Izvori optičkog zračenja koji se koriste u Optoelektronika je, općenito govoreći, vrlo raznolika. Međutim, većina njih (subminijaturne žarulje sa žarnom niti i sijalice s plinskim pražnjenjem, praškasti i filmski elektroluminiscentni emiteri, vakuumski katodoluminiscentni emiteri i mnogi drugi tipovi) ne zadovoljavaju cijeli set savremenih zahteva i koriste se samo u određenim uređajima, uglavnom u indikatorskim uređajima i dijelom u optospojnicama.
Prilikom procjene perspektiva određenog izvora, odlučujuću ulogu igra stanje agregacije aktivne svjetleće tvari (ili tvari koja ispunjava radni volumen). Od svih mogućih opcija (vakuum, gas, tečnost, čvrsta), prednost se daje čvrstoj materiji, a „unutar“ monokristalnoj materiji jer obezbeđuje najveću izdržljivost i pouzdanost uređaja.
Osnovu optoelektronike čine dvije grupe emitera:
1) optički generatori koherentnog zračenja (laseri), među kojima treba razlikovati poluprovodničke lasere;
1) poluprovodničke diode koje emituju svetlost zasnovane na principu spontane injekcijske elektroluminiscencije.
Optoelektronski poluprovodnički uređaj je poluprovodnički uređajemitiranje ili pretvaranje elektromagnetnog zračenja, osjetljivog na ovo zračenje u vidljivom, infracrvenom i (ili) ultraljubičastom području spektra, ili korištenje takvog zračenja za internu interakciju njegovih elemenata.
Optoelektronski poluvodički uređaji se mogu podijeliti na poluvodičke emitere, prijemnike zračenja, optospojnice i optoelektronska integrirana kola (slika 2.1).
Poluprovodnički emiter je optoelektronski poluprovodnički uređaj koji pretvara električnu energiju u energiju elektromagnetnog zračenja u vidljivom, infracrvenom i ultraljubičastom području spektra.
Mnogi poluvodički emiteri mogu emitovati samo nekoherentne elektromagnetne talase. Tu spadaju poluvodički emiteri u vidljivom području spektra - poluvodički uređaji za prikaz informacija (svjetleće diode, poluvodički indikatori znakova, vage i ekrani), kao i poluvodički emiteri u infracrvenom području spektra - infracrvene emitirajuće diode.
Koherentni poluvodički emiteri– ovo su poluvodički laseri sa različitim vrstama pobude. Mogu emitovati elektromagnetne valove određene amplitude, frekvencije, faze, smjera širenja i polarizacije, što odgovara konceptu koherencije.
Svrha rada je eksperimentalno proučavanje karakteristika fotoosjetljivih i svjetlosnih uređaja.
Kratke teorijske informacije.
Optoelektronski poluvodički uređaji se mogu podijeliti u dvije grupe: emitujuće i fotoosjetljive (fotoprijemne). U prvu grupu spadaju LED diode i poluvodičke laserske emitere, a u drugu grupu spadaju fotodiode, fototranzistori, fototiristori, fotootpornici i niz drugih.
Uvod. Savremena oblast optoelektronike je izuzetno široka i obuhvata proučavanje uređaja čiji je rad vezan za optičke i električne fenomene, kao što su različite vrste fotosenzitivnih ćelija, generatori svetlosti, modulatori, displeji itd. Ograničićemo se na proučavanje uređaja i detektora koji emituju svetlost.
Definicija Optoelektronika je proučavanje i primjena elektronske opreme koja obezbjeđuje, detektuje i kontroliše svetlost. Optoelektronski uređaji su električni pretvarači u optičko ili optičko u električne, ili uređaji koji koriste takve uređaje u svom radu.
LED je uređaj s p-n spojevima između slojeva poluvodičkih materijala uključenih u njegov sastav. On pretvara energiju struje koja teče kroz nju u elektromagnetno nekoherentno zračenje.
Kada prava struja prođe kroz diodu u zoni p-n spoja, dolazi do rekombinacije elektrona i rupa. Ovaj proces može biti praćen elektromagnetnim zračenjem sa frekvencijom određenom odnosom:
Ovi uređaji pretvaraju električnu energiju u svjetlosnu energiju. Emituju svjetlost kada se aktiviraju električnom energijom. Ovi uređaji generiraju mali električni signal kada su osvijetljeni, pretvarajući tako svjetlosnu energiju u električnu energiju.
LED diode su one koje su dostupne u obliku šarenih sijalica koje dolaze u optoelektronskim uređajima, kućnim aparatima, igračkama i na mnogim drugim mjestima. Diode koje emituju svjetlost su diode koje utječu na proizvodnju svjetlosti kada struja teče kroz njih. Diode imaju svojstvo koje dozvoljava struji da prolazi samo u jednom smjeru, a ne u drugom.
– vrijednost koja odgovara pojasnom pojasu poluprovodnika, 
– Plankova konstanta. Međutim, istovremeno s ovim (radijativnim) mehanizmom rekombinacije djeluje i neradijativni mehanizam, posebno povezan sa apsorpcijom energije kristalnom rešetkom. Prilikom proizvodnje LED dioda nastoje smanjiti njihov utjecaj. Efikasnost pretvaranja električne energije u svjetlost se procjenjuje pomoću vrijednosti 
, nazvana unutrašnja kvantna efikasnost. Određuje se odnosom broja emitovanih fotona i broja rekombinovanih parova nosača.
Diode koje emituju svetlost. Ove nečistoće se nazivaju atomi donora jer doprinose relativno „slobodnom“ elektronu strukturi. Ove nečistoće se nazivaju akceptorski atomi jer broj elektrona nije dovoljan da dovrši kovalentne veze rešetke, što rezultira rupom koja će brzo prihvatiti elektron. Elektroni i rupe se mogu kretati pod uticajem električno polje, a kada se rekombinuju, formira se foton ili čestica svjetlosti. Ova rekombinacija zahtijeva da se energija nevezanog slobodnog elektrona prenese u drugo stanje.
Kao što slijedi iz (5.1), talasna dužina LED zračenja
je obrnuto proporcionalna zaponu pojasa poluvodiča. Za diode napravljene od germanijuma, silicijuma i galij arsenida, maksimalna emitovana energija se javlja u infracrvenom području, a osim toga, za germanijumske i silicijumske diode postoji velika verovatnoća neradijativne rekombinacije.
Ovi tekstovi takođe mogu biti zanimljivi
U silicijumu i germanijumu većina je u obliku toplote, a emitovana svetlost je zanemarljiva. Ove greške su uzrokovane prisustvom harmonika u mreži, kao i preciznošću mjerenja ispitne opreme. Da li se sudija može osloniti na prima facie činjenice koje su bile ne samo navodne u strankama, već su morale biti stečene na neki drugi način, ili je svoju odluku mogao zasnovati samo na činjenicama koje stranke navode? Zašto koristiti znanje u upravljanju projektima? . Projekt Plasma Optoelectronics je uključen u eksperimentalna i odozdo prema gore istraživanja organske elektronike, od implementacije uređaja, njihove optoelektronske karakterizacije, do modeliranja njihovih fizičkih svojstava.
Za proizvodnju LED dioda koje emituju u vidljivom opsegu koriste se specijalni poluvodički materijali - galijum fosfid, galijum nitrid, silicijum karbid i drugi sa velikim razmakom. Moderne LED diode koriste heterospojeve, odnosno poluvodičke strukture zasnovane na materijalima s različitim razmacima u pojasu.
Oblast organske elektronike obuhvata različite tehnologije koje koriste osnovne uređaje. Diode koje emituju svetlost u oblasti displeja sa ravnim ekranom i niskoenergetske rasvete Tranzistori sa efektom polja u logičkim kolima - memorija za podršku nomadskim ili vanmrežnim električnim instalacijama. Aktivnosti grupe se razvijaju kroz lokalnu, nacionalnu i međunarodnu saradnju sa partnerima iz akademskog sveta, kao i regionalnim i nacionalnim industrijskim strukturama.
Taloženje parom jonskim snopom
Većina optoelektronskih komponenti koristi katode proizvedene vakuumskim isparavanjem. Taloženje parom ionskim snopom uključuje taloženje isparavanjem na supstrat i istovremeno izlaganje supstrata snopu energetskih jona. Ova metoda rezultira promjenama u optičkim, električnim, mehaničkim i hemijska svojstva naneseni sloj. Ova metoda omogućava, posebno, kompaktiranje nanesenih slojeva kako bi se ograničila difuzija kisika i vode unutar komponenti. Ovo poboljšava vijek trajanja komponenti.
Na sl. Na slici 5.1 prikazana je zavisnost intenziteta zračenja LED dioda izrađenih od različitih materijala o talasnoj dužini (spektralne karakteristike), a tu je takođe prikazan simbol LED na električnim kolima.
Rice. 5.1. Spektralne karakteristike i oznaka LED dioda na električnim dijagramima.
Razvoj nanostrukturiranih neorganskih poluprovodnika
U tom kontekstu, u laboratoriji su razvijene tehnike raspršivanja snopom mekih jona. Hibridne optoelektronske komponente koje koriste svojstva organskih i neorganske materije u istom uređaju, sada su pokazali važan potencijal za razvoj konkurentnih niskobudžetnih rješenja. U tom kontekstu, zanima nas sinteza nanokristala anorganskih metalnih oksida s dobro kontroliranom morfologijom koja se koristi u aktivnim slojevima naših uređaja, kao i taloženje tankih anorganskih slojeva pirolizom aerosola koji se koriste kao prozirne provodne elektrode, blokirajući slojevi ili tampon slojeva u laboratorijski razvijenim komponentama.
Strujna naponska karakteristika LED diode (slika 5.2) je slična onoj kod konvencionalne poluvodičke diode. Njegova posebnost je u tome što naponi naprijed mogu doseći nekoliko volti (zbog velikog pojasa), a reverzni naponi su mali zbog male debljine pn spoja. U slučaju električnog kvara LED diode, uslijed udarne jonizacije u volumenu p-n spoja, može doći i do zračenja elektromagnetne energije. Međutim, intenzitet zračenja u ovom režimu je nizak i ne nalazi praktičnu primenu.
Nove tehnologije se razvijaju
Ugrađivanje organskih materijala laserskom ablacijom. . Fenomen laserske ablacije može se koristiti za proizvodnju tankih organskih slojeva: ima prednost proizvodnje slojeva kontrolirane debljine i dobrog kristalnog kvaliteta na temperaturi okruženje. Da bi se izbjegla degradacija molekularne strukture spoja, potrebno je raditi pri niskoj gustoći fluksa blizu praga fluence. Laserska ablacija također omogućava selektivno nagrizanje prethodno nanesenih slojeva kroz masku.
Rice. 5.2. Strujno-naponske karakteristike LED dioda.
Važna karakteristika LED diode je svjetlina, odnosno ovisnost svjetline zračenja 
na veličinu prednje struje. Svjetlina je određena omjerom intenziteta svjetlosti i površine svjetleće površine. Približan prikaz takve karakteristike prikazan je na Sl. 5.3. Njegove krivine u početnoj i krajnjoj sekciji objašnjavaju se činjenicom da se pri malim i velikim strujama povećava vjerovatnoća neradijativne rekombinacije.
Razvoj elektroda na bazi ugljičnih nanocijevi. . Sa električne tačke gledišta, nanocevi imaju karakteristiku da su metalne ili poluprovodne u zavisnosti od njihove geometrije. Kroz pristupe rješenja, cilj nam je razviti i optimizirati elektrode bazirane na ugljičnim nanocijevi.
