Sumber sinaran optik yang digunakan dalam optoelektronik, secara amnya, sangat pelbagai. Walau bagaimanapun, kebanyakannya (mentol lampu pijar dan nyahcas gas kecil, pemancar elektroluminescent serbuk dan filem, pemancar katodoluminsen vakum dan banyak jenis lain) tidak memenuhi keseluruhan set keperluan moden dan hanya digunakan dalam peranti tertentu, terutamanya dalam peranti penunjuk dan sebahagiannya dalam optocoupler.
Apabila menilai prospek sumber tertentu, peranan penentu dimainkan oleh keadaan pengagregatan bahan bercahaya aktif (atau bahan yang mengisi volum kerja). Daripada semua pilihan yang mungkin (vakum, gas, cecair, pepejal), keutamaan diberikan kepada bahan keadaan pepejal, dan "di dalam" kepada bahan monohablur kerana ia memberikan ketahanan dan kebolehpercayaan peranti yang paling besar.
Asas optoelektronik dibentuk oleh dua kumpulan pemancar:
1) penjana optik sinaran koheren (laser), antaranya laser semikonduktor harus dibezakan;
1) diod semikonduktor pemancar cahaya berdasarkan prinsip electroluminescence suntikan spontan.
Peranti semikonduktor optoelektronik ialah peranti semikonduktormemancarkan atau menukar sinaran elektromagnet, sensitif kepada sinaran ini dalam kawasan spektrum yang boleh dilihat, inframerah dan (atau) ultraungu, atau menggunakan sinaran sedemikian untuk interaksi dalaman unsur-unsurnya.
Peranti semikonduktor optoelektronik boleh dibahagikan kepada pemancar semikonduktor, penerima sinaran, optocoupler dan litar bersepadu optoelektronik (Rajah 2.1).
Pemancar semikonduktor ialah peranti semikonduktor optoelektronik yang menukar tenaga elektrik kepada tenaga sinaran elektromagnet dalam kawasan spektrum yang boleh dilihat, inframerah dan ultraungu.
Banyak pemancar semikonduktor hanya boleh memancarkan gelombang elektromagnet yang tidak koheren. Ini termasuk pemancar semikonduktor di kawasan spektrum yang boleh dilihat - peranti paparan maklumat semikonduktor (diod pemancar cahaya, penunjuk tanda semikonduktor, skala dan skrin), serta pemancar semikonduktor di kawasan inframerah spektrum - diod pemancar inframerah.
Pemancar semikonduktor koheren– ini adalah laser semikonduktor dengan pelbagai jenis pengujaan. Mereka boleh memancarkan gelombang elektromagnet dengan amplitud, frekuensi, fasa, arah perambatan dan polarisasi tertentu, yang sepadan dengan konsep koheren.
Tujuan kerja adalah untuk mengkaji secara eksperimen ciri-ciri peranti fotosensitif dan pemancar cahaya.
Maklumat teori ringkas.
Peranti semikonduktor optoelektronik boleh dibahagikan kepada dua kumpulan: pemancar dan fotosensitif (penerimaan foto). Kumpulan pertama termasuk LED dan pemancar laser semikonduktor, dan kumpulan kedua termasuk fotodiod, phototransistor, photothyristors, photoresistors dan beberapa yang lain.
pengenalan. Bidang moden optoelektronik sangat luas, meliputi kajian peranti yang operasinya berkaitan dengan fenomena optik dan elektrik, seperti pelbagai jenis sel fotosensitif, penjana cahaya, modulator, paparan, dll. Kami akan mengehadkan diri kami untuk mengkaji peranti dan pengesan pemancar cahaya.
Definisi Optoelektronik ialah kajian dan aplikasi peralatan elektronik yang menyediakan, mengesan dan mengawal cahaya. Peranti optoelektronik ialah penukar elektrik kepada optik atau optik kepada elektrik, atau peranti yang menggunakan peranti sedemikian dalam operasinya.
LED ialah peranti dengan persimpangan p-n antara lapisan bahan semikonduktor yang termasuk dalam komposisinya. Ia menukarkan tenaga arus yang mengalir melaluinya kepada sinaran tak koheren elektromagnet.
Apabila arus ke hadapan melalui diod dalam zon simpang p-n, penggabungan semula elektron dan lubang berlaku. Proses ini boleh disertai dengan sinaran elektromagnet dengan frekuensi yang ditentukan oleh hubungan:
Peranti ini menukar tenaga elektrik kepada tenaga cahaya. Mereka mengeluarkan cahaya apabila diaktifkan oleh tenaga elektrik. Peranti ini menjana isyarat elektrik kecil apabila ia diterangi, dengan itu menukar tenaga cahaya kepada tenaga elektrik.
LED ialah yang boleh didapati dalam bentuk mentol lampu berwarna-warni yang terdapat dalam peranti optoelektronik, peralatan rumah, mainan dan banyak tempat lain. Diod pemancar cahaya ialah diod yang menjejaskan penghasilan cahaya apabila elektrik mengalir melaluinya. Diod mempunyai sifat yang membenarkan arus mengalir hanya dalam satu arah dan bukan yang lain.
– nilai yang sepadan dengan jurang jalur semikonduktor, 
– pemalar Planck. Walau bagaimanapun, serentak dengan mekanisme penggabungan semula (radiatif) ini, mekanisme bukan sinaran juga beroperasi, khususnya berkaitan dengan penyerapan tenaga oleh kekisi kristal. Apabila mengeluarkan LED, mereka berusaha untuk mengurangkan pengaruhnya. Kecekapan menukar tenaga elektrik kepada cahaya dianggarkan oleh nilai 
, dipanggil kecekapan kuantum dalaman. Ia ditentukan oleh nisbah bilangan foton yang dipancarkan kepada bilangan pasangan pembawa yang digabungkan semula.
Diod pemancar cahaya. Kekotoran ini dipanggil atom penderma kerana ia menyumbang elektron yang agak "bebas" kepada struktur. Kekotoran ini dipanggil atom penerima kerana bilangan elektron tidak mencukupi untuk melengkapkan ikatan kovalen kekisi, mengakibatkan lubang yang akan menerima elektron dengan cepat. Elektron dan lubang boleh bergerak di bawah pengaruh medan elektrik, dan apabila mereka bergabung semula, foton atau zarah cahaya terbentuk. Penggabungan semula ini memerlukan tenaga elektron bebas yang tidak terikat untuk dipindahkan ke keadaan lain.
Seperti berikut daripada (5.1), panjang gelombang sinaran LED
adalah berkadar songsang dengan jurang jalur semikonduktor. Untuk diod yang diperbuat daripada germanium, silikon dan galium arsenide, tenaga maksimum yang dipancarkan berlaku di kawasan inframerah, dan, sebagai tambahan, untuk diod germanium dan silikon terdapat kebarangkalian tinggi untuk penggabungan semula bukan sinaran.
Teks-teks ini juga mungkin menarik
Dalam silikon dan germanium, majoritinya adalah dalam bentuk haba, dan cahaya yang dipancarkan diabaikan. Ralat ini disebabkan oleh kehadiran harmonik dalam rangkaian, serta ketepatan pengukuran peralatan ujian. Bolehkah hakim bergantung pada fakta prima facie yang bukan sahaja didakwa dalam pihak-pihak, tetapi yang mesti diperoleh dengan cara lain, atau bolehkah dia mengasaskan keputusannya hanya pada fakta yang didakwa oleh pihak-pihak? Mengapa menggunakan badan pengetahuan dalam pengurusan projek? . Projek Plasma Optoelektronik terlibat dalam eksperimen dan penyelidikan bawah ke atas dalam elektronik organik, daripada pelaksanaan peranti, pencirian optoelektroniknya, kepada pemodelan sifat fizikalnya.
Untuk mengeluarkan LED yang memancarkan dalam julat yang boleh dilihat, bahan semikonduktor khas digunakan - galium fosfida, galium nitrida, silikon karbida dan lain-lain dengan jurang jalur yang besar. LED moden menggunakan heterojunctions, iaitu, struktur semikonduktor berdasarkan bahan dengan jurang jalur yang berbeza.
Bidang elektronik organik merangkumi pelbagai teknologi menggunakan peranti asas. Diod pemancar cahaya dalam bidang paparan panel rata dan pencahayaan tenaga rendah Transistor kesan medan dalam litar logik - memori untuk menyokong pendawaian elektrik nomad atau luar grid. Aktiviti kumpulan dibangunkan melalui kerjasama tempatan, nasional dan antarabangsa dengan rakan kongsi dari dunia akademik, serta struktur industri serantau dan nasional.
Pemendapan wap dengan pancaran ion
Kebanyakan komponen optoelektronik menggunakan katod yang dihasilkan oleh penyejatan vakum. Pemendapan wap rasuk ion melibatkan pemendapan melalui penyejatan ke atas substrat dan pada masa yang sama mendedahkan substrat kepada rasuk ion bertenaga. Kaedah ini mengakibatkan perubahan dalam optik, elektrik, mekanikal dan sifat kimia lapisan tersimpan. Kaedah ini membolehkan, khususnya, untuk memadatkan lapisan termendap untuk mengehadkan resapan oksigen dan air dalam komponen. Ini meningkatkan hayat perkhidmatan komponen.
Dalam Rajah. Rajah 5.1 menunjukkan pergantungan keamatan sinaran LED yang diperbuat daripada pelbagai bahan pada panjang gelombang (ciri spektrum simbol LED pada litar elektrik juga ditunjukkan di sana);
nasi. 5.1. Ciri spektrum dan penunjukan LED pada gambar rajah elektrik.
Pembangunan semikonduktor bukan organik berstruktur nano
Dalam konteks ini, teknik sputtering rasuk ion lembut telah dibangunkan di makmal. Komponen optoelektronik hibrid menggunakan sifat organik dan bahan bukan organik dalam peranti yang sama, kini telah menunjukkan potensi penting untuk pembangunan penyelesaian kos rendah yang kompetitif. Dalam konteks ini, kami berminat dengan sintesis nanokristal oksida logam bukan organik dengan morfologi terkawal yang digunakan dalam lapisan aktif peranti kami, serta pemendapan lapisan nipis bukan organik oleh pirolisis aerosol yang digunakan sebagai elektrod konduktif telus, lapisan penyekat atau lapisan penampan dalam komponen yang dibangunkan makmal.
Ciri voltan arus bagi LED (Rajah 5.2) adalah serupa dengan diod semikonduktor konvensional. Keanehannya ialah voltan hadapan boleh mencapai beberapa volt (disebabkan oleh jurang jalur yang besar), dan voltan terbalik adalah kecil kerana ketebalan kecil simpang pn. Sekiranya berlaku kerosakan elektrik pada LED, disebabkan oleh pengionan hentaman dalam isipadu simpang p-n, sinaran tenaga elektromagnet juga mungkin berlaku. Walau bagaimanapun, keamatan sinaran dalam mod ini adalah rendah, dan ia tidak menemui aplikasi praktikal.
Teknologi baru sedang dibangunkan
Pembenaman bahan organik dengan ablasi laser. . Fenomena ablasi laser boleh digunakan untuk menghasilkan lapisan organik nipis: ia mempunyai kelebihan menghasilkan lapisan ketebalan terkawal dan kualiti kristal yang baik pada suhu persekitaran. Untuk mengelakkan degradasi struktur molekul sebatian, adalah perlu untuk beroperasi pada ketumpatan fluks yang rendah berhampiran dengan fluence ambang. Ablasi laser juga membolehkan pengetsaan terpilih bagi lapisan yang didepositkan sebelum ini melalui topeng.
nasi. 5.2. Ciri-ciri voltan semasa LED.
Ciri penting LED ialah kecerahan, iaitu, pergantungan kecerahan sinaran 
pada magnitud arus hadapan. Kecerahan ditentukan oleh nisbah keamatan bercahaya ke kawasan permukaan bercahaya. Pandangan anggaran ciri sedemikian ditunjukkan dalam Rajah. 5.3. Selekohnya di bahagian awal dan akhir dijelaskan oleh fakta bahawa pada arus rendah dan tinggi kebarangkalian penggabungan semula bukan sinaran meningkat.
