور الضوئي.

اضبط التيار من خلال الثنائي الضوئي على الصفر، ومقبض منظم جهد الخرج إلى أقصى الموضع الأيسر، وحد القياس PV1 هو 15 فولت.

عن طريق زيادة الجهد من مصدر الطاقة، حاول تشغيل الثايرستور. إذا تم تشغيله، فسوف يضيء مصباح VD2 LED. قياس القيمة

. قم بتقليل جهد الإمداد إلى الصفر واضغط على زر "إيقاف". E" لإعادة الثايرستور إلى حالته الأصلية. ضبط تيار LED على 2 و 5 و 10 و 20 مللي أمبير، وإجراء قياسات مماثلة وإدخال النتائج في الجدول:

(مللي أمبير)
(في)

اضبط تيار LED على الصفر. قم بإيقاف تشغيل الثايرستور. اضبط الحد الأقصى للجهد لمصدر الطاقة، وقم بزيادة التيار بشكل متتابع عبر مؤشر LED، وقم بتشغيل الثايرستور. حاول إيقاف تشغيله عن طريق تقليل تيار LED إلى الصفر.

2.5. أبحاث المقاومة الضوئية

عند إجراء هذا البند من العمل المختبري، يتم فحص خصائص المقاوم الضوئي المضمن في optocoupler.

قم بتجميع الدائرة الموضحة في الشكل. 5.23.

أرز. 5.23. دائرة لدراسة المقاوم الضوئي.

تعيين الحالي يساوي الصفر، مقبض منظم الجهد إلى أقصى موضع اليسار (

)، حد القياس PV1 – 15 فولت، PA1 – 0.1 مللي أمبير.

عن طريق تغيير الجهد على المقاوم الضوئي، قم بقياس التيار المتدفق من خلاله وأدخل النتائج في الصف الأول من الجدول الموضح في الشكل. 5.24. زيادة قيم التيارات باستمرار من خلال المصباح المتوهج، وإجراء قياسات مماثلة وتسجيل النتائج في الصفوف المناسبة من الجدول.

(في)
(مللي أمبير)							أماه
(مللي أمبير)							أماه
(مللي أمبير)							أماه
(مللي أمبير)							أماه
(مللي أمبير)							أماه

أرز. 5.24. جدول لتسجيل نتائج دراسات خصائص الجهد الحالي للمقاوم الضوئي.

قم بتغيير قطبية جهد مصدر الطاقة وأدوات القياس (قم بتجميع الدائرة الموضحة في الشكل 5.25). قم بإجراء دورة من القياسات المماثلة وسجل النتائج في الجدول.

أرز. 5.25. دائرة لدراسة خصائص الجهد الحالي للمقاوم الضوئي مع قطبية الجهد العكسي.

3. معالجة النتائج التجريبية.

3.1. معالجة النتائج التي تم الحصول عليها عند تنفيذ الفقرة 2.1.

أنشئ على ورقة واحدة من ورق الرسم البياني الفروع الأمامية والخلفية لخصائص الجهد الحالي للثنائيات المدروسة، مع أخذ المقياس على طول محور التيارات والفولتية للفرع الأمامي 5 مللي أمبير/سم، 0.5 فولت/سم، وبالتالي، للفرع العكسي 0.1 مللي أمبير/سم و 1.5 فولت/سم.

3.2. معالجة نتائج الفقرات 2.2.1 2.2.4 العمل المختبري.

أنشئ على ورقة واحدة من ورق الرسم البياني مجموعة من خصائص التيار والجهد الكاملة للثنائي الضوئي عند مستويات الإضاءة المختلفة التي يحددها تيار LED. ينبغي اختيار المقياس على طول محور التيار للفرع المباشر لخاصية جهد التيار يساوي 5 مللي أمبير/سم، على طول محور الجهد 0.1 فولت/سم. عند إنشاء الفرع العكسي، خذ المقاييس التي تساوي 0.1 مللي أمبير/سم و1.5 فولت/سم. ضع علامة على خصائص قيم جهد عدم التحميل وتيار الدائرة القصيرة.

بناء على البيانات التي تم الحصول عليها في الفقرة 2.2.2، بناء التبعيات

، أين - التيار من خلال LED. يجب اختيار المقاييس على طول المحاور التي تم رسم قيم الكميات المقابلة لها تساوي 5 مللي أمبير / سم – على طول المحور الحالي ; 0.1 فولت/سم - على طول المحور

و 0.2 مللي أمبير / سم - على طول المحور

3.3. معالجة النتائج التي تم الحصول عليها عند تنفيذ الفقرة 2.3.

أنشئ على ورقة واحدة من ورق الرسم البياني مجموعة من خصائص خرج الترانزستور الضوئي عند قيم تيار LED مختلفة. على محور الجهد، اختر المقياس الذي يساوي 1V/cm، وعلى محور التيار، 2mA/cm.

3.4. معالجة نتائج الفقرة 2.4 من العمل المختبري.

ارسم اعتماد جهد تشغيل الثايرستور الضوئي على تيار LED، واختيار مقياس على طول المحور الحالي 2 مللي أمبير/سم، وعلى طول محور الجهد 3 فولت/سم. اشرح النتائج التي تم الحصول عليها عند تنفيذ هذا العنصر.

3.5. معالجة نتائج الفقرة 2.5.

أنشئ على ورقة واحدة من ورق الرسم البياني مجموعة من خصائص الجهد الحالي للمقاوم الضوئي لكلا قطبي الجهد المطبق، مع اختيار مقياس على طول محور التيار 5 مللي أمبير/سم، وعلى طول محور الجهد 3 فولت/سم.

بناءً على هذه الخصائص، يتم تحديد مقاومة المقاوم الضوئي في منطقة قيم الجهد الصفرية عند إضاءة مختلفة، وإنشاء رسم بياني لاعتماد مقاومة المقاوم الضوئي على مقدار التيار المتدفق عبر مصدر الإشعاع.

ساك أ.ف. التنبؤ والتخطيط الاقتصادي (وثيقة)

كليناتشيف إن.في. نظرية النظم التنظيم التلقائي(وثيقة)

بوشاروف أ.ب. المجمع التربوي والمنهجي لدورة المنطق (وثيقة)

باخاريف ب. عملية التحكيم. المجمع التربوي والمنهجي (وثيقة)

ستاروفا إل. تحليل الإنتاج والأنشطة الاقتصادية للمؤسسة (وثيقة)

سفيتليتسكي آي. النظرية الاقتصادية (وثيقة)

دانيلتشينكو أ.ف. (وغيرها) الاقتصاد العالمي: المجمع التربوي والمنهجي (وثيقة)

جوتكوفيتش إي إم. المجمع التعليمي والمنهجي لتخصص القانون المصرفي (وثيقة)

n1.doc

الموضوع 4.1 أساسيات الإلكترونيات الضوئية. تصنيف الأجهزة الإلكترونية البصرية.
الإلكترونيات الضوئية هي مجال مستقل مهم للإلكترونيات الوظيفية والالكترونيات الدقيقة. الجهاز الإلكتروني البصري هو جهاز يتم فيه تحويل الإشارات الكهربائية إلى إشارات ضوئية والعكس صحيح عند معالجة المعلومات.

من السمات الأساسية للأجهزة الإلكترونية الضوئية أن العناصر الموجودة فيها متصلة بصريًا ومعزولة كهربائيًا عن بعضها البعض.

بفضل هذا، يتم بسهولة ضمان مطابقة الدوائر ذات الجهد العالي والجهد المنخفض، وكذلك الدوائر ذات التردد العالي والمنخفض. بالإضافة إلى ذلك، تتمتع الأجهزة الإلكترونية الضوئية بمزايا أخرى: إمكانية التعديل المكاني لحزم الضوء، والتي، بالاشتراك مع التغييرات بمرور الوقت، تعطي ثلاث درجات من الحرية (اثنتان في دوائر إلكترونية بحتة)؛ إمكانية التفرع والتقاطع الكبير لحزم الضوء في حالة عدم وجود اتصال كلفاني بين القنوات؛ حمل وظيفي كبير لحزم الضوء بسبب إمكانية تغيير العديد من معلماتها (السعة، الاتجاه، التردد، الطور، الاستقطاب).

