Źródła promieniowania optycznego stosowane w optoelektronika, ogólnie rzecz biorąc, jest bardzo różnorodna. Jednak większość z nich (subminiaturowe żarówki żarowe i gazowo-wyładowcze, emitery elektroluminescencyjne proszkowe i foliowe, katodoluminescencyjne próżniowe i wiele innych typów) nie zaspokoi całego zestawu. nowoczesne wymagania i są stosowane tylko w pojedynczych urządzeniach, głównie w urządzeniach wskaźnikowych i częściowo w transoptorach.
Przy ocenie perspektyw danego źródła decydującą rolę odgrywa stan skupienia aktywnej substancji świecącej (lub substancji wypełniającej objętość roboczą). Spośród wszystkich możliwych opcji (próżnia, gaz, ciecz, ciało stałe) preferowana jest substancja w stanie stałym, a „wewnątrz” - monokrystaliczna, jako zapewniająca największą trwałość i niezawodność urządzeń.
Podstawę optoelektroniki stanowią dwie grupy emiterów:
1) optyczne generatory promieniowania spójnego (lasery), wśród których należy wyróżnić lasery półprzewodnikowe;
1) półprzewodnikowe diody elektroluminescencyjne działające na zasadzie spontanicznej elektroluminescencji wtryskowej.
Optoelektroniczne urządzenie półprzewodnikowe to urządzenie półprzewodnikowe, któreemitujące lub przetwarzające promieniowanie elektromagnetyczne, czułe na to promieniowanie w zakresie widzialnym, podczerwonym i (lub) nadfioletowym widma, lub wykorzystujące takie promieniowanie do wewnętrznego oddziaływania jego elementów.
Optoelektroniczne przyrządy półprzewodnikowe można podzielić na półprzewodnikowe emitery, odbiorniki promieniowania, transoptory oraz optoelektroniczne układy scalone (rys. 2.1).
Emiter półprzewodnikowy to optoelektroniczne urządzenie półprzewodnikowe, które przekształca energię elektryczną w energię promieniowania elektromagnetycznego w widzialnych, podczerwonych i ultrafioletowych obszarach widma.
Wiele emiterów półprzewodnikowych może emitować tylko niespójne fale elektromagnetyczne. Należą do nich emitery półprzewodnikowe widzialnego obszaru widma - półprzewodnikowe urządzenia wyświetlające informacje (diody elektroluminescencyjne, wskaźniki znaków półprzewodnikowych, wagi i ekrany), a także emitery półprzewodnikowe obszaru podczerwieni widma - diody emitujące podczerwień.
Koherentne emitery półprzewodnikowe to lasery półprzewodnikowe o różnych rodzajach wzbudzenia. Mogą emitować fale elektromagnetyczne o określonej amplitudzie, częstotliwości, fazie, kierunku propagacji i polaryzacji, co odpowiada koncepcji koherencji.
Celem pracy jest eksperymentalne badanie właściwości urządzeń światłoczułych i emitujących światło.
Krótka informacja teoretyczna.
Optoelektroniczne przyrządy półprzewodnikowe można podzielić na dwie grupy: emitujące i światłoczułe (fotodetektor). Pierwsza grupa obejmuje diody LED i półprzewodnikowe emitery laserowe, a druga grupa obejmuje fotodiody, fototranzystory, fototyrystory, fotorezystory i szereg innych.
Wstęp. Współczesna dziedzina optoelektroniki jest niezwykle szeroka, obejmuje badanie urządzeń, których działanie związane jest ze zjawiskami optycznymi i elektrycznymi, takich jak różnego rodzaju ogniwa światłoczułe, generatory światła, modulatory, wyświetlacze itp. ograniczamy się do badania urządzeń emitujących i detektorów światła.
Definicja Optoelektronika to nauka i zastosowanie sprzętu elektronicznego dostarczającego, wykrywającego i kontrolującego światło. Urządzenia optoelektroniczne to elektryczne przetworniki optyczne lub optyczne na elektryczne lub urządzenia wykorzystujące takie urządzenia w swojej pracy.
Dioda LED to urządzenie, w którego skład wchodzą złącza p-n pomiędzy warstwami materiałów półprzewodnikowych. Przekształca energię przepływającego przez nią prądu w niespójne promieniowanie elektromagnetyczne.
Kiedy prąd stały przepływa przez diodę w strefie złącza p-n, następuje rekombinacja elektronów i dziur. Procesowi temu może towarzyszyć promieniowanie elektromagnetyczne o częstotliwości określonej przez stosunek:
Urządzenia te przekształcają energię elektryczną w energię świetlną. Emitują światło, gdy są aktywowane energią elektryczną. Urządzenia te generują niewielki sygnał elektryczny, gdy są oświetlone, przekształcając w ten sposób energię świetlną w energię elektryczną.
Diody LED to te, które są dostępne w postaci kolorowych żarówek, które występują w urządzeniach optoelektronicznych, sprzęcie AGD, zabawkach i wielu innych miejscach. Diody elektroluminescencyjne to diody, które wpływają na wytwarzanie światła, gdy przepływa przez nie prąd. Diody mają tę właściwość, że przepuszczają prąd tylko w jednym kierunku, a nie w drugim.
jest wartością odpowiadającą pasmowi wzbronionemu półprzewodnika, 
jest stałą Plancka. Jednak równocześnie z tym (promienistym) mechanizmem rekombinacji działa również mechanizm niepromienisty, który jest związany w szczególności z pochłanianiem energii przez sieć krystaliczną. W produkcji diod LED dąży się do zmniejszenia jego wpływu. Wydajność przetwarzania energii elektrycznej na energię świetlną jest szacowana na podstawie wartości 
, zwaną wewnętrzną wydajnością kwantową. Jest ona określona stosunkiem liczby emitowanych fotonów do liczby rekombinowanych par nośników.
Diody emitujące światło. Te zanieczyszczenia nazywane są atomami donorowymi, ponieważ wnoszą stosunkowo „wolny” elektron do struktury. Te zanieczyszczenia nazywane są atomami akceptorowymi, ponieważ nie ma wystarczającej liczby elektronów do uzupełnienia wiązań kowalencyjnych sieci, co powoduje powstanie dziury, która szybko przyjmie elektron. Elektrony i dziury mogą poruszać się pod wpływem pole elektryczne, a kiedy rekombinują, powstaje foton lub cząsteczka światła. Ta rekombinacja wymaga przeniesienia energii niezwiązanego swobodnego elektronu do innego stanu.
Jak wynika z (5.1), długość fali promieniowania LED
jest odwrotnie proporcjonalna do pasma wzbronionego półprzewodnika. Diody wykonane z arsenku germanu, krzemu i galu mają maksimum energii wypromieniowanej w zakresie podczerwieni, a ponadto diody germanowe i krzemowe mają duże prawdopodobieństwo rekombinacji niepromieniującej.
Te teksty też mogą być interesujące
W krzemie i germanie większość występuje w postaci ciepła, a emitowane światło jest znikome. Błędy te spowodowane są obecnością harmonicznych w sieci, jak również dokładnością pomiarową aparatury badawczej. Czy sędzia mógł oprzeć się na faktach pierwotnych, które nie tylko zostały stwierdzone przez strony, ale które musiały zostać uzyskane w inny sposób, czy też mógł oprzeć swoje orzeczenie wyłącznie na faktach podniesionych przez strony? Dlaczego warto korzystać z wiedzy w zarządzaniu projektami? . Projekt Plasma Optoelectronics zajmuje się eksperymentalnymi i oddolnymi badaniami w elektronice organicznej, od implementacji urządzeń, ich charakterystyki optoelektronicznej, po modelowanie ich właściwości fizycznych.
Do produkcji diod LED emitujących w zakresie widzialnym stosuje się specjalne materiały półprzewodnikowe - fosforek galu, azotek galu, węglik krzemu i inne o dużej przerwie energetycznej. Nowoczesne diody LED wykorzystują heterozłącza, czyli struktury półprzewodnikowe oparte na materiałach o różnych pasmach wzbronionych.
Dziedzina elektroniki organicznej obejmuje różne technologie wykorzystujące podstawowe urządzenia. Diody elektroluminescencyjne w wyświetlaczach płaskich i energooszczędne oświetlenie Tranzystory polowe w obwodach logicznych - pamięć zapewniająca okablowanie nomadyczne lub niesiatkowe. Działalność grupy rozwijana jest poprzez lokalną, krajową i międzynarodową współpracę z partnerami ze świata akademickiego oraz regionalnych i krajowych struktur przemysłowych.
Osadzanie z fazy gazowej za pomocą wiązki jonów
Większość elementów optoelektronicznych wykorzystuje katody odparowane próżniowo. Osadzanie z fazy gazowej wiązką jonów obejmuje osadzanie przez odparowanie na podłożu i jednoczesną ekspozycję podłoża na wiązkę jonów energetycznych. Metoda ta prowadzi do zmian optycznych, elektrycznych, mechanicznych i właściwości chemiczne osadzona warstwa. Metoda ta umożliwia w szczególności zagęszczenie osadzanych warstw w celu ograniczenia dyfuzji tlenu i wody w elementach. Następnie poprawia się żywotność komponentów.
na ryc. 5.1 pokazuje zależność natężenia promieniowania diod LED z różnych materiałów od długości fali (charakterystyki widmowej), pokazano tam również symbol diody LED na obwodach elektrycznych.
Ryż. 5.1. Charakterystyka widmowa i oznaczenie diod LED w obwodach elektrycznych.
Rozwój nanostrukturalnych półprzewodników nieorganicznych
W tym kontekście w laboratorium opracowano metody miękkiego napylania jonowego. Hybrydowe elementy optoelektroniczne wykorzystujące właściwości organicznych i materia nieorganiczna w tym samym urządzeniu wykazały dziś znaczny potencjał w zakresie opracowywania konkurencyjnych, tanich rozwiązań. W tym kontekście interesuje nas synteza nanokryształów nieorganicznych tlenków metali o dobrze kontrolowanej morfologii stosowanych w warstwach aktywnych naszych urządzeń, a także osadzanie cienkich warstw nieorganicznych metodą pirolizy aerozolowej, wykorzystywanych jako przezroczyste elektrody przewodzące, warstwy blokujące lub warstwy buforowe w komponentach zaprojektowanych w laboratorium.
Charakterystyka prądowo-napięciowa diody LED (ryc. 5.2) jest podobna do charakterystyki konwencjonalnej diody półprzewodnikowej. Jego osobliwością jest to, że napięcia przewodzenia mogą osiągnąć kilka woltów (ze względu na dużą przerwę energetyczną), a napięcia wsteczne są małe ze względu na małą grubość złącza p-n. W przypadku przebicia elektrycznego diody LED, na skutek jonizacji uderzeniowej, w objętości złącza p-n może również dojść do wypromieniowania energii elektromagnetycznej. Jednak intensywność promieniowania w tym trybie jest niska i nie znajduje praktycznego zastosowania.
Nowe pojawiające się technologie
Zatapianie materiałów organicznych metodą ablacji laserowej. . Zjawisko ablacji laserowej można wykorzystać do wytwarzania cienkich warstw organicznych: ma tę zaletę, że umożliwia wytwarzanie warstw o kontrolowanej grubości i dobrej jakości kryształów w temperaturze środowisko. Aby uniknąć degradacji struktury molekularnej związku, konieczna jest praca przy małej gęstości strumienia zbliżonej do fluencji progowej. Ablacja laserowa umożliwia również selektywne wytrawianie przez maskę wcześniej nałożonych warstw.
Ryż. 5.2. Charakterystyka woltoamperowa diod LED.
Ważną cechą diody LED jest jasność, czyli zależność jasności promieniowania 
od ilości prądu stałego. Jasność określa stosunek natężenia światła do powierzchni świecącej powierzchni. Przybliżony widok takiej charakterystyki pokazano na ryc. 5.3. Jego zakręty w początkowym i końcowym odcinku tłumaczy się tym, że przy niskich i wysokich prądach wzrasta prawdopodobieństwo rekombinacji niepromienistej.