Razvoj hibridnih komponenti ko-precipitacijom. . Princip koprecipitacije hibridnih komponenti. Kao novi pristup, predlažemo koprecipitaciju organskog materijala isparavanjem i neorganskog materijala ionskim raspršivanjem. Takvi hibridni slojevi se također mogu koristiti kao slojevi barijere za kapsuliranje komponenti.
Rice. 5.3. Karakteristike svjetline LED diode.
LED diode, za razliku od drugih emitujućih uređaja (sijalice sa žarnom niti, itd.), vrlo brzo djeluju (bez inercije). Vrijeme tokom kojeg svjetlosni tok koji generira LED pri primjeni pravokutnog impulsa jednosmjerne struje dostiže svoj maksimum kreće se od nekoliko mikrosekundi do desetina nanosekundi.
Optoelektronski uređaji
Organske i hibridne fotonaponske ćelije
Fotonaponske ćelije omogućavaju pretvaranje svjetlosne energije u električnu energiju apsorbiranjem fotona, zatim stvaranjem i konačno prijenosom slobodnih naboja u aktivnom sloju koji se sastoji od materijala koji doniraju i primaju elektrone. Organske ćelije zasnovane na malim konjugovanim molekulima ili poluprovodnim polimerima imaju prednost u tome što su razvijene uz niske troškove na fleksibilnim podlogama.Za organske solarne ćelije, glavni ciljevi su. Kontrola morfologije na nanometarskoj skali za obje komponente na bazi isparenih malih molekula i ćelije na bazi konjugiranih polimera i rastvorljivih molekularnih akceptora.
LED diode karakteriziraju sljedeći glavni parametri: valna dužina maksimalnog zračenja ili boja sjaja; svjetlina ili intenzitet svjetlosti pri datoj naprijed struji; pad napona naprijed pri datoj naprijed struji i maksimalnoj dozvoljenoj naprijed struji, obrnutom naponu i snazi koju rasipa LED.
Fotodioda je poluvodički uređaj čiji je p-n spoj otvoren za vanjsko zračenje. Ako vanjski izvori napona nisu spojeni na terminale poluvodičke diode, tada je p-n spoj u ravnotežnom stanju. U ovom slučaju, razlika potencijala na terminalima diode je nula, a na sučelju između slojeva poluvodiča postoji unutrašnje električno polje koje sprječava kretanje većinskih nosilaca kroz p-n spoj.
Optimizacija elektroda metodama ionskog snopa. Modeliranje aktivnih zona ćelija kako bi se poboljšale njihove karakteristike i njihov životni vijek. Optimizacija elektrodnih struktura solarnih ćelija na bazi isparenih malih molekula. Paralelno sa organskim komponentama, nedavno smo započeli proizvodnju i optoelektronsku karakterizaciju hibridnih fotonaponskih ćelija na bazi nanostrukturiranih metalnih oksida. Uglavnom smo zainteresovani za ćelije osetljive na boje u čvrstom stanju, čije potencijalne performanse mogu Pored senzibilizovanih ćelija, takođe nastavljamo da razvijamo konvencionalne hibridne komponente.
Pod uticajem elektromagnetnog zračenja (pod osvetljenjem), veze elektrona sa atomima se prekidaju u prelaznom volumenu - generisanje parova elektron-rupa. Ovaj fenomen se naziva unutrašnji fotoelektrični efekat. Polje pn spoja će pomjeriti rezultirajuće rupe u regiju str-poluprovodnika, odnosno elektrona, in n-poluprovodnik, koji razdvaja generisane nosioce. U tom slučaju će se na vanjskim rubovima poluvodičkih slojeva pojaviti određena razlika potencijala („+“ na anodi diode, „–“ na njenoj katodi) i istovremeno visina potencijalne barijere pn spoj će se smanjiti za iznos ove razlike.
Glavni napori su usmjereni na preciznu kontrolu arhitekture nanorazmjera kroz jeftin razvoj nanoporoznih metalnih oksidnih slojeva. Princip senzibiliziranih ćelija boje u čvrstom stanju. Kontakt: Thierry Trigot, Bruno Lucas. Tim razvija nove tehnologije za proizvodnju elektronskih kola baziranih na organskim tranzistorima. Cilj je dobiti jeftine proizvode zbog korištenih materijala i metoda proizvodnje. dva područja istraživanja prvenstveno su se razvila u laboratoriji.
Prozirni organski tranzistori. Fleksibilna kola proizvedena štamparskim metodama. Proučavano sa teorijske tačke gledišta. Fizika organskih poluprovodnika. Tehnološka rješenja štampe. Stanje interfejsa: prema metodama taloženja i deponovanim materijalima.
Razlika potencijala koju stvara fotodioda pod utjecajem svjetlosti naziva se foto emf.
. Njegova vrijednost zavisi od svjetlosnog toka (slika 5.4), ali fotografija emf. ne može prekoračiti kontaktnu potencijalnu razliku 
. Ovo se objašnjava činjenicom da su pravci spoljašnjeg i unutrašnjeg polja suprotni i sa povećanjem 
smanjuje se ukupno električno polje koje uzrokuje kretanje nosilaca naboja. Ako je foto emf jednaka. I sila koja uzrokuje kretanje nosača će nestati. Veličina razlike potencijala koja se formira na terminalima fotodiode kada je vanjski krug otvoren naziva se napon otvorenog kola.
Arhitektura organskih lanaca. Tipične karakteristike organskog tranzistora nanesenog na fleksibilnu podlogu. Osim toga, razvijamo i druge napredne komponente zasnovane na organskim tranzistorima, kao što su fotonaponske ćelije. stvarno, razne efekte mogu se proizvesti u čvrstim materijama apsorpcijom ili emisijom fotona od strane materijala, kao što je fotoprovodljivost ili fotonaponski efekat, koji su direktno povezani sa transportnim mehanizmima. Fototranzistor koji koristi fotokonduktivna svojstva aktivnog sloja tranzistora može se koristiti kao prekidač za izdvajanje svjetlosti, kao pojačalo optičke mreže, kao kolo za detekciju ili kao senzor.
Rice. 5.4. Zavisnost foto emf. i struju kratkog spoja p-n spoja od veličine svjetlosnog toka.
Ako su provodnici diode sa osvijetljenim p-n spojem kratko spojeni, električna struja koja se zove fotostruja će teći kroz provodnik 
, uzrokovano usmjerenim kretanjem slobodnih nosača formiranih u prijelaznoj zoni. Njihovo kretanje će se desiti pod uticajem unutrašnjeg električnog polja prelaza. Kada je fotodioda osvijetljena, ova struja će se održavati energijom svjetlosnog zračenja, uzrokujući stvaranje parova elektron-rupa. Sa nultim vanjskim otporom kola, ova struja se naziva struja kratkog spoja.
Organske LED diode
Organski tranzistor na fleksibilnoj podlozi pod svjetlosnom pobudom. Vremenski odziv tranzistora za različiti naponi odvoda i zavisno od osvetljenja. Kontakt osoba: Remy Antony, Bruno Lucas. Organske diode koje emituju svjetlost pretvaraju električnu energiju u svjetlosnu energiju. Strukture su tipa sendvič sa jednim ili više organskih slojeva u sendviču između dve elektrode, od kojih je jedna providna za emitovanu talasnu dužinu. Primjena električnog polja na terminale komponente omogućava uvođenje nosilaca opterećenja koji će migrirati u organske slojeve, a rekombinacija ovih nosača proizvodi kvazičesticu zvanu eksiton.
Veličina fotostruje , kao i vrednost foto-emf, proporcionalna je svetlosnom toku (slika 5.4), ali odgovarajuća zavisnost
nema izraženu sekciju zasićenja, jer će za bilo koji broj formiranih nosača električno polje koje djeluje na njih biti jednako polju kontaktne potencijalne razlike.
Talasna dužina emitovane svjetlosti i druge optoelektronske karakteristike zavise od prirode emitivnog sloja. Karakteristike fotoćelije u mraku i pod svjetlom. Ove komponente omogućavaju, na primjer, prijenos informacija održavanjem električne izolacije, što se također može koristiti za procjenu njihovih performansi u smislu životnog vijeka ili termičke stabilnosti.
Napredne tehnike karakterizacije
Mjerenje pokretljivosti tereta i transportnih pojava
Dakle, karakteristike organskih komponenti u velikoj meri zavise od mobilnosti nosača i transportnih mehanizama. Stoga, da bismo procijenili ove delikatne parametre koje je potrebno izmjeriti, razvili smo metodu mjerenja mobilnosti zasnovanu na dielektričnim mjerenjima: ekstrapolacija na vrlo niskoj frekvenciji u predstavljanju dielektričnih gubitaka kao funkcije frekvencije omogućava da se dobije provodljivost. Zatim, na osnovu karakteristike gustine struje u odnosu na napon, određuje se gustina nosioca da bi se konačno odredila njihova mobilnost.Dakle, u prisustvu vanjskih izvora svjetlosti, fotodioda može poslužiti kao emf generator. ili trenutni, tj. obavljaju funkcije pretvarača svjetlosne energije u električnu energiju. Na ovom principu se zasniva rad solarnih pretvarača (baterija). Opisani način rada fotodiode (bez eksternih izvora) naziva se ventilski režim.
Strujna naponska karakteristika fotodiode, tj. ovisnost struje kroz njega od veličine vanjskog primijenjenog napona je na određeni način povezana sa osvjetljenjem. Očigledno, ako pn spoj nije osvijetljen, tada će strujno-naponska karakteristika fotodiode biti identična odgovarajućoj karakteristici konvencionalne diode. Ova situacija odgovara grafikonu na Sl. 5.5 for
=0.
Rice. 5.5. Strujno-naponske karakteristike fotodiode.
Kada se na zatamnjenu fotodiodu dovede obrnuti napon, kroz nju će teći takozvana tamna struja 
, određeno, kao i za konvencionalnu diodu, relacijom:
(5.2)
Gdje 
– struja zasićenja, 
– temperaturni potencijal,
- primijenjeni napon. Kada se pn spoj diode s gatedom osvijetli, parovi nosača će se generirati u njenom volumenu i susjednim područjima. Odnijet će ih vanjsko električno polje do rubova poluvodičkih slojeva i kroz diodu će teći reverzna struja
(5.3)
Gdje – tamna struja, – struja koju stvaraju nosioci generisani elektromagnetnim zračenjem (fotostruja). Ova struja konvencionalno ima negativan predznak. Budući da je veličina fotostruje proporcionalna svjetlosnom toku
, tada će se sa povećanjem osvjetljenja reverzna grana strujno-naponske karakteristike fotodiode pomjeriti naniže gotovo paralelno, kao što je prikazano na sl. 5.5. Ovaj način rada fotodiode (sa obrnutim odstupanjem p-n spoja) naziva se fotodioda.
Ako se na fotodiodu primijeni napon jednak nuli, to će odgovarati njenom kratkom spoju i, kao što je ranije navedeno, neka struja će teći kroz vanjski krug, nazvan struja kratkog spoja
.
