Zdroje optického záření používané v optoelektronika, obecně řečeno, je velmi rozmanitá. Většina z nich (subminiaturní žárovky a plynové výbojky, práškové a filmové elektroluminiscenční zářiče, vakuové katodoluminiscenční zářiče a mnoho dalších) však nevyhovuje celé sestavě moderní požadavky a používají se pouze v určitých zařízeních, zejména v indikačních zařízeních a částečně v optočlenech.
Při posuzování perspektiv konkrétního zdroje hraje určující roli stav agregace aktivní svítící látky (resp. látky vyplňující pracovní objem). Ze všech možných variant (vakuum, plyn, kapalina, pevná látka) se dává přednost látce v pevném stavu a „uvnitř“ látce monokrystalické, protože poskytuje největší odolnost a spolehlivost zařízení.
Základ optoelektroniky tvoří dvě skupiny zářičů:
1) optické generátory koherentního záření (lasery), mezi nimiž je třeba rozlišovat polovodičové lasery;
1) světlo emitující polovodičové diody na principu spontánní injekční elektroluminiscence.
Optoelektronické polovodičové zařízení je polovodičové zařízeníemitující nebo převádějící elektromagnetické záření, citlivé na toto záření ve viditelné, infračervené a (nebo) ultrafialové oblasti spektra nebo využívající takové záření pro vnitřní interakci svých prvků.
Optoelektronické polovodičové prvky lze rozdělit na polovodičové zářiče, přijímače záření, optočleny a optoelektronické integrované obvody (obr. 2.1).
Polovodičový emitor je optoelektronické polovodičové zařízení, které přeměňuje elektrickou energii na energii elektromagnetického záření ve viditelné, infračervené a ultrafialové oblasti spektra.
Mnoho polovodičových zářičů může vyzařovat pouze nekoherentní elektromagnetické vlny. Patří sem polovodičové zářiče ve viditelné oblasti spektra - polovodičové informační zobrazovací zařízení (světelné diody, polovodičové indikátory, stupnice a stínítka), dále polovodičové zářiče v infračervené oblasti spektra - infračervené zářiče.
Koherentní polovodičové zářiče– Jedná se o polovodičové lasery s různými druhy buzení. Mohou vyzařovat elektromagnetické vlny s určitou amplitudou, frekvencí, fází, směrem šíření a polarizací, což odpovídá pojmu koherence.
Účelem práce je experimentálně studovat vlastnosti fotosenzitivních a světlo emitujících zařízení.
Stručné teoretické informace.
Optoelektronické polovodičové prvky lze rozdělit do dvou skupin: emitující a fotosenzitivní (fotopřijímací). Do první skupiny patří LED a polovodičové laserové zářiče a do druhé skupiny fotodiody, fototranzistory, fototyristory, fotorezistory a řada dalších.
Úvod. Moderní oblast optoelektroniky je extrémně široká, pokrývá studium zařízení, jejichž činnost souvisí s optickými a elektrickými jevy, jako jsou různé typy fotocitlivých článků, generátory světla, modulátory, displeje atd. Omezíme se na studium zařízení vyzařujících světlo a detektorů.
Definice Optoelektronika je studium a aplikace elektronického zařízení, které poskytuje, detekuje a řídí světlo. Optoelektronická zařízení jsou elektrické převodníky na optické nebo optické na elektrické, případně zařízení, která taková zařízení při své činnosti využívají.
LED je zařízení s p-n přechody mezi vrstvami polovodičových materiálů zahrnutých v jeho složení. Přeměňuje energii proudu, který jím prochází, na elektromagnetické nekoherentní záření.
Když propustný proud prochází diodou v zóně p-n přechodu, dochází k rekombinaci elektronů a děr. Tento proces může být doprovázen elektromagnetickým zářením s frekvencí určenou vztahem:
Tato zařízení přeměňují elektrickou energii na světelnou energii. Při aktivaci elektrickou energií vyzařují světlo. Tato zařízení generují malý elektrický signál, když jsou osvětlena, čímž přeměňují světelnou energii na elektrickou energii.
LED diody jsou ty, které jsou k dispozici ve formě barevných žárovek, které se dodávají v optoelektronických zařízeních, domácích spotřebičích, hračkách a na mnoha dalších místech. Světelné diody jsou diody, které ovlivňují produkci světla, když jimi protéká elektřina. Diody mají vlastnost, která umožňuje průchod proudu pouze jedním směrem a nikoli druhým.
– hodnota odpovídající zakázanému pásmu polovodiče, 
– Planckova konstanta. Současně s tímto (radiačním) rekombinačním mechanismem však funguje i nezářivý, spojený zejména s absorpcí energie krystalovou mřížkou. Při výrobě LED se snaží snížit jeho vliv. Účinnost přeměny elektrické energie na světlo se odhaduje hodnotou 
, nazývané vnitřní kvantová účinnost. Je určen poměrem počtu emitovaných fotonů k počtu rekombinovaných párů nosičů.
Diody vyzařující světlo. Tyto nečistoty se nazývají donorové atomy, protože do struktury přispívají relativně „volným“ elektronem. Tyto nečistoty se nazývají akceptorové atomy, protože počet elektronů je nedostatečný k dokončení kovalentních mřížkových vazeb, což vede k díře, která rychle přijme elektron. Elektrony a díry se mohou pohybovat pod vlivem elektrické pole a když se rekombinují, vytvoří se foton nebo částice světla. Tato rekombinace vyžaduje přenesení energie nevázaného volného elektronu do jiného stavu.
Jak vyplývá z (5.1), vlnová délka záření LED
je nepřímo úměrná zakázanému pásmu polovodiče. U diod vyrobených z germania, křemíku a arsenidu galia se maximum emitované energie vyskytuje v infračervené oblasti a u germaniových a křemíkových diod je navíc vysoká pravděpodobnost nezářivé rekombinace.
I tyto texty mohou být zajímavé
V křemíku a germaniu je většina ve formě tepla a vyzařované světlo je zanedbatelné. Tyto chyby jsou způsobeny přítomností harmonických v síti a také přesností měření testovacího zařízení. Může se soudce opřít o prima facie skutečnosti, které byly účastníky nejen tvrzeny, ale které musely být získány jiným způsobem, nebo mohl své rozhodnutí založit pouze na skutečnostech tvrzených účastníky řízení? Proč využívat soubor znalostí v projektovém řízení? . Projekt Plasma Optoelectronics se zabývá experimentálním výzkumem a výzkumem zdola nahoru v organické elektronice, od implementace zařízení, jejich optoelektronické charakterizace, až po modelování jejich fyzikálních vlastností.
Pro výrobu LED vyzařujících ve viditelné oblasti se používají speciální polovodičové materiály - fosfid gallia, nitrid galia, karbid křemíku a další s velkou mezerou v pásmu. Moderní LED diody používají heteropřechody, to znamená polovodičové struktury založené na materiálech s různými mezerami v pásmu.
Oblast organické elektroniky zahrnuje různé technologie využívající základní zařízení. Světelné diody v oblasti plochých displejů a nízkoenergetického osvětlení Tranzistory s efektem pole v logických obvodech - paměť pro podporu přenosného nebo off-grid elektrického vedení. Aktivity skupiny jsou rozvíjeny prostřednictvím místní, národní a mezinárodní spolupráce s partnery z akademického světa i regionálními a národními průmyslovými strukturami.
Napařování iontovým paprskem
Většina optoelektronických součástek používá katody vyrobené vakuovým napařováním. Napařování iontovým paprskem zahrnuje nanášení odpařováním na substrát a současné vystavení substrátu paprsku energetických iontů. Tato metoda má za následek změny optické, elektrické, mechanické a chemické vlastnosti nanesená vrstva. Tento způsob umožňuje zejména zhutnění nanesených vrstev, aby se omezila difúze kyslíku a vody uvnitř součástí. Tím se zvyšuje životnost součástí.
Na Obr. Obrázek 5.1 ukazuje závislost intenzity záření LED vyrobených z různých materiálů na vlnové délce (spektrální charakteristiky), a také ukazuje symbol LED na elektrických obvodech.
Rýže. 5.1. Spektrální charakteristiky a označení LED na elektrických schématech.
Vývoj nanostrukturních anorganických polovodičů
V této souvislosti byly v laboratoři vyvinuty techniky naprašování měkkým iontovým paprskem. Hybridní optoelektronické součástky využívající vlastnosti organických a anorganická hmota ve stejném zařízení nyní prokázaly významný potenciál pro vývoj konkurenceschopných levných řešení. V této souvislosti nás zajímá syntéza nanokrystalů anorganických oxidů kovů s dobře řízenou morfologií používaných v aktivních vrstvách našich zařízení a také depozice anorganických tenkých vrstev aerosolovou pyrolýzou využívanou jako transparentní vodivé elektrody, blokovací vrstvy popř. nárazníkové vrstvy v laboratorně vyvinutých součástech.
Proudově napěťová charakteristika LED (obr. 5.2) je podobná jako u běžné polovodičové diody. Jeho zvláštností je, že dopředná napětí mohou dosahovat několika voltů (kvůli velké šířce pásma) a zpětná napětí jsou malá kvůli malé tloušťce pn přechodu. V případě elektrického průrazu LED může vlivem nárazové ionizace v objemu p-n přechodu dojít i k vyzařování elektromagnetické energie. Intenzita záření v tomto režimu je však nízká a nenachází praktické uplatnění.
Vyvíjejí se nové technologie
Zalévání organických materiálů laserovou ablací. . Fenomén laserové ablace lze použít k výrobě tenkých organických vrstev: má tu výhodu, že vytváří vrstvy s řízenou tloušťkou a dobrou kvalitou krystalů při teplotě životní prostředí. Aby se zabránilo degradaci molekulární struktury sloučeniny, je nutné pracovat s nízkou hustotou toku blízko prahové fluence. Laserová ablace také umožňuje selektivní leptání dříve nanesených vrstev přes masku.
Rýže. 5.2. Proudově-napěťové charakteristiky LED.
Důležitou vlastností LED je jas, tedy závislost jasu záření 
na velikosti dopředného proudu. Jas je určen poměrem svítivosti k ploše svítící plochy. Přibližný pohled na takovou charakteristiku je na Obr. 5.3. Jeho ohyby v počátečních a konečných úsecích se vysvětlují tím, že při nízkých a vysokých proudech se zvyšuje pravděpodobnost nezářivé rekombinace.
Vývoj elektrod na bázi uhlíkových nanotrubic. . Z elektrického hlediska mají nanotrubice vlastnost buď kovové nebo polovodivé v závislosti na jejich geometrii. Prostřednictvím řešení se zaměřujeme na vývoj a optimalizaci elektrod na bázi uhlíkových nanotrubiček.