Rozwój elektrod na bazie nanorurek węglowych. . Z elektrycznego punktu widzenia nanorurki są zwykle metalowe lub półprzewodnikowe, w zależności od ich geometrii. Poprzez podejście oparte na rozwiązaniach dążymy do opracowania i optymalizacji elektrod z nanorurek węglowych.
Rozwój składników hybrydowych przez współstrącanie. . Zasada współstrącania składników hybrydy. Jako nowatorskie podejście proponujemy współosadzanie materiału organicznego przez odparowanie i materiału nieorganicznego przez rozpylanie jonowe. Takie warstwy hybrydowe mogą być również stosowane jako warstwy barierowe do hermetyzacji komponentów.
Ryż. 5.3. Charakterystyka jasności diody LED.
Diody LED, w przeciwieństwie do innych urządzeń emitujących światło (żarówki itp.), są bardzo szybkie (bezwładnościowe). Czas, w którym strumień świetlny generowany przez diodę LED pod wpływem prostokątnego impulsu prądu stałego osiąga maksimum, mieści się w przedziale od kilku mikrosekund do kilkudziesięciu nanosekund.
Urządzenia optoelektroniczne
Organiczne i hybrydowe ogniwa fotowoltaiczne
Ogniwa fotowoltaiczne umożliwiają zamianę energii świetlnej na energię elektryczną poprzez pochłanianie fotonów, a następnie tworzenie i ostatecznie przenoszenie swobodnych ładunków w warstwie aktywnej składającej się z materiałów elektronodonorowych i akceptujących. Komórki organiczne oparte na małych sprzężonych cząsteczkach lub polimerach półprzewodnikowych mają tę zaletę, że są projektowane tanio na elastycznych podłożach.W przypadku organicznych ogniw słonecznych główne zadania to. Kontrola morfologii w skali nanometrowej, zarówno dla komponentów opartych na odparowanych małych cząsteczkach, jak i dla komórek opartych na sprzężonych polimerach i rozpuszczalnych akceptorach molekularnych.
Diody LED charakteryzują się następującymi głównymi parametrami: długość fali maksymalnego promieniowania lub kolor poświaty; jasność lub natężenie światła przy danym prądzie stałym; spadek napięcia przewodzenia dla danego prądu przewodzenia oraz maksymalny dopuszczalny prąd przewodzenia, napięcie wsteczne i moc rozpraszana przez diodę LED.
Fotodioda jest urządzeniem półprzewodnikowym, którego złącze p-n jest otwarte na promieniowanie zewnętrzne. Jeżeli zewnętrzne źródła napięcia nie są podłączone do zacisków diody półprzewodnikowej, to złącze p-n jest w stanie równowagi. W tym przypadku różnica potencjałów na zaciskach diody wynosi zero, a na styku między warstwami półprzewodnika występuje wewnętrzne pole elektryczne, które uniemożliwia ruch głównych nośników przez złącze p-n.
Optymalizacja elektrod metodą wiązki jonów. Modelowanie stref aktywnych komórek w celu poprawy ich właściwości i żywotności. Optymalizacja struktur elektrodowych ogniw słonecznych na bazie odparowanych małych cząsteczek. Równolegle z komponentami organicznymi w ostatnim czasie rozpoczęliśmy produkcję i optoelektroniczną charakterystykę hybrydowych ogniw fotowoltaicznych opartych na nanostrukturalnych tlenkach metali. Interesują nas głównie komórki uczulone barwnikami w stanie stałym, których potencjalna wydajność może być Oprócz komórek uczulonych, nadal rozwijamy również konwencjonalne komponenty hybrydowe.
Pod wpływem promieniowania elektromagnetycznego (podczas naświetlania) w objętości przejścia dochodzi do zerwania wiązań elektronów z atomami - generowania par elektron-dziura. Zjawisko to nazywane jest wewnętrznym efektem fotoelektrycznym. Pole złącza p-n przesunie utworzone otwory do regionu P-półprzewodnik i odpowiednio elektrony w N-półprzewodnik, separujący generowane nośniki. Jednocześnie pojawi się pewna różnica potencjałów na zewnętrznych krawędziach warstw półprzewodnikowych („+” na anodzie diody, „-” na jej katodzie) i jednocześnie wysokość bariery potencjału złącze p-n zmniejszy się o wartość tej różnicy.
Główne wysiłki ukierunkowane są na precyzyjną kontrolę nanoskalowych architektur poprzez niedrogi rozwój nanoporowatych warstw tlenków metali. Zasada sensybilizowanych komórek barwnikowych w stanie stałym. Kontakt: Thierry Trigot, Bruno Lucas. Zespół opracowuje nowe technologie wytwarzania układów elektronicznych opartych na tranzystorach organicznych. Celem jest uzyskanie produktów niedrogich ze względu na użyte materiały i stosowane metody produkcji. dwa obszary badań są rozwijane głównie w laboratorium.
Przezroczyste tranzystory organiczne. Elastyczne obwody otrzymywane metodami drukarskimi. badane z teoretycznego punktu widzenia. Fizyka półprzewodników organicznych. Rozwiązania technologii drukowania. Stan interfejsu: zgodnie z metodami osadzania i zdeponowanymi materiałami.
Nazywa się różnicę potencjałów generowaną przez fotodiodę pod wpływem światła fotoemf.
. Jego wartość zależy od strumienia świetlnego (ryc. 5.4), ale fotoemf. nie może przekroczyć różnicy potencjałów styków 
. Wyjaśnia to fakt, że kierunki pól zewnętrznych i wewnętrznych są przeciwne i rosną 
całkowite pole elektryczne, które powoduje ruch nośników ładunku, maleje. Gdy zdjęcie emf jest równe. I siła powodująca ruch nośników zniknie. Nazywa się wielkość różnicy potencjałów utworzonej na zaciskach fotodiody z otwartym obwodem zewnętrznym napięcie obwodu otwartego.
Architektura łańcuchów organicznych. Typowe charakterystyki tranzystora organicznego osadzonego na elastycznym podłożu. Ponadto opracowujemy inne zaawansowane komponenty oparte na wykorzystaniu tranzystorów organicznych, takich jak ogniwa słoneczne. Naprawdę, różne efekty można uzyskać w ciałach stałych przez absorpcję lub emisję fotonu przez materiał, takie jak fotoprzewodnictwo lub efekt fotowoltaiczny, które są bezpośrednio związane z mechanizmami transportu. Fototranzystor, który wykorzystuje właściwości fotoprzewodzące warstwy aktywnej tranzystora, może być używany jako zdejmowany przełącznik światła, wzmacniacz siatki optycznej, obwód wykrywający lub czujnik.
Ryż. 5.4. Zależność zdjęcia emf i prąd zwarciowy złącza p-n od wielkości strumienia świetlnego.
Jeżeli zaciski diody z podświetlonym złączem p-n zostaną zwarte, to przez przewodnik popłynie prąd elektryczny, zwany fotoprądem 
, ze względu na ukierunkowany ruch swobodnych nośników utworzonych w strefie przejściowej. Ich ruch nastąpi pod działaniem wewnętrznego pola elektrycznego przejścia. Gdy fotodioda jest oświetlona, prąd ten będzie utrzymywany dzięki energii promieniowania świetlnego, które powoduje generowanie par elektron-dziura. Przy zerowej rezystancji obwodu zewnętrznego taki prąd nazywany jest prądem zwarciowym.
Organiczne diody LED
Tranzystor organiczny na elastycznym podłożu po wzbudzeniu światłem. Odpowiedź czasowa tranzystora dla różne napięcia odpływu i w zależności od oświetlenia. Osoba kontaktowa: Remy Anthony, Bruno Lucas. Organiczne diody elektroluminescencyjne umożliwiają konwersję energii elektrycznej na energię świetlną. Struktury są typu warstwowego z jedną lub kilkoma warstwami organicznymi umieszczonymi pomiędzy dwiema elektrodami, z których jedna jest przezroczysta dla emitowanej długości fali. Przyłożenie pola elektrycznego do zacisków elementu pozwala na wprowadzenie nośników ładunku, które będą migrować do warstw organicznych, a rekombinacja tych nośników doprowadzi do powstania quasi-cząstki zwanej ekscytonem.
Wartość fotoprądu , podobnie jak wartość fotoemf, jest proporcjonalna do strumienia świetlnego (ryc. 5.4), ale odpowiednia zależność
nie ma wyraźnego obszaru nasycenia, ponieważ przy dowolnej liczbie utworzonych nośników działające na nie pole elektryczne będzie równe polu różnicy potencjałów kontaktowych.
Długość fali emitowanego światła i inne właściwości optoelektroniczne zależą od rodzaju warstwy emitującej. Charakterystyka fotokomórki w ciemności i przy oświetleniu. Podzespoły te umożliwiają np. przesyłanie informacji przy zachowaniu izolacji elektrycznej, co można również wykorzystać do oceny ich działania pod kątem żywotności czy stabilności termicznej.
Zaawansowane metody charakteryzacji
Pomiar ruchliwości ładunków i zjawisk transportowych
Zatem właściwości składników organicznych silnie zależą od mobilności nośników i mechanizmów transportowych. Dlatego też, aby ocenić te delikatne parametry, które należy zmierzyć, opracowaliśmy metodę pomiaru ruchliwości opartą na pomiarach dielektrycznych: . Następnie na podstawie charakterystyki gęstości prądu w funkcji napięcia wyznacza się gęstość nośników, aby ostatecznie określić ich ruchliwość.Zatem w obecności zewnętrznych źródeł światła fotodioda może służyć jako generator emf. lub aktualne, tj. pełnić funkcje przekształcania energii świetlnej w energię elektryczną. Na tej zasadzie opiera się działanie przetwornic (baterii) słonecznych. Opisany tryb pracy fotodiody (bez źródeł zewnętrznych) nazywany jest bramkowanym.
Charakterystyka prądowo-napięciowa fotodiody, tj. zależność przepływającego przez nią prądu od wielkości zewnętrznego przyłożonego napięcia jest w pewien sposób związana z oświetleniem. Oczywiście, jeśli złącze p-n nie jest oświetlone, wówczas charakterystyka prądowo-napięciowa fotodiody będzie identyczna z odpowiednią charakterystyką konwencjonalnej diody. Ta sytuacja odpowiada wykresowi na ryc. 5,5 za
=0.
Ryż. 5.5. Charakterystyka woltoamperowa fotodiody.
Gdy do przyciemnionej fotodiody zostanie przyłożone napięcie wsteczne, popłynie przez nią tzw. ciemny prąd. 
, określony, jak dla konwencjonalnej diody, zależnością:
(5.2)
Gdzie 
– prąd nasycenia, 
jest potencjałem temperaturowym,
- zastosowane napięcie. Gdy złącze p-n zablokowanej diody jest podświetlone, w jego objętości i obszarach przyległych będą generowane pary nośników. Zostaną one przeniesione przez zewnętrzne pole elektryczne do krawędzi warstw półprzewodnikowych i przez diodę popłynie prąd wsteczny
(5.3)
Gdzie - prąd ciemny, to prąd wytwarzany przez nośniki wytwarzane przez promieniowanie elektromagnetyczne (fotoprąd). Ten prąd warunkowo ma znak ujemny. Ponieważ wielkość fotoprądu jest proporcjonalna do strumienia świetlnego
, to wraz ze wzrostem oświetlenia odwrotna gałąź CVC fotodiody przesunie się w dół prawie równolegle, jak pokazano na ryc. 5.5. Ten tryb pracy fotodiody (z odwrotną polaryzacją złącza p-n) nazywany jest fotodiodą.
Jeśli do fotodiody zostanie przyłożone napięcie równe zero, będzie to odpowiadać jej zwarciu i, jak wspomniano wcześniej, przez obwód zewnętrzny popłynie określony prąd, zwany prądem zwarciowym
.