Kada se promijeni polaritet napona na diodi, vanjsko električno polje se uključuje suprotno fotoemf polju, što uzrokuje smanjenje protoka nosilaca kroz pn spoj i, shodno tome, smanjenje reverzne struje. Kada prednji napon dostigne određenu vrijednost, struja diode će se zaustaviti. Vrijednost ovog napona odgovara načinu mirovanja i bit će jednaka
, koju generira dioda pri datom osvjetljenju i otvorenom vanjskom kolu. Dalje povećanje razlike potencijala za otključavanje će uzrokovati da struja napred teče kroz diodu, čija je ovisnost o naponu opisana relacijom sličnom (5.2)
, a ukupna struja će biti jednaka
.
Fotodiode se obično koriste kao svjetlosni senzori i rade u obrnutom prednaponu, odnosno u fotodiodnom modu. Karakteriziraju ih sljedeći parametri: – tamna struja (reverzna struja zatamnjene fotodiode pri datoj temperaturi i obrnutom naponu);
– integralni, ili
– diferencijalna fotosenzitivnost. Potonji se često definira kao omjer promjene reverzne struje
na promjenu svjetlosnog toka koja ga je izazvala
.
Osetljivost fotodiode zavisi od talasne dužine dovodnog svetla. Ova zavisnost za fotodiode napravljene od različitih materijala i njena oznaka na dijagramima kola prikazani su na Sl. 5.6.
Rice. 5.6. Spektralne karakteristike fotodiode i njena oznaka na električnim dijagramima.
Budući da je bipolarni tranzistor struktura koja sadrži p-n spojeve, struja u njemu može se kontrolirati ne samo promjenom odgovarajućih napona, već i osvjetljavanjem baze. Tranzistor za koji je predviđen ovaj način rada naziva se fototranzistor. U nedostatku osvjetljenja, njegove strujno-naponske karakteristike su identične onima kod konvencionalnog tranzistora.
Pod uticajem svetlosnog toka, parovi elektron-rupa će se generisati u p-n spojevima baznog regiona. Polje zaključanog kolektorskog spoja, elektroni (za n-p-n tranzistor) će biti uvučeni u područje kolektora, povećavajući njegovu struju. Ova situacija je slična radu fotodiode u režimu obrnutog prednapona.
Rupe koje nastaju kada se fototranzistor (tipa n-p-n) osvijetli ostaju u bazi, povećavajući njen pozitivni potencijal, što dovodi do povećanja intenziteta ubrizgavanja elektrona iz emitera. Dodatni elektroni, koji stignu do kolektorskog spoja, svojim će poljem biti uvučeni u područje kolektora i stvoriti dodatno povećanje struje kolektora. Ukupna struja kolektora fototranzistora kada je uključen prema kolu sa zajedničkim emiterom biće opisana relacijom:
– kroz struju kolektora, 
– fotostruja kolektorskog spoja, čija veličina ovisi o vanjskom osvjetljenju. Iz (5.4) proizilazi da se struja kolektora fototranzistora može kontrolisati i preko baznog kola i promjenom vrijednosti svjetlosnog toka. Fotoosjetljivost takvog tranzistora je približno
puta osetljivost fotodiode.
Familija izlaznih strujno-naponskih karakteristika fototranzistora prikazana je na Sl. 5.7. Ekvivalentno kolo fototranzistora je također predstavljeno u obliku kombinacije konvencionalnog tranzistora i fotodiode.
Rice. 5.7. Strujno-naponske karakteristike, oznaka i ekvivalentni prikaz bipolarnog fototranzistora.
Ako nije potrebna kombinovana kontrola struje kolektora, fototranzistor možda nema terminal na bazi. Ovaj način rada naziva se “otkinuti” ili slobodna baza. U ovom slučaju fototranzistor ima ne samo maksimalnu osjetljivost, već i maksimalnu nestabilnost svojih parametara. Kako bi se povećala stabilnost, izlaz baze se može spojiti na kontakt emitera preko otpornika.
Fototiristori su sklopni poluvodički uređaji, čiji se napon uključivanja može mijenjati pod utjecajem svjetlosnog toka na odgovarajućim p-n spojevima. Uslov za uključivanje tiristora je sljedeći:
, Gdje 
I 
– koeficijenti prijenosa ekvivalentnih tranzistora. U nedostatku osvjetljenja, strujno-naponska karakteristika fototiristora slična je karakteristikama konvencionalnog sklopnog uređaja (dinistor ili tiristor sa
). Osvjetljenje fototiristorskih spojeva uzrokuje povećanje struja odgovarajućih tranzistora i njihovih koeficijenata prijenosa. To će dovesti do smanjenja napona uključivanja strukture, kao što je prikazano na sl. 5.8. U slučaju dovoljno intenzivnog osvjetljenja, fototiristor će se uključiti na bilo koju vrijednost napona naprijed, kao i tiristor kada je upravljačka struja veća od struje ispravljanja.
Rice. 5.8. Strujno-naponske karakteristike i oznaka fototiristora.
Dakle, primjenom nekog napona na zamračeni fototiristor, a zatim kratkim osvjetljavanjem p-n spoja, uređaj se može prebaciti u uključeno stanje. Moguće je isključiti fototiristor, kao i konvencionalni sklopni uređaj, samo kada se anodna struja smanji na vrijednost manju od struje zadržavanja. Fototiristor može imati i dodatni izlaz - kontrolnu elektrodu, koja mu omogućava da se uključi kada se dovode i električni i svjetlosni signal.
Fotootpornik je poluvodički uređaj s dvije elektrode čiji otpor ovisi o vanjskom osvjetljenju. Za razliku od prethodno razmatranih uređaja, fotootpornik ne sadrži ispravljačke spojeve i predstavlja linearni element, tj. njegova strujna-naponska karakteristika je opisana za bilo koji polaritet napona 
omjer:
, Gdje 
– struja koja teče kroz fotootpornik, 
– otpor pri datom osvetljenju. Strujno-naponske karakteristike fotootpornika i njegova oznaka na električnim dijagramima prikazani su na Sl. 5.9.
Rice. 5.9. Strujno-naponske karakteristike i oznaka fotootpornika na električnim kolima.
Glavni parametri fotootpornika su: otpornost na tamu 
(otpor na svjetlosni tok
), faktor promjene otpora 
, jednak omjeru otpora tame prema otporu pri datom osvjetljenju. Fotootpornici, kao i fotodiode, različito reagiraju na svjetlosne tokove različitih valnih dužina. Najosjetljiviji na infracrveno zračenje su fotootpornici od selenida i olovnog sulfida, a pri radu u vidljivom području koriste se fotootpornici od selenida i kadmijum sulfida.
Emiter svjetlosti i fotodetektor mogu se smjestiti u jedno kućište, formirajući uređaj koji se naziva optokapler ili optokapler. U zavisnosti od kombinacije emitera i prijemnika svetlosti, postoje različite vrste optokaplera. Struktura i oznake na dijagramima kola nekih od njih prikazani su na Sl. 5.10.
Rice. 5.10. Oznaka na električnim shemama različitih tipova optospojnika.
Opis laboratorijske postavke.
Instalacija za laboratorijski rad br.5 “Istraživanje optoelektronskih uređaja” sastoji se od laboratorijskih i mjernih postolja, izgled prednje ploče koje su prikazane na sl. 1.8 i 5.11.
Laboratorijska klupa sadrži podesivo napajanje sa opsegom izlaznog napona od 0 
15V i limiter struje opterećenja na 60mA. Prekidač za napajanje, dugme za podešavanje napona i izlazne utičnice nalaze se na desnoj strani panela laboratorijskog stola. Tu je i dugme sa oznakom "Isključeno". E”, kada se pritisne, izlazni napon se isključuje iz utičnice označene “+”.
Osim toga, postoje dva izvora struje, čije vrijednosti postavljaju odgovarajući prekidači. Osnovna struja 
može se postaviti na nulu, 0,1 µA, 1 µA, 10 µA, a struja drugog izvora – 0, 0,5 mA, 10 mA, 20 mA i 30 mA.
U ovom laboratorijskom radu proučavaju se karakteristike LED dioda AL336B (VD1) sa crvenom bojom, AL336G (VD2) sa zelenim setom svjetla i infracrvene LED AL107A (VD3).
Otpornik 
na 680 Ohma služi za ograničavanje količine struje naprijed kroz LED diode. Osim toga, radi se i na fotodetektorima različitih tipova koji su dio optospojnika diode AOD101A (U1), tranzistora AOT128A (U2), tiristora AOU103B (U3) i otpornika OEP10 (U4). Otpornici
(vrijednost 1 kOhm) i
(vrijednost 10 kOhm) se koriste pri proučavanju optokaplera u načinu prijenosa analognog signala, izvedenom u radu br. 6.
Laboratorijsko postolje se uključuje pomoću prekidača “On”. Funkcionisanje izvora napajanja je prikazano paljenjem zelene LED diode koja se nalazi na ovom prekidaču.
Procedura za izvođenje laboratorijskih radova.
1. Kućna priprema.
Prilikom kućne pripreme potrebno je, koristeći referentnu literaturu, odrediti i zapisati u radnu svesku glavne parametre poluprovodničkih uređaja koji se proučavaju u ovom radu. Osim toga, potrebno je nacrtati dijagrame za mjerenje i tabele za evidentiranje rezultata istraživanja.
2. Izvođenje laboratorijskih radova.
2.1. Proučavanje strujno-naponskih karakteristika LED dioda.
Koristeći diodu VD1, sastavite kolo prikazano na sl. 5.12.
Rice. 5.12. Krug za proučavanje direktne grane strujno-naponske karakteristike LED dioda.
Postavite dugme regulatora napona u krajnji levi položaj (
); granica mjerenja PV1 – 1.5V, granica mjerenja PA1 – 10mA. Uključite napajanje laboratorijskog postolja.
Okretanjem kontrolnog dugmeta udesno, povećajte napon izvora napajanja i izmjerite ovisnost pada napona na diodi o usmjerenoj struji, postavljajući njene vrijednosti jednake: 0mA, 1mA, 3mA, 5mA, 10mA, 20mA, 30mA, 40mA, 50mA. Popunite prvi red tabele primljenim podacima:
|
| ||||||||||
|
| ||||||||||
|
| ||||||||||
|
|
(mA)
(IN)Izvršite slična mjerenja za diode VD2, VD3. Njihovo spajanje mora se izvesti s laboratorijskim postoljem bez struje.
Koristeći diodu VD1, sastavite kolo prikazano na sl. 5.13.
Rice. 5.13. Krug za proučavanje reverzne grane strujno-naponske karakteristike LED dioda.
Postavite granicu mjerenja PA1 – 0,1 mA, PV1 – 15V. Koristeći regulator za promjenu napona blokiranja na diodi, izmjerite obrnutu struju i popunite prvi red tabele:
|
| ||||||||
|
| ||||||||
|
| ||||||||
|
|
(IN)
(mA)Izvršite slična mjerenja za diode VD2, VD3.
2.2. Proučavanje strujno-naponskih karakteristika fotodiode.
U ciklusu ovih istraživanja korišćena je fotodioda od galij arsenida, koja je deo diodnog optokaplera U1.
2.2.1. Proučavanje direktne grane strujno-naponske karakteristike fotodiode.
Sastavite kolo prikazano na sl. 5.14.
Rice. 5.14. Krug za proučavanje direktne grane strujno-naponske karakteristike fotodiode.
Postavite regulator napona u krajnji lijevi položaj (
), struja podešavanja prekidača - V nulto stanje, granica mjerenja voltmetra PV1 je 0,75V, miliampermetra PA1 je 10mA.