Vývoj hybridních složek koprecipitací. . Princip koprecipitace hybridních složek. Jako nový přístup navrhujeme koprecipitaci organického materiálu odpařováním a anorganického materiálu iontovým rozprašováním. Takové hybridní vrstvy mohou být také použity jako bariérové vrstvy pro zapouzdření komponent.
Rýže. 5.3. Charakteristiky jasu LED.
LED diody jsou na rozdíl od jiných vyzařovacích zařízení (žárovky atd.) velmi rychlé (bez setrvačnosti). Doba, za kterou světelný tok generovaný LED při aplikaci pravoúhlého stejnosměrného impulsu dosáhne maxima, se pohybuje od několika mikrosekund do desítek nanosekund.
Optoelektronická zařízení
Organické a hybridní fotovoltaické články
Fotovoltaické články umožňují přeměnu světelné energie na elektrickou energii absorpcí fotonů, poté vytvořením a nakonec přenosem volných nábojů v aktivní vrstvě skládající se z materiálů poskytujících a přijímající elektrony. Organické buňky založené na malých konjugovaných molekulách nebo polovodičových polymerech mají výhodu v tom, že jsou vyvíjeny s nízkými náklady na flexibilních substrátech.Pro organické solární články jsou hlavní cíle. Kontrola morfologie v nanometrovém měřítku jak pro složky na bázi odpařených malých molekul, tak pro buňky na bázi konjugovaných polymerů a rozpustných molekulárních akceptorů.
LED se vyznačují následujícími hlavními parametry: vlnová délka maximálního záření nebo barva záře; jas nebo svítivost při daném dopředném proudu; pokles napětí v propustném směru při daném propustném proudu a maximálním přípustném propustném proudu, zpětném napětí a výkonu rozptýleném LED.
Fotodioda je polovodičové zařízení, jehož p-n přechod je otevřený vnějšímu záření. Pokud nejsou na svorky polovodičové diody připojeny externí zdroje napětí, pak je p-n přechod v rovnovážném stavu. V tomto případě je potenciálový rozdíl na vývodech diod nulový a na rozhraní mezi polovodičovými vrstvami je vnitřní elektrické pole, které brání pohybu většinových nosičů přes p-n přechod.
Optimalizace elektrod metodou iontového svazku. Modelování aktivních zón buněk pro zlepšení jejich vlastností a životnosti. Optimalizace elektrodových struktur solárních článků na bázi odpařených malých molekul. Souběžně s organickými komponentami jsme nedávno zahájili výrobu a optoelektronickou charakterizaci hybridních fotovoltaických článků na bázi nanostrukturovaných oxidů kovů. Zajímají nás především pevné barvivem senzibilizované buňky, jejichž potenciální výkon může Kromě senzibilizovaných buněk pokračujeme i ve vývoji konvenčních hybridních komponent.
Vlivem elektromagnetického záření (při osvětlení) dochází v přechodovém objemu k porušení vazeb elektronů s atomy - generování párů elektron-díra. Tento jev se nazývá vnitřní fotoelektrický jev. Pn přechodové pole přesune výsledné otvory do oblasti p-polovodič, respektive elektrony, v n-polovodič, oddělující generované nosiče. V tomto případě se na vnějších okrajích polovodičových vrstev objeví určitý potenciálový rozdíl („+“ na anodě diody, „–“ na její katodě) a zároveň výška potenciálové bariéry pn. křižovatka se sníží o výši tohoto rozdílu.
Hlavní úsilí je zaměřeno na přesné řízení architektur nanoměřítek prostřednictvím levného vývoje nanoporézních vrstev oxidů kovů. Princip senzitizovaných buněk barviva v pevném stavu. Kontakt: Thierry Trigot, Bruno Lucas. Tým vyvíjí nové technologie pro výrobu elektronických obvodů na bázi organických tranzistorů. Cílem je získat levné produkty díky použitým materiálům a použitým výrobním metodám. dvě oblasti výzkumu primárně vyvinuté v laboratoři.
Transparentní organické tranzistory. Flexibilní obvody vyrobené tiskovými metodami. Studováno z teoretického hlediska. Fyzika organických polovodičů. Řešení technologie tisku. Stav rozhraní: podle depozičních metod a deponovaných materiálů.
Potenciální rozdíl generovaný fotodiodou pod vlivem světla se nazývá foto emf.
. Jeho hodnota závisí na světelném toku (obr. 5.4), ale fotografie emf. nesmí překročit rozdíl kontaktních potenciálů 
. Vysvětluje se to tím, že směry vnějších a vnitřních polí jsou opačné a s rostoucím 
celkové elektrické pole způsobující pohyb nosičů náboje klesá. Pokud je emf fotografie stejná. A síla způsobující pohyb nosičů zmizí. Velikost rozdílu potenciálu vytvořeného na svorkách fotodiody, když je vnější obvod otevřený, se nazývá napětí naprázdno.
Architektura organických řetězců. Typické vlastnosti organického tranzistoru naneseného na pružném substrátu. Kromě toho vyvíjíme další pokročilé součástky na bázi organických tranzistorů, jako jsou fotovoltaické články. Opravdu, různé efekty mohou být produkovány v pevných látkách absorpcí nebo emisí fotonu materiálem, jako je fotovodivost nebo fotovoltaický efekt, které přímo souvisejí s transportními mechanismy. Fototranzistor, který využívá fotovodivých vlastností aktivní vrstvy tranzistoru, může být použit jako světelně extrahovatelný spínač, jako zesilovač optické mřížky, jako detekční obvod nebo jako senzor.
Rýže. 5.4. Závislost fotografie emf. a zkratový proud p-n přechodu od velikosti světelného toku.
Pokud dojde ke zkratování vývodů diody s osvětleným p-n přechodem, bude vodičem protékat elektrický proud zvaný fotoproud 
, způsobené usměrněným pohybem volných nosičů vytvořených v přechodové zóně. K jejich pohybu dojde vlivem vnitřního elektrického pole přechodu. Když je fotodioda osvětlena, tento proud bude udržován energií světelného záření, což způsobí generování párů elektron-díra. Při nulovém odporu vnějšího obvodu se tento proud nazývá zkratový proud.
Organické LED diody
Organický tranzistor na pružném substrátu pod světelným buzením. Časová odezva tranzistoru pro různá napětí odtok a v závislosti na osvětlení. Kontaktní osoba: Remy Antony, Bruno Lucas. Organické světelné diody přeměňují elektrickou energii na světelnou energii. Struktury jsou sendvičového typu s jednou nebo více organickými vrstvami vloženými mezi dvě elektrody, z nichž jedna je transparentní pro emitovanou vlnovou délku. Aplikace elektrického pole na svorky součásti umožňuje zavedení nosičů zatížení, které budou migrovat do organických vrstev, a rekombinace těchto nosičů vytváří kvazičástici nazývanou exciton.
Velikost fotoproudu , stejně jako hodnota foto-emf, je úměrná světelnému toku (obr. 5.4), ale odpovídající závislost
nemá výraznou saturační sekci, protože pro jakýkoli počet vytvořených nosičů se elektrické pole, které na ně působí, bude rovnat poli rozdílu kontaktních potenciálů.
Vlnová délka vyzařovaného světla a další optoelektronické charakteristiky závisí na povaze vyzařující vrstvy. Charakteristika fotobuňky ve tmě a pod světlem. Tyto komponenty umožňují např. přenos informací zachováním elektrické izolace, což lze využít i pro hodnocení jejich výkonu z hlediska životnosti nebo tepelné stability.
Pokročilé charakterizační techniky
Měření pohyblivosti nákladů a dopravních jevů
Vlastnosti organických složek jsou tedy vysoce závislé na mobilitě nosičů a transportních mechanismech. Proto, abychom vyhodnotili tyto choulostivé parametry, které je třeba měřit, vyvinuli jsme metodu měření mobility založenou na dielektrických měřeních: extrapolace při velmi nízké frekvenci v reprezentaci dielektrických ztrát jako funkce frekvence umožňuje získat vodivost. Poté, na základě proudové hustoty versus napěťové charakteristiky, je určena hustota nosičů, aby se nakonec určila jejich pohyblivost.V přítomnosti externích světelných zdrojů tedy může fotodioda sloužit jako generátor emf. nebo aktuální, tzn. vykonávají funkce měniče světelné energie na elektrickou energii. Na tomto principu je založen provoz solárních konvertorů (baterií). Popsaný režim činnosti fotodiody (bez vnějších zdrojů) se nazývá ventilový režim.
Proudově-napěťová charakteristika fotodiody, tzn. závislost procházejícího proudu na velikosti vnějšího použitého napětí určitým způsobem souvisí s osvětlením. Je zřejmé, že pokud není pn přechod osvětlen, pak charakteristika proud-napětí fotodiody bude totožná s odpovídající charakteristikou konvenční diody. Tato situace odpovídá grafu na obr. 5,5 pro
=0.
Rýže. 5.5. Proudově-napěťové charakteristiky fotodiody.
Když se na zatemněnou fotodiodu přivede zpětné napětí, bude přes ni protékat tzv. temný proud 
, určeno jako u konvenční diody vztahem:
(5.2)
Kde 
- saturační proud, 
- teplotní potenciál,
- přiložené napětí. Když je osvětlen pn přechod hradlové diody, budou v jejím objemu a přilehlých oblastech generovány dvojice nosičů. Budou odneseny vnějším elektrickým polem na okraje polovodičových vrstev a diodou bude protékat zpětný proud.
(5.3)
Kde - temný proud, – proud vytvářený nosiči generovanými elektromagnetickým zářením (fotoproud). Tento proud má obvykle záporné znaménko. Protože velikost fotoproudu je úměrná světelnému toku
, pak se s rostoucím osvětlením bude reverzní větev proudově-napěťové charakteristiky fotodiody posouvat dolů téměř paralelně, jak je znázorněno na Obr. 5.5. Tento režim činnosti fotodiody (s obráceným předpětím p-n přechodu) se nazývá fotodioda.
Pokud je na fotodiodu přivedeno napětí rovné nule, bude to odpovídat jejímu zkratu a jak bylo uvedeno dříve, nějaký proud bude protékat vnějším obvodem, nazývaným zkratový proud
.
Když se změní polarita napětí na diodě, zapne se vnější elektrické pole proti fotoemf poli, což způsobí pokles toku nosičů přes pn přechod a tím i pokles zpětného proudu. Když propustné napětí dosáhne určité hodnoty, proud diody se zastaví. Hodnota tohoto napětí odpovídá klidovému režimu a bude se rovnat
, generované diodou při daném osvětlení a otevřeném vnějším obvodu. Další zvýšení rozdílu odemykacího potenciálu způsobí, že diodou protéká propustný proud, jehož závislost na napětí je popsána vztahem podobným (5.2)
a celkový proud bude stejný
.