تغطي الإلكترونيات الضوئية مجالين رئيسيين مستقلين - البصري والإلكتروني البصري. يعتمد الاتجاه البصري على تأثيرات تفاعل المادة الصلبة مع الإشعاع الكهرومغناطيسي. ويعتمد على التصوير المجسم والكيمياء الضوئية والبصريات الكهربائية وغيرها من الظواهر. يسمى الاتجاه البصري أحيانًا بالليزر.

يستخدم الاتجاه الإلكتروني البصري مبدأ التحويل الكهروضوئي، الذي يتحقق في جسم صلب من خلال التأثير الكهروضوئي الداخلي، من ناحية، والتألق الكهربائي، من ناحية أخرى. يعتمد هذا الاتجاه على استبدال التوصيلات الجلفانية والمغناطيسية في الدوائر الإلكترونية التقليدية بوصلات ضوئية. وهذا يجعل من الممكن زيادة كثافة المعلومات في قناة الاتصال وسرعتها ومناعة الضوضاء.

العنصر الرئيسي للإلكترونيات الضوئية هو optocouplerهناك optocouplers مع الداخلية (الشكل 9.4، أ)والخارجية (الشكل 9.4، ب) الروابط الضوئية. أبسط optocoupler هو شبكة ذات أربع أطراف (الشكل 9.4، أ)،تتكون من ثلاثة عناصر: باعث الصورة 1 ، الدليل المضيء 2 وجهاز استقبال الضوء 3, محاطة بغطاء مغلق ومقاوم للضوء. عندما يتم تطبيق إشارة كهربائية على الإدخال على شكل نبضة أو انخفاض في تيار الإدخال، يتم إثارة الباعث الضوئي. يدخل تدفق الضوء من خلال دليل الضوء إلى الكاشف الضوئي، عند إخراجه يتم تشكيل نبض كهربائي أو انخفاض تيار الإخراج. هذا النوع من optocoupler هو مضخم للإشارات الكهربائية، حيث يكون الاقتران الداخلي فوتونيًا والاقتران الخارجي كهربائيًا. .

نوع آخر من أجهزة optocoupler هو مع اقتران داخلي كهربائي واقتران خارجي فوتوني (الشكل 9.4، ب) - هو مضخم للإشارات الضوئية، بالإضافة إلى محول إشارات تردد واحد إلى إشارات تردد آخر، على سبيل المثال، إشارات الأشعة تحت الحمراء إلى إشارات الطيف المرئي. جهاز استقبال الضوء 4 يحول إشارة الضوء المدخلة إلى إشارة كهربائية. يتم تضخيم هذا الأخير بواسطة مكبر للصوت 5 ويثير مصدر الضوء 6.

حاليا، تم تطوير عدد كبير من الأجهزة الإلكترونية البصرية

غرض شخصي. في الإلكترونيات الدقيقة، كقاعدة عامة، يتم استخدام العناصر الوظيفية الإلكترونية الضوئية فقط التي تتوفر فيها إمكانية التكامل، فضلاً عن توافق تكنولوجيا التصنيع الخاصة بها مع تكنولوجيا التصنيع للدوائر المتكاملة المقابلة.

بواعث الصور. تخضع مصادر الضوء الإلكترونية الضوئية لمتطلبات مثل التصغير، وانخفاض استهلاك الطاقة، والكفاءة والموثوقية العالية، وعمر الخدمة الطويل، وقابلية التصنيع. ويجب أن تتمتع بأداء عالٍ وأن تكون قابلة للتصنيع كأجهزة متكاملة.

مصادر الإضاءة الكهربائية الأكثر استخدامًا هي مصابيح الحقن,حيث يتم تحديد انبعاث الضوء من خلال آلية إعادة التركيب بين الإلكترونات والثقوب. إذا قمت بتمرير تيار حقن كبير بما فيه الكفاية

أرز. 9.5. شرح مبدأ تشغيل مصباح LED الخاص بالحقن

خلال ص- ن-الانتقال (في الاتجاه الأمامي)، ثم تنتقل بعض الإلكترونات من نطاق التكافؤ إلى نطاق التوصيل (الشكل 9.5). في الجزء العلوي من نطاق التكافؤ، يتم تشكيل الحالات الحرة (الثقوب)، وفي الجزء السفلي من نطاق التوصيل، يتم ملء الحالات.

نيا (توصيل الإلكترونات). مثل هذا التجمع العكسي ليس متوازنًا ويؤدي إلى انبعاث فوضوي للفوتونات أثناء التحولات الإلكترونية العكسية. النتيجة ص-ن- التوهج غير المتماسك الانتقالي هو التوهج الكهربائي. يتسبب الفوتون المنبعث أثناء انتقال الانارة من الجزء المملوء من نطاق التوصيل إلى الجزء الحر من نطاق التكافؤ في انبعاث محفز لفوتون مماثل، مما يتسبب في انتقال إلكترون آخر إلى نطاق التكافؤ. ومع ذلك، فإن الفوتون له نفس الطاقة (من ∆ ه= ه 2 - ه 1 قبل ∆ ه=2? ه) لا يمكن استيعابها، لأن الحالة السفلية مجانية (لا توجد إلكترونات فيها)، والحالة العليا ممتلئة بالفعل. هذا يعني انه ص- ن- يكون الانتقال شفافًا بالنسبة لفوتونات هذه الطاقة، أي بالنسبة للتردد المقابل. على العكس من ذلك، الفوتونات ذات طاقة أكبر ∆ ه+2? ه, يمكن امتصاصها ونقل الإلكترونات من نطاق التكافؤ إلى نطاق التوصيل. في الوقت نفسه، بالنسبة لمثل هذه الطاقات، يكون انبعاث الفوتونات المستحث أمرًا مستحيلًا، نظرًا لأن الحالة الأولية العليا غير مملوءة، والحالة السفلية مملوءة. وبالتالي، فإن البث المحفز ممكن في نطاق ضيق حول التردد المقابل لطاقة فجوة النطاق ∆Eمع عرض الطيف ? ه.

أفضل المواد لمصابيح LED هي زرنيخيد الغاليوم، وفوسفيد الغاليوم، وفوسفيد السيليكون، وكربيد السيليكون، وما إلى ذلك. تتميز مصابيح LED بسرعة عالية (حوالي 0.5 ميكروثانية)، ولكنها تستهلك تيارًا عاليًا (حوالي 30 أمبير/سم2). في الآونة الأخيرة، تم تطوير مصابيح LED على أساس زرنيخيد الغاليوم - الألومنيوم، الذي تتراوح قوته من الكسور إلى عدة ملي واط مع تيار أمامي يبلغ عشرات المللي أمبير. كفاءة المصابيح لا تتجاوز 1 - 3٪.

مصادر الضوء الواعدة هي ليزر الحقن,مما يجعل من الممكن تركيز الطاقات العالية في منطقة طيفية ضيقة بكفاءة وسرعة عالية (عشرات البيكو ثانية). يمكن تصنيع أجهزة الليزر هذه كمصفوفات على شريحة أساسية واحدة باستخدام نفس تقنية الدوائر المتكاملة. عيب ليزر الحقن البسيط هو أن أداءه مقبول فقط عند تبريده إلى درجات حرارة منخفضة جدًا. في درجة الحرارة العاديةيتمتع ليزر زرنيخيد الغاليوم بمتوسط طاقة منخفض، وكفاءة منخفضة (حوالي 1٪)، واستقرار تشغيلي منخفض وعمر خدمة منخفض. مزيد من التحسين في ليزر الحقن عن طريق إنشاء انتقال لبنية معقدة باستخدام الوصلات غير المتجانسة (الوصلة غير المتجانسة هي الحدود بين الطبقات التي لها نفس أنواع التوصيل الكهربائي، ولكن مع وجود فجوات نطاقية مختلفة) أتاح الحصول على مصدر ضوء صغير الحجم يعمل عند درجات الحرارة العادية بكفاءة 10 – 20% وبخصائص مقبولة.

أجهزة كشف ضوئية.لتحويل الإشارات الضوئية إلى إشارات كهربائية، يتم استخدام الثنائيات الضوئية، والترانزستورات الضوئية، والمقاومات الضوئية، وأجهزة الثايرستور الضوئي وغيرها من الأجهزة.