Povećanjem izlaznog napona izvora napajanja postavite prednje struje fotodiode jednake onima navedenim u tabeli na sl. 5.15, izmjeriti pad napona na njemu i popuniti prvi red tabele dobijenim podacima.
Koristeći prekidač s oznakom "I" za postavljanje vrijednosti LED struje na 5, 10, 20 i 30 mA i time povećavajući osvjetljenje fotodiode, izvršite slična mjerenja.
|
| |||||||||
|
|
|
||||||||
|
|
|
||||||||
|
|
|
||||||||
|
|
|
||||||||
|
|
|
mA
mA
mA
mA
mARice. 5.15. Tablica za bilježenje rezultata istraživanja direktne grane strujno-naponske karakteristike fotodiode.
2.2.2. Proučavanje napona otvorenog kola i struje kratkog spoja fotodiode.
Isključite izvor napajanja iz kola (slika 5.14) i, podesivši struju kroz LED na 0,5, 10, 20 i 30 mA, izmerite napon otvorenog kola fotodiode kada radi u ventilskom režimu. Zapišite svoje rezultate u tabelu:
|
| |||||
|
| |||||
|
|
Da biste izmjerili struju kratkog spoja, sastavite kolo prikazano na sl. 5.16. Postavljanjem struja kroz LED u skladu sa onima navedenim u gornjoj tabeli, izmjerite vrijednosti struja kratkog spoja fotodiode i unesite rezultate u donji red tabele.
Rice. 5.16. Krug za mjerenje struje kratkog spoja fotodiode kada radi u ventilskom režimu.
2.2.3. Proučavanje međugrane strujno-naponske karakteristike fotodiode pri radu u ventilskom režimu.
Sastavite kolo prikazano na sl. 5.17.
Rice. 5.17. Krug za proučavanje strujno-naponskih karakteristika fotodiode.
Postavite LED struju na 5 mA. Promjenom napona na izlazu izvora napajanja, postavite struju kroz fotodiodu na nulu. Ovaj napon bi trebao biti blizu prethodno izmjerene vrijednosti
pri odgovarajućoj LED struji. Smanjujući napon na nulu, izmjerite struje fotodiode za tri do pet njegovih vrijednosti i unesite rezultate u tablicu:
|
| ||||||||
|
|
(IN)Veličina prednje struje pri nultom naponu napajanja treba biti blizu odgovarajuće vrijednosti
. Izvršite ciklus sličnih mjerenja za struje kroz LED jednake 10, 20 i 30 mA.
2.2.4. Proučavanje reverzne grane strujno-naponske karakteristike fotodiode.
Sastavite kolo prikazano na sl. 5.18.
Rice. 5.18. Krug za proučavanje reverzne grane strujno-naponske karakteristike fotodiode.
Postavite struju kroz LED na nulu, napon napajanja blizu nule, granicu mjerenja PV1 na 15V, granicu mjerenja PA1 na 0,1mA.
Izmjerite ovisnost obrnute struje fotodiode od vrijednosti napona blokiranja i popunite prvi red tabele prikazane na sl. odgovarajućim podacima. 5.19. Podešavajući struju kroz LED na 5, 10, 20 i 30 mA, izvršite slična mjerenja i unesite rezultate u istu tabelu.
|
| ||||||||
|
|
|
|||||||
|
|
|
|||||||
|
|
|
|||||||
|
|
|
|||||||
|
|
|
Rice. 5.19. Tabela za bilježenje rezultata pri proučavanju reverzne grane strujno-naponske karakteristike fotodiode.
2.3. Proučavanje izlaznih karakteristika fototranzistora.
Tokom ovih studija koristi se fototranzistor koji je dio tranzistorskog optokaplera
.
Sastavite kolo prikazano na sl. 5.20.
Rice. 5.20. Krug za proučavanje izlaznih karakteristika fototranzistora.
Podesite struje I jednak nuli, dugme regulatora napona je u krajnjem levom položaju, granica merenja PA1 je 0,1 mA, granica merenja PV1 je 15V.
Izmjerite struju kolektora tranzistora pri naponu izvora napajanja od 0, 1, 3, 6, 9, 12 i 15V i unesite rezultate u odgovarajući red tabele prikazane na sl. 5.21. Podešavajući osnovne struje na 1, 5 i 10 μA, izvršite slična mjerenja za neupaljeni tranzistor (sa
= 0). Dobijene rezultate zabilježite u odgovarajuće redove tabele.
Postavite LED struju na 20mA i izvršite ciklus sličnih mjerenja.
|
| |||||||||
|
|
|
|
|||||||
|
|
|
||||||||
|
|
|
||||||||
|
|
|
||||||||
|
|
|
|
|||||||
|
|
|
||||||||
|
|
|
||||||||
|
|
|
(IN)
(mA)
µA
µA
µARice. 5.21. Tabela za bilježenje rezultata proučavanja izlaznih karakteristika fototranzistora.
2.4. Istraživanje fototiristora.
Prilikom izvođenja ove stavke koristi se fototiristor koji je dio tiristorskog optokaplera
.
Sastavite kolo prikazano na sl. 5.22.
Rice. 5.22. Krug za proučavanje fototiristora.
Postavite struju kroz fotodiodu na nulu, dugme regulatora izlaznog napona u krajnji levi položaj, granica merenja PV1 je 15V.
Povećanjem napona izvora napajanja pokušajte uključiti tiristor. Ako je uključen, VD2 LED će zasvijetliti. Izmjerite vrijednost
. Smanjite napon napajanja na nulu i pritisnite dugme “Off”. E" da vrati tiristor u prvobitno stanje. Podešavajući LED struju na 2, 5, 10 i 20 mA, izvršite slična mjerenja i unesite rezultate u tabelu:
|
| |||||
|
|
Postavite LED struju na nulu. Isključite tiristor. Postavite maksimalni napon izvora napajanja i, sukcesivno povećavajući struju kroz LED, uključite tiristor. Pokušajte ga isključiti smanjenjem LED struje na nulu.
2.5. Istraživanje fotootpornika.
Prilikom izvođenja ovog dijela laboratorijskog rada ispituju se karakteristike fotootpornika uključenog u optospojler.
.
Sastavite kolo prikazano na sl. 5.23.
Rice. 5.23. Krug za proučavanje fotootpornika.
Podesite struju jednak nuli, dugme regulatora napona u krajnji levi položaj (
), granica mjerenja PV1 – 15V, PA1 – 0,1mA.
Promjenom napona na fotootporniku izmjerite struju koja teče kroz njega i unesite rezultate u prvi red tabele prikazane na sl. 5.24. Dosljedno povećavajući vrijednosti struja kroz sijalicu sa žarnom niti, izvršite slična mjerenja i zapišite rezultate u odgovarajuće redove tabele.
|
| |||||||
|
|
|
||||||
|
|
|
||||||
|
|
|
||||||
|
|
|
||||||
|
|
|
(mA)Rice. 5.24. Tablica za bilježenje rezultata istraživanja strujno-naponskih karakteristika fotootpornika.
Promijenite polaritet napona izvora napajanja i mjernih instrumenata (sastavite kolo prikazano na slici 5.25). Izvršite ciklus sličnih mjerenja i zapišite rezultate u tabelu.
Rice. 5.25. Krug za proučavanje strujno-naponskih karakteristika fotootpornika sa obrnutim polaritetom napona.
3. Obrada eksperimentalnih rezultata.
3.1. Obrada rezultata dobijenih prilikom izvođenja stava 2.1.
Na jednom listu milimetarskog papira konstruisati prednju i obrnutu granu strujno-naponskih karakteristika proučavanih dioda, uzimajući skalu duž ose struja i napona za prednju granu 5 mA/cm, 0,5 V/cm i, shodno tome, za obrnutu granu 0,1 mA/cm i 1,5 V/cm.
3.2. Obrada rezultata iz paragrafa 2.2.1 2.2.4 laboratorijski rad.
Konstruirajte na jednom listu milimetarskog papira familiju kompletnih strujno-naponskih karakteristika fotodiode na različitim nivoima osvjetljenja specificiranih LED strujom. Skala po strujnoj osi za direktnu granu strujno-naponske karakteristike treba izabrati jednaku 5 mA/cm, po naponskoj osi 0,1 V/cm. Prilikom konstruisanja obrnute grane uzmite skale jednake 0,1 mA/cm i 1,5 V/cm. Označite na karakteristikama vrijednosti napona praznog hoda i struje kratkog spoja.
Na osnovu podataka dobijenih u paragrafu 2.2.2, konstruisati zavisnosti
I
, Gdje – struja kroz LED. Skala duž osa na kojoj su iscrtane vrednosti odgovarajućih veličina treba izabrati jednaku 5 mA/cm – duž trenutne ose ; 0,1V/cm – duž ose
i 0,2 mA/cm – duž ose
.
3.3. Obrada rezultata dobijenih prilikom izvođenja stava 2.3.
Konstruirajte na jednom listu milimetarskog papira familiju izlaznih karakteristika fototranzistora pri različitim vrijednostima struje LED-a. Na osi napona odaberite skalu jednaku 1V/cm, a na osi struje 2mA/cm.
3.4. Obrada rezultata iz stava 2.4 laboratorijskog rada.
Nacrtajte zavisnost napona uključivanja fototiristora od struje LED-a, birajući skalu duž strujne ose od 2 mA/cm, a duž ose napona od 3 V/cm. Objasnite rezultate dobijene pri izvođenju ove stavke.
3.5. Obrada rezultata iz stava 2.5.
Na jednom listu milimetarskog papira konstruisati familiju strujno-naponskih karakteristika fotootpornika za oba polariteta primenjenog napona, birajući skalu duž ose struje od 5 mA/cm, i duž ose napona od 3V/cm.
Na osnovu ovih karakteristika odredite otpor fotootpornika u području nulte vrijednosti napona pri različitim osvjetljenjima, konstruirajte graf ovisnosti otpora fotootpornika o količini struje koja teče kroz izvor zračenja.
n1.doc
Tema 4.1 Osnove optoelektronike. Klasifikacija optoelektronskih uređaja.Optoelektronika je važno nezavisno polje funkcionalne elektronike i mikroelektronike. Optoelektronski uređaj je uređaj u kojem se, prilikom obrade informacija, električni signali pretvaraju u optičke signale i obrnuto.
Bitna karakteristika optoelektronskih uređaja je da su elementi u njima optički povezani i međusobno električno izolirani.
Optoelektronika pokriva dva glavna nezavisna područja - optičku i elektronsko-optičku. Optički pravac se zasniva na efektima interakcije čvrste supstance sa elektromagnetnim zračenjem. Oslanja se na holografiju, fotohemiju, elektrooptiku i druge fenomene. Optički smjer se ponekad naziva laser.
Elektronsko-optički pravac koristi princip fotoelektrične konverzije, koja se ostvaruje u čvrstom tijelu putem unutrašnjeg fotoelektričnog efekta, s jedne strane, i elektroluminiscencije, s druge strane. Ovaj pravac se zasniva na zamjeni galvanskih i magnetskih veza u tradicionalnim elektronskim kolima optičkim. To omogućava povećanje gustoće informacija u komunikacijskom kanalu, njegove brzine i otpornosti na buku.