Fotodiody se obvykle používají jako světelné senzory a pracují v opačném směru, to znamená v režimu fotodiody. Vyznačují se následujícími parametry: – temný proud (zpětný proud zatemněné fotodiody při dané teplotě a zpětném napětí);
– integrální, popř
– diferenciální fotosenzitivita. Ten je často definován jako poměr změny zpětného proudu
na změnu světelného toku, která to způsobila
.
Citlivost fotodiody závisí na vlnové délce dodávaného světla. Tato závislost pro fotodiody z různých materiálů a její označení na schématech zapojení jsou na Obr. 5.6.
Rýže. 5.6. Spektrální charakteristiky fotodiody a její označení na elektrických schématech.
Vzhledem k tomu, že bipolární tranzistor je struktura obsahující p-n přechody, lze proud v něm ovládat nejen změnou odpovídajících napětí, ale také osvětlením oblasti báze. Tranzistor, pro který je tento režim provozu poskytován, se nazývá fototranzistor. Při absenci osvětlení jsou jeho charakteristiky proudového napětí totožné s charakteristikami běžného tranzistoru.
Vlivem světelného toku budou v p-n přechodech oblasti báze generovány páry elektron-díra. Pole uzamčeného kolektorového přechodu budou elektrony (pro n-p-n tranzistor) vtahovány do kolektorové oblasti, čímž se zvýší jeho proud. Tato situace je podobná provozu fotodiody v režimu zpětného předpětí.
Otvory, které se objeví při osvětlení fototranzistoru (typ n-p-n), zůstávají v bázi, čímž se zvyšuje její kladný potenciál, což vede ke zvýšení intenzity injekce elektronů z emitoru. Další elektrony, které dosáhnou kolektorového přechodu, budou vtaženy jeho polem do kolektorové oblasti a vytvoří další zvýšení kolektorového proudu. Celkový kolektorový proud fototranzistoru při jeho zapnutí podle obvodu se společným emitorem popíšeme vztahem:
- přes kolektorový proud, 
– fotoproud kolektorového přechodu, jehož velikost závisí na vnějším osvětlení. Z (5.4) vyplývá, že kolektorový proud fototranzistoru lze řídit jak přes obvod báze, tak i změnou hodnoty světelného toku. Fotosenzitivita takového tranzistoru je přibližně
násobek citlivosti fotodiody.
Rodina výstupních proudově-napěťových charakteristik fototranzistoru je znázorněna na Obr. 5.7. Je tam také prezentován ekvivalentní obvod fototranzistoru v podobě kombinace klasického tranzistoru a fotodiody.
Rýže. 5.7. Proudově-napěťové charakteristiky, označení a ekvivalentní znázornění bipolárního fototranzistoru.
Pokud není požadováno řízení kombinovaného kolektorového proudu, fototranzistor nemusí mít základní svorku. Tento provozní režim se nazývá „odtržený“ nebo režim volné základny. Fototranzistor má v tomto případě nejen maximální citlivost, ale také maximální nestabilitu svých parametrů. Pro zvýšení stability lze výstup báze připojit přes odpor ke kontaktu emitoru.
Fototyristory jsou spínací polovodičová zařízení, jejichž spínací napětí se může měnit vlivem světelného toku na odpovídajících p-n přechodech. Podmínka pro zapnutí tyristoru je následující:
, Kde 
A 
– přenosové koeficienty ekvivalentních tranzistorů. Při absenci osvětlení je charakteristika proudového napětí fototyristoru podobná charakteristice konvenčního spínacího zařízení (dinistor nebo tyristor s
). Osvětlení přechodů fototyristorů způsobí zvýšení proudů příslušných tranzistorů a jejich přenosových koeficientů. To povede ke snížení zapínacího napětí konstrukce, jak je znázorněno na obr. 5.8. V případě dostatečně intenzivního osvětlení dojde k sepnutí fototyristoru při libovolné hodnotě propustného napětí, stejně jako tyristoru, když je řídicí proud větší než usměrňovací proud.
Rýže. 5.8. Proudově-napěťové charakteristiky a označení fototyristoru.
Tedy přivedením určitého napětí na zatemněný fototyristor a následným krátkým osvětlením p-n přechodu lze zařízení přepnout do zapnutého stavu. Fototyristor je možné vypnout jako konvenční spínací zařízení pouze tehdy, když se anodový proud sníží na hodnotu menší než přídržný proud. Fototyristor může mít i přídavný výstup - řídící elektrodu, která umožňuje jeho zapnutí při přívodu elektrického i světelného signálu.
Fotorezistor je dvouelektrodové polovodičové zařízení, jehož odpor závisí na vnějším osvětlení. Na rozdíl od dříve diskutovaných zařízení fotorezistor neobsahuje usměrňovací přechody a je lineárním prvkem, tzn. jeho charakteristika proud-napětí je popsána pro jakoukoli polaritu napětí 
poměr:
, Kde 
– proud protékající fotorezistorem, 
– odpor při daném osvětlení. Proudově-napěťová charakteristika fotorezistoru a jeho označení na elektrických obvodech jsou na Obr. 5.9.
Rýže. 5.9. Proudově-napěťové charakteristiky a označení fotorezistorů na elektrických obvodech.
Hlavní parametry fotorezistoru jsou: temný odpor 
(odpor při světelném toku
), faktor změny odporu 
, rovnající se poměru tmavého odporu k odporu při daném osvětlení. Fotorezistory, stejně jako fotodiody, reagují odlišně na světelné toky různých vlnových délek. Nejcitlivější na infračervené záření jsou fotorezistory ze selenidu a sulfidu olovnatého, při provozu ve viditelné oblasti se používají fotorezistory ze selenidu a sulfidu kademnatého.
Světelný zářič a fotodetektor mohou být umístěny v jednom pouzdře a tvoří zařízení nazývané optočlen nebo optočlen. V závislosti na kombinaci světelných zářičů a přijímačů existují různé typy optočlenů. Struktura a označení na schématech zapojení některých z nich jsou na Obr. 5.10.
Rýže. 5.10. Označení na elektrických schématech různých typů optočlenů.
Popis uspořádání laboratoře.
Zařízení pro laboratorní práce č. 5 „Výzkum optoelektronických zařízení“ se skládá z laboratorních a měřicích stojanů, vzhled přední panely, které jsou znázorněny na obr. 1.8 a 5.11.
Laboratorní lavice obsahuje nastavitelný napájecí zdroj s rozsahem výstupního napětí 0 
15V a omezovač zátěžového proudu na 60mA. Vypínač napájení, knoflík pro nastavení napětí a výstupní zásuvky jsou umístěny na pravé straně panelu laboratorní lavice. K dispozici je také tlačítko označené „Vypnuto“. E“, po stisknutí se výstupní napětí odpojí ze zásuvky označené „+“.
Kromě toho existují dva proudové zdroje, jejichž hodnoty jsou nastaveny příslušnými přepínači. Základní proud 
lze nastavit na nulu, 0,1 µA, 1 µA, 10 µA a proud druhého zdroje – 0, 0,5 mA, 10 mA, 20 mA a 30 mA.
V této laboratorní práci jsou studovány vlastnosti LED AL336B (VD1) s červeným světlem, AL336G (VD2) se zeleným světlem a infračervené LED AL107A (VD3).
Rezistor 
dimenzovaný na 680 ohmů slouží k omezení množství dopředného proudu procházejícího LED diodami. Dále probíhá studie na fotodetektorech různých typů, které jsou součástí optočlenů diody AOD101A (U1), tranzistoru AOT128A (U2), tyristoru AOU103B (U3) a rezistoru OEP10 (U4). Rezistory
(hodnota 1 kOhm) a
(hodnota 10 kOhm) se používají při studiu optočlenu v režimu přenosu analogového signálu, provedeném v práci č. 6.
Laboratorní stojan se zapíná přepínačem „On“. Fungování zdroje je signalizováno rozsvícením zelené LED diody umístěné na tomto přepínači.
Postup při provádění laboratorních prací.
1. Domácí příprava.
Při domácí přípravě je nutné pomocí referenční literatury určit a zapsat do sešitu hlavní parametry polovodičových součástek studovaných v této práci. Kromě toho je nutné nakreslit diagramy pro provádění měření a tabulky pro záznam výsledků výzkumu.
2. Provádění laboratorních prací.
2.1. Studium proudově-napěťových charakteristik LED.
Pomocí diody VD1 sestavte obvod znázorněný na obr. 5.12.
Rýže. 5.12. Obvod pro studium přímé větve proudově-napěťové charakteristiky LED.
Nastavte knoflík regulátoru napětí do krajní levé polohy (
); limit měření PV1 – 1,5V, limit měření PA1 – 10mA. Zapněte napájení laboratorního stojanu.
Otáčením ovládacího knoflíku doprava zvyšte napětí zdroje a změřte závislost úbytku napětí na diodě na propustném proudu, nastavte jeho hodnoty na: 0mA, 1mA, 3mA, 5mA, 10mA, 20 mA, 30 mA, 40 mA, 50 mA. Vyplňte první řádek tabulky přijatými údaji:
|
| ||||||||||
|
| ||||||||||
|
| ||||||||||
|
|
(mA)
(V)Proveďte podobná měření pro diody VD2, VD3. Jejich připojení musí být provedeno s vypnutým laboratorním stojanem.
Pomocí diody VD1 sestavte obvod znázorněný na obr. 5.13.
Rýže. 5.13. Obvod pro studium zpětné větve proudově-napěťové charakteristiky LED.
Nastavte mezní hodnotu měření PA1 – 0,1 mA, PV1 – 15V. Pomocí regulátoru změňte blokovací napětí na diodě, změřte zpětný proud a vyplňte první řádek tabulky:
|
| ||||||||
|
| ||||||||
|
| ||||||||
|
|
(V)
(mA)Proveďte podobná měření pro diody VD2, VD3.
2.2. Studium proudově-napěťových charakteristik fotodiody.
V cyklu těchto studií je použita fotodioda arsenidu galia, která je součástí diodového optočlenu U1.
2.2.1. Studium přímé větve proudově-napěťové charakteristiky fotodiody.
Sestavte obvod znázorněný na obr. 5.14.
Rýže. 5.14. Obvod pro studium přímé větve proudově-napěťové charakteristiky fotodiody.
Nastavte regulátor napětí do krajní levé polohy (
), proud nastavení přepínače - V nulový stav, limit měření voltmetru PV1 je 0,75V, miliampérmetru PA1 je 10mA.
Zvýšením výstupního napětí napájecího zdroje nastavte propustné proudy fotodiody na hodnoty uvedené v tabulce na Obr. 5.15, změřte na něm úbytek napětí a vyplňte první řádek tabulky získanými údaji.
Pomocí přepínače označeného „I“ nastavte hodnoty proudu LED na 5, 10, 20 a 30 mA a tím zvyšte osvětlení fotodiody, proveďte podobná měření.
|
| |||||||||
|
|
|
||||||||
|
|
|
||||||||
|
|
|
||||||||
|
|
|
||||||||
|
|
|
mA
mA
mA
mA
mARýže. 5.15. Tabulka pro záznam výsledků studií přímé větve proudově-napěťové charakteristiky fotodiody.