الثنائي الضوئي هو متحيز عكسيا ص- ن- انتقال يتم تحديد تيار تشبعه العكسي من خلال عدد حاملات الشحنة المتولدة فيه بفعل الضوء الساقط (الشكل 9.6). يتم التعبير عن معلمات الصمام الثنائي الضوئي من خلال قيم التيار المتدفق في دائرته. يتم تعريف حساسية الصمام الثنائي الضوئي، والتي تسمى عادة متكاملة، على أنها نسبة التيار الضوئي إلى التدفق الضوئي الذي تسبب فيه F ? . يتم تقدير عتبة حساسية الثنائيات الضوئية بواسطة القيم المعروفةحساسية متكاملة (التيار) والتيار المظلم أنا دأي التيار الذي يتدفق في الدائرة في غياب إشعاع الطبقة الحساسة.

المواد الرئيسية للثنائيات الضوئية هي الجرمانيوم والسيليكون. عادة ما تكون الثنائيات الضوئية السيليكونية حساسة في منطقة ضيقة من الطيف (من؟ = 0.6 – 0.8 ميكرون إلى؟ = 1.1 ميكرومتر) بحد أقصى عند؟ = 0.85 ميكرون، وهل لثنائيات الجرمانيوم الضوئية حدود حساسية؟ = 0.4 - 1.8 ميكرومتر بحد أقصى؟ ؟ 1.5 ميكرون. في وضع الصمام الثنائي الضوئي بجهد إمداد يبلغ 20 فولت، لا يتجاوز التيار المظلم لثنائيات السيليكون الضوئية عادة 3 ميكرو أمبير، بينما بالنسبة للجرمانيوم؛ الثنائيات الضوئية بجهد إمداد 10 فولت تصل إلى 15-20 ميكرو أمبير.

الترانزستورات الضوئية هي أجهزة استقبال للطاقة المشعة باثنين أو أكثر ص-ص-التحولات التي لها خاصية تعزيز التيار الكهروضوئي عند تشعيع الطبقة الحساسة. يجمع الترانزستور الضوئي بين خصائص الثنائي الضوئي وخصائص تضخيم الترانزستور (الشكل 9.7). يتيح لك وجود المدخلات الضوئية والكهربائية في الترانزستور الضوئي في نفس الوقت إنشاء انحياز ضروري للتشغيل في الجزء الخطي من خاصية الطاقة، بالإضافة إلى التعويض تأثيرات خارجية. للكشف عن الإشارات الصغيرة، يجب تضخيم الجهد المأخوذ من الترانزستور الضوئي. في هذه الحالة، يجب زيادة مقاومة التيار المتردد الناتج مع الحد الأدنى من التيار المظلم في دائرة المجمع، مما يخلق انحيازًا إيجابيًا عند القاعدة.

أدلة خفيفة.يوجد دليل ضوئي بين مصدر الضوء ومستقبل الضوء في optocoupler. لتقليل الخسائر أثناء الانعكاس من الواجهة بين LED والوسط الموصل (الألياف)، يجب أن يكون للأخير معامل انكسار مرتفع. تسمى هذه البيئات بالغمر. يجب أن تكون مادة الغمر تتمتع أيضًا بالتصاق جيد بمواد المصدر والمستقبل، وتوفر مطابقة كافية في معاملات التمدد، وتكون شفافة في منطقة العمل، وما إلى ذلك. وأكثر النظارات الواعدة هي نظارات الرصاص ذات معامل انكسار 1.8-1.9 ونظارات السيلينيوم ذات معامل انكسار. من 2، 4-2.6. في التين. يُظهر الشكل 9.8 مقطعًا عرضيًا لمقرنة ضوئية ذات حالة صلبة مع دليل ضوء غاطس.

تُستخدم الخيوط الرفيعة من الزجاج أو البلاستيك الشفاف كموجهات ضوئية في الإلكترونيات الضوئية. ويسمى هذا الاتجاه الألياف الضوئية. يتم تغليف الألياف بمواد عازلة للضوء ويتم توصيلها بكابلات ضوئية متعددة النواة. إنها تؤدي نفس الوظائف فيما يتعلق بالضوء كما تفعل الأسلاك المعدنية فيما يتعلق بالتيار. باستخدام الألياف الضوئية، يمكنك: تنفيذ نقل الصور عنصرًا تلو الآخر بدقة يحددها قطر الألياف الضوئية (حوالي 1 ميكرون)؛ إنتاج تحولات مكانية للصورة بسبب القدرة على ثني ولف ألياف دليل الضوء؛ نقل الصور عبر مسافات كبيرة، وما إلى ذلك. يوضح الشكل 9.9 دليل الضوء على شكل كابل مصنوع من ألياف موصلة للضوء.

أساسي بصريات.إحدى المجالات الواعدة للإلكترونيات الدقيقة الوظيفية هي البصريات المتكاملة، والتي تضمن إنشاء أنظمة عالية الأداء لنقل ومعالجة المعلومات البصرية. يشمل مجال البحث في مجال البصريات المتكاملة نشر وتحويل وتضخيم الإشعاع الكهرومغناطيسي في النطاق البصري في أدلة الموجات ذات الأغشية الرقيقة العازلة والألياف الضوئية. العنصر الرئيسي للبصريات المتكاملة هو دليل الموجات الدقيقة الضوئية السائبة أو السطحية. إن أبسط دليل ميكروويف بصري حجمي متماثل هو منطقة موضعية في واحد أو بعدين مكانيين مع معامل انكسار يتجاوز معامل انكسار الوسط البصري المحيط. هذه المنطقة الأكثر كثافة بصريًا ليست أكثر من قناة أو طبقة حاملة لدليل موجي عازل.

ص مثال على الدليل الموجي العازل ذو السطح غير المتماثل هو فيلم رقيق من مادة عازلة شفافة بصريًا أو شبه موصل مع معامل انكسار يتجاوز معامل الانكسار للركيزة الشفافة بصريًا. يتم تحديد درجة توطين المجال الكهرومغناطيسي، وكذلك نسبة تدفقات الطاقة المنقولة على طول الطبقة الحاملة والركيزة، من خلال الحجم العرضي الفعال للطبقة الحاملة والفرق في مؤشرات الانكسار للطبقة الحاملة والطبقة الحاملة. الركيزة عند تردد إشعاع معين. إن الدليل البسيط نسبيًا والأكثر ملاءمة للأجهزة الضوئية ذات الحالة الصلبة هو دليل الموجات الدقيقة للشريط البصري، المصنوع على شكل فيلم عازل رقيق (الشكل 9.10)، المترسب على الركيزة باستخدام طرق الإلكترونيات الدقيقة (على سبيل المثال، الترسيب الفراغي). باستخدام قناع، يمكن تطبيق دوائر بصرية كاملة على ركيزة عازلة بدرجة عالية من الدقة. لقد حقق استخدام الطباعة الحجرية لشعاع الإلكترون نجاحًا في إنشاء أدلة موجية أحادية الشريط البصري وأدلة موجية مقترنة بصريًا على طول معين، ومن ثم أدلة موجية متباينة، وهو أمر ضروري لإنشاء قارنات اتجاهية ومرشحات انتقائية للتردد في الأنظمة البصرية المتكاملة .

الدوائر الإلكترونية الضوئية الدقيقة.على

تم تطوير عدد كبير من الدوائر الدقيقة بناءً على الإلكترونيات الضوئية. دعونا نلقي نظرة على بعض الدوائر الإلكترونية الدقيقة التي تنتجها الصناعة المحلية. في الإلكترونيات الدقيقة، يتم استخدام الدوائر الدقيقة للعزل الجلفاني الإلكتروني البصري على نطاق واسع. وتشمل هذه المفاتيح عالية السرعة ومفاتيح الإشارة التناظرية والمفاتيح والأجهزة الإلكترونية الضوئية التناظرية المخصصة للاستخدام في أنظمة معالجة الإشارات التناظرية الوظيفية.

العنصر الرئيسي في أي دائرة إلكترونية ضوئية هو زوج optocoupler (الشكل 9.11 ، أ،ب) يتكون من مصدر للضوء 1 ، التي تسيطر عليها إشارة الدخل، وسيلة الغمر 2, متصل بصريًا بمصدر الضوء وكاشف ضوئي 3. معلمات زوج optocoupler هي مقاومة فصل التيار المستمر ومعامل النقل الحالي (نسبة التيار الضوئي لجهاز الاستقبال إلى تيار الباعث) ووقت التبديل وسعة الإنتاجية.