Pembangunan elektrod berdasarkan tiub nano karbon. . Dari sudut pandangan elektrik, tiub nano mempunyai ciri sama ada logam atau semikonduktor bergantung pada geometrinya. Melalui pendekatan penyelesaian, kami menyasarkan untuk membangunkan dan mengoptimumkan elektrod berasaskan tiub nano karbon.
Pembangunan komponen hibrid melalui kerpasan bersama. . Prinsip pemendakan bersama komponen hibrid. Sebagai pendekatan baharu, kami mencadangkan pemendakan bersama bahan organik melalui penyejatan dan bahan bukan organik melalui percikan ion. Lapisan hibrid tersebut juga boleh digunakan sebagai lapisan penghalang untuk membungkus komponen.
nasi. 5.3. Ciri-ciri kecerahan LED.
LED, tidak seperti peranti pemancar lain (lampu pijar, dll.), sangat cepat bertindak (tanpa inersia). Masa semasa fluks bercahaya yang dijana oleh LED apabila menggunakan nadi arus terus segi empat tepat mencapai julat maksimumnya daripada beberapa mikrosaat hingga berpuluh-puluh nanosaat.
Peranti optoelektronik
Sel fotovoltaik organik dan hibrid
Sel fotovoltaik membenarkan penukaran tenaga cahaya kepada tenaga elektrik dengan menyerap foton, kemudian mencipta dan akhirnya memindahkan caj percuma dalam lapisan aktif yang terdiri daripada bahan penderma elektron dan penerima elektron. Sel organik berdasarkan molekul terkonjugasi kecil atau polimer semikonduktor mempunyai kelebihan untuk dibangunkan pada kos rendah pada substrat fleksibel.Untuk sel solar organik, objektif utama adalah. Kawalan morfologi pada skala nanometer untuk kedua-dua komponen berdasarkan molekul kecil yang tersejat dan sel berdasarkan polimer terkonjugasi dan penerima molekul terlarut.
LED dicirikan oleh parameter utama berikut: panjang gelombang sinaran maksimum atau warna cahaya; kecerahan atau keamatan cahaya pada arus hadapan yang diberikan; kejatuhan voltan ke hadapan pada arus ke hadapan yang diberikan dan arus ke hadapan maksimum yang dibenarkan, voltan songsang dan kuasa yang hilang oleh LED.
Fotodiod ialah peranti semikonduktor yang simpang p-nnya terbuka kepada sinaran luar. Jika sumber voltan luaran tidak disambungkan ke terminal diod semikonduktor, maka persimpangan p-n berada dalam keadaan keseimbangan. Dalam kes ini, beza potensi pada terminal diod adalah sifar, dan pada antara muka antara lapisan semikonduktor terdapat medan elektrik dalaman yang menghalang pergerakan pembawa majoriti melalui persimpangan p-n.
Pengoptimuman elektrod menggunakan kaedah pancaran ion. Memodelkan zon aktif sel untuk meningkatkan ciri dan jangka hayatnya. Pengoptimuman struktur elektrod sel suria berdasarkan molekul kecil yang tersejat. Selari dengan komponen organik, baru-baru ini kami telah memulakan pengeluaran dan pencirian optoelektronik sel fotovoltaik hibrid berdasarkan oksida logam berstruktur nano. Kami amat berminat dengan sel tersensitisasi keadaan pepejal, yang potensi prestasinya boleh Selain sel tersensitisasi, kami juga terus membangunkan komponen hibrid konvensional.
Di bawah pengaruh sinaran elektromagnet (di bawah pencahayaan), ikatan elektron dengan atom dipecahkan dalam jumlah peralihan - penjanaan pasangan lubang elektron. Fenomena ini dipanggil kesan fotoelektrik dalaman. Medan simpang pn akan mengalihkan lubang yang terhasil ke rantau ini hlm-separa konduktor, dan elektron, masing-masing, dalam n-separa konduktor, memisahkan pembawa yang dihasilkan. Dalam kes ini, perbezaan potensi tertentu akan muncul di pinggir luar lapisan semikonduktor (“+” pada anod diod, “–” pada katodnya) dan pada masa yang sama ketinggian halangan potensi pn persimpangan akan berkurangan dengan jumlah perbezaan ini.
Usaha utama ditujukan kepada kawalan tepat seni bina skala nano melalui pembangunan kos rendah lapisan oksida logam nanoporous. Prinsip sel pewarna tersensitisasi dalam keadaan pepejal. Hubungi: Thierry Trigot, Bruno Lucas. Pasukan ini sedang membangunkan teknologi baharu untuk penghasilan litar elektronik berdasarkan transistor organik. Matlamatnya adalah untuk mendapatkan produk kos rendah kerana bahan yang digunakan dan kaedah pengeluaran yang digunakan. dua bidang penyelidikan yang dibangunkan terutamanya di makmal.
Transistor organik lutsinar. Litar fleksibel yang dihasilkan dengan kaedah percetakan. Dikaji dari sudut teori. Fizik semikonduktor organik. Penyelesaian teknologi percetakan. Keadaan antara muka: mengikut kaedah pemendapan dan bahan yang didepositkan.
Perbezaan potensi yang dihasilkan oleh fotodiod di bawah pengaruh cahaya dipanggil foto emf.
. Nilainya bergantung pada fluks bercahaya (Rajah 5.4), tetapi foto emf. tidak boleh melebihi beza keupayaan sentuhan 
. Ini dijelaskan oleh fakta bahawa arah medan luaran dan dalaman adalah bertentangan dan dengan peningkatan 
jumlah medan elektrik menyebabkan pergerakan pembawa cas berkurangan. Jika emf foto adalah sama. Dan daya yang menyebabkan pergerakan pembawa akan hilang. Magnitud beza keupayaan yang terbentuk pada terminal fotodiod apabila litar luar terbuka dipanggil voltan litar terbuka.
Seni bina rantai organik. Ciri tipikal transistor organik yang didepositkan pada substrat yang fleksibel. Di samping itu, kami sedang membangunkan komponen lanjutan lain berdasarkan transistor organik, seperti sel fotovoltaik. sungguh, pelbagai kesan boleh dihasilkan dalam pepejal melalui penyerapan atau pelepasan foton oleh bahan, seperti fotokonduktiviti atau kesan fotovoltaik, yang berkaitan secara langsung dengan mekanisme pengangkutan. Phototransistor yang mengeksploitasi sifat fotokonduktif lapisan aktif transistor boleh digunakan sebagai suis yang boleh diekstrak cahaya, sebagai penguat grid optik, sebagai litar pengesanan, atau sebagai sensor.
nasi. 5.4. Kebergantungan foto emf. dan arus litar pintas simpang p-n daripada magnitud fluks bercahaya.
Jika petunjuk diod dengan persimpangan p-n bercahaya adalah litar pintas, arus elektrik yang dipanggil arus foto akan mengalir melalui konduktor 
, disebabkan oleh pergerakan terarah pembawa bebas yang terbentuk dalam zon peralihan. Pergerakan mereka akan berlaku di bawah pengaruh medan elektrik dalaman peralihan. Apabila fotodiod diterangi, arus ini akan dikekalkan oleh tenaga sinaran cahaya, menyebabkan penjanaan pasangan lubang elektron. Dengan sifar rintangan litar luaran, arus ini dipanggil arus litar pintas.
LED organik
Transistor organik pada substrat fleksibel di bawah pengujaan cahaya. Respons masa transistor untuk voltan yang berbeza longkang dan bergantung pada pencahayaan. Orang yang boleh dihubungi: Remy Antony, Bruno Lucas. Diod pemancar cahaya organik menukar tenaga elektrik kepada tenaga cahaya. Strukturnya adalah jenis sandwic dengan satu atau lebih lapisan organik diapit di antara dua elektrod, satu daripadanya telus kepada panjang gelombang yang dipancarkan. Menggunakan medan elektrik pada terminal komponen membolehkan pengenalan pembawa beban yang akan berhijrah ke lapisan organik, dan penggabungan semula pembawa ini menghasilkan kuasipartikel yang dipanggil exciton.
Magnitud arus foto , seperti nilai foto-emf, adalah berkadar dengan fluks bercahaya (Rajah 5.4), tetapi pergantungan yang sepadan
tidak mempunyai bahagian tepu yang jelas, kerana untuk sebarang bilangan pembawa yang terbentuk, medan elektrik yang bertindak ke atasnya akan sama dengan medan beza potensi sentuhan.
Panjang gelombang cahaya yang dipancarkan dan ciri-ciri optoelektronik lain bergantung pada sifat lapisan pemancar. Ciri-ciri fotosel dalam gelap dan di bawah cahaya. Komponen ini membenarkan, sebagai contoh, pemindahan maklumat dengan mengekalkan penebat elektrik, yang juga boleh digunakan untuk menilai prestasinya dari segi jangka hayat atau kestabilan terma.
Teknik Perwatakan Lanjutan
Mengukur mobiliti beban dan fenomena pengangkutan
Oleh itu, ciri-ciri komponen organik sangat bergantung kepada mobiliti pembawa dan mekanisme pengangkutan. Oleh itu, untuk menilai parameter halus yang perlu diukur ini, kami telah membangunkan kaedah pengukuran mobiliti berdasarkan ukuran dielektrik: ekstrapolasi pada frekuensi yang sangat rendah dalam perwakilan kehilangan dielektrik sebagai fungsi frekuensi membolehkan kekonduksian diperolehi. Kemudian, berdasarkan kepada ketumpatan semasa berbanding ciri voltan, ketumpatan pembawa ditentukan untuk akhirnya menentukan mobiliti mereka.Oleh itu, dengan kehadiran sumber cahaya luaran, fotodiod boleh berfungsi sebagai penjana emf. atau semasa, i.e. melaksanakan fungsi penukar tenaga cahaya kepada tenaga elektrik. Operasi penukar suria (bateri) adalah berdasarkan prinsip ini. Mod operasi fotodiod yang diterangkan (tanpa sumber luaran) dipanggil mod injap.
Ciri voltan semasa fotodiod, i.e. pergantungan arus melaluinya pada magnitud voltan terpakai luaran adalah dengan cara tertentu berkaitan dengan pencahayaan. Jelas sekali, jika simpang pn tidak diterangi, maka ciri voltan semasa fotodiod akan sama dengan ciri sepadan diod konvensional. Keadaan ini sepadan dengan graf dalam Rajah. 5.5 untuk
=0.
nasi. 5.5. Ciri-ciri voltan semasa fotodiod.
Apabila voltan terbalik digunakan pada fotodiod gelap, arus gelap yang dipanggil akan mengalir melaluinya 
, ditentukan, seperti untuk diod konvensional, dengan hubungan:
(5.2)
di mana 
- arus tepu, 
- potensi suhu,
- voltan yang digunakan. Apabila simpang pn diod berpagar diterangi, pasangan pembawa akan dijana dalam isipadu dan kawasan bersebelahan. Ia akan dibawa oleh medan elektrik luaran ke tepi lapisan semikonduktor dan arus terbalik akan mengalir melalui diod.
(5.3)
di mana - arus gelap, – arus yang dicipta oleh pembawa yang dihasilkan oleh sinaran elektromagnet (arus foto). Arus ini secara konvensional mempunyai tanda negatif. Oleh kerana magnitud arus foto adalah berkadar dengan fluks bercahaya
, maka dengan peningkatan pencahayaan cawangan terbalik ciri voltan arus fotodiod akan beralih ke bawah hampir selari, seperti yang ditunjukkan dalam Rajah. 5.5. Mod operasi fotodiod ini (dengan pincang songsang simpang p-n) dipanggil fotodiod.
Jika voltan sama dengan sifar digunakan pada fotodiod, maka ini akan sepadan dengan litar pintasnya dan, seperti yang dinyatakan sebelum ini, beberapa arus akan mengalir melalui litar luaran, dipanggil arus litar pintas
.
Apabila kekutuban voltan pada diod berubah, medan elektrik luaran dihidupkan berlawanan dengan medan photoemf, yang menyebabkan penurunan dalam aliran pembawa melalui persimpangan pn dan, dengan itu, penurunan dalam arus terbalik. Apabila voltan hadapan mencapai nilai tertentu, arus diod akan berhenti. Nilai voltan ini sepadan dengan mod melahu dan akan sama dengan
, dijana oleh diod pada pencahayaan tertentu dan litar luaran terbuka. Peningkatan selanjutnya dalam beza keupayaan membuka kunci akan menyebabkan arus ke hadapan mengalir melalui diod, pergantungan yang pada voltan diterangkan oleh hubungan yang serupa dengan (5.2)
, dan jumlah arus akan sama
.