2.2.2. Studium napětí naprázdno a zkratového proudu fotodiody.
Odpojte zdroj od obvodu (obr. 5.14) a nastavením proudu procházejícího LED na 0,5, 10, 20 a 30 mA změřte napětí naprázdno fotodiody, když pracuje ve ventilovém režimu. Výsledky zapište do tabulky:
|
| |||||
|
| |||||
|
|
Pro měření zkratového proudu sestavte obvod znázorněný na Obr. 5.16. Nastavení proudů přes LED v souladu s těmi, které jsou uvedeny v tabulce výše, změřte hodnoty zkratových proudů fotodiody a zapište výsledky do spodního řádku tabulky.
Rýže. 5.16. Obvod pro měření zkratového proudu fotodiody, když pracuje ve ventilovém režimu.
2.2.3. Studium střední větve proudově-napěťové charakteristiky fotodiody při provozu ve ventilovém režimu.
Sestavte obvod znázorněný na obr. 5.17.
Rýže. 5.17. Obvod pro studium proudově-napěťových charakteristik fotodiody.
Nastavte proud LED na 5 mA. Změnou napětí na výstupu napájecího zdroje nastavte proud procházející fotodiodou na nulu. Toto napětí by se mělo blížit dříve naměřené hodnotě
při odpovídajícím proudu LED. Snížením napětí na nulu změřte proudy fotodiody pro tři až pět jejích hodnot a výsledky zapište do tabulky:
|
| ||||||||
|
|
(V)Velikost propustného proudu při nulovém napájecím napětí by se měla blížit odpovídající hodnotě
. Proveďte cyklus podobných měření pro proudy procházející diodou LED rovnající se 10, 20 a 30 mA.
2.2.4. Studium zpětné větve proudově-napěťové charakteristiky fotodiody.
Sestavte obvod znázorněný na obr. 5.18.
Rýže. 5.18. Obvod pro studium zpětné větve proudově-napěťové charakteristiky fotodiody.
Nastavte proud procházející LED na nulu, napájecí napětí na blízko nule, limit měření PV1 na 15V, limit měření PA1 na 0,1mA.
Změřte závislost zpětného proudu fotodiody na hodnotě blokovacího napětí a vyplňte první řádek tabulky na obr odpovídajícími údaji. 5.19. Nastavením proudu procházejícího LED na 5, 10, 20 a 30 mA proveďte podobná měření a výsledky zapište do stejné tabulky.
|
| ||||||||
|
|
|
|||||||
|
|
|
|||||||
|
|
|
|||||||
|
|
|
|||||||
|
|
|
Rýže. 5.19. Tabulka pro záznam výsledků při studiu zpětné větve proudově-napěťové charakteristiky fotodiody.
2.3. Studium výstupních charakteristik fototranzistoru.
Při těchto studiích se využívá fototranzistor, který je součástí tranzistorového optočlenu
.
Sestavte obvod znázorněný na obr. 5.20.
Rýže. 5.20. Obvod pro studium výstupních charakteristik fototranzistoru.
Nastavte proudy A rovna nule, knoflík regulátoru napětí je v krajní levé poloze, limit měření PA1 je 0,1 mA, limit měření PV1 je 15V.
Změřte proud kolektoru tranzistoru při napětí zdroje 0, 1, 3, 6, 9, 12 a 15 V a výsledky zapište do odpovídajícího řádku tabulky na Obr. 5.21. Nastavením základních proudů na 1, 5 a 10 µA proveďte podobná měření pro nerozsvícený tranzistor (s
= 0). Získané výsledky zaznamenejte do příslušných řádků tabulky.
Nastavte proud LED na 20 mA a proveďte cyklus podobných měření.
|
| |||||||||
|
|
|
|
|||||||
|
|
|
||||||||
|
|
|
||||||||
|
|
|
||||||||
|
|
|
|
|||||||
|
|
|
||||||||
|
|
|
||||||||
|
|
|
(V)
(mA)
uA
uA
uARýže. 5.21. Tabulka pro záznam výsledků studia výstupních charakteristik fototranzistoru.
2.4. Výzkum fototyristorů.
Při provádění této položky je použit fototyristor, který je součástí tyristorového optočlenu
.
Sestavte obvod znázorněný na obr. 5.22.
Rýže. 5.22. Obvod pro studium fototyristoru.
Nastavte proud fotodiodou na nulu, knoflík regulátoru výstupního napětí do krajní levé polohy, limit měření PV1 je 15V.
Zvýšením napětí napájecího zdroje zkuste zapnout tyristor. Pokud je zapnutý, rozsvítí se LED VD2. Změřte hodnotu
. Snižte napájecí napětí na nulu a stiskněte tlačítko „Off“. E“, aby se tyristor vrátil do původního stavu. Nastavte proud LED na 2, 5, 10 a 20 mA, proveďte podobná měření a zapište výsledky do tabulky:
|
| |||||
|
|
Nastavte proud LED na nulu. Vypněte tyristor. Nastavte maximální napětí napájecího zdroje a postupně zvyšujte proud přes LED a zapněte tyristor. Zkuste to vypnout snížením proudu LED na nulu.
2.5. Výzkum fotorezistorů.
Při provádění této laboratorní práce jsou zkoumány vlastnosti fotorezistoru obsaženého v optočlenu.
.
Sestavte obvod znázorněný na obr. 5.23.
Rýže. 5.23. Obvod pro studium fotorezistoru.
Nastavit proud rovno nule, knoflík regulátoru napětí do krajní levé polohy (
), limit měření PV1 – 15V, PA1 – 0,1mA.
Změnou napětí na fotorezistoru změřte proud, který jím protéká a výsledky zapište do prvního řádku tabulky na Obr. 5.24. Neustále zvyšujte hodnoty proudů žárovkou, provádějte podobná měření a zaznamenávejte výsledky do příslušných řádků tabulky.
|
| |||||||
|
|
|
||||||
|
|
|
||||||
|
|
|
||||||
|
|
|
||||||
|
|
|
(mA)Rýže. 5.24. Tabulka pro záznam výsledků studií proudově-napěťových charakteristik fotorezistoru.
Změňte polaritu napětí napájecího zdroje a měřicích přístrojů (sestavte obvod znázorněný na obr. 5.25). Proveďte cyklus podobných měření a výsledky zaznamenejte do tabulky.
Rýže. 5.25. Obvod pro studium proudově-napěťových charakteristik fotorezistoru s obrácenou polaritou napětí.
3. Zpracování experimentálních výsledků.
3.1. Zpracování výsledků získaných při provádění odstavce 2.1.
Sestrojte na jednom listu milimetrového papíru dopřednou a zpětnou větev proudově-napěťových charakteristik studovaných diod, přičemž vezměte stupnici podél osy proudů a napětí pro propustnou větev 5 mA/cm, 0,5 V/cm a podle toho, pro zpětnou větev 0,1 mA/cm a 1,5 V/ cm.
3.2. Zpracování výsledků bodů 2.2.1 2.2.4 laboratorní práce.
Sestrojte na jednom listu milimetrového papíru rodinu kompletních charakteristik proudového napětí fotodiody při různých úrovních osvětlení specifikovaných proudem LED. Stupnice podél osy proudu pro přímou větev charakteristiky proud-napětí by měla být volena 5 mA/cm, podél osy napětí 0,1 V/cm. Při konstrukci zpětné větve vezměte měřítka rovnající se 0,1 mA/cm a 1,5 V/cm. Vyznačte na charakteristikách hodnoty napětí naprázdno a zkratového proudu.
Na základě údajů získaných v odstavci 2.2.2 sestavte závislosti
A
, Kde – proud přes LED. Stupnice podél os, na kterých jsou vyneseny hodnoty odpovídajících veličin, by měly být zvoleny rovné 5 mA/cm – podél aktuální osy ; 0,1V/cm – podél osy
a 0,2 mA/cm – podél osy
.
3.3. Zpracování výsledků získaných při provádění odstavce 2.3.
Sestrojte na jeden list milimetrového papíru skupinu výstupních charakteristik fototranzistoru při různých hodnotách proudu LED. Na ose napětí zvolte stupnici 1V/cm a na ose proudu 2mA/cm.
3.4. Zpracování výsledků dle odst. 2.4 laboratorních prací.
Nakreslete závislost spínacího napětí fototyristoru na proudu LED, přičemž zvolte měřítko podél osy proudu 2 mA/cm a podél osy napětí 3 V/cm. Vysvětlete výsledky získané při provádění této položky.
3.5. Zpracování výsledků bodu 2.5.
Sestrojte na jednom listu milimetrového papíru skupinu proudově-napěťových charakteristik fotorezistoru pro obě polarity aplikovaného napětí, zvolte měřítko podél osy proudu 5 mA/cm a podél osy napětí 3 V/cm.
Na základě těchto charakteristik určete odpor fotorezistoru v oblasti nulových hodnot napětí při různém osvětlení, sestrojte graf závislosti odporu fotorezistoru na velikosti proudu protékajícího zdrojem záření.
n1.doc
Téma 4.1 Základy optoelektroniky. Klasifikace optoelektronických zařízení.Optoelektronika je důležitý samostatný obor funkční elektroniky a mikroelektroniky. Optoelektronické zařízení je zařízení, ve kterém se při zpracování informací převádějí elektrické signály na signály optické a naopak.
Podstatnou vlastností optoelektronických zařízení je, že prvky v nich jsou opticky propojeny a vzájemně od sebe elektricky izolovány.
Optoelektronika pokrývá dvě hlavní nezávislé oblasti – optickou a elektronově optickou. Optický směr je založen na účincích interakce pevné látky s elektromagnetickým zářením. Opírá se o holografii, fotochemii, elektrooptiku a další jevy. Optický směr se někdy nazývá laser.
Elektronově optický směr využívá principu fotoelektrické konverze, realizované v pevném tělese vnitřním fotoelektrickým jevem na jedné straně a elektroluminiscencí na straně druhé. Tento směr je založen na nahrazení galvanických a magnetických spojení v tradičních elektronických obvodech optickými. To umožňuje zvýšit hustotu informací v komunikačním kanálu, jeho rychlost a odolnost proti šumu.
Hlavním prvkem optoelektroniky je optočlen Existují optočleny s vnitřním (obr. 9.4, A) a vnější (obr. 9.4, b) fotonické vazby. Nejjednodušší optočlen je čtyřsvorková síť (obr. 9.4, A), skládající se ze tří prvků: fotozářič 1 , světlovod 2 a přijímačem světla 3, uzavřený v utěsněném pouzdru odolném proti světlu. Když je na vstup přiveden elektrický signál ve formě impulsu nebo poklesu vstupního proudu, fotoemitor je vybuzen. Světelný tok světlovodem vstupuje do fotodetektoru, na jehož výstupu se tvoří elektrický impuls nebo pokles výstupního proudu. Tento typ optočlenu je zesilovač elektrických signálů, ve kterém je vnitřní vazba fotonická a vnější vazba je elektrická. .