Glavni element optoelektronike je optocoupler Postoje optokapleri sa unutrašnjim (slika 9.4, A) i spoljašnji (Sl. 9.4, b) fotonske veze. Najjednostavniji optospojnik je mreža sa četiri terminala (slika 9.4, A), koji se sastoji od tri elementa: foto emitera 1 , svjetlovod 2 i prijemnik svetlosti 3, zatvoreno u zapečaćeno kućište otporno na svetlost. Kada se na ulaz primijeni električni signal u obliku impulsa ili pada ulazne struje, fotoemiter se pobuđuje. Svjetlosni tok kroz svjetlosni vodič ulazi u fotodetektor, na čijem se izlazu formira električni impuls ili pad izlazne struje. Ova vrsta optokaplera je pojačalo električnih signala, u kojem je unutrašnja sprega fotonska, a vanjska električna. .
Drugi tip optokaplera je sa električnom unutrašnjom spregom i fotonskom vanjskom spregom (slika 9.4, b) - je pojačivač svjetlosnih signala, kao i pretvarač signala jedne frekvencije u signale druge frekvencije, na primjer signala infracrvenog zračenja u signale vidljivog spektra. Prijemnik svjetla 4 pretvara ulazni svjetlosni signal u električni signal. Potonji se pojačava pojačalom 5 i pobuđuje izvor svjetlosti 6.
Trenutno je razvijen veliki broj optoelektronskih uređaja
Lična svrha. U mikroelektronici se u pravilu koriste samo oni optoelektronski funkcionalni elementi za koje postoji mogućnost integracije, kao i kompatibilnost njihove proizvodne tehnologije sa tehnologijom proizvodnje odgovarajućih integriranih kola.
Foto emiteri. Optoelektronski izvori svjetlosti podliježu zahtjevima kao što su minijaturizacija, niska potrošnja energije, visoka efikasnost i pouzdanost, dug vijek trajanja i proizvodnost. Moraju imati visoke performanse i biti sposobni za proizvodnju kao integrirani uređaji.
Najrasprostranjeniji su elektroluminiscentni izvori LED diode za ubrizgavanje, u kojoj je emisija svjetlosti određena mehanizmom međupojasne rekombinacije elektrona i rupa. Ako prođete dovoljno veliku struju ubrizgavanja
| Rice. 9.5. Objasniti princip rada LED diode za ubrizgavanje |
kroz str- n-prijelaz (u smjeru naprijed), tada će se neki elektroni iz valentnog pojasa pomaknuti u pojas provodljivosti (slika 9.5). U gornjem dijelu valentnog pojasa nastaju slobodna stanja (rupe), a u donjem dijelu vodljivog pojasa stanja se popunjavaju.
Niya (elektroni provodljivosti). Takva inverzna populacija nije ravnotežna i dovodi do haotične emisije fotona tokom obrnutih prelaza elektrona. Rezultat R-n-prijelazni nekoherentni sjaj je elektroluminiscencija. Foton emitovan tokom luminiscentnog prelaza iz ispunjenog dela provodnog pojasa u slobodni deo valentnog pojasa izaziva stimulisanu emisiju identičnog fotona, uzrokujući da se drugi elektron pomeri u valentni pojas. Međutim, foton iste energije (iz ∆ E= E 2 - E 1 prije ∆ E=2? E) se ne može apsorbirati, jer je donje stanje slobodno (u njemu nema elektrona), a gornje stanje je već popunjeno. To znači da str- n-prijelaz je transparentan za fotone takve energije, odnosno za odgovarajuću frekvenciju. Naprotiv, fotoni sa većom energijom ∆ E+2? E, mogu se apsorbovati, prenoseći elektrone iz valentnog pojasa u provodni pojas. Istovremeno, za takve energije indukovana emisija fotona je nemoguća, jer gornje početno stanje nije ispunjeno, a donje stanje je ispunjeno. Stoga je stimulirana emisija moguća u uskom rasponu oko frekvencije koja odgovara energiji pojasnog razmaka ∆E sa širinom spektra ? E.
Najbolji materijali za LED diode su galijum arsenid, galijum fosfid, silicijum fosfid, silicijum karbid itd. LED diode imaju veliku brzinu (oko 0,5 μs), ali troše veliku struju (oko 30 A/cm2). Nedavno su razvijene LED diode na bazi galij arsenida - aluminijuma, čija se snaga kreće od frakcija do nekoliko milivata sa naprednom strujom od desetina miliampera. Efikasnost LED dioda ne prelazi 1 - 3%.
Obećavajući izvori svjetlosti su injekcioni laseri, omogućavajući koncentrisanje visokih energija u uskom spektralnom području sa velikom efikasnošću i brzinom (desetine pikosekundi). Ovi laseri se mogu proizvesti kao nizovi na jednom osnovnom čipu koristeći istu tehnologiju kao i integrirana kola. Nedostatak jednostavnih injekcionih lasera je to što imaju prihvatljive performanse samo kada su ohlađene na vrlo niske temperature. At normalna temperatura Galij-arsenidni laser ima malu prosječnu snagu, nisku efikasnost (oko 1%), nisku radnu stabilnost i vijek trajanja. Daljnje poboljšanje injekcijskog lasera stvaranjem prijelaza složene strukture pomoću heterospojnica (heterospoj je granica između slojeva s istim tipovima električne provodljivosti, ali s različitim razmacima u pojasu) omogućilo je dobivanje izvora svjetlosti male veličine koji radi. na normalnim temperaturama sa efikasnošću od 10 - 20 % i prihvatljivim karakteristikama.
Fotodetektori. Za pretvaranje svjetlosnih signala u električne signale koriste se fotodiode, fototranzistori, fotootpornici, fototiristori i drugi uređaji.
Fotodioda je obrnuto pristrasna str- n- prelaz čija je reverzna struja zasićenja određena brojem nosilaca naelektrisanja nastalih u njemu djelovanjem upadne svjetlosti (slika 9.6). Parametri fotodiode izražavaju se kroz vrijednosti struje koja teče u njenom kolu. Osjetljivost fotodiode, koja se obično naziva integralnom, definira se kao omjer fotostruje i svjetlosnog toka koji ju je uzrokovao. F ? . Prag osjetljivosti fotodioda se procjenjuje pomoću poznate vrednosti integralna (strujna) osjetljivost i tamna struja I d, tj. struja koja teče u kolu u odsustvu zračenja osjetljivog sloja.
Glavni materijali za fotodiode su germanijum i silicijum. Silicijumske fotodiode su obično osetljive u uskom području spektra (od? = 0,6 – 0,8 mikrona do? = 1,1 µm) sa maksimumom na? = 0,85 mikrona, i da li germanijumske fotodiode imaju granice osetljivosti? = 0,4 - 1,8 µm sa maksimumom na? ? 1,5 mikrona. U fotodiodnom režimu sa naponom napajanja od 20 V, tamna struja silicijumskih fotodioda obično ne prelazi 3 μA, dok za germanijum; fotodiode pri naponu napajanja od 10 V dostiže 15-20 μA.
Fototranzistori su prijemnici energije zračenja sa dva ili više p-p- prelaze koji imaju svojstvo da pojačavaju fotostruju kada se osetljivi sloj ozrači. Fototranzistor kombinuje svojstva fotodiode i svojstva pojačanja tranzistora (slika 9.7). Prisutnost optičkih i električnih ulaza na fototranzistoru istovremeno vam omogućava da stvorite pristranost neophodnu za rad u linearnom dijelu energetske karakteristike, kao i kompenzaciju spoljni uticaji. Da bi se detektovali mali signali, napon uzet iz fototranzistora mora biti pojačan. U ovom slučaju, izlazni otpor naizmjenične struje treba povećati uz minimalnu tamnu struju u kolu kolektora, stvarajući pozitivnu prednapon na bazi.
Svetlosni vodiči. Između izvora svjetlosti i prijemnika svjetlosti u optokapleru postoji svjetlosni vodič. Da bi se smanjili gubici tokom refleksije od interfejsa između LED-a i provodnog medija (vlakna), potonji mora imati visok indeks prelamanja. Takva okruženja se nazivaju imerzija. Materijal za uranjanje bi trebao takođe imaju dobru adheziju na materijale izvora i prijemnika, obezbeđuju dovoljno poklapanje u koeficijentima ekspanzije, budu transparentni u radnom prostoru, itd. od 2, 4-2.6. Na sl. Slika 9.8 prikazuje poprečni presjek optokaplera u čvrstom stanju sa imerzionim svjetlovodom.
Tanke niti stakla ili prozirne plastike koriste se kao svjetlosni vodiči u optoelektronici. Ovaj pravac se naziva optička vlakna. Vlakna su obložena svjetlosno izolacijskim materijalima i povezana u višežilne svjetlosne kablove. Oni obavljaju iste funkcije u odnosu na svjetlost kao metalne žice u odnosu na struju. Koristeći optička vlakna, možete: izvršiti prijenos slike element po element s rezolucijom određenom prečnikom optičkog vlakna (oko 1 mikron); proizvode prostorne transformacije slike zbog sposobnosti savijanja i uvrtanja vlakana svjetlosnog vodiča; prenose slike na znatne udaljenosti itd. Na sl. Na slici 9.9 prikazan je svjetlovod u obliku kabla od svjetlovodnih vlakana.
Integral optika. Jedno od obećavajućih područja funkcionalne mikroelektronike je integrirana optika, koja osigurava stvaranje sistema visokih performansi za prijenos i obradu optičkih informacija. Područje istraživanja integrirane optike uključuje širenje, konverziju i pojačanje elektromagnetnog zračenja u optičkom opsegu u dielektričnim tankoslojnim valovodima i optičkim vlaknima. Glavni element integrirane optike je rasuti ili površinski optički mikrovalni vodič. Najjednostavniji simetrični volumetrijski optički mikrovalni vodič je područje lokalizirano u jednoj ili dvije prostorne dimenzije s indeksom prelamanja koji premašuje indeks loma okolnog optičkog medija. Ovo optički gušće područje nije ništa drugo do kanal ili noseći sloj dielektričnog talasovoda.
P 
Primjer asimetričnog površinskog dielektričnog valovoda je tanak film optički prozirnog dielektrika ili poluvodiča s indeksom loma koji premašuje indeks loma optički prozirnog supstrata. Stepen lokalizacije elektromagnetnog polja, kao i omjer energetskih tokova koji se prenose duž nosećeg sloja i podloge, određuju se efektivnom poprečnom veličinom nosećeg sloja i razlikom u indeksima prelamanja nosećeg sloja i podloge. supstrat na datoj frekvenciji zračenja. Relativno jednostavan i najprikladniji za optičke uređaje u čvrstom stanju je mikrovalni vodič optičke trake, napravljen u obliku tankog dielektričnog filma (slika 9.10), nanesenog na podlogu pomoću mikroelektronskih metoda (na primjer, vakuumsko taloženje). Koristeći masku, cijeli optički krugovi se mogu primijeniti na dielektričnu podlogu s visokim stupnjem tačnosti. Upotreba litografije elektronskog snopa omogućila je napredak u stvaranju i jednostrukih optičkih trakastih talasovoda i optički spregnutih talasovoda na određenoj dužini, a potom i divergentnih talasovoda, što je neophodno za stvaranje usmerenih sprežnika i frekvencijsko-selektivnih filtera u integrisanim optičkim sistemima. .
Optoelektronska mikro kola. On
Veliki broj mikrokola je razvijen na bazi optoelektronike. Pogledajmo neke optoelektronske mikro krugove koje proizvodi domaća industrija. U mikroelektronici se najčešće koriste optoelektronski galvanski izolacijski mikro krugovi. To uključuje brze prekidače, analogne signalne prekidače, prekidače i analogne optoelektronske uređaje namijenjene za upotrebu u funkcionalnim sistemima za obradu analognih signala.