Fotodiod biasanya digunakan sebagai penderia cahaya dan beroperasi dalam pincang songsang, iaitu dalam mod fotodiod. Mereka dicirikan oleh parameter berikut: – arus gelap (arus terbalik fotodiod gelap pada suhu tertentu dan voltan terbalik);
– integral, atau
– fotosensitiviti pembezaan. Yang terakhir ini sering ditakrifkan sebagai nisbah perubahan arus terbalik
kepada perubahan fluks bercahaya yang menyebabkannya
.
Kepekaan fotodiod bergantung pada panjang gelombang cahaya bekalan. Kebergantungan ini untuk fotodiod yang diperbuat daripada pelbagai bahan dan penunjukannya pada rajah litar ditunjukkan dalam Rajah. 5.6.
nasi. 5.6. Ciri spektrum fotodiod dan penetapannya pada gambar rajah elektrik.
Oleh kerana transistor bipolar adalah struktur yang mengandungi persimpangan p-n, arus di dalamnya boleh dikawal bukan sahaja dengan menukar voltan yang sepadan, tetapi juga dengan menerangi kawasan asas. Transistor yang mana mod operasi ini disediakan dipanggil fototransistor. Sekiranya tiada pencahayaan, ciri voltan semasanya adalah sama dengan transistor konvensional.
Di bawah pengaruh fluks cahaya, pasangan lubang elektron akan dijana dalam persimpangan p-n kawasan asas. Dengan medan persimpangan pengumpul terkunci, elektron (untuk transistor n-p-n) akan ditarik ke kawasan pengumpul, meningkatkan arusnya. Keadaan ini adalah serupa dengan pengendalian fotodiod dalam mod pincang songsang.
Lubang yang muncul apabila fototransistor (jenis n-p-n) diterangi kekal di pangkalan, meningkatkan potensi positifnya, yang membawa kepada peningkatan keamatan suntikan elektron daripada pemancar. Elektron tambahan, setelah mencapai persimpangan pengumpul, akan ditarik oleh medannya ke kawasan pengumpul dan mencipta peningkatan tambahan dalam arus pengumpul. Jumlah arus pengumpul fototransistor apabila ia dihidupkan mengikut litar dengan pemancar sepunya akan diterangkan oleh hubungan:
– melalui arus pengumpul, 
– arus foto simpang pengumpul, yang magnitudnya bergantung pada pencahayaan luaran. Daripada (5.4) ia berikutan bahawa arus pengumpul fototransistor boleh dikawal kedua-dua melalui litar asas dan dengan menukar nilai fluks cahaya. Fotosensitiviti transistor sedemikian adalah lebih kurang
kali ganda sensitiviti fotodiod.
Keluarga ciri voltan arus keluaran fototransistor ditunjukkan dalam Rajah. 5.7. Litar setara fototransistor juga dibentangkan di sana dalam bentuk gabungan transistor konvensional dan fotodiod.
nasi. 5.7. Ciri-ciri voltan semasa, penetapan dan perwakilan setara bagi fototransistor bipolar.
Jika kawalan arus pengumpul gabungan tidak diperlukan, fototransistor mungkin tidak mempunyai terminal asas. Mod operasi ini dipanggil "koyak" atau mod asas bebas. Dalam kes ini, phototransistor bukan sahaja mempunyai sensitiviti maksimum, tetapi juga ketidakstabilan maksimum parameternya. Untuk meningkatkan kestabilan, output asas boleh disambungkan kepada kenalan pemancar melalui perintang.
Photothyristors sedang menukar peranti semikonduktor, voltan pensuisan yang boleh berubah di bawah pengaruh fluks cahaya pada persimpangan p-n yang sepadan. Syarat untuk menghidupkan thyristor adalah seperti berikut:
, Di mana 
Dan 
– pekali penghantaran transistor setara. Dengan ketiadaan pencahayaan, ciri voltan semasa fotothyristor adalah serupa dengan ciri peranti pensuisan konvensional (dinistor atau thyristor dengan
). Pencahayaan persimpangan photothyristor menyebabkan peningkatan dalam arus transistor yang sepadan dan pekali penghantarannya. Ini akan membawa kepada penurunan voltan menghidupkan struktur, seperti yang ditunjukkan dalam Rajah. 5.8. Dalam kes pencahayaan yang cukup terang, photothyristor akan dihidupkan pada sebarang nilai voltan hadapan, begitu juga dengan thyristor apabila arus kawalan lebih besar daripada arus pembetulan.
nasi. 5.8. Ciri-ciri voltan semasa dan penetapan photothyristor.
Oleh itu, dengan menggunakan sedikit voltan pada photothyristor yang gelap dan kemudian menerangi simpang p-n secara ringkas, peranti boleh ditukar kepada keadaan hidup. Adalah mungkin untuk mematikan photothyristor, seperti peranti pensuisan konvensional, hanya apabila arus anod dikurangkan kepada nilai kurang daripada arus pegangan. Photothyristor juga mungkin mempunyai output tambahan - elektrod kawalan, yang membolehkan ia dihidupkan apabila kedua-dua isyarat elektrik dan cahaya dibekalkan.
Photoresistor ialah peranti semikonduktor dua elektrod yang rintangannya bergantung pada pencahayaan luaran. Tidak seperti peranti yang dibincangkan sebelum ini, photoresistor tidak mengandungi persimpangan pembetulan dan merupakan elemen linear, i.e. ciri voltan arusnya diterangkan untuk sebarang kekutuban voltan 
nisbah:
, Di mana 
– arus yang mengalir melalui fotoperintang, 
– rintangan pada pencahayaan yang diberikan. Ciri-ciri voltan semasa fotoperintang dan penunjukannya pada gambar rajah elektrik ditunjukkan dalam Rajah. 5.9.
nasi. 5.9. Ciri-ciri voltan arus dan penetapan fotoresistor pada litar elektrik.
Parameter utama photoresistor ialah: rintangan gelap 
(rintangan pada fluks bercahaya
), faktor perubahan rintangan 
, sama dengan nisbah rintangan gelap kepada rintangan pada pencahayaan tertentu. Photoresistors, seperti fotodiod, bertindak balas secara berbeza kepada fluks cahaya dengan panjang gelombang yang berbeza. Yang paling sensitif kepada sinaran inframerah ialah photoresistors yang diperbuat daripada selenide dan plumbum sulfida, dan apabila beroperasi dalam julat yang boleh dilihat, photoresistors yang diperbuat daripada selenide dan kadmium sulfida digunakan.
Pemancar cahaya dan pengesan foto boleh diletakkan dalam satu perumah, membentuk peranti yang dipanggil optocoupler atau optocoupler. Bergantung pada gabungan pemancar cahaya dan penerima, terdapat pelbagai jenis optocoupler. Struktur dan sebutan pada rajah litar sebahagian daripadanya ditunjukkan dalam Rajah. 5.10.
nasi. 5.10. Penetapan pada gambar rajah elektrik pelbagai jenis optocoupler.
Penerangan mengenai persediaan makmal.
Pemasangan untuk kerja makmal No. 5 "Penyelidikan peranti optoelektronik" terdiri daripada makmal dan kaki pengukur, penampilan panel hadapan yang ditunjukkan dalam Rajah 1.8 dan 5.11.
Bangku makmal mengandungi sumber kuasa boleh laras dengan julat voltan keluaran 0 
15V dan pengehad arus beban pada 60mA. Suis bekalan kuasa, tombol pelarasan voltan dan soket keluaran terletak di sebelah kanan panel bangku makmal. Terdapat juga butang berlabel "Mati." E", apabila ditekan, voltan keluaran terputus dari soket bertanda "+".
Di samping itu, terdapat dua sumber semasa, yang nilainya ditetapkan oleh suis yang sepadan. Arus asas 
boleh ditetapkan kepada sifar, 0.1 µA, 1 µA, 10 µA, dan arus sumber kedua – 0, 0.5mA, 10mA, 20mA dan 30mA.
Dalam kerja makmal ini, ciri-ciri LED AL336B (VD1) dengan merah, AL336G (VD2) dengan set lampu hijau dan LED inframerah AL107A (VD3) dikaji.
Perintang 
berkadar pada 680 Ohms berfungsi untuk mengehadkan jumlah arus hadapan melalui LED. Di samping itu, kajian sedang dijalankan ke atas pengesan foto pelbagai jenis yang merupakan sebahagian daripada optocoupler diod AOD101A (U1), transistor AOT128A (U2), thyristor AOU103B (U3) dan perintang OEP10 (U4). Perintang
(nilai 1 kOhm) dan
(nilai 10 kOhm) digunakan apabila mengkaji optocoupler dalam mod penghantaran isyarat analog, dijalankan dalam kerja No. 6.
Pendirian makmal dihidupkan menggunakan suis togol "Hidup". Fungsi sumber kuasa ditunjukkan oleh pencahayaan LED hijau yang terletak pada suis togol ini.
Prosedur untuk menjalankan kerja makmal.
1. Persiapan rumah.
Semasa penyediaan di rumah, diperlukan, menggunakan literatur rujukan, untuk menentukan dan menulis dalam buku kerja parameter utama peranti semikonduktor yang dikaji dalam kerja ini. Di samping itu, adalah perlu untuk melukis gambar rajah untuk mengambil ukuran dan jadual untuk merekod hasil penyelidikan.
2. Menjalankan kerja makmal.
2.1. Kajian ciri voltan arus LED.
Menggunakan diod VD1, pasangkan litar yang ditunjukkan dalam Rajah. 5.12.
nasi. 5.12. Litar untuk mengkaji cawangan langsung ciri voltan semasa LED.
Tetapkan tombol pengatur voltan ke kedudukan paling kiri (
); had ukuran PV1 – 1.5V, had ukuran PA1 – 10mA. Hidupkan bekalan kuasa ke pendirian makmal.
Dengan memutar tombol kawalan ke kanan, tingkatkan voltan sumber kuasa dan ukur pergantungan penurunan voltan pada diod pada arus hadapan, tetapkan nilainya sama dengan: 0mA, 1mA, 3mA, 5mA, 10mA, 20mA, 30mA, 40mA, 50mA. Isikan baris pertama jadual dengan data yang diterima:
|
| ||||||||||
|
| ||||||||||
|
| ||||||||||
|
|
(mA)
(DALAM)Menjalankan ukuran yang sama untuk diod VD2, VD3. Sambungan mereka mesti dilakukan dengan pendirian makmal yang dinyahtenagakan.
Menggunakan diod VD1, pasangkan litar yang ditunjukkan dalam Rajah. 5.13.
nasi. 5.13. Litar untuk mengkaji cawangan terbalik ciri voltan semasa LED.
Tetapkan had ukuran PA1 – 0.1 mA, PV1 – 15V. Menggunakan pengawal selia untuk menukar voltan penyekat pada diod, ukur arus terbalik dan isikan baris pertama jadual:
|
| ||||||||
|
| ||||||||
|
| ||||||||
|
|
(DALAM)
(mA)Menjalankan ukuran yang sama untuk diod VD2, VD3.
2.2. Kajian ciri voltan arus bagi fotodiod.
Dalam kitaran kajian ini, fotodiod gallium arsenide digunakan, yang merupakan sebahagian daripada optocoupler diod U1.
2.2.1. Mengkaji cawangan langsung ciri voltan semasa fotodiod.
Pasang litar yang ditunjukkan dalam Rajah. 5.14.
nasi. 5.14. Litar untuk mengkaji cawangan langsung ciri voltan semasa fotodiod.
Tetapkan pengatur voltan ke kedudukan paling kiri (
), suis tetapan semasa - V keadaan sifar, had ukuran voltmeter PV1 ialah 0.75V, miliammeter PA1 ialah 10mA.
Dengan meningkatkan voltan keluaran sumber kuasa, tetapkan arus hadapan fotodiod sama dengan yang ditunjukkan dalam jadual dalam Rajah. 5.15, ukur penurunan voltan merentasinya dan isikan baris pertama jadual dengan data yang diperolehi.