يتم إنشاء الدوائر الإلكترونية الضوئية الدقيقة لأغراض مختلفة على أساس الأزواج الإلكترونية الضوئية.

أرز. 9.11. المخطط والتنفيذ التكنولوجي لزوج optocoupler:

1 - مصدر الضوء. 2 - وسيلة الغمر. 3- الكاشف الضوئي .

الموضوع 4.2 عناصر الأجهزة الإلكترونية الضوئية
1. التبديل الضوئيةعبارة عن شريحة هجينة تحتوي على زوج إلكترونيات ضوئية ومكبر للصوت. يستخدم المفتاح مصابيح LED أبسينيد الغاليوم المطلية بالسيليكون عالية الكفاءة والسيليكون عالي السرعة ص- أنا- ن-الثنائيات الضوئية. وسيلة الغمر هي زجاج الكالكوجينيد بمعامل انكسار 2.7. معامل النقل الحالي في الزوج الإلكتروني البصري هو 3-5 عند درجة الحرارة العادية، وأوقات التشغيل (مجموع أوقات التأخير والارتفاع) هي 100-250 ps، والعزل الجلفاني لدائرة LED والكاشف الضوئي للإرسال المباشر التيار هو 10 9 أوم. الدائرة الدقيقة مصنوعة في علبة زجاجية معدنية مستديرة من النوع TO-5.

2. المفتاح البصريمصممة لتبديل دوائر الجهد العالي للتيارات المتناوبة والمباشرة. يحتوي على أربع قنوات مستقلة، تحتوي كل منها على زوجين إلكترونيين ضوئيين يتكونان من LED ومصباح الجهد العالي ص- أنا- ن- الثنائي الضوئي. يتم توصيل الثنائيات الضوئية من الخلف إلى السلسلة، وبالتالي فإن مقاومة المفتاح في حالة القفل (في غياب التيار من خلال مصابيح LED)، بغض النظر عن قطبية الجهد المطبق، يتم تحديدها من خلال المقاومة المظلمة للانحياز العكسي ص- أنا- ن-الضوئي. قيمتها حوالي 10 9 أوم.

3. تبديل الترانزستورمصممة لتبديل الفولتية DC يصل إلى 50 فولت. يحتوي الجهاز على قناتين مستقلتين، تحتوي كل منهما على زوج إلكتروني ضوئي يتكون من LED زرنيخيد الغاليوم وسيليكون ن- ص- أنا- ن-الترانزستور الضوئي. يحتوي الزوج الإلكتروني البصري على معامل نقل تيار يبلغ 2، وتيار تشغيل مقدر يبلغ 10 مللي أمبير، وسرعة في وضع التضخيم تبلغ 100-300 نانوثانية.

4.التبديل التناظريةمصممة للاستخدام في أنظمة المعالجة الانتقائية للإشارات التناظرية. يظهر الرسم التخطيطي الكهربائي لقناة واحدة للمفتاح في الشكل. 9.12. تحتوي القناة على زوج إلكتروني ضوئي يتكون من مصباح LED زرنيخيد الغاليوم واثنتين متتاليتين ن- أنا- ن- الثنائيات الضوئية المصنوعة من بلورة واحدة.

في التين. يوضح الشكل 9.13 الدوائر الكهربائية لبعض الأنواع الأخرى من الدوائر الإلكترونية الضوئية. شريحة المفتاح (الشكل 9.13، أ) يتضمن زوجًا إلكترونيًا ضوئيًا ثنائيًا عالي السرعة متطابقًا مع مضخم صوت من السيليكون المتجانس. الغرض منه هو استبدال اتصالات المحولات والترحيل في الأجهزة المنطقية لأجهزة الكمبيوتر والأتمتة المنفصلة. المفتاح التناظري (الشكل 9.13، ب) يعود الى

الدوائر الخطية مع التحكم الإلكتروني البصري. مع قوة إشارة تحكم تتراوح من 60 إلى 80 ميجاوات، تصل معلمات المروحية إلى القيم المطلوبة للدوائر الدقيقة لأشباه الموصلات القياسية. مرحلات التيار المستمر منخفضة الطاقة الإلكترونية الضوئية (الشكل 9.13 ، الخامس)مصممة لتحل محل التناظرية

مرحلات كهروميكانيكية بسرعة في نطاق المللي ثانية وعدد العمليات المضمون 10 4 -10 7.

من المثير للاهتمام الدوائر الدقيقة الإلكترونية الضوئية من سلسلة 249، والتي تتضمن أربع مجموعات من الأجهزة، وهي عبارة عن مفاتيح إلكترونية تعتمد على الثنائيات والترانزستورات الكهربائية. المخطط الكهربائي لجميع المجموعات

الأجهزة هي نفسها (الشكل 9.14). من الناحية الهيكلية، تم تصميم الدوائر الدقيقة في حزمة دوائر متكاملة مسطحة مستطيلة تحتوي على 14 سنًا ولها قناتين معزولتين، مما يقلل من حجم ووزن المعدات، كما يعمل على توسيع وظائف الدوائر الدقيقة. مصابيح LED تعتمد على السيليكون ولها ص + - ص- ن أنا - ن + - بناء. يتيح لك وجود قناتين في الدونجل استخدامه كمقطع متكامل للإشارات التناظرية والحصول على نسبة نقل إشارة عالية (10-100) عند توصيل الترانزستورات الضوئية وفقًا لدائرة ترانزستور مركبة.

الأجهزة الضوئية
يعتمد تشغيل الأجهزة الإلكترونية الضوئية على العمليات الإلكترونية الضوئية لتلقي المعلومات ونقلها وتخزينها.

أبسط جهاز إلكتروني ضوئي هو زوج إلكترونيات بصرية، أو optocoupler. يعتمد مبدأ تشغيل optocoupler، الذي يتكون من مصدر إشعاعي ووسيط غمر (دليل ضوئي) وكاشف ضوئي، على تحويل الإشارة الكهربائية إلى إشارة ضوئية، ثم العودة إلى إشارة كهربائية.

Optocouplers كأجهزة وظيفية المزايا التاليةقبل العناصر الراديوية التقليدية:

عزل كلفاني كامل “مدخل – مخرج” (مقاومة العزل تتجاوز 10 12 – 10 14 أوم)؛

الحصانة المطلقة للضوضاء في قناة نقل المعلومات (حاملات المعلومات عبارة عن جزيئات محايدة كهربائيًا - الفوتونات) ؛

التدفق أحادي الاتجاه للمعلومات، والذي يرتبط بخصائص انتشار الضوء؛

النطاق العريض بسبب التردد العالي للاهتزازات الضوئية،

الأداء الكافي (عدة نانو ثانية)؛

جهد انهيار عالي (عشرات كيلو فولت) ؛

مستوى ضوضاء منخفض

قوة ميكانيكية جيدة.

بناءً على الوظائف التي يؤديها، يمكن مقارنة optocoupler بمحول (عنصر اقتران) مع مرحل (مفتاح).

تستخدم أجهزة optocoupler مصادر إشعاع أشباه الموصلات - الثنائيات الباعثة للضوء المصنوعة من مواد مركبات المجموعة أثالثا بالخامس , من بينها الأكثر واعدة فوسفيد الغاليوم والزرنيخيد. يقع طيف إشعاعاتها في منطقة الإشعاع المرئي والأشعة تحت الحمراء القريبة (0.5 - 0.98 ميكرون). الثنائيات الباعثة للضوء من فوسفيد الغاليوم لها لون أحمر و اللون الاخضريشع. تعتبر مصابيح LED المصنوعة من كربيد السيليكون واعدة، فهي تتميز بتوهج أصفر وتعمل عند درجة حرارة درجات حرارة مرتفعةوالرطوبة وفي البيئات العدوانية.

يتم استخدام مصابيح LED التي ينبعث منها الضوء في النطاق المرئي للطيف ساعة إلكترونيةوالحاسبات الدقيقة.

تتميز الثنائيات الباعثة للضوء بتركيبة طيفية للإشعاع واسعة جدًا، ونمط اتجاهي؛ الكفاءة الكمومية، والتي تحددها نسبة عدد الكمات الضوئية المنبعثة إلى عدد الكمات التي تمر عبرها ص-ن-انتقال الإلكترونات. الطاقة (مع الإشعاع غير المرئي) والسطوع (مع الإشعاع المرئي)؛ خصائص فولت أمبير، لومن أمبير وواط أمبير؛ السرعة (زيادة واضمحلال اللمعان الكهربائي أثناء الإثارة النبضية) ونطاق درجة حرارة التشغيل. مع زيادة درجة حرارة التشغيل، ينخفض سطوع LED وتنخفض قوة الانبعاث.