Gdy biegunowość napięcia na diodzie jest odwrócona, zewnętrzne pole elektryczne jest włączane przeciwnie do pola fotoemf, co powoduje spadek przepływu nośnika przez złącze p-n i odpowiednio spadek prądu wstecznego. Gdy napięcie przewodzenia osiągnie określoną wartość, prąd diody zostanie zatrzymany. Wartość tego napięcia odpowiada trybowi jałowemu i będzie równa
generowane przez diodę przy zadanym oświetleniu i otwartym obwodzie zewnętrznym. Dalszy wzrost różnicy potencjałów otwarcia spowoduje przepływ przez diodę prądu stałego, którego zależność od napięcia opisuje zależność podobna do (5.2)
, a całkowity prąd będzie równy
.
Fotodiody są powszechnie stosowane jako czujniki światła i działają w odwrotnej polaryzacji, czyli w trybie fotodiodowym. Charakteryzują się następującymi parametrami: – prąd ciemny (prąd wsteczny zaciemnionej fotodiody przy danej temperaturze i napięciu wstecznym);
- zintegrowane lub
– różnicowa światłoczułość. Ten ostatni jest często definiowany jako stosunek zmiany prądu wstecznego
do zmiany strumienia świetlnego, która to spowodowała
.
Czułość fotodiody zależy od długości fali zastosowanego światła. Zależność tę dla fotodiod wykonanych z różnych materiałów oraz ich oznaczenie na schematach obwodów pokazano na rys. 5.6.
Ryż. 5.6. Charakterystyka widmowa fotodiody i jej oznaczenie na obwodach elektrycznych.
Ponieważ tranzystor bipolarny jest strukturą zawierającą złącza p-n, sterowanie prądem w nim może odbywać się nie tylko poprzez zmianę odpowiednich napięć, ale także poprzez oświetlenie obszaru podstawy. Tranzystor, dla którego przewidziany jest ten tryb działania, nazywany jest fototranzystorem. W przypadku braku oświetlenia jego charakterystyka prądowo-napięciowa jest identyczna z charakterystyką konwencjonalnego tranzystora.
Pod wpływem strumienia świetlnego w złączach p-n obszaru podstawowego będą generowane pary elektron-dziura. Przez pole zablokowanego złącza kolektora elektrony (dla tranzystora npn) zostaną wciągnięte do obszaru kolektora, zwiększając jego prąd. Ta sytuacja jest podobna do działania fotodiody w trybie polaryzacji wstecznej.
Otwory, które pojawiły się po oświetleniu fototranzystora (typu n-p-n) pozostają w bazie, zwiększając jego dodatni potencjał, co prowadzi do zwiększenia intensywności wstrzykiwania elektronów z emitera. Dodatkowe elektrony, które dotarły do złącza kolektora, zostaną wciągnięte przez jego pole do obszaru kolektora i wytworzą dodatkowy przyrost prądu kolektora. Całkowity prąd kolektora fototranzystora, gdy jest on włączony zgodnie z obwodem wspólnego emitera, zostanie opisany zależnością:
– przez prąd kolektora, 
jest fotoprądem złącza kolektora, którego wartość zależy od oświetlenia zewnętrznego. Z (5.4) wynika, że prądem kolektora fototranzystora można sterować zarówno przez obwód podstawowy, jak i poprzez zmianę wartości strumienia świetlnego. Światłoczułość takiego tranzystora wynosi ok
razy czułość fotodiody.
Rodzinę wyjściowych charakterystyk prądowo-napięciowych fototranzystora pokazano na ryc. 5.7. Pokazuje również równoważny obwód fototranzystora w postaci kombinacji konwencjonalnego tranzystora i fotodiody.
Ryż. 5.7. Charakterystyka prądowo-napięciowa, oznaczenie i równoważne przedstawienie fototranzystora bipolarnego.
Jeśli połączone sterowanie prądem kolektora nie jest wymagane, fototranzystor może nie mieć kołka bazowego. Ten tryb działania nazywany jest trybem „oderwanym” lub trybem wolnej bazy. W tym przypadku fototranzystor ma nie tylko maksymalną czułość, ale także maksymalną niestabilność swoich parametrów. W celu zwiększenia stabilności wyjście bazowe poprzez rezystor można podłączyć do styku emitera.
Fototyrystory to przełączające urządzenia półprzewodnikowe, których napięcie włączenia może się zmieniać pod wpływem odpowiednich złączy p-n strumienia świetlnego. Warunkiem włączenia tyrystora jest:
, Gdzie 
I 
są współczynnikami przenoszenia równoważnych tranzystorów. W przypadku braku oświetlenia charakterystyka prądowo-napięciowa fototyrystora jest podobna do charakterystyki konwencjonalnego urządzenia przełączającego (dinistora lub tyrystora przy
). Zaświecenie złączy fototyrystorowych powoduje wzrost prądów odpowiednich tranzystorów i ich współczynników przenoszenia. Zmniejszy to napięcie włączenia struktury, jak pokazano na ryc. 5.8. W przypadku odpowiednio intensywnego oświetlenia fototyrystor zostanie załączony przy dowolnej wartości napięcia przewodzenia, a tyrystor przy prądzie sterującym większym od prądu prostownika.
Ryż. 5.8. Charakterystyka prądowo-napięciowa i oznaczenie fototyrystora.
W ten sposób, przykładając napięcie do zaciemnionego fototyrystora, a następnie krótko zapalając złącze p-n, można przełączyć urządzenie w stan załączenia. Wyłączenie fototyrystora, podobnie jak konwencjonalnego urządzenia przełączającego, jest możliwe tylko wtedy, gdy prąd anodowy spadnie do wartości mniejszej niż prąd trzymania. Fototyrystor może mieć również dodatkowe wyjście - elektrodę sterującą, która umożliwia jego załączenie w przypadku podania zarówno sygnału elektrycznego, jak i świetlnego.
Fotorezystor to dwuelektrodowe urządzenie półprzewodnikowe, którego rezystancja zależy od światła otoczenia. W przeciwieństwie do wcześniej omówionych urządzeń, fotorezystor nie zawiera złącz prostowniczych i jest elementem liniowym, tj. jego charakterystyka prądowo-napięciowa jest opisana dla dowolnej polaryzacji napięcia 
stosunek:
, Gdzie 
jest prądem płynącym przez fotorezystor, 
- rezystancja przy danym oświetleniu. Charakterystykę prądowo-napięciową fotorezystora i jego oznaczenie na obwodach elektrycznych pokazano na ryc. 5.9.
Ryż. 5.9. Charakterystyki prądowo-napięciowe i oznaczenia fotorezystorów w obwodach elektrycznych.
Główne parametry fotorezystora to: rezystancja w ciemności 
(rezystancja przy strumieniu świetlnym
), krotność zmiany oporu 
, równy stosunkowi ciemnej rezystancji do rezystancji przy danym oświetleniu. Fotorezystory, podobnie jak fotodiody, różnie reagują na strumienie światła o różnych długościach fal. Najbardziej czułe na promieniowanie podczerwone są fotorezystory wykonane z selenku i siarczku ołowiu, a do pracy w zakresie widzialnym stosuje się fotorezystory z selenku i siarczku kadmu.
Emiter światła i fotodetektor można umieścić w jednej obudowie, tworząc urządzenie zwane transoptorem lub transoptorem. W zależności od kombinacji emiterów i odbiorników światła istnieją różne typy transoptorów. Struktura i oznaczenia na schematach niektórych z nich pokazano na ryc. 5.10.
Ryż. 5.10. Oznaczenie na obwodach elektrycznych różnych typów transoptorów.
Opis wyposażenia laboratorium.
Instalacja do prac laboratoryjnych nr 5 „Badania urządzeń optoelektronicznych” składa się ze stanowisk laboratoryjnych i pomiarowych, wygląd którego panele przednie pokazano na rysunkach 1.8 i 5.11.
Stanowisko laboratoryjne zawiera regulowany zasilacz o zakresie napięć wyjściowych 0 
15V i ogranicznik prądu obciążenia przy 60mA. Przełącznik dźwigienkowy do włączania zasilania, pokrętło regulacji napięcia oraz gniazda wyjściowe znajdują się po prawej stronie panelu stanowiska laboratoryjnego. Jest też przycisk oznaczony „Wył. E”, po naciśnięciu następuje odłączenie napięcia wyjściowego od gniazda oznaczonego „+”.
Ponadto istnieją dwa źródła prądu, których wartości są ustawiane za pomocą odpowiednich przełączników. Prąd bazowy 
można ustawić na zero, 0,1 µA, 1 µA, 10 µA oraz prąd drugiego źródła – 0, 0,5mA, 10mA, 20mA i 30mA.
W niniejszej pracy laboratoryjnej badane są charakterystyki diod LED AL336B (VD1) z zestawem świecenia czerwonego, AL336G (VD2) z zestawem jarzenia zielonego oraz diody podczerwieni AL107A (VD3).
Rezystor 
o wartości nominalnej 680 omów służy do ograniczenia ilości prądu stałego przez diody LED. Ponadto badane są różne typy fotodetektorów, które wchodzą w skład transoptorów diodowych AOD101A (U1), tranzystorowych AOT128A (U2), tyrystorowych AOU103V (U3) i rezystorowych OEP10 (U4). Rezystory
(wartość 1 kOhm) i
(wartość 10 kOhm) są wykorzystywane w badaniu transoptora w trybie transmisji sygnału analogowego, przeprowadzonym w pracy nr 6.
Stanowisko laboratoryjne włączane jest za pomocą przełącznika dwustabilnego „On”. Pracę źródła zasilania sygnalizuje zielona dioda LED znajdująca się przy tym przełączniku.
Procedura prowadzenia prac laboratoryjnych.
1. Domowe przygotowanie.
W trakcie domowych przygotowań należy, korzystając z literatury przedmiotu, określić i zapisać w zeszycie ćwiczeń główne parametry badanych w tej pracy przyrządów półprzewodnikowych. Ponadto konieczne jest sporządzenie wykresów do wykonania pomiarów oraz tabel do zapisania wyników badań.
2. Prowadzenie prac laboratoryjnych.
2.1. Badanie charakterystyk prądowo-napięciowych diod LED.
Zmontuj za pomocą diody VD1 obwód pokazany na ryc. 5.12.
Ryż. 5.12. Schemat badania bezpośredniej gałęzi charakterystyki prądowo-napięciowej diod LED.
Ustaw pokrętło regulatora napięcia w skrajnym lewym położeniu (
); Limit pomiaru PV1 - 1,5V, Limit pomiaru PA1 - 10mA. Włącz zasilanie stołu laboratoryjnego.
Zwiększając napięcie źródła prądu kręcąc pokrętłem w prawo, zmierzyć zależność spadku napięcia na diodzie od prądu przewodzenia, ustawiając jego wartości na równe: 0mA, 1mA, 3mA, 5mA, 10mA, 20mA, 30mA, 40mA, 50mA. Wypełnij pierwszy wiersz tabeli otrzymanymi danymi:
|
| ||||||||||
|
| ||||||||||
|
| ||||||||||
|
|
(mama)
(W)Wykonaj podobne pomiary dla diod VD2, VD3. Ich podłączenie należy wykonać przy odłączonym od napięcia stanowisku laboratoryjnym.
Zmontuj za pomocą diody VD1 obwód pokazany na ryc. 5.13.
Ryż. 5.13. Schemat badania odwrotnej gałęzi charakterystyki prądowo-napięciowej diod LED.
Ustaw limit pomiaru PA1 - 0,1mA, PV1 - 15V. Zmieniając napięcie blokujące na diodzie za pomocą regulatora, zmierz prąd wsteczny i uzupełnij pierwszy wiersz tabeli:
|
| ||||||||
|
| ||||||||
|
| ||||||||
|
|
(W)
(mama)Wykonaj podobne pomiary dla diod VD2, VD3.
2.2. Badanie charakterystyk prądowo-napięciowych fotodiody.
W cyklu tych badań wykorzystywana jest fotodioda z arsenku galu, będąca częścią transoptora diodowego U1.