Menggunakan suis berlabel "I" untuk menetapkan nilai arus LED kepada 5, 10, 20 dan 30 mA dan dengan itu meningkatkan pencahayaan fotodiod, lakukan pengukuran yang serupa.
|
| |||||||||
|
|
|
||||||||
|
|
|
||||||||
|
|
|
||||||||
|
|
|
||||||||
|
|
|
mA
mA
mA
mA
mAnasi. 5.15. Jadual untuk merekodkan keputusan kajian cawangan langsung ciri voltan semasa fotodiod.
2.2.2. Kajian voltan litar terbuka dan arus litar pintas fotodiod.
Putuskan sambungan sumber kuasa daripada litar (Rajah 5.14) dan, tetapkan arus melalui LED kepada 0.5, 10, 20 dan 30 mA, ukur voltan litar terbuka fotodiod apabila ia beroperasi dalam mod injap. Catatkan keputusan anda dalam jadual:
|
| |||||
|
| |||||
|
|
Untuk mengukur arus litar pintas, pasangkan litar yang ditunjukkan dalam Rajah. 5.16. Menetapkan arus melalui LED mengikut yang ditunjukkan dalam jadual di atas, ukur nilai arus litar pintas fotodiod dan masukkan keputusan di baris bawah jadual.
nasi. 5.16. Litar untuk mengukur arus litar pintas fotodiod apabila ia beroperasi dalam mod injap.
2.2.3. Kajian cawangan perantaraan ciri voltan semasa fotodiod apabila beroperasi dalam mod injap.
Pasang litar yang ditunjukkan dalam Rajah. 5.17.
nasi. 5.17. Litar untuk mengkaji ciri voltan semasa fotodiod.
Tetapkan arus LED kepada 5 mA. Dengan menukar voltan pada output sumber kuasa, tetapkan arus melalui fotodiod kepada sifar. Voltan ini sepatutnya hampir dengan nilai yang diukur sebelum ini
pada arus LED yang sesuai. Mengurangkan voltan kepada sifar, ukur arus fotodiod untuk tiga hingga lima nilainya dan masukkan keputusan dalam jadual:
|
| ||||||||
|
|
(DALAM)Magnitud arus hadapan pada voltan bekalan kuasa sifar hendaklah hampir dengan nilai yang sepadan
. Menjalankan kitaran pengukuran yang serupa untuk arus melalui LED bersamaan dengan 10, 20 dan 30 mA.
2.2.4. Mengkaji cawangan songsang ciri voltan semasa fotodiod.
Pasang litar yang ditunjukkan dalam Rajah. 5.18.
nasi. 5.18. Litar untuk mengkaji cawangan terbalik ciri voltan semasa fotodiod.
Tetapkan arus melalui LED kepada sifar, voltan bekalan kuasa hampir kepada sifar, had pengukuran PV1 hingga 15V, had pengukuran PA1 hingga 0.1mA.
Ukur pergantungan arus balikan fotodiod pada nilai voltan penyekat dan isikan baris pertama jadual yang ditunjukkan dalam Rajah dengan data yang sepadan. 5.19. Menetapkan arus melalui LED kepada 5, 10, 20 dan 30 mA, buat ukuran yang sama dan masukkan keputusan dalam jadual yang sama.
|
| ||||||||
|
|
|
|||||||
|
|
|
|||||||
|
|
|
|||||||
|
|
|
|||||||
|
|
|
nasi. 5.19. Jadual untuk merekod keputusan semasa mengkaji cawangan songsang ciri voltan semasa fotodiod.
2.3. Kajian tentang ciri keluaran fototransistor.
Semasa kajian ini, phototransistor digunakan, yang merupakan sebahagian daripada optocoupler transistor
.
Pasang litar yang ditunjukkan dalam Rajah. 5.20.
nasi. 5.20. Litar untuk mengkaji ciri keluaran fototransistor.
Tetapkan arus Dan sama dengan sifar, tombol pengatur voltan berada di kedudukan kiri yang melampau, had pengukuran PA1 ialah 0.1 mA, had pengukuran PV1 ialah 15V.
Ukur arus pengumpul transistor pada voltan punca kuasa 0, 1, 3, 6, 9, 12 dan 15V, dan masukkan keputusan dalam baris yang sepadan dalam jadual yang ditunjukkan dalam Rajah. 5.21. Menetapkan arus asas kepada 1, 5 dan 10 μA, jalankan ukuran yang sama untuk transistor yang tidak menyala (dengan
= 0). Catatkan keputusan yang diperoleh dalam baris jadual yang sesuai.
Tetapkan arus LED kepada 20mA dan jalankan kitaran pengukuran yang serupa.
|
| |||||||||
|
|
|
|
|||||||
|
|
|
||||||||
|
|
|
||||||||
|
|
|
||||||||
|
|
|
|
|||||||
|
|
|
||||||||
|
|
|
||||||||
|
|
|
(DALAM)
(mA)
µA
µA
µAnasi. 5.21. Jadual untuk merekod keputusan mengkaji ciri keluaran fototransistor.
2.4. Penyelidikan photothyristor.
Apabila melakukan item ini, photothyristor digunakan, yang merupakan sebahagian daripada optocoupler thyristor
.
Pasang litar yang ditunjukkan dalam Rajah. 5.22.
nasi. 5.22. Litar untuk mengkaji photothyristor.
Tetapkan arus melalui fotodiod kepada sifar, tetapkan tombol pengatur voltan keluaran ke kedudukan kiri yang melampau, had pengukuran PV1 ialah 15V.
Dengan meningkatkan voltan sumber kuasa, cuba hidupkan thyristor. Jika ia dihidupkan, LED VD2 akan menyala. Ukur nilai
. Kurangkan voltan bekalan kepada sifar dan tekan butang "Mati". E" untuk mengembalikan thyristor kepada keadaan asalnya. Menetapkan arus LED kepada 2, 5, 10 dan 20 mA, lakukan ukuran yang sama dan masukkan hasilnya ke dalam jadual:
|
| |||||
|
|
Tetapkan arus LED kepada sifar. Matikan thyristor. Tetapkan voltan maksimum sumber kuasa dan, berturut-turut meningkatkan arus melalui LED, hidupkan thyristor. Cuba matikannya dengan mengurangkan arus LED kepada sifar.
2.5. Penyelidikan fotoresistor.
Apabila melakukan item kerja makmal ini, ciri-ciri photoresistor yang termasuk dalam optocoupler diperiksa.
.
Pasang litar yang ditunjukkan dalam Rajah. 5.23.
nasi. 5.23. Litar untuk mengkaji photoresistor.
Tetapkan arus sama dengan sifar, tombol pengatur voltan ke kedudukan paling kiri (
), had ukuran PV1 – 15V, PA1 – 0.1mA.
Dengan menukar voltan pada fotoperintang, ukur arus yang mengalir melaluinya dan masukkan keputusan dalam baris pertama jadual yang ditunjukkan dalam Rajah. 5.24. Meningkatkan nilai arus secara konsisten melalui mentol lampu pijar, jalankan ukuran yang sama dan rekod keputusan dalam baris jadual yang sesuai.
|
| |||||||
|
|
|
||||||
|
|
|
||||||
|
|
|
||||||
|
|
|
||||||
|
|
|
(mA)nasi. 5.24. Jadual untuk merekodkan hasil kajian ciri voltan semasa fotoperintang.
Tukar kekutuban voltan sumber kuasa dan alat pengukur (pasang litar yang ditunjukkan dalam Rajah 5.25). Jalankan kitaran ukuran yang serupa dan rekod keputusan dalam jadual.
nasi. 5.25. Litar untuk mengkaji ciri-ciri voltan semasa fotoperintang dengan kekutuban voltan terbalik.
3. Pemprosesan keputusan eksperimen.
3.1. Memproses keputusan yang diperoleh semasa melaksanakan perenggan 2.1.
Bina pada satu helaian kertas graf cawangan hadapan dan belakang bagi ciri-ciri voltan arus bagi diod yang dikaji, dengan mengambil skala sepanjang paksi arus dan voltan untuk cawangan hadapan 5 mA/cm, 0.5 V/cm dan, sewajarnya, untuk cawangan terbalik 0.1 mA/cm dan 1.5 V/ cm.
3.2. Memproses hasil perenggan 2.2.1 2.2.4 kerja makmal.
Bina pada satu helaian kertas graf satu keluarga ciri voltan arus lengkap fotodiod pada pelbagai tahap pencahayaan yang ditentukan oleh arus LED. Skala sepanjang paksi semasa untuk cawangan langsung ciri voltan semasa harus dipilih sama dengan 5 mA/cm, sepanjang paksi voltan 0.1 V/cm. Apabila membina cawangan terbalik, ambil skala yang sama dengan 0.1 mA/cm dan 1.5 V/cm. Tandakan pada ciri-ciri nilai voltan tanpa beban dan arus litar pintas.
Berdasarkan data yang diperolehi dalam perenggan 2.2.2, bina kebergantungan
Dan
, Di mana – arus melalui LED. Skala di sepanjang paksi di mana nilai kuantiti yang sepadan diplot harus dipilih sama dengan 5 mA/cm – sepanjang paksi semasa ; 0.1V/cm – sepanjang paksi
dan 0.2 mA/cm – sepanjang paksi
.
3.3. Memproses keputusan yang diperoleh semasa melaksanakan perenggan 2.3.
Bina pada satu helaian kertas graf satu keluarga ciri keluaran fototransistor pada nilai arus LED yang berbeza. Pada paksi voltan, pilih skala yang sama dengan 1V/cm, dan pada paksi semasa, 2mA/cm.
3.4. Memproses hasil perenggan 2.4 kerja makmal.
Plotkan pergantungan voltan hidupkan photothyristor pada arus LED, pilih skala sepanjang paksi arus 2 mA/cm, dan sepanjang paksi voltan 3 V/cm. Terangkan keputusan yang diperoleh semasa melaksanakan item ini.
3.5. Memproses keputusan perenggan 2.5.
Bina pada satu helaian kertas graf satu keluarga ciri voltan arus fotoperintang untuk kedua-dua kekutuban voltan yang digunakan, memilih skala sepanjang paksi arus 5 mA/cm, dan sepanjang paksi voltan 3V/cm.
Berdasarkan ciri-ciri ini, tentukan rintangan fotoperintang di kawasan nilai voltan sifar pada pencahayaan yang berbeza, bina graf pergantungan rintangan fotoperintang pada jumlah arus yang mengalir melalui sumber sinaran.
n1.doc
Topik 4.1 Asas optoelektronik. Klasifikasi peranti optoelektronik.Optoelektronik ialah bidang bebas penting bagi elektronik berfungsi dan mikroelektronik. Peranti optoelektronik ialah peranti di mana, apabila memproses maklumat, isyarat elektrik ditukar kepada isyarat optik dan sebaliknya.
Ciri penting peranti optoelektronik ialah unsur-unsur di dalamnya disambungkan secara optik dan diasingkan secara elektrik antara satu sama lain.
Optoelektronik meliputi dua bidang bebas utama - optik dan elektron-optik. Arah optik adalah berdasarkan kesan interaksi pepejal dengan sinaran elektromagnet. Ia bergantung pada holografi, fotokimia, elektro-optik dan fenomena lain. Panduan optik kadangkala dipanggil bimbingan laser.
Arah elektron-optik menggunakan prinsip penukaran fotoelektrik, direalisasikan dalam badan pepejal melalui kesan fotoelektrik dalaman, di satu pihak, dan electroluminescence, di pihak yang lain. Arah ini adalah berdasarkan penggantian sambungan galvanik dan magnet dalam litar elektronik tradisional dengan yang optik. Ini memungkinkan untuk meningkatkan ketumpatan maklumat dalam saluran komunikasi, kelajuannya, dan imuniti bunyi.
Elemen utama optoelektronik ialah optocoupler Terdapat optocoupler dengan dalaman (Rajah 9.4, A) dan luaran (Rajah 9.4, b) ikatan fotonik. Optocoupler yang paling mudah ialah rangkaian empat terminal (Rajah 9.4, A), terdiri daripada tiga elemen: pemancar foto 1 , panduan cahaya 2 dan penerima cahaya 3, dimasukkan ke dalam perumah yang tertutup dan kalis cahaya. Apabila isyarat elektrik digunakan pada input dalam bentuk nadi atau penurunan arus input, photoemitter teruja. Fluks cahaya melalui panduan cahaya memasuki photodetector, pada output yang mana nadi elektrik atau penurunan arus keluaran terbentuk. Optocoupler jenis ini ialah penguat isyarat elektrik, di mana gandingan dalaman adalah fotonik dan gandingan luaran adalah elektrik. .