ويرد في الجدول الخصائص الرئيسية للثنائيات الباعثة للضوء في النطاق المرئي. 32، ومدى الأشعة تحت الحمراء - في الجدول. 33.
الجدول 32 الخصائص الرئيسية للثنائيات الباعثة للضوء المرئي

الجدول 33. الخصائص الرئيسية للثنائيات الباعثة للضوء بالأشعة تحت الحمراء

نوع الصمام الثنائي

إجمالي الطاقة الإشعاعية، ميغاواط

الجهد المستمر إلى الأمام، V

الطول الموجي للإشعاع، ميكرون

وقت صعود نبض الإشعاع، ns

وقت اضمحلال نبض الإشعاع، ns

الوزن (جرام

AL103 أ، ب

AL106 أ – د
AL107 أ، ب

0.6 - 1 (عند 50 مللي أمبير حاليًا)
0.2 - 1.5 (عند 100 مللي أمبير حاليًا)
6 - 10 (عند 100 مللي أمبير الحالي)
1.5 (عند تيار 100 مللي أمبير)

0.2 (عند تيار 20 مللي أمبير)

10 (عند 50 مللي أمبير الحالي)

1,6

0,95

200 – 300

500

0,1

يتم توصيل الثنائيات الباعثة للضوء في الأجهزة الإلكترونية الضوئية بأجهزة الكشف الضوئي عن طريق وسيط غمر، والشرط الرئيسي لذلك هو نقل الإشارة بأقل قدر من الخسائر والتشويه. في الأجهزة الإلكترونية البصرية، يتم استخدام وسائط الغمر الصلبة - البوليمرات. مركبات العضوية(المواد اللاصقة والورنيشات البصرية)، ووسائط الكالكوجينيد والألياف الضوئية. اعتمادًا على طول القناة الضوئية بين الباعث والكاشف الضوئي، يمكن تقسيم الأجهزة الإلكترونية الضوئية إلى موصلات ضوئية (طول القناة 100 - 300 ميكرون)، وعوازل ضوئية (حتى 1 متر) وخطوط اتصالات الألياف الضوئية - خطوط الألياف الضوئية ( يصل إلى عشرات الكيلومترات).

تخضع أجهزة الكشف الضوئي المستخدمة في أجهزة optocoupler لمتطلبات مطابقة الخصائص الطيفية مع الباعث، وتقليل الخسائر عند تحويل الإشارة الضوئية إلى إشارة كهربائية، والحساسية الضوئية، والسرعة، وحجم المنطقة الحساسة للضوء، والموثوقية، ومستوى الضوضاء.

بالنسبة للمقرنات الضوئية، فإن أكثر الأجهزة الواعدة هي أجهزة الكشف الضوئية ذات التأثير الكهروضوئي الداخلي، عندما يكون تفاعل الفوتونات مع الإلكترونات داخل المواد مع بعض الخصائص الفيزيائيةيؤدي إلى تحولات إلكترونية في الجزء الأكبر من الشبكة البلورية لهذه المواد.

يتجلى التأثير الكهروضوئي الداخلي بطريقتين: في تغيير مقاومة الكاشف الضوئي تحت تأثير الضوء (المقاومات الضوئية) أو في ظهور قوة دافعة ضوئية عند الواجهة بين مادتين - أشباه الموصلات وأشباه الموصلات وأشباه الموصلات المعدنية (الخلايا الكهروضوئية التبديلية، الثنائيات الضوئية، الترانزستورات الضوئية).

تنقسم أجهزة الكشف الضوئية ذات التأثير الكهروضوئي الداخلي إلى ثنائيات ضوئية (مع ص-ن- الوصلات، هيكل MIS، حاجز شوتكي)، المقاومات الضوئية، الكاشفات الضوئية ذات التضخيم الداخلي (الترانزستورات الضوئية، الترانزستورات الضوئية المركبة، الترانزستورات الضوئية، الترانزستورات الضوئية ذات التأثير الميداني).

تعتمد الثنائيات الضوئية على السيليكون والجرمانيوم. الحد الأقصى للحساسية الطيفية للسيليكون هو 0.8 ميكرون، والجرمانيوم - ما يصل إلى 1.8 ميكرون. أنها تعمل في التحيز العكسي ص-ن-الانتقال، مما يجعل من الممكن زيادة أدائها واستقرارها وخطية خصائصها.

تُستخدم الثنائيات الضوئية غالبًا ككاشفات ضوئية للأجهزة الإلكترونية الضوئية ذات التعقيد المتفاوت. ص- أنا-ن-الهياكل حيث أنا- المنطقة المستنفدة للمجال الكهربائي العالي. ومن خلال تغيير سمك هذه المنطقة، من الممكن الحصول على أداء جيد وخصائص حساسية بسبب انخفاض السعة وزمن طيران الحاملات.

تتميز الثنائيات الضوئية الانهيارية بحساسية وأداء متزايدين، وذلك باستخدام تضخيم التيار الضوئي عند مضاعفة حاملات الشحنة. ومع ذلك، فإن هذه الثنائيات الضوئية ليست مستقرة بدرجة كافية على مدى درجات الحرارة وتتطلب إمدادات طاقة عالية الجهد. تعد الثنائيات الضوئية ذات حاجز شوتكي وبنية MIS واعدة للاستخدام في نطاقات معينة من الطول الموجي.

تُصنع المقاومات الضوئية بشكل أساسي من أغشية أشباه الموصلات متعددة البلورات المعتمدة على مركب (الكادميوم مع الكبريت والسيلينيوم). الحد الأقصى للحساسية الطيفية للمقاومات الضوئية هو 0.5 - 0.7 ميكرون. تُستخدم المقاومات الضوئية عادةً في ظروف الإضاءة المنخفضة؛ من حيث الحساسية، فهي قابلة للمقارنة بالمضاعفات الضوئية - الأجهزة ذات التأثير الكهروضوئي الخارجي، ولكنها تتطلب طاقة منخفضة الجهد. عيوب المقاومات الضوئية هي الأداء المنخفض ومستويات الضوضاء العالية.

أجهزة الكشف الضوئي المضخمة داخليًا الأكثر شيوعًا هي الترانزستورات الضوئية وأجهزة الثايرستور الضوئي. تعتبر الترانزستورات الضوئية أكثر حساسية من الثنائيات الضوئية، ولكنها أبطأ. لزيادة حساسية الكاشف الضوئي بشكل أكبر، يتم استخدام ترانزستور ضوئي مركب، وهو عبارة عن مزيج من ترانزستورات الصور والتضخيم، ولكنه يتميز بأداء منخفض.

في optocouplers، يتم استخدام الثايرستور الضوئي (جهاز أشباه الموصلات بثلاثة ص- ن- التحولات، والتبديل عند مضيئة)، والتي لديها حساسية عاليةومستوى إشارة الخرج ولكن السرعة غير كافية.

يتم تحديد تنوع أنواع optocouplers بشكل أساسي من خلال خصائص وخصائص أجهزة الكشف الضوئي. أحد التطبيقات الرئيسية للمزدوجات الضوئية هو العزل الكلفاني الفعال لأجهزة الإرسال والاستقبال للإشارات الرقمية والتناظرية. في هذه الحالة، يمكن استخدام optocoupler في وضع المحول أو تبديل الإشارة. يتميز optocoupler بإشارة الإدخال المسموح بها (تيار التحكم) ومعامل النقل الحالي والسرعة (وقت التبديل) وسعة الحمولة.

عن تسمى نسبة معامل النقل الحالي إلى وقت التبديل بعامل الجودة للمقرنة الضوئية وهي 10 5 - 10 6 للمقرنات الضوئية الضوئية والترانزستور الضوئي. تستخدم على نطاق واسع Optocouplers المعتمدة على الثايرستور الضوئي. لا يتم استخدام optocouplers photoresistor على نطاق واسع بسبب انخفاض الوقت واستقرار درجة الحرارة. تظهر الرسوم البيانية لبعض أجهزة optocouplers في الشكل. 130، إعلان.