Glavni element svakog optoelektronskog mikrokola je par optospojnika (slika 9.11, A, b), koji se sastoji od izvora svjetlosti 1 , kontroliran ulaznim signalom, imerzioni medij 2, optički spojen na izvor svjetlosti i fotodetektor 3. Parametri para optokaplera su otpor DC razdvajanja, koeficijent prijenosa struje (odnos fotostruje prijemnika i struje emitera), vrijeme prebacivanja i propusni kapacitet.
Na bazi optoelektronskih parova stvaraju se optoelektronska mikro kola za različite namjene.
Rice. 9.11. Šema i tehnološka izvedba para optokaplera:
1 – izvor svjetlosti; 2 – medij za uranjanje; 3 – fotodetektor.
Tema 4.2 ELEMENTI OPTOELEKTRONSKIH UREĐAJA
1. Optoelektronski prekidač je hibridni čip koji sadrži optoelektronski par i pojačalo. Prekidač koristi visokoefikasne silicijum-dopirane galij apcenidne LED diode i silicijum velike brzine str-
i-
n-fotodiode. Medijum za uranjanje je halkogenidno staklo sa indeksom prelamanja 2,7. Koeficijent prijenosa struje u optoelektronskom paru je 3-5 pri normalnoj temperaturi, vremena uključivanja (zbir vremena kašnjenja i porasta) su 100-250 ps, galvanska izolacija LED i fotodetektorskog kola za direktno struja je 10 9 Ohma. Mikrokolo je napravljeno u okruglom metalno-staklenom kućištu tipa TO-5.
2. Optoelektronski ključ dizajniran za uključivanje visokonaponskih krugova naizmjenične i istosmjerne struje. Ima četiri nezavisna kanala, od kojih svaki sadrži dva optoelektronska para koja se sastoje od LED i visokonaponskog str- i- n- fotodioda. Fotodiode su povezane serijski, tako da je otpor prekidača u zaključanom stanju (u nedostatku struje kroz LED diode), bez obzira na polaritet primijenjenog napona, određen tamnim otporom obrnutog prednapona. str- i- n-fotodioda; njegova vrijednost je približno 10 9 oma.
3. Tranzistorski prekidač dizajniran za prebacivanje DC napona do 50 V. Uređaj ima dva nezavisna kanala, od kojih svaki sadrži optoelektronski par koji se sastoji od LED diode galij arsenida i silikona n- str- i- n-fototranzistor. Optoelektronski par ima koeficijent prijenosa struje 2, nazivnu radnu struju od 10 mA i brzinu u modu pojačanja od 100-300 ns.
4.Analogni prekidač Dizajniran za upotrebu u sistemima za selektivnu obradu analognih signala. Električni dijagram jednog kanala prekidača prikazan je na sl. 9.12. Kanal sadrži optoelektronski par koji se sastoji od LED diode od galij arsenida i dvije jedna uz drugu n- i- n-fotodiode napravljene u jednom kristalu.
Na sl. Slika 9.13 prikazuje električna kola nekih drugih tipova optoelektronskih kola. Čip ključa (sl. 9.13, A) uključuje optoelektronski par diode velike brzine uparen sa monolitnim silikonskim pojačalom. Namijenjen je zamjeni transformatorskih i relejnih veza u logičkim uređajima računara i diskretne automatike. Analogni taster (sl. 9.13, b) odnosi se na
Linearna kola sa optoelektronskim upravljanjem. Sa snagom upravljačkog signala od 60-80 mW, parametri čopera dostižu vrijednosti koje su potrebne za standardne poluvodičke mikro krugove. Optoelektronski DC releji male snage (sl. 9.13, V) dizajniran da zamijeni analogni
elektromehanički releji sa brzinom u opsegu milisekundi i zagarantovanim brojem operacija od 10 4 -10 7.
Interesantna su optoelektronska mikro kola serije 249, koja uključuje četiri grupe uređaja, a to su elektronski prekidači na bazi elektroluminiscentnih dioda i tranzistori. Električni dijagram svih grupa
Uređaji su isti (slika 9.14). Strukturno, mikrokola su projektovana u pravougaonom ravnom paketu integrisanih kola sa 14 pinova i imaju dva izolovana kanala, što smanjuje veličinu i težinu opreme, a takođe proširuje funkcionalnost mikrokola. LED diode su na bazi silikona i imaju P + - str- n i - n + - struktura. Prisustvo dva kanala u ključu vam omogućava da ga koristite kao integrisani čoper analognih signala i dobijaju visoki omjer prijenosa signala (10-100) pri povezivanju fototranzistora prema kompozitnom tranzistorskom kolu.
Optoelektronski uređaji
Rad optoelektronskih uređaja zasniva se na elektronsko-fotonskim procesima prijema, prijenosa i pohranjivanja informacija.
Najjednostavniji optoelektronski uređaj je optoelektronski par ili optocoupler. Princip rada optokaplera, koji se sastoji od izvora zračenja, imerzionog medija (svetlovoda) i fotodetektora, zasniva se na pretvaranju električnog signala u optički, a zatim nazad u električni.
Optokapleri kao funkcionalni uređaji imaju sledeće prednosti prije konvencionalnih radioelemenata:
Potpuna galvanska izolacija “ulaz – izlaz” (otpor izolacije prelazi 10 12 – 10 14 Ohma);
Apsolutna otpornost na buku u kanalu za prenos informacija (nosači informacija su električno neutralne čestice - fotoni);
Jednosmjerni tok informacija, koji je povezan sa karakteristikama prostiranja svjetlosti;
Širokopojasni zbog visoke frekvencije optičkih vibracija,
Dovoljne performanse (nekoliko nanosekundi);
Visok probojni napon (desetine kilovolti);
Nizak nivo buke;
Dobra mehanička čvrstoća.
Na osnovu funkcija koje obavlja, optospojler se može uporediti sa transformatorom (spojnim elementom) sa relejem (ključem).
U uređajima optokaplera koriste se poluvodički izvori zračenja - diode koje emituju svjetlost napravljene od materijala spojeva grupe A III B V , među kojima su najperspektivniji galijum fosfid i arsenid. Spektar njihovog zračenja leži u području vidljivog i bliskog infracrvenog zračenja (0,5 - 0,98 mikrona). Galij fosfidne svetleće diode imaju crvenu i zelene boje sjaj. LED diode od silicijum karbida obećavaju, imaju žuti sjaj i rade povišene temperature, vlažnosti i u agresivnom okruženju.
Koriste se LED diode koje emituju svjetlost u vidljivom opsegu spektra elektronski sat i mikrokalkulatore.
Diode koje emituju svjetlost karakteriziraju prilično široki spektralni sastav zračenja, uzorak usmjerenosti; kvantna efikasnost, određena omjerom broja emitovanih svjetlosnih kvanta i broja onih koji prolaze kroz str-n-tranzicija elektrona; snaga (sa nevidljivim zračenjem) i sjaj (sa vidljivim zračenjem); Volt-amper, lumen-amper i vat-amper karakteristike; brzina (povećanje i opadanje elektroluminiscencije tokom impulsne pobude), opseg radne temperature. Kako se radna temperatura povećava, svjetlina LED-a se smanjuje, a snaga emisije opada.
Glavne karakteristike dioda koje emituju svjetlost u vidljivom opsegu su date u tabeli. 32, a infracrveni opseg - u tabeli. 33.
Tabela 32 Glavne karakteristike vidljivih dioda koje emituju svjetlost
Tabela 33. Glavne karakteristike infracrvenih dioda koje emituju svjetlost
| Tip diode | Ukupna snaga zračenja, mW | Konstantni prednji napon, V | Talasna dužina zračenja, mikroni | Vrijeme porasta impulsa zračenja, ns | Vrijeme opadanja pulsa zračenja, ns | Težina, g |
| AL103 A, B AL106 A – D | 0,6 – 1 (pri struji 50 mA) 0,2 – 1,5 (pri struji 100 mA) 6 – 10 (pri struji 100 mA) 1,5 (pri 100 mA struje) 0,2 (pri struji 20 mA) 10 (pri struji 50 mA) | 1,6 | 0,95 | 200 – 300 | 500 | 0,1 |
Diode koje emituju svjetlost u optoelektronskim uređajima povezane su s fotodetektorima pomoću imerzionog medija, za koji je glavni zahtjev prijenos signala uz minimalne gubitke i izobličenja. U optoelektronskim uređajima koriste se čvrsti imerzioni mediji – polimeri. organska jedinjenja(optička ljepila i lakovi), halkogenidni mediji i optička vlakna. Ovisno o dužini optičkog kanala između emitera i fotodetektora, optoelektronski uređaji se mogu podijeliti na optokaplere (dužina kanala 100 - 300 mikrona), optoizolatore (do 1 m) i optičke komunikacione linije - optičke linije ( do desetina kilometara).
Fotodetektori koji se koriste u optocoupler uređajima podliježu zahtjevima za usklađivanje spektralnih karakteristika sa emiterom, minimiziranje gubitaka pri pretvaranju svjetlosnog signala u električni signal, fotoosjetljivost, brzinu, veličinu fotoosjetljive površine, pouzdanost i nivo šuma.
Za optokaplere, najperspektivniji su fotodetektori sa unutrašnjim fotoelektričnim efektom, kada interakcija fotona sa elektronima unutar materijala sa određenim fizička svojstva dovodi do prelaza elektrona u masi kristalne rešetke ovih materijala.
Unutrašnji fotoelektrični efekat se manifestuje na dva načina: u promeni otpora fotodetektora pod uticajem svetlosti (fotootpornici) ili u pojavi foto-emf na granici između dva materijala - poluprovodnik-poluprovodnik, metal-poluprovodnik. (uključene fotoćelije, fotodiode, fototranzistori).
Fotodetektori s unutarnjim fotoelektričnim efektom dijele se na fotodiode (sa str-n-spoj, MIS struktura, Schottky barijera), fotootpornici, fotodetektori sa unutrašnjim pojačanjem (fototranzistori, složeni fototranzistori, fototiristori, fototranzistori sa efektom polja).
Fotodiode su zasnovane na silicijumu i germanijumu. Maksimalna spektralna osjetljivost silicija je 0,8 mikrona, a germanija - do 1,8 mikrona. Oni rade na obrnutoj pristrasnosti str-n-prijelaz, koji omogućava povećanje njihovih performansi, stabilnosti i linearnosti karakteristika.
Fotodiode se najčešće koriste kao fotodetektori za optoelektronske uređaje različite složenosti. str- i-n-strukture gdje i– osiromašeno područje visokog električnog polja. Promjenom debljine ovog područja moguće je postići dobre performanse i karakteristike osjetljivosti zbog niske kapacitivnosti i vremena leta nosača.
Avalanche fotodiode imaju povećanu osjetljivost i performanse, koristeći pojačanje fotostruje pri množenju nosilaca naboja. Međutim, ove fotodiode nisu dovoljno stabilne u temperaturnom rasponu i zahtijevaju napajanje visokog napona. Fotodiode sa Schottky barijerom i MIS strukturom su obećavajuće za upotrebu u određenim rasponima talasnih dužina.
Fotootpornici se izrađuju uglavnom od polikristalnih poluvodičkih filmova na bazi spoja (kadmijum sa sumporom i selenom). Maksimalna spektralna osjetljivost fotootpornika je 0,5 - 0,7 mikrona. Fotootpornici se obično koriste u uslovima slabog osvetljenja; po osjetljivosti su uporedivi s fotomultiplikatorima - uređajima s vanjskim fotoelektričnim efektom, ali zahtijevaju niskonaponsko napajanje. Nedostaci fotootpornika su niske performanse i visok nivo buke.