Satu lagi jenis optocoupler ialah dengan gandingan dalaman elektrik dan gandingan luaran fotonik (Rajah 9.4, b) - adalah penguat isyarat cahaya, serta penukar isyarat satu frekuensi kepada isyarat frekuensi lain, sebagai contoh, isyarat sinaran inframerah kepada isyarat spektrum yang boleh dilihat. Penerima cahaya 4 menukar isyarat cahaya input kepada isyarat elektrik. Yang terakhir ini dikuatkan oleh penguat 5 dan merangsang sumber cahaya 6.
Pada masa ini, sejumlah besar peranti optoelektronik telah dibangunkan
Tujuan peribadi. Dalam mikroelektronik, sebagai peraturan, hanya elemen fungsi optoelektronik yang digunakan yang mana terdapat kemungkinan penyepaduan, serta keserasian teknologi pembuatannya dengan teknologi pembuatan litar bersepadu yang sepadan.
Pemancar foto. Sumber cahaya optoelektronik tertakluk kepada keperluan seperti pengecilan, penggunaan kuasa yang rendah, kecekapan dan kebolehpercayaan yang tinggi, hayat perkhidmatan yang panjang dan kebolehkilangan. Mereka mesti mempunyai prestasi tinggi dan mampu dihasilkan sebagai peranti bersepadu.
Sumber electroluminescent yang paling banyak digunakan ialah LED suntikan, di mana pelepasan cahaya ditentukan oleh mekanisme penggabungan semula antara jalur elektron dan lubang. Jika anda melepasi arus suntikan yang cukup besar
| nasi. 9.5. Untuk menerangkan prinsip operasi LED suntikan |
melalui hlm- n-peralihan (dalam arah hadapan), maka beberapa elektron dari jalur valens akan bergerak ke jalur konduksi (Rajah 9.5). Di bahagian atas jalur valensi, keadaan bebas (lubang) terbentuk, dan di bahagian bawah jalur konduksi, keadaan diisi.
Niya (elektron pengaliran). Populasi songsang sedemikian bukan keseimbangan dan membawa kepada pelepasan foton yang huru-hara semasa peralihan elektron terbalik. Yang terhasil R-n-peralihan cahaya tidak koheren ialah electroluminescence. Foton yang dipancarkan semasa peralihan bercahaya dari bahagian penuh jalur pengaliran ke bahagian bebas jalur valensi menyebabkan pelepasan rangsangan foton yang sama, menyebabkan elektron lain bergerak ke jalur valens. Walau bagaimanapun, foton dengan tenaga yang sama (dari ∆ E= E 2 - E 1 sebelum ini ∆ E=2? E) tidak boleh diserap, kerana keadaan bawah adalah bebas (tiada elektron di dalamnya), dan keadaan atas sudah terisi. Maksudnya begitu hlm- n-peralihan adalah telus untuk foton tenaga sedemikian, iaitu untuk frekuensi yang sepadan. Sebaliknya, foton dengan tenaga lebih besar ∆ E+2? E, boleh diserap, memindahkan elektron dari jalur valens ke jalur pengaliran. Pada masa yang sama, untuk tenaga sedemikian, pelepasan foton teraruh adalah mustahil, kerana keadaan awal atas tidak diisi, dan keadaan bawah diisi. Oleh itu, pelepasan yang dirangsang adalah mungkin dalam julat sempit sekitar frekuensi yang sepadan dengan tenaga celah jalur ∆E dengan lebar spektrum ? E.
Bahan terbaik untuk LED ialah gallium arsenide, gallium phosphide, silicon phosphide, silicon carbide, dll. LED mempunyai kelajuan tinggi (kira-kira 0.5 μs), tetapi menggunakan arus tinggi (kira-kira 30 A/cm2). Baru-baru ini, LED telah dibangunkan berdasarkan gallium arsenide - aluminium, yang kuasanya berkisar dari pecahan hingga beberapa miliwatt dengan arus terus berpuluh-puluh miliamp. Kecekapan LED tidak melebihi 1 - 3%.
Sumber cahaya yang menjanjikan adalah suntikan laser, memungkinkan untuk menumpukan tenaga tinggi di kawasan spektrum sempit dengan kecekapan dan kelajuan tinggi (berpuluh-puluh picosaat). Laser ini boleh dihasilkan sebagai tatasusunan pada cip asas tunggal menggunakan teknologi yang sama seperti litar bersepadu. Kelemahan laser suntikan mudah ialah ia hanya mempunyai prestasi yang boleh diterima apabila disejukkan kepada suhu yang sangat rendah. Pada suhu biasa Laser gallium-arsenide mempunyai kuasa purata yang rendah, kecekapan rendah (kira-kira 1%), kestabilan operasi yang rendah dan hayat perkhidmatan. Penambahbaikan lanjut laser suntikan dengan mencipta peralihan struktur kompleks menggunakan heterojunctions (heterjunction ialah sempadan antara lapisan dengan jenis kekonduksian elektrik yang sama, tetapi dengan jurang jalur yang berbeza) memungkinkan untuk mendapatkan sumber cahaya bersaiz kecil yang beroperasi. pada suhu biasa dengan kecekapan 10 - 20 % dan ciri yang boleh diterima.
Pengesan foto. Untuk menukar isyarat cahaya kepada isyarat elektrik, photodiod, phototransistor, photoresistors, photothyristors dan peranti lain digunakan.
Fotodiod adalah pincang songsang hlm- n- peralihan yang arus ketepuan terbaliknya ditentukan oleh bilangan pembawa cas yang dijana di dalamnya oleh tindakan cahaya kejadian (Rajah 9.6). Parameter fotodiod dinyatakan melalui nilai arus yang mengalir dalam litarnya. Kepekaan fotodiod, yang biasanya dipanggil integral, ditakrifkan sebagai nisbah arus foto kepada fluks bercahaya yang menyebabkannya F ? . Ambang sensitiviti fotodiod dianggarkan oleh nilai yang diketahui kepekaan integral (semasa) dan arus gelap saya d, iaitu, arus yang mengalir dalam litar tanpa ketiadaan penyinaran lapisan sensitif.
Bahan utama untuk fotodiod ialah germanium dan silikon. Fotodiod silikon biasanya sensitif di kawasan spektrum yang sempit (dari? = 0.6 - 0.8 mikron ke? = 1.1 µm) dengan maksimum pada? = 0.85 mikron, dan adakah fotodiod germanium mempunyai had sensitiviti? = 0.4 - 1.8 µm dengan maksimum pada? ? 1.5 mikron. Dalam mod fotodiod dengan voltan bekalan 20 V, arus gelap fotodiod silikon biasanya tidak melebihi 3 μA, manakala untuk germanium; fotodiod pada voltan bekalan 10 V ia mencapai 15-20 μA.
Phototransistor ialah penerima tenaga pancaran dengan dua atau lebih r-p- peralihan yang mempunyai sifat meningkatkan arus foto apabila lapisan sensitif disinari. Sebuah fototransistor menggabungkan sifat-sifat fotodiod dan sifat-sifat penguat transistor (Rajah 9.7). Kehadiran input optik dan elektrik pada phototransistor secara serentak membolehkan anda mencipta bias yang diperlukan untuk operasi dalam bahagian linear ciri tenaga, serta mengimbangi pengaruh luar. Untuk mengesan isyarat kecil, voltan yang diambil daripada phototransistor mesti dikuatkan. Dalam kes ini, rintangan AC keluaran harus ditingkatkan dengan arus gelap minimum dalam litar pemungut, mewujudkan pincang positif di pangkalan.
Pemandu cahaya. Terdapat panduan cahaya antara sumber cahaya dan penerima cahaya dalam optocoupler. Untuk mengurangkan kerugian semasa pantulan dari antara muka antara LED dan medium pengalir (serat), yang kedua mesti mempunyai indeks biasan yang tinggi. Persekitaran sedemikian dipanggil rendaman. Bahan rendaman hendaklah juga mempunyai lekatan yang baik pada bahan sumber dan penerima, menyediakan padanan yang mencukupi dalam pekali pengembangan, menjadi telus di kawasan kerja, dan lain-lain. Yang paling menjanjikan ialah cermin mata plumbum dengan indeks biasan 1.8-1.9 dan gelas selenium dengan indeks biasan daripada 2, 4-2.6. Dalam Rajah. Rajah 9.8 menunjukkan keratan rentas optocoupler keadaan pepejal dengan panduan cahaya rendaman.
Benang nipis kaca atau plastik lutsinar digunakan sebagai panduan cahaya dalam optoelektronik. Arah ini dipanggil gentian optik. Gentian disalut dengan bahan penebat cahaya dan disambungkan ke dalam kabel cahaya berbilang teras. Mereka melakukan fungsi yang sama berhubung dengan cahaya seperti yang dilakukan oleh wayar logam berhubung dengan arus. Menggunakan gentian optik, anda boleh: menjalankan penghantaran imej elemen demi elemen dengan resolusi yang ditentukan oleh diameter gentian optik (kira-kira 1 mikron); menghasilkan transformasi spatial imej kerana keupayaan untuk membengkok dan memutar gentian panduan cahaya; menghantar imej pada jarak yang agak jauh, dsb. Dalam Rajah. Rajah 9.9 menunjukkan panduan cahaya dalam bentuk kabel yang diperbuat daripada gentian pengalir cahaya.
kamiran optik. Salah satu bidang mikroelektronik berfungsi yang menjanjikan ialah optik bersepadu, yang memastikan penciptaan sistem berprestasi tinggi untuk menghantar dan memproses maklumat optik. Bidang penyelidikan dalam optik bersepadu termasuk perambatan, penukaran dan penguatan sinaran elektromagnet dalam julat optik dalam pandu gelombang filem nipis dielektrik dan gentian optik. Elemen utama optik bersepadu ialah panduan gelombang mikro optik pukal atau permukaan. Panduan gelombang mikro optik volumetrik simetri yang paling mudah ialah kawasan yang disetempatkan dalam satu atau dua dimensi ruang dengan indeks biasan melebihi indeks biasan medium optik di sekelilingnya. Kawasan optik yang lebih tumpat ini tidak lebih daripada saluran atau lapisan pembawa pandu gelombang dielektrik.
P 
Contoh pandu gelombang dielektrik permukaan tidak simetri ialah filem nipis dielektrik atau semikonduktor telus optik dengan indeks biasan melebihi indeks biasan substrat lutsinar optik. Tahap penyetempatan medan elektromagnet, serta nisbah fluks tenaga yang dipindahkan di sepanjang lapisan pembawa dan substrat, ditentukan oleh saiz melintang berkesan lapisan pembawa dan perbezaan indeks biasan lapisan pembawa dan substrat pada frekuensi sinaran tertentu. Agak mudah dan paling sesuai untuk peranti optik keadaan pepejal ialah panduan gelombang mikro jalur optik, dibuat dalam bentuk filem dielektrik nipis (Rajah 9.10), didepositkan pada substrat menggunakan kaedah mikroelektronik (contohnya, pemendapan vakum). Menggunakan topeng, keseluruhan litar optik boleh digunakan pada substrat dielektrik dengan tahap ketepatan yang tinggi. Penggunaan litografi pancaran elektron telah memberikan kemajuan dalam penciptaan kedua-dua pandu gelombang jalur optik tunggal dan pandu gelombang berganding optik pada panjang tertentu, dan seterusnya pandu gelombang menyimpang, yang penting untuk penciptaan pengganding arah dan penapis selektif frekuensi dalam sistem optik bersepadu .
Litar mikro optoelektronik. hidup
Sebilangan besar litar mikro telah dibangunkan berdasarkan optoelektronik. Mari kita lihat beberapa litar mikro optoelektronik yang dihasilkan oleh industri domestik. Dalam mikroelektronik, litar mikro pengasingan galvanik optoelektronik paling banyak digunakan. Ini termasuk suis berkelajuan tinggi, suis isyarat analog, suis dan peranti optoelektronik analog yang bertujuan untuk digunakan dalam sistem pemprosesan isyarat analog berfungsi.