2.2.1. Badanie gałęzi prostej charakterystyki prądowo-napięciowej fotodiody.
Złóż obwód pokazany na rys. 5.14.
Ryż. 5.14. Schemat badania bezpośredniej gałęzi charakterystyki prądowo-napięciowej fotodiody.
Ustaw regulator napięcia w skrajnej lewej pozycji (
), przełącznik, który ustawia prąd - V stan zerowy, granica pomiaru woltomierza PV1 wynosi 0,75 V, miliamperomierz PA1 wynosi 10 mA.
Zwiększając napięcie wyjściowe zasilacza, ustawić prądy stałe fotodiody na wartości wskazane w tabeli na ryc. 5.15, zmierz spadek napięcia na nim i wypełnij pierwszy wiersz tabeli uzyskanymi danymi.
Ustawiając przełącznik z napisem „I” wartości prądu diody LED na 5, 10, 20 i 30 mA i tym samym zwiększając świecenie fotodiody, przeprowadzamy analogiczne pomiary.
|
| |||||||||
|
|
|
||||||||
|
|
|
||||||||
|
|
|
||||||||
|
|
|
||||||||
|
|
|
mama
mama
mama
mama
mamaRyż. 5.15. Tabela do zapisywania wyników badań gałęzi bezpośredniej charakterystyki prądowo-napięciowej fotodiody.
2.2.2. Badanie napięcia obwodu otwartego i prądu zwarcia fotodiody.
Odłącz zasilanie od obwodu (Rys. 5.14) i ustawiając prąd płynący przez diodę LED na 0,5, 10, 20 i 30 mA, zmierz wartości napięcia jałowego fotodiody, gdy pracuje ona w trybie zaworowym . Zapisz wyniki w tabeli:
|
| |||||
|
| |||||
|
|
Aby zmierzyć prąd zwarciowy, złóż obwód pokazany na rys. 5.16. Ustawiając prądy płynące przez diodę zgodnie z podanymi w powyższej tabeli, zmierz wartości prądów zwarciowych fotodiody i wpisz wyniki w dolnym wierszu tabeli.
Ryż. 5.16. Układ do pomiaru prądu zwarciowego fotodiody pracującej w trybie bramkowym.
2.2.3. Badanie gałęzi pośredniej charakterystyki prądowo-napięciowej fotodiody podczas pracy w trybie zaworowym.
Złóż obwód pokazany na rys. 5.17.
Ryż. 5.17. Schemat badania charakterystyk prądowo-napięciowych fotodiody.
Ustaw prąd diody LED na 5 mA. Zmieniając napięcie na wyjściu zasilacza, ustaw prąd płynący przez fotodiodę na zero. Napięcie to powinno być zbliżone do poprzednio zmierzonej wartości.
przy odpowiednim prądzie LED. Zmniejszając napięcie do zera, zmierz prądy fotodiody dla trzech do pięciu jej wartości i wpisz wyniki do tabeli:
|
| ||||||||
|
|
(W)Wielkość prądu przewodzenia przy zerowym napięciu zasilacza powinna być zbliżona do odpowiedniej wartości
. Wykonaj cykl podobnych pomiarów dla prądów płynących przez diodę LED, równych 10, 20 i 30mA.
2.2.4. Badanie odwrotnej gałęzi charakterystyki prądowo-napięciowej fotodiody.
Złóż obwód pokazany na rys. 5.18.
Ryż. 5.18. Schemat badania odwrotnej gałęzi charakterystyki prądowo-napięciowej fotodiody.
Ustaw prąd płynący przez diodę LED na zero, napięcie zasilania bliskie zeru, granica pomiaru PV1 wynosi 15 V, granica pomiaru PA1 wynosi 0,1 mA.
Zmierzyć zależność prądu wstecznego fotodiody od wielkości napięcia blokującego i wypełnić pierwszym wierszem tabeli pokazanej na rys. 1 odpowiednimi danymi. 5.19. Ustawiając prąd przez diodę na 5, 10, 20 i 30mA, wykonaj podobne pomiary i wpisz wyniki do tej samej tabeli.
|
| ||||||||
|
|
|
|||||||
|
|
|
|||||||
|
|
|
|||||||
|
|
|
|||||||
|
|
|
Ryż. 5.19. Tabela do zapisywania wyników badania odwrotnej gałęzi charakterystyki prądowo-napięciowej fotodiody.
2.3. Badanie charakterystyk wyjściowych fototranzystora.
W trakcie tych badań wykorzystywany jest fototranzystor, który jest częścią transoptora tranzystorowego
.
Złóż obwód pokazany na rys. 5.20.
Ryż. 5.20. Schemat badania charakterystyk wyjściowych fototranzystora.
Ustaw prądy I równe zero, pokrętło regulatora napięcia znajduje się w skrajnej lewej pozycji, granica pomiaru PA1 wynosi 0,1 mA, granica pomiaru PV1 wynosi 15 V.
Zmierzyć prąd kolektora tranzystora przy napięciach zasilania 0, 1, 3, 6, 9, 12 i 15V i wpisać wyniki do odpowiedniego wiersza tabeli pokazanej na rys. 5.21. Ustawiając prądy bazowe na 1, 5 i 10 μA, wykonaj analogiczne pomiary dla nieoświetlonego tranzystora (z
= 0). Zapisz wyniki w odpowiednich wierszach tabeli.
Ustaw prąd diody LED na 20mA i wykonaj cykl podobnych pomiarów.
|
| |||||||||
|
|
|
|
|||||||
|
|
|
||||||||
|
|
|
||||||||
|
|
|
||||||||
|
|
|
|
|||||||
|
|
|
||||||||
|
|
|
||||||||
|
|
|
(W)
(mama)
uA
uA
uARyż. 5.21. Tabela do zapisywania wyników badania charakterystyk wyjściowych fototranzystora.
2.4. Badanie fototyrystora.
Podczas wykonywania tej pozycji używany jest fototyrystor, który jest częścią transoptora tyrystorowego
.
Złóż obwód pokazany na rys. 5.22.
Ryż. 5.22. Schemat badania fototyrystora.
Ustaw prąd przez fotodiodę na zero, pokrętło regulatora napięcia wyjściowego w skrajnej lewej pozycji, granica pomiaru PV1 wynosi 15V.
Zwiększając napięcie zasilacza, spróbuj włączyć tyrystor. Jeśli jest włączona, zaświeci się dioda VD2. Zmierz wartość
. Zmniejszyć napięcie zasilania do zera i nacisnąć przycisk „Off”. E „aby przenieść tyrystor do pierwotnego stanu. Ustawiając prąd diody na 2, 5, 10 i 20mA, wykonaj analogiczne pomiary i wpisz wyniki do tabeli:
|
| |||||
|
|
Ustaw prąd LED na zero. Wyłącz tyrystor. Ustaw maksymalne napięcie zasilacza i sekwencyjnie zwiększając prąd przez diodę LED, włącz tyrystor. Spróbuj go wyłączyć, zmniejszając prąd diody LED do zera.
2.5. Badanie fotorezystora.
Podczas wykonywania tego elementu pracy laboratoryjnej badane są właściwości fotorezystora, który jest częścią transoptora
.
Złóż obwód pokazany na rys. 5.23.
Ryż. 5.23. Schemat badania fotorezystora.
Ustaw prąd równe zeru, pokrętło regulatora napięcia - maksymalnie w lewo (
), granica pomiaruPV1 - 15V, PA1 - 0,1mA.
Zmieniając napięcie na fotorezystorze zmierzyć przepływający przez niego prąd i wpisać wynik w pierwszym wierszu tabeli pokazanej na rys. 5.24. Zwiększając kolejno wartości prądów płynących przez żarówkę, wykonaj podobne pomiary i zapisz wyniki w odpowiednich wierszach tabeli.
|
| |||||||
|
|
|
||||||
|
|
|
||||||
|
|
|
||||||
|
|
|
||||||
|
|
|
(mama)Ryż. 5.24. Tabela do zapisywania wyników badań charakterystyk prądowo-napięciowych fotorezystora.
Zmień polaryzację napięcia źródła zasilania i przyrządów pomiarowych (zmontuj obwód pokazany na ryc. 5.25). Wykonaj cykl podobnych pomiarów i zapisz wyniki w tabeli.
Ryż. 5.25. Schemat badania charakterystyk prądowo-napięciowych fotorezystora z odwróconą polaryzacją napięcia.
3. Przetwarzanie wyników eksperymentów.
3.1. Przetwarzanie wyników uzyskanych podczas wykonywania pkt 2.1.
Skonstruować na jednym arkuszu papieru milimetrowego gałęzie proste i odwrotne charakterystyk prądowo-napięciowych badanych diod, przyjmując skalę wzdłuż osi prądów i napięć dla gałęzi prostej 5mA/cm, 0,5V/cm i odpowiednio dla odwrotna gałąź 0,1 mA/cm i 1,5 V/ cm.
3.2. Przetwarzanie wyników z punktów 2.2.1 2.2.4 praca laboratoryjna.
Skonstruuj na jednym arkuszu papieru milimetrowego rodzinę pełnych charakterystyk prądowo-napięciowych fotodiody przy różnych poziomach oświetlenia, określonych przez prąd diody LED. Skala wzdłuż osi prądu dla gałęzi prostej charakterystyki prądowo-napięciowej jest ustawiona na 5mA/cm, wzdłuż osi napięcia 0,1V/cm. Konstruując gałąź odwrotną, weź skale równe 0,1 mA / cm i 1,5 V / cm. Zaznacz na charakterystyce wartości napięcia obwodu otwartego i prądów zwarcia.
Na podstawie danych uzyskanych w punkcie 2.2.2 zbuduj zależności
I
, Gdzie to prąd płynący przez diodę LED. Skale wzdłuż osi, na których wykreślane są wartości odpowiednich wielkości, należy ustawić na 5 mA / cm - wzdłuż osi prądu ; 0,1 V / cm - wzdłuż osi
i 0,2 mA / cm - wzdłuż osi
.
3.3. Przetwarzanie wyników uzyskanych podczas wykonywania pkt 2.3.
Skonstruuj na jednym arkuszu papieru milimetrowego rodzinę charakterystyk wyjściowych fototranzystora przy różnych wartościach prądu diody LED. Na osi napięcia wybrać skalę równą 1V/cm, a na osi prądu 2mA/cm.
3.4. Przetwarzanie wyników pkt 2.4 pracy laboratoryjnej.
Wykreślić zależność napięcia załączenia fototyrystora od prądu diody LED, wybierając skalę wzdłuż osi prądu 2mA/cm i wzdłuż osi napięcia 3V/cm. Wyjaśnij wyniki uzyskane w tej sekcji.
3.5. Przetwarzanie wyników pkt 2.5.
Zbuduj na jednym arkuszu papieru milimetrowego rodzinę charakterystyk prądowo-napięciowych fotorezystora dla obu biegunowości przyłożonego napięcia, wybierając skalę wzdłuż osi prądu 5 mA/cm i wzdłuż osi napięcia 3 V/cm.
Na podstawie tych charakterystyk wyznacz rezystancję fotorezystora w obszarze zerowych napięć przy różnych poziomach oświetlenia, wykreśl zależność rezystancji fotorezystora od wielkości prądu płynącego przez źródło promieniowania.
n1.doc
Temat 4.1 Podstawy optoelektroniki. Klasyfikacja przyrządów optoelektronicznych.Optoelektronika jest ważnym niezależnym obszarem elektroniki funkcjonalnej i mikroelektroniki. Urządzenie optoelektroniczne to urządzenie, w którym podczas przetwarzania informacji sygnały elektryczne są przetwarzane na sygnały optyczne i odwrotnie.
Istotną cechą przyrządów optoelektronicznych jest to, że elementy w nich zawarte są optycznie sprzężone, ale odizolowane elektrycznie od siebie.