Najčešći interno pojačani fotodetektori su fototranzistori i fototiristori. Fototranzistori su osjetljiviji od fotodioda, ali sporiji. Da bi se dodatno povećala osjetljivost fotodetektora, koristi se kompozitni fototranzistor, koji je kombinacija foto tranzistora i tranzistora za pojačavanje, ali ima niske performanse.
U optokaplerima, fototiristor (poluprovodnički uređaj sa tri str- n-prijelazi, preklapanje kada svijetli), koji ima visoka osjetljivost i nivo izlaznog signala, ali nedovoljna brzina.
Raznolikost tipova optokaplera uglavnom je određena svojstvima i karakteristikama fotodetektora. Jedna od glavnih primjena optokaplera je efikasna galvanska izolacija predajnika i prijemnika digitalnih i analognih signala. U ovom slučaju, optokapler se može koristiti u modu pretvarača ili prekidača signala. Optospojler karakterizira dozvoljeni ulazni signal (kontrolna struja), koeficijent prijenosa struje, brzina (vrijeme prebacivanja) i nosivost.
O 
Odnos koeficijenta prenosa struje i vremena uključivanja naziva se faktor kvaliteta optokaplera i iznosi 10 5 – 10 6 za fotodiodne i fototranzistorske optospojnice. Optokapleri na bazi fototiristora imaju široku primjenu. Fotootporni optospojnici nisu u širokoj upotrebi zbog niske vremenske i temperaturne stabilnosti. Dijagrami nekih optokaplera prikazani su na Sl. 130, a – d.
IN 
Kao koherentni izvori zračenja koriste se laseri visoke stabilnosti, dobrih energetskih karakteristika i efikasnosti. U optoelektronici, za dizajn kompaktnih uređaja, koriste se poluvodički laseri - laserske diode, koje se koriste, na primjer, u optičkim komunikacijskim linijama umjesto tradicionalnih linija za prijenos informacija - kabela i žice. Imaju visoku propusnost (propusnost jedinica gigaherca), otpornost na elektromagnetne smetnje, malu težinu i dimenzije, kompletnu električnu izolaciju od ulaza do izlaza, sigurnost od eksplozije i požara. Posebna karakteristika FOCL-a je upotreba posebnog optičkog kabla, čija je struktura prikazana na Sl. 131. Industrijski uzorci takvih kablova imaju slabljenje od 1 – 3 dB/km i niže. Optičke komunikacione linije koriste se za izgradnju telefonskih i kompjuterskih mreža, sistema kablovske televizije sa visokokvalitetnim prenosom slike. Ove linije omogućavaju istovremeni prenos desetina hiljada telefonskih razgovora i nekoliko televizijskih programa.
U posljednje vrijeme intenzivno se razvijaju i postaju široko rasprostranjena optička integrirana kola (OIC), čiji svi elementi nastaju taloženjem potrebnih materijala na podlogu.
Uređaji na bazi tekućih kristala, koji se široko koriste kao indikatori u elektronskim satovima, obećavaju u optoelektronici. Tečni kristali su organska supstanca (tečnost) sa svojstvima kristala i nalaze se u prelaznom stanju između kristalne faze i tečnosti.
Indikatori s tekućim kristalima imaju visoku rezoluciju, relativno su jeftini, troše malu energiju i rade pri visokom osvjetljenju.
U svjetlosnim indikatorima i optičkim memorijskim uređajima najčešće se koriste tekući kristali sa svojstvima sličnim monokristalima (nematika).Razvijeni su i široko se koriste tečni kristali koji mijenjaju boju zagrijavanjem (kolesterici).Druge vrste tečnih kristala (smektika) su koristi se za termo-optičko snimanje informacija.
Optoelektronski uređaji, razvijeni relativno nedavno, postali su široko rasprostranjeni u različitim područjima nauke i tehnologije zbog svojih jedinstvenih svojstava. Mnogi od njih nemaju analoge u vakuumskoj i poluvodičkoj tehnologiji. Međutim, još uvijek ih ima mnogo neriješeni problemi vezano za razvoj novih materijala, poboljšanje električnih i pogonskih karakteristika ovih uređaja i razvoj tehnoloških metoda za njihovu izradu.
Odjeljak 5. Uređaji sa spojnim punjenjem (CCD).
Ministarstvo obrazovanja Republike Bjelorusije
Obrazovne ustanove
„Bjeloruski državni univerzitet
informatike i radio elektronike”
Odjel EMU
"Osnove optoelektronike. Klasifikacija optoelektronskih uređaja"
MINSK, 2008
Optoelektronika je važno nezavisno polje funkcionalne elektronike i mikroelektronike. Optoelektronski uređaj je uređaj u kojem se, prilikom obrade informacija, električni signali pretvaraju u optičke signale i obrnuto.
Bitna karakteristika optoelektronskih uređaja je da su elementi u njima optički povezani i međusobno električno izolirani.
Zahvaljujući tome, lako se osigurava usklađivanje visokonaponskih i niskonaponskih, kao i visokofrekventnih i niskofrekventnih kola. Osim toga, optoelektronski uređaji imaju i druge prednosti: mogućnost prostorne modulacije svjetlosnih snopova, što u kombinaciji sa promjenama tokom vremena daje tri stepena slobode (dva u čisto elektronskim kolima); mogućnost značajnog grananja i ukrštanja svjetlosnih snopova u odsustvu galvanske veze između kanala; veliko funkcionalno opterećenje svjetlosnih snopova zbog mogućnosti promjene mnogih njihovih parametara (amplituda, smjer, frekvencija, faza, polarizacija).
Optoelektronika pokriva dva glavna nezavisna područja - optičku i elektronsko-optičku. Optički pravac se zasniva na efektima interakcije čvrste supstance sa elektromagnetnim zračenjem. Oslanja se na holografiju, fotohemiju, elektrooptiku i druge fenomene. Optički smjer se ponekad naziva laser.
Elektronsko-optički pravac koristi princip fotoelektrične konverzije, koja se ostvaruje u čvrstom tijelu putem unutrašnjeg fotoelektričnog efekta, s jedne strane, i elektroluminiscencije, s druge strane. Ovaj pravac se zasniva na zamjeni galvanskih i magnetskih veza u tradicionalnim elektronskim kolima optičkim. To omogućava povećanje gustoće informacija u komunikacijskom kanalu, njegove brzine i otpornosti na buku.
Fig.1. Optokapler sa unutrašnjim (a) i eksternim (b) fotonskim vezama: 1, 6 – izvori svetlosti; 2 – svjetlovod; 3, 4 – prijemnici svetlosti; 5 – pojačalo.
Glavni element optoelektronike je optospojnik. Postoje optokapleri sa unutrašnjim (slika 1, a) i eksternim (sl. 1, b) fotonskim vezama. Najjednostavniji optospojnik je mreža sa četiri terminala (Sl. 1, a), koja se sastoji od tri elementa: foto emitera 1, svjetlosnog vodiča 2 i svjetlosnog prijemnika 3, zatvorenog u zaptiveno, svjetlo otporno kućište. Kada se na ulaz primijeni električni signal u obliku impulsa ili pada ulazne struje, fotoemiter se pobuđuje. Svjetlosni tok kroz svjetlosni vodič ulazi u fotodetektor, na čijem se izlazu formira električni impuls ili pad izlazne struje. Ova vrsta optokaplera je pojačalo električnih signala, u kojem je unutrašnja sprega fotonska, a vanjska električna.
Druga vrsta optokaplera - sa električnom unutrašnjom spregom i fotonskom vanjskom spregom (slika 1, b) - je pojačavač svjetlosnih signala, kao i pretvarač signala jedne frekvencije u signale druge frekvencije, na primjer, infracrvene signale. zračenja u signale vidljivog spektra. Prijemnik svjetla 4 pretvara ulazni svjetlosni signal u električni signal. Potonji se pojačava pojačalom 5 i pobuđuje izvor svjetlosti 6.
Trenutno je razvijen veliki broj optoelektronskih uređaja za različite namjene. U mikroelektronici se u pravilu koriste samo oni optoelektronski funkcionalni elementi za koje postoji mogućnost integracije, kao i kompatibilnost njihove proizvodne tehnologije sa tehnologijom proizvodnje odgovarajućih integriranih kola.
Foto emiteri. Optoelektronski izvori svjetlosti podliježu zahtjevima kao što su minijaturizacija, niska potrošnja energije, visoka efikasnost i pouzdanost, dug vijek trajanja i proizvodnost. Moraju imati visoke performanse i biti sposobni za proizvodnju kao integrirani uređaji.
Najrasprostranjeniji elektroluminiscentni izvori su injekcione LED diode, kod kojih je emisija svjetlosti određena mehanizmom međupojasne rekombinacije elektrona i rupa. Ako prođete dovoljno veliku struju ubrizgavanja kroz p-n spoj (u smjeru naprijed), tada će se neki od elektrona iz valentnog pojasa pomaknuti u provodni pojas (slika 2). U gornjem dijelu valentnog pojasa nastaju slobodna stanja (rupe), a u donjem dijelu vodljivog pojasa nastaje popunjeno stanje (kondukcijski elektroni).
Takva inverzna populacija nije ravnotežna i dovodi do haotične emisije fotona tokom obrnutih prelaza elektrona. Nekoherentni sjaj koji se pojavljuje u pn spoju je elektroluminiscencija.
Fig.2. Za objašnjenje principa rada injekcione LED diode.
Foton emitovan tokom luminiscentnog prelaza iz ispunjenog dela provodnog pojasa u slobodni deo valentnog pojasa izaziva stimulisanu emisiju identičnog fotona, uzrokujući da se drugi elektron pomeri u valentni pojas. Međutim, foton iste energije (od ∆E=E2-E1 do ∆E=2δE) ne može biti apsorbovan, jer je donje stanje slobodno (u njemu nema elektrona), a gornje stanje je već popunjeno. To znači da je p-n spoj transparentan za fotone takve energije, tj. za odgovarajuću frekvenciju. Naprotiv, fotoni sa energijama većim od ∆E+2δE mogu biti apsorbovani, prenoseći elektrone iz valentnog pojasa u pojas provodljivosti. Istovremeno, za takve energije indukovana emisija fotona je nemoguća, jer gornje početno stanje nije ispunjeno, a donje stanje je ispunjeno. Stoga je stimulirana emisija moguća u uskom rasponu oko frekvencije koja odgovara energiji pojasnog razmaka ∆E sa spektralnom širinom δE.
Najbolji materijali za LED diode su galijum arsenid, galijum fosfid, silicijum fosfid, silicijum karbid itd. LED diode imaju visoke performanse (oko 0,5 μs), ali troše veliku struju (oko 30 A/cm2). Nedavno su razvijene LED diode na bazi galij arsenida - aluminijuma, čija snaga se kreće od frakcija do nekoliko milivata sa naprednom strujom od desetina miliampera.K. p.d. LED dioda ne prelazi 1 - 3%.