Dalším typem optočlenu je elektrická vnitřní vazba a fotonická vnější vazba (obr. 9.4, b) - je zesilovač světelných signálů a také převodník signálů jedné frekvence na signály jiné frekvence, například signály infračerveného záření na signály viditelného spektra. Světelný přijímač 4 převádí vstupní světelný signál na elektrický signál. Ten je zesílen zesilovačem 5 a budí zdroj světla 6.
V současné době bylo vyvinuto velké množství optoelektronických zařízení
Osobní účel. V mikroelektronice se zpravidla používají pouze ty optoelektronické funkční prvky, u kterých existuje možnost integrace a také kompatibilita technologie jejich výroby s technologií výroby odpovídajících integrovaných obvodů.
Foto zářiče. Optoelektronické světelné zdroje podléhají požadavkům, jako je miniaturizace, nízká spotřeba, vysoká účinnost a spolehlivost, dlouhá životnost a vyrobitelnost. Musí mít vysoký výkon a musí být možné je vyrábět jako integrovaná zařízení.
Nejpoužívanějšími elektroluminiscenčními zdroji jsou vstřikovací LED diody, ve kterém je emise světla určena mechanismem mezipásmové rekombinace elektronů a děr. Pokud projdete dostatečně velkým injekčním proudem
| Rýže. 9.5. Vysvětlit princip činnosti LED vstřikování |
přes p- n-přechod (v dopředném směru), pak se některé elektrony z valenčního pásma přesunou do vodivostního pásma (obr. 9.5). V horní části valenčního pásu se tvoří volné stavy (otvory) a ve spodní části vodivostního pásu jsou stavy vyplněny.
Niya (vodivé elektrony). Taková inverzní populace není v rovnováze a vede k chaotické emisi fotonů během reverzních elektronových přechodů. Výsledná R-n-přechodová nekoherentní záře je elektroluminiscence. Foton emitovaný během luminiscenčního přechodu z vyplněné části vodivostního pásu do volné části valenčního pásu způsobí stimulovanou emisi identického fotonu, což způsobí přesun dalšího elektronu do valenčního pásu. Nicméně foton o stejné energii (od ∆ E= E 2 - E 1 před ∆ E=2? E) nemůže být absorbován, protože spodní stav je volný (nejsou v něm žádné elektrony) a horní stav je již naplněn. Znamená to, že p- n-přechod je transparentní pro fotony takové energie, tedy pro odpovídající frekvenci. Naopak fotony s energií větší ∆ E+2? E, mohou být absorbovány a přenášet elektrony z valenčního pásma do vodivostního pásma. Zároveň je pro takové energie indukovaná emise fotonů nemožná, protože horní počáteční stav není naplněn a spodní stav je naplněn. Stimulovaná emise je tedy možná v úzkém rozsahu kolem frekvence odpovídající energii bandgap ∆E se šířkou spektra ? E.
Nejlepší materiály pro LED diody jsou arsenid galia, fosfid galia, fosfid křemíku, karbid křemíku atd. LED diody mají vysokou rychlost (asi 0,5 μs), ale spotřebují vysoký proud (asi 30 A/cm2). V poslední době byly vyvinuty LED na bázi arsenidu galia - hliníku, jehož výkon se pohybuje od zlomků po několik miliwattů s dopředným proudem desítek miliampérů. Účinnost LED nepřesahuje 1 - 3%.
Nadějné světelné zdroje jsou injekční lasery, což umožňuje koncentrovat vysoké energie v úzké spektrální oblasti s vysokou účinností a rychlostí (desítky pikosekund). Tyto lasery lze vyrábět jako pole na jediném základním čipu za použití stejné technologie jako integrované obvody. Nevýhodou jednoduchých injekčních laserů je, že mají přijatelný výkon pouze při ochlazení na velmi nízké teploty. Na normální teplota Gallium-arsenidový laser má nízký průměrný výkon, nízkou účinnost (asi 1 %), nízkou provozní stabilitu a životnost. Další zdokonalení injekčního laseru vytvořením přechodu složité struktury pomocí heteropřechodů (heteropřechod je hranice mezi vrstvami se stejnými typy elektrické vodivosti, ale s rozdílnou šířkou pásma) umožnilo získat světelný zdroj malých rozměrů pracující za normálních teplot s účinností 10 - 20 % a přijatelnými charakteristikami.
Fotodetektory. Pro přeměnu světelných signálů na elektrické signály se používají fotodiody, fototranzistory, fotorezistory, fototyristory a další zařízení.
Fotodioda je obrácená předpětí p- n- přechod, jehož zpětný saturační proud je určen počtem nosičů náboje v něm vzniklých působením dopadajícího světla (obr. 9.6). Parametry fotodiody jsou vyjádřeny prostřednictvím hodnot proudu protékajícího jejím obvodem. Citlivost fotodiody, která se obvykle nazývá integrální, je definována jako poměr fotoproudu ke světelnému toku, který ji způsobil. F ? . Práh citlivosti fotodiod se odhaduje podle známé hodnoty integrální (proudová) citlivost a temný proud já d, tj. proud protékající obvodem bez ozáření citlivé vrstvy.
Hlavními materiály pro fotodiody jsou germanium a křemík. Křemíkové fotodiody jsou obvykle citlivé v úzké oblasti spektra (od? = 0,6 - 0,8 mikronu až? = 1,1 µm) s maximem při? = 0,85 mikronu a mají germaniové fotodiody limity citlivosti? = 0,4 - 1,8 µm s maximem při? ? 1,5 mikronu. V režimu fotodiody s napájecím napětím 20 V temný proud křemíkových fotodiod obvykle nepřesahuje 3 μA, zatímco u germania; fotodiod při napájecím napětí 10 V dosahuje 15-20 μA.
Fototranzistory jsou přijímače zářivé energie se dvěma nebo více r-p- přechody, které mají tu vlastnost, že zesilují fotoproud, když je citlivá vrstva ozářena. Fototranzistor spojuje vlastnosti fotodiody a zesilovací vlastnosti tranzistoru (obr. 9.7). Přítomnost optických a elektrických vstupů na fototranzistoru současně umožňuje vytvořit předpětí nezbytné pro provoz v lineární části energetické charakteristiky a také kompenzovat vnější vlivy. Pro detekci malých signálů je třeba zesílit napětí odebrané z fototranzistoru. V tomto případě by měl být výstupní střídavý odpor zvýšen s minimálním temným proudem v kolektorovém obvodu, což vytváří kladné předpětí na základně.
Světlovody. Mezi světelným zdrojem a světelným přijímačem v optočlenu je světlovod. Pro snížení ztrát při odrazu od rozhraní mezi LED a vodivým médiem (vláknem) musí mít toto vodivé médium vysoký index lomu. Taková prostředí se nazývají imerze. Imerzní materiál by měl mají také dobrou přilnavost k materiálům zdroje a přijímače, poskytují dostatečné přizpůsobení koeficientů roztažnosti, jsou transparentní v pracovní oblasti atd. Nejslibnější jsou olovnatá skla s indexem lomu 1,8-1,9 a selenová skla s indexem lomu ze 2, 4-2,6. Na Obr. Obrázek 9.8 ukazuje řez polovodičovým optočlenem s imerzním světlovodem.
Jako světlovody v optoelektronice se používají tenké nitě ze skla nebo průhledného plastu. Tento směr se nazývá vláknová optika. Vlákna jsou potažena světloizolačními materiály a spojena do vícežilových světelných kabelů. Ve vztahu ke světlu plní stejné funkce jako kovové dráty ve vztahu k proudu. Pomocí vláknové optiky můžete: provádět přenos obrazu po jednotlivých prvcích s rozlišením určeným průměrem optického vlákna (asi 1 mikron); vytvářet prostorové transformace obrazu díky schopnosti ohýbat a kroutit vlákna světlovodu; přenášet obrazy na značné vzdálenosti atd. Na Obr. Obrázek 9.9 ukazuje světlovod v podobě kabelu ze světlovodných vláken.
Integrální optika. Jednou z perspektivních oblastí funkční mikroelektroniky je integrovaná optika, která zajišťuje tvorbu vysoce výkonných systémů pro přenos a zpracování optických informací. Oblast výzkumu v integrované optice zahrnuje šíření, konverzi a zesílení elektromagnetického záření v optické oblasti v dielektrických tenkovrstvých vlnovodech a optických vláknech. Hlavním prvkem integrované optiky je objemový nebo povrchový optický mikrovlnný vodič. Nejjednodušší symetrický volumetrický optický mikrovlnný vodič je oblast lokalizovaná v jednom nebo dvou prostorových rozměrech s indexem lomu převyšujícím index lomu okolního optického média. Tato opticky hustší oblast není nic jiného než kanál nebo nosná vrstva dielektrického vlnovodu.
P 
Příkladem asymetrického povrchového dielektrického vlnovodu je tenký film opticky transparentního dielektrika nebo polovodiče s indexem lomu převyšujícím index lomu opticky transparentního substrátu. Stupeň lokalizace elektromagnetického pole, stejně jako poměr energetických toků přenášených podél nosné vrstvy a substrátu, jsou určeny efektivní příčnou velikostí nosné vrstvy a rozdílem indexů lomu nosné vrstvy a nosné vrstvy. substrátu při dané frekvenci záření. Poměrně jednoduchý a pro pevnolátková optická zařízení nejvhodnější je optický páskový mikrovlnný vodič, vyrobený ve formě tenkého dielektrického filmu (obr. 9.10), nanesený na substrát pomocí mikroelektronických metod (například vakuové nanášení). Pomocí masky lze s vysokou přesností aplikovat celé optické obvody na dielektrický substrát. Použití elektronové litografie přineslo pokroky ve vytváření jak jednoduchých optických pásových vlnovodů, tak opticky vázaných vlnovodů po určité délce a následně divergujících vlnovodů, což je nezbytné pro vytvoření směrových vazebních členů a frekvenčně selektivních filtrů v integrovaných optických systémech. .
Optoelektronické mikroobvody. Na
Na bázi optoelektroniky bylo vyvinuto velké množství mikroobvodů. Podívejme se na některé optoelektronické mikroobvody vyráběné domácím průmyslem. V mikroelektronice se nejvíce používají optoelektronické galvanické izolační mikroobvody. Patří mezi ně vysokorychlostní přepínače, přepínače analogových signálů, přepínače a analogová optoelektronická zařízení určená pro použití ve funkčních systémech zpracování analogových signálů.