Optoelektronika obejmuje dwa główne niezależne obszary - optyczny i elektronowo-optyczny. Kierunek optyczny opiera się na efektach oddziaływania ciała stałego z promieniowaniem elektromagnetycznym. Opiera się na holografii, fotochemii, elektrooptyce i innych zjawiskach. Kierunek optyczny jest czasem nazywany kierunkiem laserowym.
Kierunek elektronowo-optyczny wykorzystuje zasadę konwersji fotoelektrycznej, realizowanej w ciele stałym poprzez wewnętrzny efekt fotoelektryczny z jednej strony i elektroluminescencję z drugiej. Kierunek ten polega na zastępowaniu połączeń galwanicznych i magnetycznych w tradycyjnych układach elektronicznych optycznymi. Pozwala to na zwiększenie gęstości informacji w kanale komunikacyjnym, jego szybkości, odporności na zakłócenia.
Głównym elementem optoelektroniki jest transoptor. Istnieją transoptory z wewnętrznym (ryc. 9.4, A) i zewnętrzne (ryc. 9.4, B) przez wiązania fotoniczne. Najprostszym transoptorem jest czterobiegunowy (ryc. 9.4, A), składający się z trzech elementów: fotoemitera 1 , światłowód 2 i odbiornik światła 3, zamknięty w szczelnej, nieprzepuszczającej światła obudowie. Gdy do wejścia zostanie przyłożony sygnał elektryczny w postaci impulsu lub spadku prądu wejściowego, fotoemiter zostaje wzbudzony. Strumień świetlny przechodzący przez światłowód wchodzi do fotodetektora, na wyjściu którego powstaje impuls elektryczny lub spadek prądu wyjściowego. Ten typ transoptora jest wzmacniaczem sygnałów elektrycznych, w którym sprzężenie wewnętrzne jest fotoniczne, a zewnętrzne elektryczne .
Innym typem transoptora jest sprzężenie elektryczne wewnętrzne i fotoniczne sprzężenie zewnętrzne (ryc. 9.4, B) - jest wzmacniaczem sygnałów świetlnych, a także konwerterem sygnałów o jednej częstotliwości na sygnały o innej częstotliwości, na przykład sygnały promieniowania podczerwonego na sygnały widma widzialnego. odbiornik światła 4 przetwarza wejściowy sygnał świetlny na sygnał elektryczny. Ten ostatni jest wzmocniony 5 i pobudza źródło światła 6.
Obecnie opracowano dużą liczbę urządzeń optoelektronicznych.
Cel osobisty. W mikroelektronice z reguły stosuje się tylko te optoelektroniczne elementy funkcjonalne, dla których istnieje możliwość integracji, a także kompatybilność technologii ich wykonania z technologią wytwarzania odpowiednich układów scalonych.
Fotoemitery. Źródło światła w optoelektronice stawiane jest takim wymaganiom jak miniaturyzacja, niski pobór mocy, wysoka sprawność i niezawodność, długa żywotność, możliwości produkcyjne. Muszą charakteryzować się dużą szybkością, dopuszczać możliwość produkcji w postaci urządzeń zintegrowanych.
Najszerzej stosowane są źródła elektroluminescencyjne diody wtryskowe, w którym o emisji światła decyduje mechanizm międzypasmowej rekombinacji elektronów i dziur. Jeśli przepuszczany jest wystarczająco duży prąd wtrysku
| Ryż. 9.5. Do wyjaśnienia zasady działania diody wtrysku |
Poprzez P- N-przejście (w kierunku do przodu), wtedy część elektronów z pasma walencyjnego przejdzie do pasma przewodnictwa (rys. 9.5). W górnej części pasma walencyjnego tworzą się wolne stany (dziury), a w dolnej części pasma przewodnictwa wypełnienie stanu
Nia (elektrony przewodzące). Taka odwrotna populacja nie jest równowagą i prowadzi do chaotycznej emisji fotonów podczas odwrotnych przejść elektronowych. Powstające jednocześnie w R-N-przejściowa poświata niespójna i jest elektroluminescencją. Foton wyemitowany podczas luminescencyjnego przejścia z wypełnionej części pasma przewodnictwa do wolnej części pasma walencyjnego powoduje indukowaną emisję identycznego fotonu, powodując przeskok kolejnego elektronu do pasma walencyjnego. Jednak foton o tej samej energii (z ∆ mi= mi 2 - mi 1 zanim ∆ mi=2? mi) nie może zostać zaabsorbowany, ponieważ stan dolny jest wolny (nie ma elektronów), a stan górny jest już wypełniony. To znaczy, że P- N-przejście jest przezroczyste dla fotonów o takiej energii, czyli dla odpowiedniej częstotliwości. I odwrotnie, fotony o energiach większych niż ∆ mi+2? mi, może być absorbowany przez przeniesienie elektronów z pasma walencyjnego do pasma przewodnictwa. Jednocześnie dla takich energii indukowana emisja fotonów jest niemożliwa, ponieważ górny stan początkowy nie jest wypełniony, a stan dolny jest wypełniony. Zatem emisja wymuszona jest możliwa w wąskim zakresie wokół częstotliwości odpowiadającej energii pasma wzbronionego ∆E z szerokością widma ? mi.
Najlepszymi materiałami na diody LED są arsenek galu, fosforek galu, fosforek krzemu, węglik krzemu itp. Diody LED mają dużą prędkość (około 0,5 μs), ale pobierają duży prąd (około 30 A/cm2). Ostatnio opracowano diody LED na bazie arsenku galu - aluminium, których moc waha się od ułamków do kilku miliwatów przy prądzie stałym kilkudziesięciu miliamperów. Sprawność diod LED nie przekracza 1 - 3%.
Obiecującymi źródłami światła są lasery wtryskowe, pozwalając na koncentrację wysokich energii w wąskim obszarze widmowym z dużą wydajnością i szybkością (dziesiątki pikosekund). Lasery te mogą być wykonane w postaci matryc na pojedynczym chipie bazowym przy użyciu tej samej technologii co układy scalone. Wadą prostych laserów iniekcyjnych jest to, że mają one akceptowalną wydajność tylko wtedy, gdy stosuje się chłodzenie do bardzo niskich temperatur. Na normalna temperatura laser galowo-arsenkowy ma niską średnią moc, niską wydajność (około 1%), niską stabilność i żywotność. Dalsze udoskonalanie lasera iniekcyjnego poprzez tworzenie złączy o złożonej strukturze z wykorzystaniem heterozłączy (heterojunction - granica między warstwami o tym samym typie przewodnictwa elektrycznego, ale o różnych pasmach wzbronionych) umożliwiło uzyskanie źródła światła o niewielkich rozmiarach, pracującego w normalnej temperaturze z wydajnością 10 - 20 % i akceptowalnymi właściwościami.
Fotodetektory. Do konwersji sygnałów świetlnych na elektryczne stosuje się fotodiody, fototranzystory, fotorezystory, fototyrystory i inne urządzenia.
Fotodioda jest spolaryzowana zaporowo P- N-przejście, którego wsteczny prąd nasycenia jest określony przez liczbę nośników ładunku generowanych w nim przez działanie padającego światła (ryc. 9.6). Parametry fotodiody wyrażane są wartościami prądu płynącego w jej obwodzie. Czułość fotodiody, którą potocznie nazywa się całką, definiuje się jako stosunek fotoprądu do strumienia świetlnego, który ją spowodował F ? . Próg czułości fotodiod szacuje się wg znane wartości czułość integralna (prądowa) i prąd ciemny I D, czyli prąd płynący w obwodzie przy braku napromieniowania warstwy czułej.
Głównymi materiałami na fotodiody są german i krzem. Fotodiody krzemowe są zwykle czułe w wąskim zakresie widma (od ? = 0,6 - 0,8 µm do? = 1,1 µm) z maksimum w? = 0,85 µm, a fotodiody germanowe mają granice czułości? \u003d 0,4 - 1,8 mikrona z maksimum w? ? 1,5 µm. W trybie fotodiodowym przy napięciu zasilania 20 V prąd ciemny fotodiod krzemowych zwykle nie przekracza 3 μA, natomiast germanowych; fotodiody przy napięciu zasilania 10 V osiąga 15-20 μA.
Fototranzystory to odbiorniki energii promieniowania z dwoma lub więcej r-p- przejścia, które mają właściwość wzmacniania fotoprądu, gdy wrażliwa warstwa jest naświetlana. Fototranzystor łączy w sobie właściwości fotodiody i wzmacniające właściwości tranzystora (ryc. 9.7). Jednoczesna obecność wejść optycznych i elektrycznych w fototranzystorze umożliwia wytworzenie odchylenia niezbędnego do pracy w liniowym odcinku charakterystyki energetycznej, a także kompensację wpływy zewnętrzne. Aby wykryć małe sygnały, należy wzmocnić napięcie pobierane z fototranzystora. W takim przypadku należy zwiększyć rezystancję wyjściową prądu przemiennego przy minimalnym prądzie ciemnym w obwodzie kolektora, tworząc dodatnią polaryzację u podstawy.
Światłowody. Pomiędzy źródłem a odbiornikiem światła w transoptorze znajduje się światłowód. Aby zmniejszyć straty odbicia z interfejsu między diodą LED a medium przewodzącym (światłowód), ten ostatni musi mieć wysoki współczynnik załamania światła. Takie media nazywane są immersją. Materiał immersyjny musi mają również dobrą adhezję do materiałów źródłowych i odbiorczych, zapewniają wystarczające dopasowanie pod względem współczynników rozszerzalności, są przezroczyste w obszarze roboczym itp. Najbardziej obiecujące są szkła ołowiowe o współczynniku załamania światła 1,8-1,9 i szkła selenowe o współczynniku załamania światła 1,8-1,9 2, 4-2,6. na ryc. 9.8 przedstawia przekrój transoptora półprzewodnikowego ze światłowodem zanurzeniowym.
Cienkie włókna ze szkła lub przezroczystego tworzywa sztucznego są używane jako światłowody w optoelektronice. Ten kierunek nazywa się światłowodem. Włókna są pokryte materiałami izolującymi światło i połączone w wielordzeniowe kable światłowodowe. Pełnią one taką samą funkcję w odniesieniu do światła, jak druty metalowe w odniesieniu do prądu. Za pomocą światłowodów możliwe jest: realizowanie transmisji element po elemencie obrazu z rozdzielczością określoną średnicą światłowodu (około 1 mikrona); do tworzenia przestrzennych przekształceń obrazu dzięki możliwości zginania i skręcania włókien światłowodu; przesyłać obrazy na znaczne odległości itp. Na ryc. 9.9 przedstawia światłowód w postaci kabla z włókien przewodzących światło.
Całka optyka. Jednym z obiecujących obszarów mikroelektroniki funkcjonalnej jest optyka zintegrowana, która zapewnia tworzenie superwydajnych systemów transmisji i przetwarzania informacji optycznej. Obszar badań w optyce zintegrowanej obejmuje propagację, konwersję i wzmacnianie promieniowania elektromagnetycznego w zakresie optycznym w dielektrycznych falowodach cienkowarstwowych i światłowodach. Głównym elementem zintegrowanej optyki jest masowy lub powierzchniowy optyczny przewodnik mikrofalowy. Najprostszy symetryczny wolumetryczny optyczny mikrofalowód to obszar zlokalizowany w jednym lub dwóch wymiarach przestrzennych o współczynniku załamania światła większym niż otaczający ośrodek optyczny. Taki optycznie gęstszy obszar jest czymś innym niż kanałem lub warstwą nośną falowodu dielektrycznego.