في يتم استخدام أشعة الليزر ذات الثبات العالي وخصائص الطاقة الجيدة والكفاءة كمصادر إشعاع متماسكة. في الإلكترونيات الضوئية، يتم استخدام ليزر أشباه الموصلات لتصميم الأجهزة المدمجة - الثنائيات الليزرية، المستخدمة، على سبيل المثال، في خطوط اتصالات الألياف الضوئية بدلاً من خطوط نقل المعلومات التقليدية - الكابلات والأسلاك. تتميز بإنتاجية عالية (عرض النطاق الترددي لوحدات جيجاهيرتز)، ومقاومة للتداخل الكهرومغناطيسي، وانخفاض الوزن والأبعاد، والعزل الكهربائي الكامل من المدخلات إلى المخرجات، والسلامة من الانفجارات والحريق. الميزة الخاصة لـ FOCL هي استخدام كابل ألياف بصرية خاص، يظهر هيكله في الشكل. 131. العينات الصناعية من هذه الكابلات لديها توهين يتراوح بين 1 – 3 ديسيبل/كم أو أقل. تُستخدم خطوط اتصالات الألياف الضوئية لبناء شبكات الهاتف والكمبيوتر وأنظمة تلفزيون الكابل ذات الصور المرسلة عالية الجودة. تسمح هذه الخطوط بالبث المتزامن لعشرات الآلاف من المحادثات الهاتفية والعديد من البرامج التلفزيونية.

في الآونة الأخيرة، تم تطوير الدوائر المتكاملة البصرية (OICs)، والتي تتشكل جميع عناصرها عن طريق ترسيب المواد اللازمة على الركيزة، بشكل مكثف وأصبحت واسعة الانتشار.

تعد الأجهزة المعتمدة على الكريستال السائل، والمستخدمة على نطاق واسع كمؤشرات في الساعات الإلكترونية، واعدة في مجال الإلكترونيات الضوئية. البلورات السائلة هي مادة عضوية (سائلة) لها خصائص البلورة وتكون في حالة انتقالية بين الطور البلوري والسائل.

تتميز مؤشرات الكريستال السائل بدقة عالية ورخيصة نسبيًا وتستهلك طاقة منخفضة وتعمل عند مستويات إضاءة عالية.

البلورات السائلة ذات الخصائص المشابهة للبلورات المفردة (nematics) تستخدم في أغلب الأحيان في مؤشرات الضوء وأجهزة الذاكرة الضوئية. وقد تم تطوير البلورات السائلة التي يتغير لونها عند تسخينها (الكولستريات) وتستخدم على نطاق واسع. وهناك أنواع أخرى من البلورات السائلة (smectics) تستخدم للتسجيل الحراري البصري للمعلومات.

أصبحت الأجهزة الإلكترونية الضوئية، التي تم تطويرها مؤخرًا نسبيًا، منتشرة على نطاق واسع في مختلف مجالات العلوم والتكنولوجيا نظرًا لخصائصها الفريدة. كثير منهم ليس لديهم نظائرها في تكنولوجيا الفراغ وأشباه الموصلات. ومع ذلك، هناك الكثير مشاكل لم يتم حلهاالمتعلقة بتطوير مواد جديدة وتحسين الخصائص الكهربائية والتشغيلية لهذه الأجهزة وتطوير الأساليب التكنولوجية لتصنيعها.

القسم 5. أجهزة الجهاز المزدوج الشحن (CCD).

وزارة التربية والتعليم في جمهورية بيلاروسيا

مؤسسة تعليمية

"جامعة ولاية بيلاروسيا

علوم الكمبيوتر والالكترونيات الراديوية "

قسم الاتحاد النقدي الأوروبي

"أساسيات الإلكترونيات الضوئية. تصنيف الأجهزة الإلكترونية البصرية"

مينسك، 2008

الإلكترونيات الضوئية هي مجال مستقل مهم للإلكترونيات الوظيفية والالكترونيات الدقيقة. الجهاز الإلكتروني البصري هو جهاز يتم فيه تحويل الإشارات الكهربائية إلى إشارات ضوئية والعكس صحيح عند معالجة المعلومات.

من السمات الأساسية للأجهزة الإلكترونية الضوئية أن العناصر الموجودة فيها متصلة بصريًا ومعزولة كهربائيًا عن بعضها البعض.

رسم بياني 1. Optocoupler مع التوصيلات الضوئية الداخلية (أ) والخارجية (ب): 1، 6 - مصادر الضوء؛ 2 - دليل الضوء. 3, 4 - مستقبلات الضوء؛ 5- مكبر للصوت.

العنصر الرئيسي في الإلكترونيات الضوئية هو optocoupler. توجد قارنات ضوئية ذات وصلات فوتونية داخلية (الشكل 1، أ) وخارجية (الشكل 1، ب). أبسط optocoupler عبارة عن شبكة من أربعة أطراف (الشكل 1، أ)، تتكون من ثلاثة عناصر: باعث الصورة 1، ودليل الضوء 2، ومستقبل الضوء 3، محاطًا بغطاء محكم الغلق ومقاوم للضوء. عندما يتم تطبيق إشارة كهربائية على الإدخال على شكل نبضة أو انخفاض في تيار الإدخال، يتم إثارة الباعث الضوئي. يدخل تدفق الضوء من خلال دليل الضوء إلى الكاشف الضوئي، عند إخراجه يتم تشكيل نبض كهربائي أو انخفاض تيار الإخراج. هذا النوع من optocoupler هو مضخم للإشارات الكهربائية، حيث يكون الاقتران الداخلي فوتونيًا والاقتران الخارجي كهربائيًا.

نوع آخر من optocoupler - مع اقتران داخلي كهربائي واقتران خارجي فوتوني (الشكل 1، ب) - هو مضخم للإشارات الضوئية، بالإضافة إلى محول إشارات تردد واحد إلى إشارات تردد آخر، على سبيل المثال، إشارات الأشعة تحت الحمراء الإشعاع إلى إشارات الطيف المرئي. يقوم جهاز استقبال الضوء 4 بتحويل الإشارة الضوئية المدخلة إلى إشارة كهربائية. يتم تضخيم هذا الأخير بواسطة مكبر الصوت 5 ويثير مصدر الضوء 6.

حاليًا، تم تطوير عدد كبير من الأجهزة الإلكترونية الضوئية لأغراض مختلفة. في الإلكترونيات الدقيقة، كقاعدة عامة، يتم استخدام العناصر الوظيفية الإلكترونية الضوئية فقط التي تتوفر فيها إمكانية التكامل، فضلاً عن توافق تكنولوجيا التصنيع الخاصة بها مع تكنولوجيا التصنيع للدوائر المتكاملة المقابلة.

بواعث الصور. تخضع مصادر الضوء الإلكترونية الضوئية لمتطلبات مثل التصغير، وانخفاض استهلاك الطاقة، والكفاءة والموثوقية العالية، وعمر الخدمة الطويل، وقابلية التصنيع. ويجب أن تتمتع بأداء عالٍ وأن تكون قابلة للتصنيع كأجهزة متكاملة.

مصادر الإضاءة الكهربائية الأكثر استخدامًا هي مصابيح LED للحقن، حيث يتم تحديد انبعاث الضوء من خلال آلية إعادة التركيب بين النطاقات للإلكترونات والثقوب. إذا قمت بتمرير تيار حقن كبير بما فيه الكفاية من خلال تقاطع p-n (في الاتجاه الأمامي)، فإن بعض الإلكترونات من نطاق التكافؤ سوف تنتقل إلى نطاق التوصيل (الشكل 2). في الجزء العلوي من نطاق التكافؤ، تتشكل حالات حرة (ثقوب)، وفي الجزء السفلي من نطاق التوصيل، تتشكل حالة ممتلئة (إلكترونات التوصيل).

مثل هذا التجمع العكسي ليس متوازنًا ويؤدي إلى انبعاث فوضوي للفوتونات أثناء التحولات الإلكترونية العكسية. التوهج غير المتماسك الذي يظهر في تقاطع pn هو تلألؤ كهربائي.

الصورة 2. شرح مبدأ تشغيل مصباح LED للحقن.