Hlavním prvkem každého optoelektronického mikroobvodu je dvojice optočlenů (obr. 9.11, A, b), sestávající ze zdroje světla 1 , řízená vstupním signálem, imerzní médium 2, opticky připojen ke zdroji světla a fotodetektoru 3. Parametry páru optočlenů jsou stejnosměrný oddělovací odpor, koeficient přenosu proudu (poměr fotoproudu přijímače k proudu emitoru), doba sepnutí a propustná kapacita.
Optoelektronické mikroobvody pro různé účely jsou vytvořeny na základě optoelektronických párů.
Rýže. 9.11. Schéma a technologické provedení dvojice optočlenů:
1 – světelný zdroj; 2 – ponorné médium; 3 – fotodetektor.
Téma 4.2 PRVKY OPTOELEKTRONICKÝCH ZAŘÍZENÍ
1. Optoelektronický spínač je hybridní čip obsahující optoelektronický pár a zesilovač. Přepínač používá vysoce účinné křemíkem dopované gallium apcenidové LED diody a vysokorychlostní křemík p-
i-
n- fotodiody. Imerzní médium je chalkogenidové sklo s indexem lomu 2,7. Koeficient proudového přenosu v optoelektronickém páru je 3-5 při normální teplotě, doby zapnutí (součet dob zpoždění a náběhu) jsou 100-250 ps, galvanické oddělení obvodu LED a fotodetektoru pro přímé proud je 109 ohmů. Mikroobvod je vyroben v kulatém kovovo-skleněném pouzdře typu TO-5.
2. Optoelektronický klíč určený pro spínání vysokonapěťových obvodů střídavého a stejnosměrného proudu. Má čtyři nezávislé kanály, z nichž každý obsahuje dva optoelektronické páry skládající se z LED a vysokonapěťového p- i- n- fotodioda. Fotodiody jsou zapojeny zpět do série, takže odpor spínače v uzamčeném stavu (v nepřítomnosti proudu přes LED), bez ohledu na polaritu použitého napětí, je určen odporem tmy zpětného předpětí. p- i- n-fotodioda; jeho hodnota je přibližně 10 9 ohmů.
3. Tranzistorový spínač určený pro spínání stejnosměrných napětí až 50 V. Zařízení má dva nezávislé kanály, z nichž každý obsahuje optoelektronický pár skládající se z gallium arsenidové LED a křemíkové n- p- i- n- fototranzistor. Optoelektronický pár má koeficient přenosu proudu 2, jmenovitý pracovní proud 10 mA a rychlost v režimu zesílení 100-300 ns.
4.Analogový spínač Navrženo pro použití v systémech pro selektivní zpracování analogových signálů. Elektrické schéma jednoho kanálu spínače je na obr. 9.12. Kanál obsahuje optoelektronický pár skládající se z gallium arsenidové LED a dvou zády k sobě n- i- n-fotodiody vyrobené z jednoho monokrystalu.
Na Obr. Obrázek 9.13 ukazuje elektrické obvody některých dalších typů optoelektronických obvodů. Klíčový čip (obr. 9.13, A) obsahuje vysokorychlostní diodový optoelektronický pár přizpůsobený monolitickému křemíkovému zesilovači. Je určen k nahrazení transformátorových a reléových spojení v logických zařízeních počítačů a diskrétní automatizace. Analogový klíč (obr. 9.13, b) odkazuje na
Lineární obvody s optoelektronickým řízením. S výkonem řídicího signálu 60-80 mW dosahují parametry chopperu hodnot požadovaných pro standardní polovodičové mikroobvody. Optoelektronická nízkopříkonová stejnosměrná relé (obr. 9.13, PROTI) navržený jako náhrada analogu
elektromechanická relé s rychlostí v řádu milisekund a garantovaným počtem sepnutí 10 4 -10 7.
Zajímavostí jsou optoelektronické mikroobvody řady 249, která zahrnuje čtyři skupiny zařízení, což jsou elektronické spínače na bázi elektroluminiscenčních diod a tranzistorů. Elektrické schéma všech skupin
Zařízení jsou stejná (obr. 9.14). Konstrukčně jsou mikroobvody navrženy v obdélníkovém plochém integrovaném obvodu se 14 piny a mají dva izolované kanály, což snižuje velikost a hmotnost zařízení a také rozšiřuje funkčnost mikroobvodů. LED diody jsou na bázi křemíku a mají P + - p- n i - n + - struktura. Přítomnost dvou kanálů v dongle umožňuje jeho použití jako integrovaný chopper analogových signálů a získat vysoký přenosový poměr signálu (10-100) při připojení fototranzistorů podle kompozitního tranzistorového obvodu.
Optoelektronická zařízení
Provoz optoelektronických zařízení je založen na elektronově-fotonických procesech příjmu, přenosu a ukládání informací.
Nejjednodušším optoelektronickým zařízením je optoelektronický pár neboli optočlen. Princip činnosti optočlenu sestávajícího ze zdroje záření, imerzního média (světlovodu) a fotodetektoru je založen na přeměně elektrického signálu na optický a následně zpět na elektrický.
Optočleny jako funkční zařízení mají následující výhody před konvenčními radioelementy:
Plné galvanické oddělení „vstup – výstup“ (izolační odpor přesahuje 10 12 – 10 14 Ohmů);
Absolutní odolnost proti šumu v kanálu přenosu informace (nosiče informace jsou elektricky neutrální částice - fotony);
Jednosměrný tok informací, který je spojen s charakteristikami šíření světla;
Širokopásmové připojení díky vysoké frekvenci optických vibrací,
Dostatečný výkon (několik nanosekund);
Vysoké průrazné napětí (desítky kilovoltů);
Nízká hladina hluku;
Dobrá mechanická pevnost.
Na základě funkcí, které plní, lze optočlen přirovnat k transformátoru (spojovací prvek) s relé (klíč).
V optočlenech se používají polovodičové zdroje záření - světelné diody vyrobené z materiálů sloučenin skupiny A III B PROTI , z nichž nejslibnější jsou fosfid galia a arsenid. Spektrum jejich záření leží v oblasti viditelného a blízkého infračerveného záření (0,5 - 0,98 mikronů). Diody vyzařující fosfid galia mají červené a zelená barva záře. LED diody vyrobené z karbidu křemíku jsou slibné, mají žlutou záři a fungují při zvýšené teploty, vlhkosti a v agresivním prostředí.
Používají se LED diody vyzařující světlo ve viditelné oblasti spektra elektronické hodinky a mikrokalkulačky.
Světelné diody se vyznačují spektrálním složením záření, které je poměrně široké, směrovým vzorem; kvantová účinnost, určená poměrem počtu emitovaných světelných kvant k počtu procházejících p-n-přechod elektronů; výkon (s neviditelným zářením) a jas (s viditelným zářením); charakteristiky volt-ampér, lumen-ampér a watt-ampér; rychlost (nárůst a doznívání elektroluminiscence při pulzním buzení), rozsah provozních teplot. Se zvyšující se provozní teplotou klesá jas LED a snižuje se vyzařovací výkon.
Hlavní charakteristiky světelných diod ve viditelné oblasti jsou uvedeny v tabulce. 32 a infračervený rozsah - v tabulce. 33.
Tabulka 32 Hlavní charakteristiky diod vyzařujících viditelné světlo
Tabulka 33. Hlavní charakteristiky infračervených světelných diod
| Typ diody | Celkový radiační výkon, mW | Konstantní propustné napětí, V | Vlnová délka záření, mikrony | Doba náběhu radiačního pulzu, ns | Doba doznívání radiačního pulzu, ns | Hmotnost, g |
| AL103 A, B AL106 A – D | 0,6 – 1 (při proudu 50 mA) 0,2 – 1,5 (při proudu 100 mA) 6 – 10 (při proudu 100 mA) 1,5 (při proudu 100 mA) 0,2 (při proudu 20 mA) 10 (při proudu 50 mA) | 1,6 | 0,95 | 200 – 300 | 500 | 0,1 |
Světelné diody v optoelektronických zařízeních jsou spojeny s fotodetektory imerzním médiem, jehož hlavním požadavkem je přenos signálu s minimálními ztrátami a zkreslením. V optoelektronických zařízeních se používají pevná imerzní média – polymery. organické sloučeniny(optická lepidla a laky), chalkogenidová média a optická vlákna. V závislosti na délce optického kanálu mezi emitorem a fotodetektorem lze optoelektronická zařízení rozdělit na optočleny (délka kanálu 100 - 300 mikronů), optoizolátory (do 1 m) a optické komunikační linky - optické linky ( až desítky kilometrů).
Na fotodetektory používané v optočlenech jsou kladeny požadavky na přizpůsobení spektrálních charakteristik emitoru, minimalizaci ztrát při převodu světelného signálu na elektrický signál, fotocitlivost, rychlost, velikost fotocitlivé plochy, spolehlivost a hladinu šumu.
Pro optočleny jsou nejslibnější fotodetektory s vnitřním fotoelektrickým jevem, kdy interakce fotonů s elektrony uvnitř materiálů s určitými fyzikální vlastnosti vede k elektronovým přechodům v převážné části krystalové mřížky těchto materiálů.
Vnitřní fotoelektrický jev se projevuje dvěma způsoby: změnou odporu fotodetektoru vlivem světla (fotodezory) nebo vznikem fotoemf na rozhraní dvou materiálů - polovodič-polovodič, kov-polovodič (spínané fotobuňky, fotodiody, fototranzistory).
Fotodetektory s vnitřním fotoelektrickým jevem se dělí na fotodiody (s p-n-přechod, struktura MIS, Schottkyho bariéra), fotorezistory, fotodetektory s vnitřním zesílením (fototranzistory, složené fototranzistory, fototyristory, fototranzistory s efektem pole).
Fotodiody jsou na bázi křemíku a germania. Maximální spektrální citlivost křemíku je 0,8 mikronu a germania - až 1,8 mikronu. Fungují s reverzní předpojatostí p-n-přechod, který umožňuje zvýšit jejich výkon, stabilitu a linearitu charakteristik.
Fotodiody se nejčastěji používají jako fotodetektory pro optoelektronická zařízení různé složitosti. p- i-n-struktury kde i– vyčerpaná oblast vysokého elektrického pole. Změnou tloušťky této oblasti je možné získat dobré charakteristiky výkonu a citlivosti díky nízké kapacitě a době letu nosičů.
Lavinové fotodiody mají zvýšenou citlivost a výkon, využívající zesílení fotoproudu při násobení nosičů náboje. Tyto fotodiody však nejsou dostatečně stabilní v teplotním rozsahu a vyžadují vysokonapěťové napájecí zdroje. Fotodiody se Schottkyho bariérou a strukturou MIS jsou slibné pro použití v určitých rozsazích vlnových délek.