P 
Przykładem falowodu dielektrycznego z asymetryczną powierzchnią jest cienka warstwa optycznie przezroczystego dielektryka lub półprzewodnika o współczynniku załamania światła większym niż optycznie przezroczyste podłoże. Stopień umiejscowienia pola elektromagnetycznego, a także stosunek strumieni energii przenoszonych wzdłuż warstwy nośnej i podłoża są określone przez efektywny rozmiar poprzeczny warstwy nośnej oraz różnicę między współczynnikami załamania światła warstwy nośnej i podłoża przy danej częstotliwości promieniowania. Stosunkowo prostym i najbardziej odpowiednim dla półprzewodnikowych urządzeń optycznych jest optyczny paskowy przewodnik mikrofalowy, wykonany w postaci cienkiej warstwy dielektrycznej (ryc. 9.10), osadzonej na podłożu metodami mikroelektronicznymi (na przykład przez osadzanie próżniowe). Za pomocą maski całe obwody optyczne można nakładać na podłoże dielektryczne z dużą dokładnością. Wykorzystanie litografii wiązką elektronów zapewniło sukces w tworzeniu zarówno pojedynczych światłowodów taśmowych i sprzężonych optycznie na określonej długości, jak i następnie rozbieżnych falowodów, co jest niezbędne do tworzenia sprzęgaczy kierunkowych i filtrów selektywnych częstotliwościowo w zintegrowanych układach optycznych .
Mikroukłady optoelektroniczne. NA
W oparciu o optoelektronikę opracowano dużą liczbę mikroukładów. Rozważ niektóre mikroukłady optoelektroniczne produkowane przez przemysł krajowy. W mikroelektronice najczęściej stosowane są mikroukłady optoelektroniczne z izolacją galwaniczną. Należą do nich szybkie przełączniki, przełączniki sygnałów analogowych, przełączniki i analogowe urządzenia optoelektroniczne przeznaczone do użytku w systemach przetwarzania funkcjonalnego sygnałów analogowych.
Głównym elementem każdego mikroukładu optoelektronicznego jest para transoptorów (ryc. 9.11, A, b) składający się ze źródła światła 1 , sterowany sygnałem wejściowym, medium zanurzeniowe 2, sprzężony optycznie ze źródłem światła i fotodetektorem 3. Parametry transoptora to rezystancja izolacji DC, współczynnik przenoszenia prądu (stosunek fotoprądu odbiornika do prądu emitera), czas przełączania i pojemność.
Na bazie par optoelektronicznych tworzone są mikroukłady optoelektroniczne o różnym przeznaczeniu.
Ryż. 9.11. Schemat i realizacja technologiczna transoptora:
1 - źródło światła; 2 - środek zanurzeniowy; 3 - fotodetektor.
Temat 4.2 ELEMENTY URZĄDZEŃ OPTOELEKTRONICZNYCH
1. Przełącznik optoelektroniczny reprezentuje mikroukład hybrydowy zawierający parę optoelektroniczną i wzmacniacz. Przełącznik wykorzystuje wysokowydajne diody LED z apcenidem galu domieszkowane krzemem i szybki krzem P-
I-
N-fotodiody. Medium zanurzeniowym jest szkło chalkogenkowe o współczynniku załamania światła 2,7. Współczynnik przenoszenia prądu w parze optoelektronicznej wynosi 3-5 w normalnej temperaturze, czasy załączenia (suma czasów opóźnienia i narastania) to 100-250 ps, galwaniczna izolacja obwodu LED i fotodetektora przez prąd stały wynosi 10 9 omów. Mikroukład jest wykonany w okrągłej obudowie typu szkło-metal typu TO-5.
2. Klucz optoelektroniczny przeznaczony do przełączania obwodów wysokiego napięcia AC i DC. Posiada cztery niezależne kanały, z których każdy zawiera dwie pary optoelektroniczne, składające się z diody LED oraz wysokonapięciowego P- I- N- fotodioda. Fotodiody są połączone szeregowo, więc rezystancja przełącznika w stanie wyłączonym (przy braku prądu przez diody LED), niezależnie od biegunowości przyłożonego napięcia, jest określona przez rezystancję ciemnego polaryzowanego zaporowo P- I- N- fotodioda; jego wartość wynosi około 10 9 omów.
3. klucz tranzystorowy przeznaczony do przełączania napięć stałych do 50 V. Urządzenie posiada dwa niezależne kanały, z których każdy zawiera parę optoelektroniczną złożoną z diody LED z arsenku galu i krzemowej N- P- I- N- fototranzystor. Para optoelektroniczna ma współczynnik przenoszenia prądu 2, znamionowy prąd pracy 10 mA i prędkość w trybie wzmocnienia 100-300 ns.
4.Przełącznik sygnału analogowego przeznaczony do stosowania w układach selektywnego przetwarzania sygnałów analogowych. Obwód elektryczny jednego kanału przełącznika pokazano na ryc. 9.12. Kanał zawiera parę optoelektroniczną składającą się z diody LED z arsenku galu i dwóch ustawionych tyłem do siebie N- I- N-fotodiody wykonane w jednym krysztale.
na ryc. 9.13 pokazuje obwody elektryczne niektórych innych typów mikroukładów optoelektronicznych. Chip klucza (ryc. 9.13, A) zawiera parę szybkich diod optoelektronicznych dopasowaną do monolitycznego wzmacniacza krzemowego. Przeznaczony jest do wymiany połączeń transformatorowych i przekaźnikowych w komputerowych urządzeniach logicznych i automatyce dyskretnej. Klawisz analogowy (ryc. 9.13, B) odnosi się do
Układy liniowe ze sterowaniem optoelektronicznym. Przy mocy sygnału sterującego 60-80 mW parametry choppera osiągają wartości wymagane dla standardowych mikroukładów półprzewodnikowych. Optoelektroniczne przekaźniki prądu stałego małej mocy (ryc. 9.13, V) zaprojektowany w celu zastąpienia analogu
przekaźniki elektromechaniczne o prędkości rzędu milisekund i gwarantowanej ilości zadziałań 10 4 -10 7 .
Interesujące są mikroukłady optoelektroniczne serii 249, która obejmuje cztery grupy urządzeń, którymi są elektroniczne przełączniki oparte na diodach elektroluminescencyjnych i tranzystorach. Schemat połączeń wszystkich grup
Urządzenia są takie same (ryc. 9.14). Strukturalnie mikroukłady są zaprojektowane w prostokątnej płaskiej obudowie układów scalonych z 14 pinami i mają dwa izolowane kanały, co zmniejsza rozmiar i wagę sprzętu, a także rozszerza funkcjonalność mikroukładów. Diody LED są oparte na krzemie i mają P + - P- N I - N + - Struktura. Obecność dwóch kanałów w kluczu pozwala na jego użycie jako integralny przerywacz sygnałów analogowych i uzyskać wysoki współczynnik przenoszenia sygnału (10-100) podczas włączania fototranzystorów zgodnie z obwodem tranzystora złożonego.
Urządzenia optoelektroniczne
Działanie urządzeń optoelektronicznych opiera się na elektronowo-fotonowych procesach odbierania, przesyłania i przechowywania informacji.
Najprostszym urządzeniem optoelektronicznym jest para optoelektroniczna lub transoptor. Zasada działania transoptora, składającego się ze źródła promieniowania, ośrodka zanurzeniowego (światłowód) oraz fotodetektora, polega na zamianie sygnału elektrycznego na optyczny, a następnie z powrotem na elektryczny.
Transoptory jako funkcjonalne urządzenia mają następujące korzyści przed zwykłymi elementami radiowymi:
Pełna separacja galwaniczna „wejście – wyjście” (rezystancja izolacji przekracza 10 12 - 10 14 omów);
Absolutna odporność na zakłócenia w kanale transmisji informacji (nośnikami informacji są cząstki elektrycznie obojętne - fotony);
Jednokierunkowy przepływ informacji, który jest związany z cechami propagacji światła;
Szerokopasmowy dzięki wysokiej częstotliwości oscylacji optycznych,
Wystarczająca prędkość (jednostki nanosekund);
Wysokie napięcie przebicia (dziesiątki kilowoltów);
Niski poziom hałasu;
Dobra wytrzymałość mechaniczna.
Zgodnie z wykonywanymi funkcjami transoptor można porównać z transformatorem (elementem sprzęgającym) z przekaźnikiem (kluczem).
W transoptorach stosuje się półprzewodnikowe źródła promieniowania - diody elektroluminescencyjne wykonane z materiałów związków z grupy A III B V , wśród których najbardziej obiecujące są fosforek i arsenek galu. Widmo ich promieniowania mieści się w zakresie promieniowania widzialnego i bliskiej podczerwieni (0,5 - 0,98 mikrona). Diody elektroluminescencyjne oparte na fosforku galu mają czerwony i zielony kolor blask. Obiecujące są diody z węglika krzemu, świecące na żółto i pracujące w temp podwyższonych temperaturach, wilgoci i w agresywnym środowisku.
Diody LED, które emitują światło w widzialnym zakresie widma, znajdują zastosowanie m.in zegar elektroniczny i mikrokalkulatory.
Diody elektroluminescencyjne charakteryzują się widmowym składem promieniowania, który jest dość szeroki, wzór promieniowania; wydajność kwantowa, określona stosunkiem liczby wyemitowanych kwantów światła do liczby tych, które przez nie przeszły P-N-przejście elektronów; moc (przy niewidzialnym promieniowaniu) i jasność (przy promieniowaniu widzialnym); charakterystyki woltoamperów, lumenów i watamperów; prędkość (wzrost i spadek elektroluminescencji podczas impulsowego wzbudzenia), zakres temperatur pracy. Gdy temperatura robocza wzrasta, jasność diody LED maleje, a moc promieniowania maleje.
Główne cechy diod elektroluminescencyjnych w zakresie widzialnym podano w tabeli. 32, a zakres podczerwieni - w tabeli. 33.
Tabela 32 Główne cechy diod elektroluminescencyjnych w zakresie widzialnym
Tabela 33 Kluczowe cechy diod emitujących światło podczerwone
| Typ diody | Całkowita moc promieniowania, mW | Napięcie przewodzenia prądu stałego, V | Długość fali promieniowania, µm | Czas narastania impulsu promieniowania, ns | Czas zaniku impulsu promieniowania, ns | Waga |
| AL103 A, B AL106 A - D | 0,6 - 1 (przy 50 mA) 0,2 - 1,5 (przy 100 mA) 6 - 10 (przy 100 mA) 1,5 (przy 100 mA) 0,2 (przy 20 mA) 10 (przy prądzie 50 mA) | 1,6 | 0,95 | 200 – 300 | 500 | 0,1 |
Diody elektroluminescencyjne w urządzeniach optoelektronicznych są połączone z fotodetektorami za pomocą medium immersyjnego, którego głównym wymaganiem jest transmisja sygnału przy minimalnych stratach i zniekształceniach. Urządzenia optoelektroniczne wykorzystują stałe media immersyjne - polimerowe związki organiczne(kleje i lakiery optyczne), media chalkogenkowe i światłowody. W zależności od długości kanału optycznego pomiędzy emiterem a fotodetektorem urządzenia optoelektroniczne można podzielić na transoptory (długość kanału 100 - 300 mikronów), optoizolatory (do 1 m) oraz światłowodowe linie komunikacyjne - FOCL (do do kilkudziesięciu kilometrów).
Fotodetektory stosowane w transoptorach podlegają wymaganiom dotyczącym dopasowania charakterystyk widmowych do emitera, minimalnych strat przy przetwarzaniu sygnału świetlnego na elektryczny, światłoczułości, szybkości, wielkości obszaru światłoczułego, niezawodności oraz poziomu szumów.
W przypadku transoptorów najbardziej obiecujące są fotodetektory z wewnętrznym efektem fotoelektrycznym, gdy oddziaływanie fotonów z elektronami wewnątrz materiałów o określonej właściwości fizyczne prowadzi do przejść elektronowych w większości sieci krystalicznej tych materiałów.
Wewnętrzny efekt fotoelektryczny objawia się na dwa sposoby: zmianą rezystancji fotodetektora pod wpływem światła (fotorezystory) lub pojawieniem się fotoemf na styku dwóch materiałów - półprzewodnik-półprzewodnik, metal-półprzewodnik (fotokomórki zaworowe, fotodiody, fototranzystory).