يتسبب الفوتون المنبعث أثناء انتقال الانارة من الجزء المملوء من نطاق التوصيل إلى الجزء الحر من نطاق التكافؤ في انبعاث محفز لفوتون مماثل، مما يتسبب في انتقال إلكترون آخر إلى نطاق التكافؤ. ومع ذلك، لا يمكن امتصاص فوتون له نفس الطاقة (من ∆E=E2-E1 إلى ∆E=2δE)، نظرًا لأن الحالة السفلية تكون حرة (لا توجد إلكترونات فيها)، والحالة العليا ممتلئة بالفعل. وهذا يعني أن تقاطع p-n شفاف بالنسبة للفوتونات ذات هذه الطاقة، أي. للتردد المقابل على العكس من ذلك، يمكن امتصاص الفوتونات ذات الطاقات الأكبر من ∆E+2δE، ونقل الإلكترونات من نطاق التكافؤ إلى نطاق التوصيل. في الوقت نفسه، بالنسبة لمثل هذه الطاقات، يكون انبعاث الفوتونات المستحث أمرًا مستحيلًا، نظرًا لأن الحالة الأولية العليا غير مملوءة، والحالة السفلية مملوءة. وبالتالي، فإن البث المحفز ممكن في نطاق ضيق حول التردد المقابل لطاقة فجوة النطاق ∆E مع العرض الطيفي δE.

أفضل المواد لمصابيح LED هي زرنيخيد الغاليوم، وفوسفيد الغاليوم، وفوسفيد السيليكون، وكربيد السيليكون، وما إلى ذلك. تتميز مصابيح LED بأداء عالٍ (حوالي 0.5 ميكروثانية)، ولكنها تستهلك تيارًا عاليًا (حوالي 30 أمبير/سم2). في الآونة الأخيرة، تم تطوير مصابيح LED على أساس زرنيخيد الغاليوم - الألومنيوم، الذي تتراوح قوته من الكسور إلى عدة ملي واط مع تيار أمامي يبلغ عشرات المللي أمبير. لا يتجاوز pd لمصابيح LED 1 - 3%.

مصادر الضوء الواعدة هي الليزر الحقني، الذي يجعل من الممكن تركيز الطاقات العالية في منطقة طيفية ضيقة بكفاءة وسرعة عالية (عشرات البيكو ثانية). يمكن تصنيع أجهزة الليزر هذه كمصفوفات على شريحة أساسية واحدة باستخدام نفس تقنية الدوائر المتكاملة. عيب ليزر الحقن البسيط هو أن أداءه مقبول فقط عند تبريده إلى درجات حرارة منخفضة جدًا. في درجات الحرارة العادية، يتمتع ليزر زرنيخيد الغاليوم بمتوسط طاقة منخفض، وكفاءة منخفضة (حوالي 1٪)، واستقرار تشغيلي وعمر خدمة ضعيف. مزيد من التحسين في ليزر الحقن عن طريق إنشاء انتقال لبنية معقدة باستخدام الوصلات غير المتجانسة (الوصلة غير المتجانسة هي الحدود بين الطبقات التي لها نفس أنواع التوصيل الكهربائي، ولكن مع وجود فجوات نطاقية مختلفة) أتاح الحصول على مصدر ضوء صغير الحجم يعمل عند درجات الحرارة العادية بكفاءة 10 – 20% وبخصائص مقبولة.

أجهزة كشف ضوئية. لتحويل الإشارات الضوئية إلى إشارات كهربائية، يتم استخدام الثنائيات الضوئية، والترانزستورات الضوئية، والمقاومات الضوئية، وأجهزة الثايرستور الضوئي وغيرها من الأجهزة.

الثنائي الضوئي هو تقاطع p-n متحيز عكسيًا، ويتم تحديد تيار التشبع العكسي الخاص به من خلال عدد حاملات الشحنة المتولدة فيه بفعل الضوء الساقط (الشكل 3). يتم التعبير عن معلمات الصمام الثنائي الضوئي من خلال قيم التيار المتدفق في دائرته. يتم تعريف حساسية الثنائي الضوئي، والتي تسمى عادة متكاملة، على أنها نسبة التيار الضوئي إلى التدفق الضوئي Фυ الذي تسبب في ذلك. يتم تقدير عتبة حساسية الثنائيات الضوئية بناءً على القيم المعروفة للحساسية المتكاملة (التيار) ومعرف التيار المظلم، أي. يتدفق التيار في الدائرة في غياب تشعيع الطبقة الحساسة.

المواد الرئيسية للثنائيات الضوئية هي الجرمانيوم والسيليكون. عادة ما تكون الثنائيات الضوئية السيليكونية حساسة في نطاق ضيق من الطيف (من 0 = 0.6 - 0.8 ميكرومتر إلى 1 = 1.1 ميكرومتر) بحد أقصى عند 0 = 0.85 ميكرومتر، والثنائيات الضوئية الجرمانيوم لها حدود حساسية lect = 0.4 - 1.8 ميكرومتر بحد أقصى عند ≈ ≈ 1.5 ميكرومتر. في وضع الصمام الثنائي الضوئي بجهد إمداد يبلغ 20 فولت، لا يتجاوز التيار المظلم لثنائيات السيليكون الضوئية عادة 3 ميكرو أمبير، بينما بالنسبة للجرمانيوم؛ الثنائيات الضوئية بجهد إمداد 10 فولت تصل إلى 15-20 ميكرو أمبير.

تين. 3. خصائص الدائرة والجهد الحالي للثنائي الضوئي.

الشكل 4. خصائص الدائرة والجهد الحالي للترانزستور الضوئي.

الصفحة 5 من 14

Optocouplers هي تلك الأجهزة الإلكترونية الضوئية التي يوجد بها مصدر ومستقبل للإشعاع الضوئي (باعث الضوء وكاشف ضوئي) مع نوع أو آخر من التوصيلات الضوئية والكهربائية بينهما والمرتبطة هيكليًا ببعضها البعض.
يعتمد مبدأ تشغيل optocouplers من أي نوع على حقيقة أنه في الباعث يتم تحويل طاقة الإشارة الكهربائية إلى ضوء؛ على العكس من ذلك، في الكاشف الضوئي، تسبب الإشارة الضوئية تيارًا كهربائيًا. عادة ما يتم توفير الإشارة الكهربائية إلى الباعث من مصدر خارجي. تصل الإشارة الضوئية إلى الكاشف الضوئي عبر دائرة اتصال بصرية من الباعث.
تعتمد عمليات تحويل الطاقة في optocoupler على الطبيعة الكمومية للضوء، وهو الإشعاع الكهرومغناطيسي على شكل تيار من الجسيمات - الكميات.
بواعث الضوء. عدة أنواع من البواعث مناسبة للاستخدام في optocouplers: المصابيح المتوهجة المصغرة، التي تستخدم الإشعاع الحراري من فتيل يتم تسخينه بواسطة تيار كهربائي إلى 1800-2000 درجة مئوية؛ مصابيح النيون التي تستخدم وهج التفريغ الكهربائي لخليط غاز النيون والأرجون، وما إلى ذلك [انظر. 1، § 1.1].
تتميز هذه الأنواع من البواعث بإخراج ضوء منخفض ومتانة محدودة وأبعاد كبيرة واتجاه إشعاع منخفض ويصعب التحكم فيها. النوع الرئيسي من الباعث المستخدم في optocouplers هو الصمام الثنائي الباعث للضوء بحقن أشباه الموصلات - LED. دعونا ننظر في عملية تحويل الطاقة في مثل هذه optocoupler (الشكل 11، أ).
عند السطح البيني بين p- ومناطق بنية أشباه الموصلات، كما هو موضح أعلاه، يظهر تقاطع p-n، حيث تتركز الشحنة الفضائية من الثقوب والإلكترونات. عندما يتم تطبيق جهد أمامي 1/ip على البنية الموجودة في المنطقة النشطة B من بلورة أنواع معينة من أشباه الموصلات (على سبيل المثال، زرنيخيد الغاليوم والمركبات القائمة عليه)، يتم حقن تركيز زائد من ناقلات الشحنة الحرة بواسطة p- يتم إنشاء تقاطع متحيز في الاتجاه الأمامي. يمر تدفق الإلكترونات الناتج عبر منطقة الشحنة الفضائية E، مما يخلق تيارًا إلكترونيًا /p. تتحد بعض الإلكترونات مرة أخرى في المناطق النشطة B والمناطق C المعتمة من البلورة ذات الثقوب. كل عملية إعادة تركيب لحاملات الشحنة الرئيسية تكون مصحوبة بانبعاث كمية خفيفة، أي. تحدث إعادة التركيب الإشعاعي.
في نفس الوقت، ينشأ مكون تيار الثقب /p، الناتج عن حقن الثقوب في المنطقة n ويعكس حقيقة عدم وجود مدخلات p-n مع الحقن من جانب واحد. تكون نسبة هذا التيار أصغر، وكلما زادت قوة تخدير المنطقة /m مقارنة بالمنطقة p للبنية البلورية.
يتم امتصاص جزء من الإشعاع الناتج في المنطقة "الشفافة" بصريًا A من البلورة (الأشعة 1 في الشكل 11.6)، بالإضافة إلى ذلك، يحدث الانعكاس الداخلي (الأشعة 2) عندما تسقط أشعة الضوء على السطح البيني بين أشباه الموصلات والوسائط الهوائية التي لها اختلاف الكثافة الضوئية، مما يؤدي في النهاية إلى فقدانها بسبب الامتصاص الذاتي.