Elemen utama mana-mana litar mikro optoelektronik ialah pasangan optocoupler (Rajah 9.11, A, b), terdiri daripada sumber cahaya 1 , dikawal oleh isyarat input, medium rendaman 2, disambungkan secara optik kepada sumber cahaya, dan pengesan foto 3. Parameter pasangan optocoupler ialah rintangan penyahgandingan DC, pekali pemindahan semasa (nisbah arus foto penerima kepada arus pemancar), masa penukaran dan kapasiti pemprosesan.
Litar mikro optoelektronik untuk pelbagai tujuan dicipta berdasarkan pasangan optoelektronik.
nasi. 9.11. Skim dan pelaksanaan teknologi pasangan optocoupler:
1 – sumber cahaya; 2 – medium rendaman; 3 – pengesan foto.
Topik 4.2 ELEMEN PERANTI OPTOELEKTRONIK
1. Suis optoelektronik ialah cip hibrid yang mengandungi pasangan optoelektronik dan penguat. Suis menggunakan LED galium apcenide doped silikon berkecekapan tinggi dan silikon berkelajuan tinggi hlm-
i-
n-fotodiod. Medium rendaman ialah kaca chalcogenide dengan indeks biasan 2.7. Pekali pemindahan semasa dalam pasangan optoelektronik ialah 3-5 pada suhu biasa, masa hidup (jumlah masa tunda dan naik) ialah 100-250 ps, pengasingan galvanik litar LED dan pengesan foto untuk langsung arus ialah 10 9 Ohms. Litar mikro dibuat dalam bekas kaca logam bulat jenis TO-5.
2. Kunci optoelektronik direka untuk menukar litar voltan tinggi arus ulang alik dan terus. Ia mempunyai empat saluran bebas, setiap satunya mengandungi dua pasangan optoelektronik yang terdiri daripada LED dan voltan tinggi. hlm- i- n- fotodiod. Fotodiod disambungkan kembali ke siri, jadi rintangan suis dalam keadaan terkunci (jika tiada arus melalui LED), tanpa mengira kekutuban voltan yang digunakan, ditentukan oleh rintangan gelap pincang songsang. hlm- i- n-fotodiod; nilainya adalah lebih kurang 10 9 ohm.
3. Suis transistor direka untuk menukar voltan DC sehingga 50 V. Peranti ini mempunyai dua saluran bebas, setiap satunya mengandungi pasangan optoelektronik yang terdiri daripada LED galium arsenide dan silikon n- hlm- i- n-fototransistor. Pasangan optoelektronik mempunyai pekali pemindahan semasa 2, arus operasi berkadar 10 mA, dan kelajuan dalam mod penguatan 100-300 ns.
4.Suis analog Direka untuk digunakan dalam sistem untuk pemprosesan terpilih isyarat analog. Gambar rajah elektrik satu saluran suis ditunjukkan dalam Rajah. 9.12. Saluran ini mengandungi pasangan optoelektronik yang terdiri daripada LED galium arsenide dan dua belakang ke belakang n- i- n-fotodiod dibuat dalam satu kristal tunggal.
Dalam Rajah. Rajah 9.13 menunjukkan litar elektrik bagi beberapa jenis litar optoelektronik yang lain. Cip utama (Gamb. 9.13, A) termasuk pasangan optoelektronik diod berkelajuan tinggi yang dipadankan dengan penguat silikon monolitik. Ia bertujuan untuk menggantikan sambungan pengubah dan geganti dalam peranti logik komputer dan automasi diskret. Kunci analog (Gamb. 9.13, b) merujuk kepada
Litar linear dengan kawalan optoelektronik. Dengan kuasa isyarat kawalan 60-80 mW, parameter pencincang mencapai nilai yang diperlukan untuk litar mikro semikonduktor standard. Geganti DC kuasa rendah optoelektronik (Rajah 9.13, V) direka untuk menggantikan analog
geganti elektromekanikal dengan kelajuan dalam julat milisaat dan bilangan operasi yang dijamin 10 4 -10 7.
Yang menarik ialah litar mikro optoelektronik siri 249, yang merangkumi empat kumpulan peranti, iaitu suis elektronik berdasarkan diod dan transistor elektroluminescent. Gambar rajah elektrik semua kumpulan
Peranti adalah sama (Gamb. 9.14). Dari segi struktur, litar mikro direka bentuk dalam pakej litar bersepadu rata segi empat tepat dengan 14 pin dan mempunyai dua saluran terpencil, yang mengurangkan saiz dan berat peralatan, dan juga mengembangkan fungsi litar mikro. LED adalah berasaskan silikon dan mempunyai P + - hlm- n i - n + - struktur. Kehadiran dua saluran dalam dongle membolehkan anda menggunakannya sebagai pencincang bersepadu isyarat analog dan mendapatkan nisbah penghantaran isyarat yang tinggi (10-100) apabila menyambungkan fototransistor mengikut litar transistor komposit.
Peranti optoelektronik
Operasi peranti optoelektronik adalah berdasarkan proses elektron-fotonik menerima, menghantar dan menyimpan maklumat.
Peranti optoelektronik yang paling mudah ialah pasangan optoelektronik, atau optocoupler. Prinsip operasi optocoupler, yang terdiri daripada sumber sinaran, medium rendaman (panduan cahaya) dan pengesan foto, adalah berdasarkan menukar isyarat elektrik kepada optik, dan kemudian kembali menjadi elektrik.
Optocoupler sebagai peranti berfungsi mempunyai kelebihan berikut sebelum unsur radio konvensional:
Pengasingan galvanik penuh "input - output" (rintangan penebat melebihi 10 12 - 10 14 Ohm);
Kekebalan bunyi mutlak dalam saluran penghantaran maklumat (pembawa maklumat adalah zarah neutral elektrik - foton);
Aliran maklumat satu arah, yang dikaitkan dengan ciri-ciri perambatan cahaya;
Jalur lebar disebabkan oleh frekuensi tinggi getaran optik,
Prestasi yang mencukupi (beberapa nanosaat);
Voltan kerosakan tinggi (berpuluh-puluh kilovolt);
Tahap hingar yang rendah;
Kekuatan mekanikal yang baik.
Berdasarkan fungsi yang dilakukannya, optocoupler boleh dibandingkan dengan transformer (elemen gandingan) dengan geganti (kunci).
Dalam peranti optocoupler, sumber sinaran semikonduktor digunakan - diod pemancar cahaya yang diperbuat daripada bahan sebatian kumpulan A III B V , antara yang paling menjanjikan ialah galium fosfida dan arsenida. Spektrum sinaran mereka terletak di kawasan sinaran nampak dan sinaran inframerah dekat (0.5 - 0.98 mikron). Diod pemancar cahaya galium fosfida mempunyai merah dan warna hijau bersinar. LED yang diperbuat daripada silikon karbida menjanjikan cahaya kuning dan beroperasi pada suhu tinggi, kelembapan dan dalam persekitaran yang agresif.
LED yang memancarkan cahaya dalam julat spektrum yang boleh dilihat digunakan dalam jam elektronik dan mikrokalkulator.
Diod pemancar cahaya dicirikan oleh komposisi spektrum sinaran yang agak lebar, corak kearaharah; kecekapan kuantum, ditentukan oleh nisbah bilangan kuanta cahaya yang dipancarkan kepada bilangan yang melalui hlm-n-peralihan elektron; kuasa (dengan sinaran tidak kelihatan) dan kecerahan (dengan sinaran kelihatan); ciri volt-ampere, lumen-ampere dan watt-ampere; kelajuan (kenaikan dan kejatuhan electroluminescence semasa pengujaan berdenyut), julat suhu operasi. Apabila suhu operasi meningkat, kecerahan LED berkurangan dan kuasa pelepasan berkurangan.
Ciri-ciri utama diod pemancar cahaya dalam julat yang boleh dilihat diberikan dalam jadual. 32, dan julat inframerah - dalam jadual. 33.
Jadual 32 Ciri-ciri utama diod pemancar cahaya kelihatan
Jadual 33. Ciri-ciri utama diod pemancar cahaya inframerah
| Jenis diod | Jumlah kuasa sinaran, mW | Voltan ke hadapan malar, V | Panjang gelombang sinaran, mikron | Masa kenaikan nadi sinaran, ns | Masa pereputan nadi sinaran, ns | Berat, g |
| AL103 A, B AL106 A – D | 0.6 – 1 (pada 50 mA semasa) 0.2 – 1.5 (pada 100 mA semasa) 6 – 10 (pada 100 mA semasa) 1.5 (pada arus 100 mA) 0.2 (pada arus 20 mA) 10 (pada 50 mA semasa) | 1,6 | 0,95 | 200 – 300 | 500 | 0,1 |
Diod pemancar cahaya dalam peranti optoelektronik disambungkan kepada pengesan foto melalui medium rendaman, keperluan utamanya ialah penghantaran isyarat dengan kehilangan dan herotan yang minimum. Dalam peranti optoelektronik, media rendaman pepejal - polimer - digunakan. sebatian organik(pelekat optik dan varnis), media chalcogenide dan gentian optik. Bergantung pada panjang saluran optik antara pemancar dan pengesan foto, peranti optoelektronik boleh dibahagikan kepada optocoupler (panjang saluran 100 - 300 mikron), optoisolator (sehingga 1 m) dan talian komunikasi gentian optik - talian gentian optik ( sehingga berpuluh-puluh kilometer).
Pengesan foto yang digunakan dalam peranti optocoupler tertakluk kepada keperluan untuk memadankan ciri spektrum dengan pemancar, meminimumkan kerugian apabila menukar isyarat cahaya kepada isyarat elektrik, fotosensitiviti, kelajuan, saiz kawasan fotosensitif, kebolehpercayaan dan tahap hingar.
Untuk optocoupler, yang paling menjanjikan ialah pengesan foto dengan kesan fotoelektrik dalaman, apabila interaksi foton dengan elektron di dalam bahan dengan bahan tertentu. ciri-ciri fizikal membawa kepada peralihan elektron dalam sebahagian besar kekisi kristal bahan-bahan ini.
Kesan fotoelektrik dalaman memanifestasikan dirinya dalam dua cara: dalam perubahan rintangan fotodetektor di bawah pengaruh cahaya (photoresistors) atau dalam penampilan foto-emf pada antara muka antara dua bahan - semikonduktor-semikonduktor, logam-semikonduktor (fotosel tertukar, fotodiod, fototransistor).
Pengesan foto dengan kesan fotoelektrik dalaman dibahagikan kepada fotodiod (dengan hlm-n-simpang, struktur MIS, penghalang Schottky), fotoperintang, fotopengesan dengan penguatan dalaman (fototransistor, fototransistor kompaun, fototiristor, fototransistor kesan medan).
Fotodiod adalah berasaskan silikon dan germanium. Kepekaan spektrum maksimum silikon ialah 0.8 mikron, dan germanium - sehingga 1.8 mikron. Mereka beroperasi pada pincang songsang hlm-n-peralihan, yang memungkinkan untuk meningkatkan prestasi, kestabilan dan kelinearan ciri mereka.
Fotodiod paling kerap digunakan sebagai pengesan foto untuk peranti optoelektronik dengan kerumitan yang berbeza-beza. hlm- i-n-struktur di mana i– kawasan habis medan elektrik tinggi. Dengan menukar ketebalan rantau ini, adalah mungkin untuk mendapatkan ciri prestasi dan kepekaan yang baik disebabkan oleh kapasiti rendah dan masa penerbangan pembawa.
Fotodiod longsor telah meningkatkan kepekaan dan prestasi, menggunakan penguatan arus foto apabila mendarab pembawa cas. Walau bagaimanapun, fotodiod ini tidak cukup stabil pada julat suhu dan memerlukan bekalan kuasa voltan tinggi. Fotodiod dengan penghalang Schottky dan struktur MIS menjanjikan untuk digunakan dalam julat panjang gelombang tertentu.
Photoresistors dibuat terutamanya daripada filem semikonduktor polihabluran berasaskan sebatian (kadmium dengan sulfur dan selenium). Kepekaan spektrum maksimum fotoresistor ialah 0.5 - 0.7 mikron. Photoresistors biasanya digunakan dalam keadaan cahaya malap; dalam kepekaan mereka adalah setanding dengan photomultipliers - peranti dengan kesan fotoelektrik luaran, tetapi memerlukan kuasa voltan rendah. Kelemahan photoresistor adalah prestasi rendah dan tahap hingar yang tinggi.