Fotodetektory z wewnętrznym efektem fotoelektrycznym dzielą się na fotodiody (z P-N-złącze, struktura MIS, bariera Schottky'ego), fotorezystory, fotodetektory z wewnętrznym wzmocnieniem (fototranzystory, fototranzystory kompozytowe, fototyrystory, fototranzystory polowe).
Fotodiody wykonane są na bazie krzemu i germanu. Maksymalna czułość widmowa krzemu wynosi 0,8 µm, a germanu do 1,8 µm. Działają z włączonym odwrotnym nastawieniem P-N-przejście, które pozwala zwiększyć ich szybkość, stabilność i liniowość charakterystyki.
Najczęściej fotodiody są wykorzystywane jako fotodetektory urządzeń optoelektronicznych o różnym stopniu złożoności. P- I-N-konstrukcje gdzie I jest zubożonym obszarem wysokiego pola elektrycznego. Zmieniając grubość tego obszaru, możliwe jest uzyskanie dobrych właściwości w zakresie prędkości i czułości ze względu na małą pojemność i czas przelotu nośników.
Fotodiody lawinowe, które wykorzystują wzmocnienie fotoprądu podczas mnożenia nośników ładunku, mają zwiększoną czułość i szybkość. Jednak te fotodiody nie są wystarczająco stabilne w zakresie temperatur i wymagają zasilaczy wysokiego napięcia. Obiecujące do zastosowania w pewnych zakresach długości fal są fotodiody z barierą Schottky'ego i ze strukturą MIS.
Fotorezystory są wykonane głównie z polikrystalicznych warstw półprzewodnikowych na bazie związku (kadmu z siarką i selenem). Maksymalna czułość widmowa fotorezystorów wynosi 0,5 - 0,7 µm. Fotorezystory są zwykle używane w słabym świetle; pod względem czułości dorównują fotopowielaczom - urządzeniom z zewnętrznym efektem fotoelektrycznym, ale wymagającym zasilania niskonapięciowego. Wadami fotorezystorów są niska prędkość i wysoki poziom szumów.
Najpopularniejszymi fotodetektorami z wewnętrznym wzmocnieniem są fototranzystory i fototyrystory. Fototranzystory są bardziej czułe niż fotodiody, ale wolniejsze. Aby zwiększyć czułość fotodetektora, zastosowano fototranzystor kompozytowy, który jest połączeniem fototranzystora i tranzystorów wzmacniających, ale ma małą prędkość.
W transoptorach fototyrystor (urządzenie półprzewodnikowe z trzema P- N-przejścia, przełączanie po podświetleniu), które ma wysoka czułość i poziom sygnału wyjściowego, ale niewystarczająca wydajność.
O różnorodności typów transoptorów decydują głównie właściwości i charakterystyki fotodetektorów. Jednym z głównych zastosowań transoptorów jest efektywna izolacja galwaniczna nadajników i odbiorników sygnałów cyfrowych i analogowych. W takim przypadku transoptor może być używany w trybie konwertera lub przełącznika sygnału. Transoptor charakteryzuje się akceptowalnym sygnałem wejściowym (prądem sterującym), współczynnikiem przenoszenia prądu, szybkością (czasem przełączania) oraz obciążalnością.
O 
stosunek współczynnika transferu prądu do czasu przełączania nazywany jest współczynnikiem jakości transoptora i wynosi 10 5 - 10 6 dla transoptorów fotodiodowych i fototranzystorowych. Szeroko stosowane są transoptory oparte na fototyrystorach. Transoptory oparte na fotorezystorach nie są powszechnie stosowane ze względu na niską stabilność czasową i temperaturową. Schematy niektórych transoptorów pokazano na ryc. 130, a - Pan
W 
Jako źródła promieniowania koherentnego stosuje się lasery, które charakteryzują się dużą stabilnością, dobrą charakterystyką energetyczną i wydajnością. W optoelektronice do projektowania urządzeń kompaktowych wykorzystuje się lasery półprzewodnikowe – diody laserowe, stosowane np. w światłowodowych liniach komunikacyjnych zamiast tradycyjnych linii przesyłu informacji – kabli i przewodów. Charakteryzują się dużą przepustowością (pasmo rzędu gigaherca), odpornością na zakłócenia elektromagnetyczne, niewielką wagą i wymiarami, pełną izolacją elektryczną od wejścia do wyjścia, ochroną przeciwwybuchową i przeciwpożarową. Cechą FOCL jest zastosowanie specjalnego kabla światłowodowego, którego budowę pokazano na ryc. 131. Przemysłowe próbki takich kabli mają tłumienie 1-3 dB/km i mniej. Łącza światłowodowe wykorzystywane są do budowy sieci telefonicznych, komputerowych, telewizji kablowych o wysokiej jakości przesyłanego obrazu. Linie te pozwalają na jednoczesną transmisję dziesiątek tysięcy rozmów telefonicznych oraz kilku programów telewizyjnych.
Ostatnio intensywnie rozwijane i upowszechniane są optyczne układy scalone (OIC), których wszystkie elementy powstają poprzez osadzanie niezbędnych materiałów na podłożu.
Obiecujące w optoelektronice są urządzenia oparte na ciekłych kryształach, które są szeroko stosowane jako wskaźniki w zegarkach elektronicznych. Ciekłe kryształy są substancją organiczną (cieczą) o właściwościach kryształu i znajdują się w stanie przejściowym między fazą krystaliczną a cieczą.
Wskaźniki ciekłokrystaliczne mają wysoką rozdzielczość, są stosunkowo tanie, zużywają mało energii i działają przy wysokim poziomie oświetlenia.
Ciekłe kryształy o właściwościach zbliżonych do monokryształów (nematyki) są najczęściej stosowane we wskaźnikach świetlnych i optycznych urządzeniach pamięci. Ciekłe kryształy zmieniające kolor po podgrzaniu (cholesteryki) zostały opracowane i są szeroko stosowane. Inne rodzaje ciekłych kryształów (smektyki) są służy do termooptycznego zapisu informacji.
Opracowane stosunkowo niedawno urządzenia optoelektroniczne ze względu na swoje unikalne właściwości znajdują szerokie zastosowanie w różnych dziedzinach nauki i techniki. Wiele z nich nie ma odpowiedników w technologii próżniowej i półprzewodnikowej. Jest ich jednak znacznie więcej Nie rozwiązane problemy związane z opracowywaniem nowych materiałów, poprawą właściwości elektrycznych i eksploatacyjnych tych urządzeń oraz rozwojem technologicznych metod ich wytwarzania.
Sekcja 5. Urządzenia oparte na urządzeniach ze sprzężeniem ładunkowym (CCD).
Ministerstwo Edukacji Republiki Białoruś
instytucja edukacyjna
„Białoruski Uniwersytet Państwowy
informatyka i radioelektronika”
Dział EVS
„Podstawy optoelektroniki. Klasyfikacja urządzeń optoelektronicznych”
Mińsk, 2008
Optoelektronika jest ważnym niezależnym obszarem elektroniki funkcjonalnej i mikroelektroniki. Urządzenie optoelektroniczne to urządzenie, w którym podczas przetwarzania informacji sygnały elektryczne są przetwarzane na sygnały optyczne i odwrotnie.
Istotną cechą przyrządów optoelektronicznych jest to, że elementy w nich zawarte są optycznie sprzężone, ale odizolowane elektrycznie od siebie.
Ułatwia to dopasowanie obwodów wysokiego i niskiego napięcia, a także wysokiej i niskiej częstotliwości. Ponadto urządzenia optoelektroniczne mają inne zalety: możliwość przestrzennej modulacji wiązek światła, co w połączeniu ze zmianami w czasie daje trzy stopnie swobody (dwa w układach czysto elektronicznych); możliwość znacznego rozgałęzienia i przecięcia wiązek światła przy braku połączenia galwanicznego między kanałami; duże obciążenie funkcjonalne wiązek światła dzięki możliwości zmiany wielu ich parametrów (amplituda, kierunek, częstotliwość, faza, polaryzacja).
Optoelektronika obejmuje dwa główne niezależne obszary - optyczny i elektronowo-optyczny. Kierunek optyczny opiera się na efektach oddziaływania ciała stałego z promieniowaniem elektromagnetycznym. Opiera się na holografii, fotochemii, elektrooptyce i innych zjawiskach. Kierunek optyczny jest czasem nazywany kierunkiem laserowym.
Kierunek elektronowo-optyczny wykorzystuje zasadę konwersji fotoelektrycznej, realizowanej w ciele stałym poprzez wewnętrzny efekt fotoelektryczny z jednej strony i elektroluminescencję z drugiej. Kierunek ten polega na zastępowaniu połączeń galwanicznych i magnetycznych w tradycyjnych układach elektronicznych optycznymi. Pozwala to na zwiększenie gęstości informacji w kanale komunikacyjnym, jego szybkości, odporności na zakłócenia.
Ryc.1. Transoptor ze sprzężeniem fotonicznym wewnętrznym (a) i zewnętrznym (b): 1, 6 – źródła światła; 2 - światłowód; 3, 4 - odbiorniki światła; 5 - wzmacniacz.
Głównym elementem optoelektroniki jest transoptor. Istnieją transoptory z wewnętrznym (ryc. 1, a) i zewnętrznym (ryc. 1, b) sprzężeniem fotonicznym. Najprostszym transoptorem jest sieć z czterema zaciskami (ryc. 1, a), składająca się z trzech elementów: fotoemitera 1, światłowodu 2 i odbiornika światła 3, zamkniętych w szczelnej, nieprzepuszczającej światła obudowie. Gdy do wejścia zostanie przyłożony sygnał elektryczny w postaci impulsu lub spadku prądu wejściowego, fotoemiter zostaje wzbudzony. Strumień świetlny przechodzący przez światłowód wchodzi do fotodetektora, na wyjściu którego powstaje impuls elektryczny lub spadek prądu wyjściowego. Ten typ transoptora jest wzmacniaczem sygnałów elektrycznych, w którym sprzężenie wewnętrzne jest fotoniczne, a zewnętrzne elektryczne.
Innym typem transoptora - z elektrycznym sprzężeniem wewnętrznym i fotonicznymi sprzężeniami zewnętrznymi (ryc. 1, b) - jest wzmacniacz sygnałów świetlnych, a także konwerter sygnałów o jednej częstotliwości na sygnały o innej częstotliwości, na przykład sygnały promieniowania podczerwonego na sygnały widma widzialnego. Odbiornik światła 4 przetwarza wejściowy sygnał świetlny na sygnał elektryczny. Ten ostatni jest wzmacniany przez wzmacniacz 5 i wzbudza źródło światła 6.
Obecnie opracowano dużą liczbę urządzeń optoelektronicznych do różnych celów. W mikroelektronice z reguły stosuje się tylko te optoelektroniczne elementy funkcjonalne, dla których istnieje możliwość integracji, a także kompatybilność technologii ich wykonania z technologią wytwarzania odpowiednich układów scalonych.
Fotoemitery. Źródło światła w optoelektronice stawiane jest takim wymaganiom jak miniaturyzacja, niski pobór mocy, wysoka sprawność i niezawodność, długa żywotność, możliwości produkcyjne. Muszą charakteryzować się dużą szybkością, dopuszczać możliwość produkcji w postaci urządzeń zintegrowanych.
Najpowszechniej stosowanymi źródłami elektroluminescencyjnymi są wtryskowe diody LED, w których emisję światła determinuje mechanizm międzypasmowej rekombinacji elektronów i dziur. Jeśli przez złącze p-n przepłynie wystarczająco duży prąd wtrysku (w kierunku do przodu), to część elektronów z pasma walencyjnego trafi do pasma przewodnictwa (rys. 2). W górnej części pasma walencyjnego tworzą się stany swobodne (dziury), aw dolnej części pasma przewodnictwa wypełnienie stanu (elektrony przewodzące).
Taka odwrotna populacja nie jest równowagą i prowadzi do chaotycznej emisji fotonów podczas odwrotnych przejść elektronowych. Niespójna poświata powstająca w tym przypadku na złączu pn to elektroluminescencja.