Fotorezistory jsou vyráběny převážně z polykrystalických polovodičových filmů na bázi sloučeniny (kadmium se sírou a selen). Maximální spektrální citlivost fotorezistorů je 0,5 - 0,7 mikronů. Fotorezistory se obvykle používají za špatných světelných podmínek; v citlivosti jsou srovnatelné s fotonásobiči - zařízeními s vnějším fotoelektrickým jevem, ale vyžadují nízkonapěťové napájení. Nevýhodou fotorezistorů je nízký výkon a vysoká hladina hluku.
Nejběžnější fotodetektory s vnitřním zesílením jsou fototranzistory a fototyristory. Fototranzistory jsou citlivější než fotodiody, ale pomalejší. Pro další zvýšení citlivosti fotodetektoru je použit kompozitní fototranzistor, který je kombinací foto a zesilovacích tranzistorů, má však nízký výkon.
V optočlenech je fototyristor (polovodičové zařízení se třemi p- n-přechody, přepínání při svícení), který má vysoká citlivost a úroveň výstupního signálu, ale nedostatečná rychlost.
Různorodost typů optočlenů je dána především vlastnostmi a charakteristikami fotodetektorů. Jednou z hlavních aplikací optočlenů je efektivní galvanické oddělení vysílačů a přijímačů digitálních a analogových signálů. V tomto případě lze optočlen použít v režimu převodníku nebo přepínače signálu. Optočlen je charakterizován přípustným vstupním signálem (řídicí proud), koeficientem přenosu proudu, rychlostí (dobou sepnutí) a zatížitelností.
O 
Poměr koeficientu proudového přenosu k době sepnutí se nazývá jakostní faktor optočlenu a je 10 5 – 10 6 pro fotodiodové a fototranzistorové optočleny. Široce se používají optočleny na bázi fototyristorů. Fotorezistorové optočleny nejsou široce používány kvůli nízké časové a teplotní stabilitě. Schémata některých optočlenů jsou na Obr. 130, a – d.
V 
Jako zdroje koherentního záření se používají lasery s vysokou stabilitou, dobrými energetickými charakteristikami a účinností. V optoelektronice se pro konstrukci kompaktních zařízení používají polovodičové lasery - laserové diody, používané např. v optických komunikačních vedeních místo tradičních vedení pro přenos informací - kabelem a drátem. Mají vysokou propustnost (šířka pásma jednotek gigahertzů), odolnost proti elektromagnetickému rušení, nízkou hmotnost a rozměry, kompletní elektrickou izolaci od vstupu až po výstup, výbušnou a požární bezpečnost. Zvláštností FOCL je použití speciálního optického kabelu, jehož struktura je znázorněna na Obr. 131. Průmyslové vzorky takových kabelů mají útlum 1 – 3 dB/km a nižší. Komunikační linky z optických vláken se používají k budování telefonních a počítačových sítí, systémů kabelové televize s vysokou kvalitou přenášeného obrazu. Tyto linky umožňují simultánní přenos desítek tisíc telefonních hovorů a několika televizních programů.
V poslední době jsou intenzivně vyvíjeny a rozšířeny optické integrované obvody (OIC), jejichž všechny prvky jsou tvořeny nanášením potřebných materiálů na substrát.
Zařízení na bázi tekutých krystalů, široce používané jako indikátory v elektronických hodinkách, jsou slibné v optoelektronice. Tekuté krystaly jsou organická látka (kapalina) s vlastnostmi krystalu a jsou v přechodném stavu mezi krystalickou fází a kapalinou.
Indikátory z tekutých krystalů mají vysoké rozlišení, jsou relativně levné, spotřebovávají nízkou energii a fungují při vysoké úrovni osvětlení.
Kapalné krystaly s vlastnostmi podobnými monokrystalům (nematics) se nejčastěji používají ve světelných indikátorech a optických paměťových zařízeních Byly vyvinuty a široce používány další typy tekutých krystalů (smectics). používá se pro termooptický záznam informací.
Optoelektronická zařízení, vyvinutá relativně nedávno, se díky svým jedinečným vlastnostem rozšířila v různých oblastech vědy a techniky. Mnohé z nich nemají ve vakuové a polovodičové technologii obdoby. Je jich však mnohem více nevyřešené problémy související s vývojem nových materiálů, zlepšováním elektrických a provozních charakteristik těchto zařízení a vývojem technologických metod jejich výroby.
Část 5. Zařízení CCD (Charge-Coupled Device).
Ministerstvo školství Běloruské republiky
Vzdělávací instituce
„Běloruská státní univerzita
informatika a radioelektronika“
Katedra HMU
"Základy optoelektroniky. Klasifikace optoelektronických zařízení"
MINSK, 2008
Optoelektronika je důležitý samostatný obor funkční elektroniky a mikroelektroniky. Optoelektronické zařízení je zařízení, ve kterém se při zpracování informací převádějí elektrické signály na signály optické a naopak.
Podstatnou vlastností optoelektronických zařízení je, že prvky v nich jsou opticky propojeny a vzájemně od sebe elektricky izolovány.
Díky tomu je snadno zajištěno sladění vysokonapěťových a nízkonapěťových a také vysokofrekvenčních a nízkofrekvenčních obvodů. Optoelektronická zařízení mají navíc další výhody: možnost prostorové modulace světelných paprsků, která v kombinaci se změnami v čase dává tři stupně volnosti (dva v čistě elektronických obvodech); možnost významného rozvětvení a průniku světelných paprsků při absenci galvanického spojení mezi kanály; velké funkční zatížení světelných paprsků v důsledku možnosti změny mnoha jejich parametrů (amplituda, směr, frekvence, fáze, polarizace).
Optoelektronika pokrývá dvě hlavní nezávislé oblasti – optickou a elektronově optickou. Optický směr je založen na účincích interakce pevné látky s elektromagnetickým zářením. Opírá se o holografii, fotochemii, elektrooptiku a další jevy. Optický směr se někdy nazývá laser.
Elektronově optický směr využívá principu fotoelektrické konverze, realizované v pevném tělese vnitřním fotoelektrickým jevem na jedné straně a elektroluminiscencí na straně druhé. Tento směr je založen na nahrazení galvanických a magnetických spojení v tradičních elektronických obvodech optickými. To umožňuje zvýšit hustotu informací v komunikačním kanálu, jeho rychlost a odolnost proti šumu.
Obr. 1. Optočlen s vnitřním (a) a externím (b) fotonickým zapojením: 1, 6 – světelné zdroje; 2 – světlovod; 3, 4 – přijímače světla; 5 – zesilovač.
Hlavním prvkem optoelektroniky je optočlen. Existují optočleny s vnitřním (obr. 1, a) a vnějším (obr. 1, b) fotonickým spojením. Nejjednodušší optočlen je čtyřsvorková síť (obr. 1, a), skládající se ze tří prvků: fotozářič 1, světlovod 2 a světelný přijímač 3, uzavřené v utěsněném, světlotěsném pouzdře. Když je na vstup přiveden elektrický signál ve formě impulsu nebo poklesu vstupního proudu, fotoemitor je vybuzen. Světelný tok světlovodem vstupuje do fotodetektoru, na jehož výstupu se tvoří elektrický impuls nebo pokles výstupního proudu. Tento typ optočlenu je zesilovač elektrických signálů, ve kterém je vnitřní vazba fotonická a vnější vazba je elektrická.
Jiný typ optočlenu - s elektrickou vnitřní vazbou a fotonickou vnější vazbou (obr. 1, b) - je zesilovač světelných signálů, stejně jako převodník signálů jedné frekvence na signály jiné frekvence, například signály infračerveného záření do signálů viditelného spektra. Světelný přijímač 4 převádí vstupní světelný signál na elektrický. Ten je zesílen zesilovačem 5 a budí světelný zdroj 6.
V současné době bylo vyvinuto velké množství optoelektronických zařízení pro různé účely. V mikroelektronice se zpravidla používají pouze ty optoelektronické funkční prvky, u kterých existuje možnost integrace a také kompatibilita technologie jejich výroby s technologií výroby odpovídajících integrovaných obvodů.
Foto zářiče. Optoelektronické světelné zdroje podléhají požadavkům, jako je miniaturizace, nízká spotřeba, vysoká účinnost a spolehlivost, dlouhá životnost a vyrobitelnost. Musí mít vysoký výkon a musí být možné je vyrábět jako integrovaná zařízení.
Nejpoužívanějšími elektroluminiscenčními zdroji jsou injekční LED, u kterých je emise světla určována mechanismem mezipásmové rekombinace elektronů a děr. Pokud přes p-n přechod propustíte dostatečně velký injekční proud (v propustném směru), pak se část elektronů z valenčního pásma přesune do vodivostního pásma (obr. 2). V horní části valenčního pásu vznikají volné stavy (díry) a ve spodní části vodivostního pásu se tvoří naplněný stav (vodivé elektrony).
Taková inverzní populace není v rovnováze a vede k chaotické emisi fotonů během reverzních elektronových přechodů. Nekoherentní záře, která se objevuje v pn přechodu, je elektroluminiscence.
Obr.2. K vysvětlení principu činnosti injekční LED diody.
Foton emitovaný během luminiscenčního přechodu z vyplněné části vodivostního pásu do volné části valenčního pásu způsobí stimulovanou emisi identického fotonu, což způsobí přesun dalšího elektronu do valenčního pásu. Foton o stejné energii (od ∆E=E2-E1 do ∆E=2δE) však nemůže být absorbován, protože spodní stav je volný (nejsou v něm žádné elektrony) a horní stav je již naplněn. To znamená, že p-n přechod je pro fotony takové energie transparentní, tzn. pro odpovídající frekvenci. Naopak fotony s energiemi většími než ∆E+2δE mohou být absorbovány a přenášejí elektrony z valenčního pásma do vodivostního pásma. Zároveň je pro takové energie indukovaná emise fotonů nemožná, protože horní počáteční stav není naplněn a spodní stav je naplněn. Stimulovaná emise je tedy možná v úzkém rozsahu kolem frekvence odpovídající energii bandgapu ∆E se spektrální šířkou δE.
Nejlepší materiály pro LED diody jsou arsenid galia, fosfid galia, fosfid křemíku, karbid křemíku atd. LED diody mají vysoký výkon (asi 0,5 μs), ale spotřebují vysoký proud (asi 30 A/cm2). V poslední době byly vyvinuty LED na bázi arsenidu galia - hliníku, jehož výkon se pohybuje od zlomků po několik miliwattů s dopředným proudem desítek miliampérů.K. p.d. LED nepřesahuje 1 - 3 %.
Nadějnými zdroji světla jsou injekční lasery, které umožňují koncentrovat vysoké energie do úzké spektrální oblasti s vysokou účinností a rychlostí (desítky pikosekund). Tyto lasery lze vyrábět jako pole na jediném základním čipu za použití stejné technologie jako integrované obvody. Nevýhodou jednoduchých injekčních laserů je, že mají přijatelný výkon pouze při ochlazení na velmi nízké teploty. Za normálních teplot má gallium-arsenidový laser nízký průměrný výkon, nízkou účinnost (asi 1 %) a špatnou provozní stabilitu a životnost. Další zdokonalení injekčního laseru vytvořením přechodu složité struktury pomocí heteropřechodů (heteropřechod je hranice mezi vrstvami se stejnými typy elektrické vodivosti, ale s rozdílnou šířkou pásma) umožnilo získat světelný zdroj malých rozměrů pracující za normálních teplot s účinností 10 - 20 % a přijatelnými charakteristikami.