Pengesan foto yang dikuatkan secara dalaman yang paling biasa ialah fototransistor dan fototiristor. Phototransistor lebih sensitif daripada fotodiod, tetapi lebih perlahan. Untuk meningkatkan lagi kepekaan pengesan foto, fototransistor komposit digunakan, yang merupakan gabungan transistor foto dan amplifikasi, tetapi ia mempunyai prestasi rendah.
Dalam optocoupler, photothyristor (peranti semikonduktor dengan tiga hlm- n-peralihan, bertukar apabila diterangi), yang mempunyai sensitiviti yang tinggi dan tahap isyarat keluaran, tetapi kelajuan tidak mencukupi.
Kepelbagaian jenis optocoupler ditentukan terutamanya oleh sifat dan ciri pengesan foto. Salah satu aplikasi utama optocoupler ialah pengasingan galvanik yang berkesan bagi pemancar dan penerima isyarat digital dan analog. Dalam kes ini, optocoupler boleh digunakan dalam mod penukar atau suis isyarat. Optocoupler dicirikan oleh isyarat input yang dibenarkan (arus kawalan), pekali pemindahan semasa, kelajuan (masa bertukar) dan kapasiti beban.
TENTANG 
Nisbah pekali pemindahan semasa kepada masa pensuisan dipanggil faktor kualiti optocoupler dan ialah 10 5 – 10 6 untuk optocoupler fotodiod dan phototransistor. Optocoupler berdasarkan photothyristors digunakan secara meluas. Optocoupler fotoresistor tidak digunakan secara meluas kerana kestabilan masa dan suhu yang rendah. Gambar rajah beberapa optocoupler ditunjukkan dalam Rajah. 130, a – d.
DALAM 
Laser dengan kestabilan tinggi, ciri tenaga yang baik dan kecekapan digunakan sebagai sumber sinaran koheren. Dalam optoelektronik, untuk reka bentuk peranti padat, laser semikonduktor digunakan - diod laser, digunakan, sebagai contoh, dalam talian komunikasi gentian optik dan bukannya talian penghantaran maklumat tradisional - kabel dan wayar. Mereka mempunyai daya pemprosesan yang tinggi (lebar jalur unit gigahertz), rintangan kepada gangguan elektromagnet, berat dan dimensi yang rendah, penebat elektrik lengkap dari input kepada output, letupan dan keselamatan kebakaran. Ciri khas FOCL ialah penggunaan kabel gentian optik khas, yang strukturnya ditunjukkan dalam Rajah. 131. Sampel industri bagi kabel tersebut mempunyai pengecilan 1 – 3 dB/km dan lebih rendah. Talian komunikasi gentian optik digunakan untuk membina rangkaian telefon dan komputer, sistem televisyen kabel dengan imej dihantar berkualiti tinggi. Talian ini membolehkan penghantaran serentak puluhan ribu perbualan telefon dan beberapa program televisyen.
Baru-baru ini, litar bersepadu optik (OIC), semua elemen yang dibentuk melalui pemendapan bahan yang diperlukan pada substrat, telah dibangunkan secara intensif dan menjadi meluas.
Peranti berasaskan kristal cecair, digunakan secara meluas sebagai penunjuk dalam jam tangan elektronik, menjanjikan dalam optoelektronik. Hablur cecair ialah bahan organik (cecair) dengan sifat-sifat kristal dan berada dalam keadaan peralihan antara fasa kristal dan cecair.
Penunjuk kristal cecair mempunyai resolusi tinggi, agak murah, menggunakan kuasa rendah dan beroperasi pada tahap cahaya tinggi.
Kristal cecair dengan sifat serupa dengan kristal tunggal (nematics) paling kerap digunakan dalam penunjuk cahaya dan peranti memori optik Kristal cecair yang berubah warna apabila dipanaskan (kolesterik) telah dibangunkan dan digunakan secara meluas digunakan untuk merekod maklumat termo-optik.
Peranti optoelektronik, yang dibangunkan secara relatif baru-baru ini, telah meluas dalam pelbagai bidang sains dan teknologi kerana sifat uniknya. Ramai daripada mereka tidak mempunyai analog dalam teknologi vakum dan semikonduktor. Walau bagaimanapun, masih terdapat banyak masalah yang tidak dapat diselesaikan berkaitan dengan pembangunan bahan baharu, penambahbaikan ciri elektrik dan operasi peranti ini dan pembangunan kaedah teknologi untuk pembuatannya.
Bahagian 5. Peranti peranti berganding cas (CCD).
Kementerian Pendidikan Republik Belarus
Institusi pendidikan
“Universiti Negeri Belarusia
sains komputer dan elektronik radio”
Jabatan EMU
"Asas optoelektronik. Klasifikasi peranti optoelektronik"
MINSK, 2008
Optoelektronik ialah bidang bebas penting bagi elektronik berfungsi dan mikroelektronik. Peranti optoelektronik ialah peranti di mana, apabila memproses maklumat, isyarat elektrik ditukar kepada isyarat optik dan sebaliknya.
Ciri penting peranti optoelektronik ialah unsur-unsur di dalamnya disambungkan secara optik dan diasingkan secara elektrik antara satu sama lain.
Terima kasih kepada ini, padanan voltan tinggi dan voltan rendah, serta litar frekuensi tinggi dan frekuensi rendah mudah dipastikan. Di samping itu, peranti optoelektronik mempunyai kelebihan lain: kemungkinan modulasi spatial pancaran cahaya, yang, dalam kombinasi dengan perubahan dari masa ke masa, memberikan tiga darjah kebebasan (dua dalam litar elektronik semata-mata); kemungkinan percabangan yang ketara dan persilangan rasuk cahaya jika tiada sambungan galvanik antara saluran; beban fungsi besar rasuk cahaya kerana kemungkinan menukar banyak parameter mereka (amplitud, arah, frekuensi, fasa, polarisasi).
Optoelektronik meliputi dua bidang bebas utama - optik dan elektron-optik. Arah optik adalah berdasarkan kesan interaksi pepejal dengan sinaran elektromagnet. Ia bergantung pada holografi, fotokimia, elektro-optik dan fenomena lain. Panduan optik kadangkala dipanggil bimbingan laser.
Arah elektron-optik menggunakan prinsip penukaran fotoelektrik, direalisasikan dalam badan pepejal melalui kesan fotoelektrik dalaman, di satu pihak, dan electroluminescence, di pihak yang lain. Arah ini adalah berdasarkan penggantian sambungan galvanik dan magnet dalam litar elektronik tradisional dengan yang optik. Ini memungkinkan untuk meningkatkan ketumpatan maklumat dalam saluran komunikasi, kelajuannya, dan imuniti bunyi.
Rajah 1. Optocoupler dengan sambungan fotonik dalaman (a) dan luaran (b): 1, 6 – sumber cahaya; 2 – panduan cahaya; 3, 4 - penerima cahaya; 5 – penguat.
Elemen utama optoelektronik ialah optocoupler. Terdapat optocoupler dengan sambungan fotonik dalaman (Rajah 1, a) dan luaran (Rajah 1, b). Optocoupler yang paling mudah ialah rangkaian empat terminal (Rajah 1, a), yang terdiri daripada tiga elemen: pemancar foto 1, panduan cahaya 2 dan penerima cahaya 3, disertakan dalam perumah kalis cahaya yang dimeteraikan. Apabila isyarat elektrik digunakan pada input dalam bentuk nadi atau penurunan arus input, photoemitter teruja. Fluks cahaya melalui panduan cahaya memasuki photodetector, pada output yang mana nadi elektrik atau penurunan arus keluaran terbentuk. Optocoupler jenis ini ialah penguat isyarat elektrik, di mana gandingan dalaman adalah fotonik dan gandingan luaran adalah elektrik.
Satu lagi jenis optocoupler - dengan gandingan dalaman elektrik dan gandingan luaran fotonik (Rajah 1, b) - ialah penguat isyarat cahaya, serta penukar isyarat satu frekuensi kepada isyarat frekuensi lain, sebagai contoh, isyarat inframerah sinaran kepada isyarat spektrum yang boleh dilihat. Penerima cahaya 4 menukar isyarat cahaya input kepada isyarat elektrik. Yang terakhir ini dikuatkan oleh penguat 5 dan merangsang sumber cahaya 6.
Pada masa ini, sejumlah besar peranti optoelektronik untuk pelbagai tujuan telah dibangunkan. Dalam mikroelektronik, sebagai peraturan, hanya elemen fungsi optoelektronik yang digunakan yang mana terdapat kemungkinan penyepaduan, serta keserasian teknologi pembuatannya dengan teknologi pembuatan litar bersepadu yang sepadan.
Pemancar foto. Sumber cahaya optoelektronik tertakluk kepada keperluan seperti pengecilan, penggunaan kuasa yang rendah, kecekapan dan kebolehpercayaan yang tinggi, hayat perkhidmatan yang panjang dan kebolehkilangan. Mereka mesti mempunyai prestasi tinggi dan mampu dihasilkan sebagai peranti bersepadu.
Sumber electroluminescent yang paling banyak digunakan ialah LED suntikan, di mana pelepasan cahaya ditentukan oleh mekanisme penggabungan semula antara jalur elektron dan lubang. Jika anda melepasi arus suntikan yang cukup besar melalui simpang p-n (dalam arah hadapan), maka beberapa elektron dari jalur valens akan bergerak ke jalur konduksi (Rajah 2). Di bahagian atas jalur valensi, keadaan bebas (lubang) terbentuk, dan di bahagian bawah jalur konduksi, keadaan terisi (elektron konduksi) terbentuk.
Populasi songsang sedemikian bukan keseimbangan dan membawa kepada pelepasan foton yang huru-hara semasa peralihan elektron terbalik. Cahaya tidak koheren yang muncul di persimpangan pn ialah electroluminescence.
Rajah.2. Untuk penjelasan tentang prinsip operasi LED suntikan.
Foton yang dipancarkan semasa peralihan bercahaya dari bahagian penuh jalur pengaliran ke bahagian bebas jalur valensi menyebabkan pelepasan rangsangan foton yang sama, menyebabkan elektron lain bergerak ke jalur valens. Walau bagaimanapun, foton dengan tenaga yang sama (dari ∆E=E2-E1 hingga ∆E=2δE) tidak boleh diserap, kerana keadaan bawah adalah bebas (tiada elektron di dalamnya), dan keadaan atas sudah terisi. Ini bermakna simpang p-n adalah telus kepada foton tenaga sedemikian, i.e. untuk frekuensi yang sepadan. Sebaliknya, foton dengan tenaga lebih besar daripada ∆E+2δE boleh diserap, memindahkan elektron dari jalur valens ke jalur konduksi. Pada masa yang sama, untuk tenaga sedemikian, pelepasan foton teraruh adalah mustahil, kerana keadaan awal atas tidak diisi, dan keadaan bawah diisi. Oleh itu, pelepasan yang dirangsang adalah mungkin dalam julat sempit sekitar frekuensi yang sepadan dengan tenaga celah jalur ∆E dengan lebar spektrum δE.
Bahan terbaik untuk LED ialah gallium arsenide, gallium phosphide, silicon phosphide, silicon carbide, dll. LED mempunyai prestasi tinggi (kira-kira 0.5 μs), tetapi menggunakan arus tinggi (kira-kira 30 A/cm2). Baru-baru ini, LED telah dibangunkan berdasarkan gallium arsenide - aluminium, kuasa yang berkisar dari pecahan kepada beberapa miliwatt dengan arus ke hadapan berpuluh-puluh milliamperes.K. p.d. LED tidak melebihi 1 - 3%.