Izvori svjetlosti koji obećavaju su injekcijski laseri, koji omogućavaju koncentrisanje visokih energija u uskom spektralnom području sa velikom efikasnošću i brzinom (desetine pikosekundi). Ovi laseri se mogu proizvesti kao nizovi na jednom osnovnom čipu koristeći istu tehnologiju kao i integrirana kola. Nedostatak jednostavnih injekcionih lasera je to što imaju prihvatljive performanse samo kada su ohlađene na vrlo niske temperature. Na normalnim temperaturama, galijum-arsenidni laser ima malu prosječnu snagu, nisku efikasnost (oko 1%) i lošu radnu stabilnost i radni vijek. Daljnje poboljšanje injekcijskog lasera stvaranjem prijelaza složene strukture pomoću heterospojnica (heterospoj je granica između slojeva s istim tipovima električne provodljivosti, ali s različitim razmacima u pojasu) omogućilo je dobivanje izvora svjetlosti male veličine koji radi. na normalnim temperaturama sa efikasnošću od 10 - 20 % i prihvatljivim karakteristikama.
Fotodetektori. Za pretvaranje svjetlosnih signala u električne signale koriste se fotodiode, fototranzistori, fotootpornici, fototiristori i drugi uređaji.
Fotodioda je obrnuti p-n spoj, čija je reverzna struja zasićenja određena brojem nosilaca naboja nastalih u njoj djelovanjem upadne svjetlosti (slika 3). Parametri fotodiode izražavaju se kroz vrijednosti struje koja teče u njenom kolu. Osjetljivost fotodiode, koja se obično naziva integralnom, definira se kao omjer fotostruje i svjetlosnog toka Fυ koji ju je uzrokovao. Prag osjetljivosti fotodioda procjenjuje se na osnovu poznatih vrijednosti integralne (strujne) osjetljivosti i tamne struje Id, tj. struja koja teče u kolu u odsustvu zračenja osjetljivog sloja.
Glavni materijali za fotodiode su germanijum i silicijum. Silicijumske fotodiode su obično osetljive u uskom opsegu spektra (od λ = 0,6 - 0,8 μm do λ = 1,1 μm) sa maksimumom na λ = 0,85 μm, a germanijumske fotodiode imaju granice osetljivosti λ = 0,4 - 1,8 μm sa maksimumom na λ ≈ 1,5 µm. U fotodiodnom režimu sa naponom napajanja od 20 V, tamna struja silicijumskih fotodioda obično ne prelazi 3 μA, dok za germanijum; fotodiode pri naponu napajanja od 10 V dostiže 15-20 μA.
Fig.3. Sklop i strujno-naponska karakteristika fotodiode.
Fig.4. Sklop i strujno-naponska karakteristika fototranzistora.
Strana 5 od 14
Optospojnici su oni optoelektronski uređaji u kojima postoji izvor i prijemnik svjetlosnog zračenja (emiter svjetlosti i fotodetektor) sa jednom ili drugom vrstom optičke i električne veze između njih i koji su međusobno strukturno povezani.
Princip rada optokaplera bilo koje vrste zasniva se na činjenici da se u emiteru energija električnog signala pretvara u svjetlost; U fotodetektoru, naprotiv, svjetlosni signal uzrokuje električnu struju. Električni signal emiteru se obično dovodi iz vanjskog izvora. Svjetlosni signal fotodetektoru stiže preko optičkog komunikacijskog kola iz emitera.
Procesi pretvorbe energije u optokapleru temelje se na kvantnoj prirodi svjetlosti, a to je elektromagnetno zračenje u obliku struje čestica – kvanta.
Emiteri svjetlosti. Nekoliko tipova emitera pogodno je za upotrebu u optospojlerima: minijaturne sijalice sa žarnom niti, koje koriste toplotno zračenje filamenta zagrejanog električnom strujom na 1800-2000 °C; neonske sijalice koje koriste sjaj električnog pražnjenja mješavine plina neon-argon, itd. [vidi. 1, § 1.1].
Ove vrste emitera imaju nisku izlaznu svjetlost, ograničenu izdržljivost, velike dimenzije, nisku usmjerenost zračenja i teško ih je kontrolisati. Glavni tip emitera koji se koristi u optospojlerima je poluvodička injekciona svjetlosna dioda - LED. Razmotrimo proces konverzije energije u takvoj optospojnici (slika 11, a).
Na granici između p- i područja poluvodičke strukture, kao što je prikazano gore, pojavljuje se p-n spoj u kojem je koncentriran prostorni naboj rupa i elektrona. Kada se naprijed napon 1/ip primijeni na strukturu u aktivnom području B kristala određenih tipova poluprovodnika (na primjer, galijev arsenid i jedinjenja na njemu), višak koncentracije slobodnih nosilaca naboja ubrizgava p- stvara se spoj pristrasan u smjeru naprijed. Rezultirajući tok elektrona prolazi kroz područje prostornog naboja E, stvarajući struju elektrona /p. Neki elektroni se rekombinuju u aktivnim B i neprozirnim C regionima kristala sa rupama. Svaki čin rekombinacije glavnih nosilaca naboja prati emisija kvanta svjetlosti, tj. dolazi do radijacijske rekombinacije.
Istovremeno, nastaje komponenta struje rupe /p, uzrokovana ubrizgavanjem rupa u n-područje i odražava činjenicu da nema p-n ulaza sa jednostranim ubrizgavanjem. Udio ove struje je manji, što je /m-područje jače dopirano u odnosu na p-područje kristalne strukture.
Dio rezultirajućeg zračenja se apsorbira u optički „prozirnoj“ regiji A kristala (zraci 1 na slici 11.6), osim toga, unutrašnja refleksija (zraci 2) nastaje kada svjetlosni zraci padaju na granicu između poluvodičkog i vazdušnog medija koji ima različite optičke gustoće, što u konačnici dovodi do njihovog gubitka zbog samoapsorpcije.
Rice. 11. Električni (a) i optički (6) LED modeli
Generisanje kvanta u aktivnoj oblasti poluprovodnika je spontano i karakteriše ga činjenica da su svetlosni zraci podjednako verovatno usmereni u svim pravcima. Zraci 3 koji se šire prema jako dopiranom području poluprovodnika brzo se apsorbuju. Aktivno područje B ima efekat talasovoda, a zraci 4 su, zbog višestrukih refleksija, fokusirani duž ovog područja, pa je intenzitet krajnjeg zračenja mnogo veći nego u drugim pravcima izlaska svetlosti iz kristala.
Glavni materijali od kojih se prave emiteri su galijum-arsenid i jedinjenja na njegovoj osnovi, a materijal za fotodetektore je silicijum. Obje vrste materijala imaju gotovo istu optičku gustoću (indeks prelamanja). Ova okolnost osigurava potpuno optičko usklađivanje generatorske i prijemne jedinice optokaplera.
Fotodetektori. Princip rada fotodetektora koji se koriste u optokaplerima zasniva se na unutrašnjem fotoelektričnom efektu, koji se sastoji u odvajanju elektrona od atoma unutar kristalnog tijela pod utjecajem elektromagnetnog (optičkog) zračenja. Formiranje slobodnih elektrona dovodi do promjene električnih svojstava ozračenog tijela, a nastale fotoelektrične pojave se koriste u praksi. Eksperimentalno je utvrđeno da se najznačajniji fotoelektrični fenomeni javljaju u poluvodičima, uglavnom u čistim. Tako se u fotodetektoru kvanti svjetlosti pretvaraju u energiju mobilnih električnih naboja, pod čijim utjecajem nastaje foto-EMF na pn spoju.
Prilikom razvoja optokaplera, fotodetektor je definirajući element optokaplera, a emiter se bira „za fotodetektor“. Nivo optokaplera najbolje karakteriziraju diodni optospojnici, čije industrijske vrste odlikuju jednostavnost dizajna, velika raznolikost, širina funkcionalnosti i dobra kombinacija električnih parametara.
Projektovanje energetskih poluvodičkih uređaja. Osnova za dizajn bilo kojeg poluvodičkog uređaja je poluvodička struktura, koja određuje njegove električne parametre i karakteristike. Struktura s elementima koji osiguravaju potrebnu mehaničku čvrstoću, pouzdane električne i toplinske kontakte s tijelom uređaja naziva se element dizajna ventila. Element ventila mora imati pouzdana zaštita od uticaja okoline, pa se postavlja u kućište koje obezbeđuje brtvljenje i mehaničku čvrstoću cele konstrukcije.
Na osnovu tipa dizajna kućišta, svi energetski poluvodički ventili se mogu podijeliti na pin-tip, ravnu bazu (prirubnica) i tablet-tip.
Na sl. Na slici 12 prikazana je konstrukcija pin tiristora, čija je osnova 2 izrađena od bakra zajedno sa navojnim vijkom 1 kako bi se osigurao električni i termički kontakt sa hladnjakom. Tiristori sa ravnom bazom kućišta (slika 12c) imaju bakarnu prirubnicu 1 za pričvršćivanje uređaja na hladnjak. Poklopci kućišta kod oba tipa tiristora se izrađuju u metal-staklo ili metal-keramičkom dizajnu. Gornji terminal napajanja 3 može biti izrađen u obliku metalnog (bakarnog) opletenog svežnja (fleksibilni terminal) ili šuplje bakrene šipke ispunjene olovom (kruti terminal, sl. 12.6). 
Rice. 12. Dizajn snažnih tiristora:
a - pin tiristor sa fleksibilnim i b - bez fleksibilnog izlaza; c - prirubnički tiristor sa fleksibilnim olovom
Tiristori dizajna tableta (sl. 13, e) izrađeni su u obliku tablete 1 u valovitom keramičkom kućištu, koje štiti element ventila od kontaminacije i mehaničkih oštećenja. Tableta se postavlja između gornjih 2 i donjih 6 metalnih postolja uređaja, koji su u kontaktu sa hladnjacima, stvarajući električne i termičke kontakte. Upravljačka elektroda 4 tiristora nalazi se na bočnoj površini kućišta. Uređaj je spojen na električni krug preko strujnih ploča 3 i 5.
Dizajn klinova i prirubnica se koristi za energetske ventile za struje do 320 A, dizajne tableta za struje od 250 A i više. Uređaji s ravnom bazom su otporniji na ciklične promjene temperature. U razvoju tiristora posljednjih godina ovaj dizajn se češće koristi.
Na sl. 13.6 prikazuje dizajn novog silikonskog tranzistora snage TK serije kao primjer. Takvi uređaji imaju masivno tijelo dizajna igle s navojem na bazi za spajanje na radijator i krutu bazu i emiterske vodove.
opšte karakteristike poluprovodnički uređaji. Domaća industrija proizvodi širok spektar energetskih poluvodičkih uređaja, čija upotreba omogućuje stvaranje različitih pretvarača električne energije koji su ekonomični, male veličine i vrlo pouzdani. Za praktičnost odabira poluvodičkih uređaja u procesu projektovanja instalacija i zamjene ventila u kvaru tokom njihovog rada, koristi se alfanumerički sistem simbola za energetske diode, tiristore, tranzistore i optospojnike (GOST 15543-70*).
Rice. 13. Tablet dizajn tiristora T500 bez hladnjaka (a) i ukupne i ugradne dimenzije energetskog tranzistora (b)
Za kontrolu fototiristora, u njegovom kućištu je predviđen poseban prozor za prijenos svjetlosnog toka. U optocoupler tiristorima, poluvodička dioda koja emituje svjetlost - LED - koristi se kao emiter, na koji se dovodi kontrolni signal. Značajna prednost foto- i optospojnih tiristora u odnosu na tiristori upravljane električnim signalom je nepostojanje galvanske veze između strujnog kruga uređaja i njihovog upravljačkog sistema.