Fotodetektory. Pro přeměnu světelných signálů na elektrické signály se používají fotodiody, fototranzistory, fotorezistory, fototyristory a další zařízení.
Fotodioda je reverzně vychýlený p-n přechod, jehož zpětný saturační proud je určen počtem nosičů náboje, které v něm vznikají působením dopadajícího světla (obr. 3). Parametry fotodiody jsou vyjádřeny prostřednictvím hodnot proudu protékajícího jejím obvodem. Citlivost fotodiody, která se obvykle nazývá integrální, je definována jako poměr fotoproudu ke světelnému toku Фυ, který ji způsobil. Práh citlivosti fotodiod se odhaduje na základě známých hodnot integrální (proudové) citlivosti a temného proudu Id, tzn. proud protékající obvodem při absenci ozáření citlivé vrstvy.
Hlavními materiály pro fotodiody jsou germanium a křemík. Křemíkové fotodiody jsou obvykle citlivé v úzkém rozsahu spektra (od λ = 0,6 - 0,8 μm do λ = 1,1 μm) s maximem při λ = 0,85 μm a germaniové fotodiody mají meze citlivosti λ = 0,4 - 1,8 μm s maximem. při λ ≈ 1,5 um. V režimu fotodiody s napájecím napětím 20 V temný proud křemíkových fotodiod obvykle nepřesahuje 3 μA, zatímco u germania; fotodiod při napájecím napětí 10 V dosahuje 15-20 μA.
Obr.3. Obvodové a proudově-napěťové charakteristiky fotodiody.
Obr.4. Obvodové a proudově-napěťové charakteristiky fototranzistoru.
Strana 5 ze 14
Optočleny jsou ta optoelektronická zařízení, ve kterých je zdroj a přijímač světelného záření (světelný zářič a fotodetektor) s jedním nebo druhým typem optického a elektrického spojení mezi nimi a které jsou navzájem konstrukčně spojeny.
Princip činnosti optočlenů jakéhokoli typu je založen na skutečnosti, že v emitoru se energie elektrického signálu přeměňuje na světlo; Ve fotodetektoru naopak světelný signál způsobí elektrický proud. Elektrický signál do emitoru je obvykle dodáván z externího zdroje. Světelný signál do fotodetektoru přichází přes optický komunikační obvod z emitoru.
Procesy přeměny energie v optočlenu jsou založeny na kvantové povaze světla, což je elektromagnetické záření ve formě proudu částic – kvant.
Světelné zářiče. Pro použití v optočlenech je vhodných několik typů zářičů: miniaturní žárovky, které využívají tepelné záření z vlákna zahřátého elektrickým proudem na 1800-2000 °C; neonové žárovky, které využívají záře elektrického výboje směsi neon-argon atd. [viz. 1, § 1.1].
Tyto typy zářičů mají nízký světelný výkon, omezenou životnost, velké rozměry, nízkou směrovost záření a jsou obtížně ovladatelné. Hlavním typem emitoru používaného v optočlenech je polovodičová injektážní svítivá dioda - LED. Uvažujme proces přeměny energie v takovém optočlenu (obr. 11, a).
Na rozhraní mezi p- a oblastmi polovodičové struktury, jak je ukázáno výše, se objevuje p-n přechod, ve kterém je soustředěn prostorový náboj děr a elektronů. Při aplikaci propustného napětí 1/ip na strukturu v aktivní oblasti B krystalu určitých typů polovodičů (například arsenidu galia a sloučenin na něm založených) vznikne nadměrná koncentrace volných nosičů náboje injektovaných p- je vytvořena křižovatka s předpětím v dopředném směru. Výsledný tok elektronů prochází oblastí prostorového náboje E a vytváří elektronový proud /p. Některé elektrony se rekombinují v aktivních B a neprůhledných C oblastech krystalu s otvory. Každý akt rekombinace hlavních nosičů náboje je doprovázen emisí světelného kvanta, tzn. probíhá radiační rekombinace.
Současně vzniká složka děrového proudu /p, způsobená vstřikováním děr do n-oblasti a odrážející skutečnost, že zde nejsou žádné p-n vstupy s jednostranným vstřikováním. Podíl tohoto proudu je menší, čím silněji je /m-oblast dotována ve srovnání s p-oblastí krystalové struktury.
Část výsledného záření je absorbována v opticky „průhledné“ oblasti A krystalu (paprsky 1 na obr. 11.6), navíc dochází k vnitřnímu odrazu (paprsky 2) při dopadu světelných paprsků na rozhraní mezi polovodičem a vzduchovým médiem majícím rozdílnou optickou hustotou, což v konečném důsledku vede k jejich ztrátě v důsledku samoabsorpce.
Rýže. 11. Elektrické (a) a optické (6) modely LED
Generování kvant v aktivní oblasti polovodiče je spontánní a vyznačuje se tím, že světelné paprsky jsou směrovány stejně pravděpodobně všemi směry. Paprsky 3 šířící se směrem k silně dotované oblasti polovodiče jsou rychle absorbovány. Aktivní oblast B má vlnovodný efekt a paprsky 4 jsou v důsledku vícenásobných odrazů soustředěny podél této oblasti, takže intenzita koncového záření je mnohem vyšší než v jiných směrech výstupu světla z krystalu.
Hlavní materiály, ze kterých jsou zářiče vyrobeny, jsou arsenid galia a sloučeniny na jeho bázi a materiálem pro fotodetektory je křemík. Oba typy materiálů mají téměř stejnou optickou hustotu (index lomu). Tato okolnost zajišťuje úplné optické přizpůsobení jednotek generátoru a přijímače optočlenu.
Fotodetektory. Princip činnosti fotodetektorů používaných v optočlenech je založen na vnitřním fotoelektrickém jevu, který spočívá v oddělování elektronů od atomů uvnitř krystalického tělesa vlivem elektromagnetického (optického) záření. Vznik volných elektronů vede ke změně elektrických vlastností ozařovaného tělesa a vzniklé fotoelektrické jevy se využívají v praxi. Experimentálně bylo zjištěno, že nejvýznamnější fotoelektrické jevy se vyskytují v polovodičích, především v čistých. Ve fotodetektoru se tedy světelná kvanta přeměňují na energii mobilních elektrických nábojů, pod jejichž vlivem vzniká na pn přechodu foto-EMF.
Při vývoji optočlenů je fotodetektor určujícím prvkem optočlenu a emitor je zvolen „pro fotodetektor“. Úroveň optočlenů nejlépe charakterizují diodové optočleny, jejichž průmyslové typy se vyznačují jednoduchostí konstrukce, velkou rozmanitostí, šíří funkčnosti a dobrou kombinací elektrických parametrů.
Návrh výkonových polovodičových součástek. Základem návrhu každého polovodičového zařízení je polovodičová struktura, která určuje jeho elektrické parametry a charakteristiky. Konstrukce s prvky, které poskytují potřebnou mechanickou pevnost, spolehlivé elektrické a tepelné kontakty s tělem zařízení, se nazývá konstrukční prvek ventilu. Ventilový prvek musí mít spolehlivou ochranu od okolních vlivů, proto je umístěn v pouzdře, které zajišťuje utěsnění a mechanickou pevnost celé konstrukce.
Podle typu provedení pouzdra lze všechny výkonové polovodičové ventily rozdělit na kolíkové, ploché (přírubové) a tabletové.
Na Obr. Obrázek 12 ukazuje konstrukci kolíkového tyristoru, jehož základna 2 je vyrobena z mědi spolu se závitovým svorníkem 1 pro zajištění elektrického a tepelného kontaktu s chladičem. Tyristory s plochou základnou pouzdra (obr. 12c) mají měděnou přírubu 1 pro přišroubování zařízení k chladiči. Kryty skříní u obou typů tyristorů jsou vyráběny v provedení kovo-sklo nebo metalokeramický. Horní napájecí svorka 3 může být vyrobena ve formě kovového (měděného) opleteného svazku (flexibilní svorka) nebo duté měděné tyče naplněné olovem (tuhá svorka, obr. 12.6). 
Rýže. 12. Konstrukce výkonných tyristorů:
a - kolíkový tyristor s ohebným a b - bez ohebného výstupu; c - přírubový tyristor s pružným přívodem
Tyristory tabletového provedení (obr. 13, e) jsou vyrobeny ve formě tablety 1 ve vlnitém keramickém pouzdru, které chrání ventilový prvek před znečištěním a mechanickým poškozením. Tablet je umístěn mezi horními 2 a spodními 6 kovovými základnami zařízení, které jsou v kontaktu s chladiči a vytvářejí elektrické a tepelné kontakty. Řídicí elektroda 4 tyristoru je umístěna na boční ploše pouzdra. Zařízení je připojeno k elektrickému obvodu přes proudovodné desky 3 a 5.
Čepová a přírubová provedení se používají pro silové ventily pro proudy do 320 A, tabletová provedení pro proudy 250 A a více. Zařízení s plochou základnou těla jsou odolnější vůči cyklickým změnám teploty. Ve vývoji tyristorů v posledních letech tento design se používá častěji.
Na Obr. 13.6 ukazuje jako příklad návrh nového výkonového křemíkového tranzistoru řady TK. Taková zařízení mají masivní tělo kolíkové konstrukce se závitovým šroubem na základně pro připojení k zářiči a pevnou základnou a přívody emitoru.
obecné charakteristiky polovodičová zařízení. Domácí průmysl vyrábí širokou škálu výkonových polovodičových zařízení, jejichž použití umožňuje vytvářet různé měniče elektrické energie, které jsou ekonomické, malé a vysoce spolehlivé. Pro usnadnění výběru polovodičových zařízení v procesu navrhování instalací a výměny vadných ventilů během jejich provozu se pro výkonové diody, tyristory, tranzistory a optočleny používá alfanumerický systém symbolů (GOST 15543-70*).
Rýže. 13. Tabletové provedení tyristoru T500 bez chladiče (a) a celkové a instalační rozměry výkonového tranzistoru (b)
Pro ovládání fototyristoru je v jeho pouzdře umístěno speciální okno pro přenos světelného toku. V optočlenových tyristorech je jako emitor použita polovodičová svítivá dioda - LED, do které je přiváděn řídicí signál. Významnou výhodou foto- a optočlenových tyristorů oproti tyristorům řízeným elektrickým signálem je absence galvanického spojení mezi silovým obvodem zařízení a jejich řídicím systémem.