Sumber cahaya yang menjanjikan ialah laser suntikan, yang memungkinkan untuk menumpukan tenaga tinggi di kawasan spektrum sempit dengan kecekapan dan kelajuan tinggi (berpuluh-puluh picosaat). Laser ini boleh dihasilkan sebagai tatasusunan pada cip asas tunggal menggunakan teknologi yang sama seperti litar bersepadu. Kelemahan laser suntikan mudah ialah ia hanya mempunyai prestasi yang boleh diterima apabila disejukkan kepada suhu yang sangat rendah. Pada suhu biasa, laser gallium-arsenide mempunyai kuasa purata yang rendah, kecekapan rendah (kira-kira 1%), dan kestabilan operasi dan hayat perkhidmatan yang lemah. Penambahbaikan lanjut laser suntikan dengan mencipta peralihan struktur kompleks menggunakan heterojunctions (heterjunction ialah sempadan antara lapisan dengan jenis kekonduksian elektrik yang sama, tetapi dengan jurang jalur yang berbeza) memungkinkan untuk mendapatkan sumber cahaya bersaiz kecil yang beroperasi. pada suhu biasa dengan kecekapan 10 - 20 % dan ciri yang boleh diterima.
Pengesan foto. Untuk menukar isyarat cahaya kepada isyarat elektrik, photodiod, phototransistor, photoresistors, photothyristors dan peranti lain digunakan.
Fotodiod ialah simpang p-n bias songsang, arus ketepuan songsang yang ditentukan oleh bilangan pembawa cas yang dijana di dalamnya oleh tindakan cahaya kejadian (Rajah 3). Parameter fotodiod dinyatakan melalui nilai arus yang mengalir dalam litarnya. Kepekaan fotodiod, yang biasanya dipanggil kamiran, ditakrifkan sebagai nisbah arus foto kepada fluks bercahaya Фυ yang menyebabkannya. Ambang kepekaan fotodiod dianggarkan berdasarkan nilai yang diketahui bagi kepekaan kamiran (semasa) dan Id arus gelap, i.e. arus yang mengalir dalam litar tanpa ketiadaan penyinaran lapisan sensitif.
Bahan utama untuk fotodiod ialah germanium dan silikon. Fotodiod silikon biasanya sensitif dalam julat spektrum yang sempit (dari λ = 0.6 - 0.8 μm hingga λ = 1.1 μm) dengan maksimum pada λ = 0.85 μm, dan fotodiod germanium mempunyai had sensitiviti λ = 0.4 - 1.8 µm maksimum pada λ ≈ 1.5 µm. Dalam mod fotodiod dengan voltan bekalan 20 V, arus gelap fotodiod silikon biasanya tidak melebihi 3 μA, manakala untuk germanium; fotodiod pada voltan bekalan 10 V ia mencapai 15-20 μA.
Rajah.3. Ciri litar dan voltan arus fotodiod.
Rajah.4. Ciri litar dan voltan arus bagi fototransistor.
Muka surat 5 daripada 14
Optocoupler ialah peranti optoelektronik di mana terdapat sumber dan penerima sinaran cahaya (pemancar cahaya dan pengesan foto) dengan satu atau satu lagi jenis sambungan optik dan elektrik di antara mereka dan yang disambungkan secara struktur antara satu sama lain.
Prinsip operasi optocoupler dari sebarang jenis adalah berdasarkan fakta bahawa dalam pemancar tenaga isyarat elektrik ditukar menjadi cahaya; Dalam pengesan foto, sebaliknya, isyarat cahaya menyebabkan arus elektrik. Isyarat elektrik kepada pemancar biasanya dibekalkan daripada sumber luaran. Isyarat cahaya kepada pengesan foto tiba melalui litar komunikasi optik dari pemancar.
Proses penukaran tenaga dalam optocoupler adalah berdasarkan sifat kuantum cahaya, iaitu sinaran elektromagnet dalam bentuk aliran zarah - quanta.
Pemancar cahaya. Beberapa jenis pemancar sesuai untuk digunakan dalam optocoupler: mentol lampu pijar kecil, yang menggunakan sinaran haba daripada filamen yang dipanaskan oleh arus elektrik kepada 1800-2000 °C; mentol neon yang menggunakan pancaran nyahcas elektrik campuran gas neon-argon, dsb. [lihat. 1, § 1.1].
Jenis pemancar ini mempunyai keluaran cahaya rendah, ketahanan terhad, dimensi besar, kearah sinaran rendah dan sukar dikawal. Jenis pemancar utama yang digunakan dalam optocoupler ialah diod pemancar cahaya suntikan semikonduktor - LED. Mari kita pertimbangkan proses penukaran tenaga dalam optocoupler sedemikian (Rajah 11, a).
Pada antara muka antara p- dan kawasan struktur semikonduktor, seperti yang ditunjukkan di atas, persimpangan p-n muncul, di mana cas ruang lubang dan elektron tertumpu. Apabila voltan hadapan 1/ip digunakan pada struktur di kawasan aktif B kristal jenis semikonduktor tertentu (contohnya, galium arsenide dan sebatian berdasarkannya), lebihan kepekatan pembawa cas bebas yang disuntik oleh p- simpang pincang ke arah hadapan dicipta. Aliran elektron yang terhasil melalui kawasan cas ruang E, menghasilkan arus elektron /p. Sesetengah elektron bergabung semula dalam kawasan B dan C legap aktif kristal dengan lubang. Setiap tindakan penggabungan semula pembawa caj utama disertai dengan pelepasan kuantum cahaya, i.e. penggabungan semula sinaran berlaku.
Pada masa yang sama, komponen semasa lubang /p timbul, disebabkan oleh suntikan lubang ke kawasan-n dan mencerminkan fakta bahawa tiada input p-n dengan suntikan satu sisi. Perkadaran arus ini lebih kecil, lebih kuat wilayah /m didopkan berbanding dengan kawasan p struktur kristal.
Sebahagian daripada sinaran yang terhasil diserap dalam kawasan optik "telus" A kristal (sinar 1 dalam Rajah 11.6), sebagai tambahan, pantulan dalaman (sinar 2) berlaku apabila sinaran cahaya jatuh pada antara muka antara semikonduktor dan media udara yang mempunyai ketumpatan optik yang berbeza, yang akhirnya membawa kepada kehilangan mereka disebabkan oleh penyerapan diri.
nasi. 11. Model LED elektrik (a) dan optik (6).
Penjanaan kuanta di kawasan aktif semikonduktor adalah spontan dan dicirikan oleh fakta bahawa sinar cahaya diarahkan sama besar kemungkinannya ke semua arah. Sinar 3 yang merambat ke arah kawasan terdop berat semikonduktor diserap dengan cepat. Rantau aktif B mempunyai kesan pandu gelombang, dan sinar 4, disebabkan oleh pelbagai pantulan, difokuskan di sepanjang rantau ini, jadi keamatan sinaran akhir adalah lebih tinggi daripada arah keluar cahaya yang lain dari kristal.
Bahan utama dari mana pemancar dibuat ialah galium arsenide dan sebatian berasaskannya, dan bahan untuk pengesan foto ialah silikon. Kedua-dua jenis bahan mempunyai ketumpatan optik yang hampir sama (indeks biasan). Keadaan ini memastikan pemadanan optik lengkap penjana dan unit penerima optocoupler.
Pengesan foto. Prinsip operasi pengesan foto yang digunakan dalam optocoupler adalah berdasarkan kesan fotoelektrik dalaman, yang terdiri daripada pemisahan elektron daripada atom di dalam badan kristal di bawah pengaruh sinaran elektromagnet (optik). Pembentukan elektron bebas membawa kepada perubahan dalam sifat elektrik badan yang disinari, dan fenomena fotoelektrik yang terhasil digunakan dalam amalan. Telah terbukti secara eksperimen bahawa fenomena fotoelektrik yang paling ketara berlaku dalam semikonduktor, terutamanya dalam yang tulen. Oleh itu, dalam pengesan foto, kuanta cahaya ditukar kepada tenaga cas elektrik mudah alih, di bawah pengaruhnya foto-EMF timbul di persimpangan pn.
Apabila membangunkan optocoupler, photodetector ialah elemen penentu bagi optocoupler, dan pemancar dipilih "untuk photodetector." Tahap optocoupler dicirikan dengan terbaik oleh optocoupler diod, jenis perindustrian yang dibezakan oleh kesederhanaan reka bentuknya, kepelbagaian hebat, keluasan kefungsian, dan gabungan parameter elektrik yang baik.
Reka bentuk peranti semikonduktor kuasa. Asas untuk reka bentuk mana-mana peranti semikonduktor ialah struktur semikonduktor, yang menentukan parameter dan ciri elektriknya. Struktur dengan elemen yang memberikan kekuatan mekanikal yang diperlukan, sentuhan elektrik dan haba yang boleh dipercayai dengan badan peranti dipanggil elemen reka bentuk injap. Elemen injap mesti ada perlindungan yang boleh dipercayai daripada pengaruh alam sekitar, jadi ia diletakkan di dalam perumahan yang memastikan pengedap dan kekuatan mekanikal keseluruhan struktur.
Berdasarkan jenis reka bentuk perumahan, semua injap semikonduktor kuasa boleh dibahagikan kepada jenis pin, tapak rata (bebibir) dan jenis tablet.
Dalam Rajah. Rajah 12 menunjukkan reka bentuk pin thyristor, tapaknya 2 diperbuat daripada kuprum bersama dengan bolt berulir 1 untuk memastikan sentuhan elektrik dan haba dengan penyejuk. Thyristor dengan tapak perumahan rata (Rajah 12c) mempunyai bebibir kuprum 1 untuk mengikat peranti ke penyejuk. Penutup sarung dalam kedua-dua jenis thyristor dibuat dalam reka bentuk logam-kaca atau logam-seramik. Terminal kuasa atas 3 boleh dibuat dalam bentuk abah-abah jalinan logam (kuprum) (terminal fleksibel) atau rod tembaga berongga yang diisi dengan plumbum (terminal tegar, Rajah 12.6). 
nasi. 12. Reka bentuk thyristor berkuasa:
a - pin thyristor dengan fleksibel dan b - tanpa output fleksibel; c - thyristor bebibir dengan plumbum fleksibel
Thyristor reka bentuk tablet (Rajah 13, e) dibuat dalam bentuk tablet 1 dalam selongsong seramik beralun, yang melindungi elemen injap daripada pencemaran dan kerosakan mekanikal. Tablet diletakkan di antara 2 dan bawah 6 asas logam peranti, yang bersentuhan dengan penyejuk, mewujudkan sentuhan elektrik dan haba. Elektrod kawalan 4 thyristor terletak pada permukaan sisi perumah. Peranti disambungkan kepada litar elektrik melalui plat pembawa arus 3 dan 5.
Reka bentuk pin dan bebibir digunakan untuk injap kuasa untuk arus sehingga 320 A, reka bentuk tablet untuk arus 250 A dan banyak lagi. Peranti dengan tapak badan rata lebih tahan terhadap perubahan suhu kitaran. Dalam pembangunan thyristor beberapa tahun kebelakangan ini reka bentuk ini digunakan lebih kerap.
Dalam Rajah. 13.6 menunjukkan reka bentuk transistor silikon kuasa baharu siri TK sebagai contoh. Peranti sedemikian mempunyai badan besar reka bentuk pin dengan bolt berulir pada asas untuk sambungan ke radiator dan asas tegar dan petunjuk pemancar.
ciri umum peranti semikonduktor. Industri domestik menghasilkan pelbagai jenis peranti semikonduktor kuasa, penggunaannya memungkinkan untuk mencipta pelbagai penukar tenaga elektrik yang menjimatkan, bersaiz kecil dan sangat boleh dipercayai. Untuk kemudahan memilih peranti semikonduktor dalam proses mereka bentuk pemasangan dan menggantikan injap yang gagal semasa operasinya, sistem simbol alfanumerik digunakan untuk diod kuasa, thyristor, transistor dan optocoupler (GOST 15543-70*).
nasi. 13. Reka bentuk tablet thyristor T500 tanpa penyejuk (a) dan dimensi keseluruhan dan pemasangan transistor kuasa (b)
Untuk mengawal photothyristor, tingkap khas disediakan di dalam perumahannya untuk menghantar fluks cahaya. Dalam thyristor optocoupler, diod pemancar cahaya semikonduktor - LED - digunakan sebagai pemancar, yang mana isyarat kawalan dibekalkan. Kelebihan ketara thyristor foto dan optocoupler berbanding thyristor yang dikawal oleh isyarat elektrik ialah ketiadaan sambungan galvanik antara litar kuasa peranti dan sistem kawalannya.