أرز. 11. نماذج LED الكهربائية (أ) والبصرية (6).
إن توليد الكمات في المنطقة النشطة لأشباه الموصلات هو عملية تلقائية وتتميز بحقيقة أن أشعة الضوء يتم توجيهها بالتساوي في جميع الاتجاهات. يتم امتصاص الأشعة 3 التي تنتشر نحو المنطقة شديدة التنشيط لأشباه الموصلات بسرعة. المنطقة النشطة B لها تأثير الدليل الموجي، والأشعة 4، بسبب الانعكاسات المتعددة، تتركز على طول هذه المنطقة، وبالتالي فإن شدة الإشعاع النهائي أعلى بكثير من الاتجاهات الأخرى لخروج الضوء من البلورة.
المواد الرئيسية التي تصنع منها الباعثات هي زرنيخيد الغاليوم والمركبات التي تعتمد عليه، والمواد المستخدمة في أجهزة الكشف الضوئي هي السيليكون. كلا النوعين من المواد لهما نفس الكثافة البصرية تقريبًا (معامل الانكسار). يضمن هذا الظرف المطابقة البصرية الكاملة لوحدات المولد والاستقبال الخاصة بالمقرنة الضوئية.
أجهزة كشف ضوئية. يعتمد مبدأ تشغيل أجهزة الكشف الضوئية المستخدمة في أدوات التوصيل الضوئية على التأثير الكهروضوئي الداخلي، والذي يتكون من فصل الإلكترونات عن الذرات داخل جسم بلوري تحت تأثير الإشعاع الكهرومغناطيسي (البصري). يؤدي تكوين الإلكترونات الحرة إلى تغير في الخواص الكهربائية للجسم المشعع، ويتم استخدام الظواهر الكهروضوئية الناتجة عمليا. لقد ثبت تجريبيا أن أهم الظواهر الكهروضوئية تحدث في أشباه الموصلات، وخاصة في أشباه الموصلات النقية. وهكذا، في الكاشف الضوئي، يتم تحويل الكميات الضوئية إلى طاقة الشحنات الكهربائية المتنقلة، والتي تحت تأثيرها تنشأ صورة EMF عند تقاطع pn.
عند تطوير أدوات التوصيل الضوئي، يكون الكاشف الضوئي هو العنصر المحدد للمقرنة الضوئية، ويتم تحديد الباعث "للكاشف الضوئي". أفضل ما يميز مستوى أجهزة optocouplers هو أجهزة optocouplers ذات الصمام الثنائي، والتي تتميز أنواعها الصناعية ببساطة تصميمها، وتنوعها الكبير، واتساع نطاق وظائفها، ومزيج جيد من المعلمات الكهربائية.
تصميم أجهزة أشباه موصلات الطاقة. أساس تصميم أي جهاز شبه موصل هو هيكل أشباه الموصلات، الذي يحدد معالمه وخصائصه الكهربائية. يُطلق على الهيكل الذي يحتوي على عناصر توفر القوة الميكانيكية اللازمة والاتصالات الكهربائية والحرارية الموثوقة مع جسم الجهاز اسم عنصر تصميم الصمام. يجب أن يكون عنصر الصمام حماية موثوقةمن التأثيرات البيئية، لذلك يتم وضعه في مبيت يضمن الختم والقوة الميكانيكية للهيكل بأكمله.
بناءً على نوع تصميم الغلاف، يمكن تقسيم جميع صمامات أشباه موصلات الطاقة إلى نوع الدبوس وقاعدة مسطحة (شفة) ونوع قرصي.
في التين. يوضح الشكل 12 تصميم دبوس الثايرستور، قاعدته 2 مصنوعة من النحاس مع مسمار ملولب 1 لضمان الاتصال الكهربائي والحراري مع المبرد. يحتوي الثايرستور ذو القاعدة المبيتة المسطحة (الشكل 12ج) على شفة نحاسية 1 لتثبيت الجهاز في المبرد. أغطية العلب في كلا النوعين من الثايرستور مصنوعة من الزجاج المعدني أو السيراميك المعدني. يمكن تصنيع طرف الطاقة العلوي 3 على شكل حزام مضفر معدني (نحاسي) (طرف مرن) أو قضيب نحاسي مجوف مملوء بالرصاص (طرف صلب، الشكل 12.6).

أرز. 12. تصميمات الثايرستور القوي:
أ - الثايرستور ذو الدبوس المرن و ب - بدون خرج مرن ؛ ج - الثايرستور ذو الحواف ذات الرصاص المرن
يتم تصنيع الثايرستورات ذات التصميم اللوحي (الشكل 13، هـ) على شكل قرص 1 في غلاف من السيراميك المموج، مما يحمي عنصر الصمام من التلوث والأضرار الميكانيكية. يتم وضع الجهاز اللوحي بين القاعدتين المعدنيتين العلويتين والسادسة السفلية للجهاز، والتي تكون على اتصال بالمبردات، مما يؤدي إلى إنشاء اتصالات كهربائية وحرارية. يوجد قطب التحكم 4 للثايرستور على السطح الجانبي للعلبة. يتم توصيل الجهاز بالدائرة الكهربائية من خلال اللوحتين الحاملتين للتيار رقم 3 و 5.
تُستخدم تصميمات الدبوس والشفة لصمامات الطاقة للتيارات التي تصل إلى 320 أمبير، والتصميمات اللوحية للتيارات التي تصل إلى 250 أمبير وأكثر. تعد الأجهزة ذات قاعدة الجسم المسطحة أكثر مقاومة للتغيرات الدورية في درجات الحرارة. في تطوير الثايرستور السنوات الأخيرةيتم استخدام هذا التصميم في كثير من الأحيان.
في التين. يوضح الشكل 13.6 تصميم ترانزستور السيليكون الجديد من سلسلة TK كمثال. تحتوي هذه الأجهزة على هيكل ضخم من تصميم الدبوس مع مسمار ملولب على القاعدة للاتصال بالرادياتير وقاعدة صلبة وأسلاك باعث.
الخصائص العامةأجهزة أشباه الموصلات. تنتج الصناعة المحلية مجموعة واسعة من أجهزة أشباه موصلات الطاقة، والتي يتيح استخدامها إنشاء محولات طاقة كهربائية مختلفة اقتصادية وصغيرة الحجم وموثوقة للغاية. لتسهيل اختيار أجهزة أشباه الموصلات في عملية تصميم التركيبات واستبدال الصمامات الفاشلة أثناء تشغيلها، يتم استخدام نظام أبجدي رقمي من الرموز لثنائيات الطاقة والثايرستورات والترانزستورات والمقارنات الضوئية (GOST 15543-70*).

أرز. 13. تصميم الجهاز اللوحي للثايرستور T500 بدون مبرد (أ) والأبعاد الشاملة والتركيبية لترانزستور الطاقة (ب)
للتحكم في الثايرستور الضوئي، يتم توفير نافذة خاصة في غلافه لنقل تدفق الضوء. في الثايرستور optocoupler، يتم استخدام الصمام الثنائي الباعث للضوء لأشباه الموصلات - LED - كباعث، حيث يتم توفير إشارة التحكم. من المزايا المهمة للثايرستور الضوئي والمقرن الضوئي على الثايرستور الذي يتم التحكم فيه بواسطة إشارة كهربائية عدم وجود اتصال كلفاني بين دائرة الطاقة بالجهاز ونظام التحكم الخاص به.