Ryc.2. Wyjaśnienie zasady działania diody wtrysku.
Foton wyemitowany podczas luminescencyjnego przejścia z wypełnionej części pasma przewodnictwa do wolnej części pasma walencyjnego powoduje indukowaną emisję identycznego fotonu, powodując przeskok kolejnego elektronu do pasma walencyjnego. Jednak foton o tej samej energii (od ∆E=E2-E1 do ∆E=2δE) nie może zostać zaabsorbowany, ponieważ stan dolny jest wolny (nie ma w nim elektronów), a stan górny jest już zapełniony. Oznacza to, że złącze p-n jest przezroczyste dla fotonów o tej energii, tj. dla odpowiedniej częstotliwości. I odwrotnie, fotony o energiach większych niż ∆E+2δE mogą być absorbowane, przenosząc elektrony z pasma walencyjnego do pasma przewodnictwa. Jednocześnie dla takich energii indukowana emisja fotonów jest niemożliwa, ponieważ górny stan początkowy nie jest wypełniony, a stan dolny jest wypełniony. Zatem emisja wymuszona jest możliwa w wąskim zakresie wokół częstotliwości odpowiadającej energii pasma wzbronionego ∆Е o szerokości widmowej δE.
Najlepszymi materiałami na diody LED są arsenek galu, fosforek galu, fosforek krzemu, węglik krzemu itp. Diody LED mają dużą prędkość (około 0,5 µs), ale pobierają duży prąd (około 30 A/cm2). Ostatnio opracowano diody LED na bazie arsenku galu - aluminium, których moc waha się od ułamków do kilku miliwatów przy prądzie stałym dziesiątek miliamperów.K. pd diod LED nie przekracza 1 - 3%.
Obiecującymi źródłami światła są lasery iniekcyjne, które umożliwiają koncentrację wysokich energii w wąskim obszarze widmowym z dużą wydajnością i szybkością (dziesiątki pikosekund). Lasery te mogą być wykonane w postaci matryc na pojedynczym chipie bazowym przy użyciu tej samej technologii co układy scalone. Wadą prostych laserów iniekcyjnych jest to, że mają one akceptowalną wydajność tylko wtedy, gdy stosuje się chłodzenie do bardzo niskich temperatur. W normalnej temperaturze laser galowo-arsenkowy charakteryzuje się niską średnią mocą, niską wydajnością (około 1%), niską stabilnością i żywotnością. Dalsze udoskonalanie lasera iniekcyjnego poprzez tworzenie złączy o złożonej strukturze z wykorzystaniem heterozłączy (heterojunction - granica między warstwami o tym samym typie przewodnictwa elektrycznego, ale o różnych pasmach wzbronionych) umożliwiło uzyskanie źródła światła o niewielkich rozmiarach, pracującego w normalnej temperaturze z wydajnością 10 - 20 % i akceptowalnymi właściwościami.
Fotodetektory. Do konwersji sygnałów świetlnych na elektryczne stosuje się fotodiody, fototranzystory, fotorezystory, fototyrystory i inne urządzenia.
Fotodioda jest spolaryzowanym zaporowo złączem p-n, którego wsteczny prąd nasycenia jest określony przez liczbę nośników ładunku generowanych w nim przez działanie padającego światła (ryc. 3). Parametry fotodiody wyrażane są wartościami prądu płynącego w jej obwodzie. Czułość fotodiody, która jest powszechnie nazywana całką, jest definiowana jako stosunek fotoprądu do strumienia świetlnego, który go spowodował Фυ. Próg czułości fotodiod jest szacowany na podstawie znanych wartości czułości całkowej (prądowej) i prądu ciemnego Id, tj. prąd płynący w obwodzie przy braku napromieniowania warstwy czułej.
Głównymi materiałami na fotodiody są german i krzem. Fotodiody krzemowe są zwykle czułe w wąskim zakresie widma (od λ = 0,6 - 0,8 μm do λ = 1,1 μm) z maksimum przy λ = 0,85 μm, a fotodiody germanowe mają granice czułości λ = 0,4 - 1,8 μm z maksimum przy λ ≈ 1,5 urn. W trybie fotodiodowym przy napięciu zasilania 20 V prąd ciemny fotodiod krzemowych zwykle nie przekracza 3 μA, natomiast germanowych; fotodiody przy napięciu zasilania 10 V osiąga 15-20 μA.
Ryc.3. Schemat i charakterystyka prądowo-napięciowa fotodiody.
Ryc.4. Schemat i charakterystyka prądowo-napięciowa fototranzystora.
Strona 5 z 14
Transoptory to takie urządzenia optoelektroniczne, w których znajduje się źródło i odbiornik promieniowania świetlnego (emiter światła i fotodetektor) z jednym lub innym rodzajem połączenia optycznego i elektrycznego między nimi i które są ze sobą strukturalnie połączone.
Zasada działania transoptorów wszelkiego rodzaju opiera się na fakcie, że w emiterze energia sygnału elektrycznego jest zamieniana na światło; przeciwnie, w fotodetektorze sygnał świetlny indukuje prąd elektryczny. Sygnał elektryczny do emitera jest zwykle dostarczany z zewnętrznego źródła. Sygnał świetlny dociera do fotodetektora przez optyczny obwód komunikacyjny z emitera.
Procesy konwersji energii w transoptorze opierają się na kwantowej naturze światła, jakim jest promieniowanie elektromagnetyczne w postaci strumienia cząstek - kwantów.
Emitery światła. Do zastosowania w transoptorach nadaje się kilka rodzajów emiterów: miniaturowe żarówki, które wykorzystują promieniowanie cieplne żarnika nagrzanego prądem elektrycznym do 1800-2000 ° C; żarówki neonowe wykorzystujące jarzenie się wyładowania elektrycznego mieszaniny gazów neonowo-argonowych, itp. [patrz. 1, § 1 pkt 1].
Tego typu emitery mają niski strumień świetlny, ograniczoną trwałość, duże wymiary, niską kierunkowość promieniowania i są trudne do kontrolowania. Głównym rodzajem emitera stosowanego w transoptorach jest półprzewodnikowa dioda elektroluminescencyjna wtryskowa - LED. Rozważmy proces konwersji energii w takim transoptorze (ryc. 11, a).
Na styku p- i regionów struktury półprzewodnikowej, jak pokazano powyżej, pojawia się złącze p-n, w którym koncentruje się ładunek przestrzenny dziur i elektronów. Gdy napięcie przewodzenia 1/n zostanie przyłożone do struktury w obszarze aktywnym B kryształu niektórych typów półprzewodników (np. przesunięte do przodu złącze p. Powstały w tym przypadku przepływ elektronów przechodzi przez obszar ładunku kosmicznego E, tworząc prąd elektronowy /n. Niektóre elektrony rekombinują w aktywnych obszarach B i nieprzezroczystych C kryształu z otworami. Każdemu aktowi rekombinacji głównych nośników ładunku towarzyszy emisja kwantu światła, tj. zachodzi rekombinacja radiacyjna.
W tym samym czasie powstaje składowa dziurowa prądu /p, która wynika z wstrzyknięcia dziur w obszar n i odzwierciedla fakt, że nie ma wejść p-n-pierwszych z wtryskiem jednostronnym. Ułamek tego prądu jest tym mniejszy, im silniej domieszkowany obszar /m w porównaniu z obszarem p struktury krystalicznej.
Część powstającego promieniowania jest absorbowana w optycznie „przezroczystym” obszarze A kryształu (promienie 1 na ryc. 11.6), ponadto wewnętrzne odbicie (promienie 2) zachodzi, gdy promienie światła padają na granicę między półprzewodnikiem a mediami powietrznymi , które mają różną gęstość optyczną, co ostatecznie prowadzi do ich utraty na skutek samoabsorpcji.
Ryż. 11. Elektryczne (a) i optyczne (6) modele LED
Generowanie kwantów w obszarze aktywnym półprzewodnika jest spontaniczne i charakteryzuje się tym, że promienie świetlne są kierowane z jednakowym prawdopodobieństwem we wszystkich kierunkach. Wiązki 3 rozchodzące się w kierunku silnie domieszkowanego obszaru półprzewodnika są szybko absorbowane. Obszar aktywny B ma działanie falowodowe, a wiązki 4 są skupiane wzdłuż tego obszaru dzięki wielokrotnym odbiciom, dlatego intensywność promieniowania końcowego jest znacznie większa niż w innych kierunkach wyjścia światła z kryształu.
Głównymi materiałami, z których wykonane są emitery, są arsenek galu i związki na jego bazie, a krzem służy jako materiał do fotodetektorów. Oba rodzaje materiałów mają prawie taką samą gęstość optyczną (współczynnik załamania światła). Ta okoliczność zapewnia całkowite dopasowanie optyczne zespołu generatora i odbiornika transoptora.
Fotodetektory. Zasada działania fotodetektorów stosowanych w transoptorach opiera się na wewnętrznym efekcie fotoelektrycznym, polegającym na oddzieleniu elektronów od atomów wewnątrz ciała krystalicznego pod wpływem promieniowania elektromagnetycznego (optycznego). Powstawanie wolnych elektronów prowadzi do zmiany właściwości elektrycznych napromieniowanego ciała, a wynikające z tego zjawiska fotoelektryczne są wykorzystywane w praktyce. Eksperymentalnie ustalono, że największe zjawiska fotoelektryczne zachodzą w półprzewodnikach, głównie czystych. Tak więc w fotodetektorze kwanty światła są przekształcane w energię ruchomych ładunków elektrycznych, pod wpływem których powstaje foto-EMF na złączu pn.
Podczas opracowywania transoptorów fotodetektor jest elementem definiującym transoptor, a emiter jest wybierany „pod fotodetektorem”. Poziom technologii transoptorów jest najbardziej charakterystyczny dla transoptorów diodowych, których typy przemysłowe charakteryzują się prostotą konstrukcji, dużą różnorodnością, szeroką funkcjonalnością i dobrą kombinacją parametrów elektrycznych.
Projektowanie przyrządów półprzewodnikowych mocy. Podstawą projektowania dowolnego urządzenia półprzewodnikowego jest struktura półprzewodnikowa, która określa jego parametry elektryczne i charakterystykę. Konstrukcja z elementami zapewniającymi niezbędną wytrzymałość mechaniczną, niezawodne kontakty elektryczne i termiczne z korpusem urządzenia nazywana jest elementem zaworowym konstrukcji. Element zaworu musi mieć niezawodna ochrona przed wpływem środowiska, dlatego umieszcza się go w obudowie zapewniającej szczelność i wytrzymałość mechaniczną całej konstrukcji.
W zależności od rodzaju konstrukcji obudowy, wszystkie zawory półprzewodnikowe mocy można podzielić na pin, z płaską podstawą (kołnierzem) i tablet.
na ryc. 12, I przedstawia konstrukcję tyrystora kołkowego, którego podstawa 2 jest wykonana z miedzi wraz z gwintowaną śrubą 1, aby zapewnić kontakt elektryczny i termiczny z chłodnicą. Tyrystory z płaską podstawą obudowy (ryc. 12, c) mają miedziany kołnierz 1 do mocowania urządzenia za pomocą śrub do chłodnicy. Pokrywy obudów w obu typach tyrystorów wykonane są w konstrukcji metalowo-szklanej lub metalowo-ceramicznej. Górny zacisk zasilający 3 może być wykonany w postaci metalowej (miedzianej) plecionej wiązki (zacisk elastyczny) lub pustego w środku pręta miedzianego wypełnionego ołowiem (zacisk twardy, rys. 12.6). 
Ryż. 12. Konstrukcje potężnych tyrystorów:
a - tyrystor kołkowy z elastycznym i b - bez elastycznego wyjścia; c - tyrystor kołnierzowy z elastycznym wyjściem
Tyrystory o konstrukcji tabletu (ryc. 13e) są wykonane w postaci tabletki 1 w tekturowej obudowie ceramicznej, która chroni element zaworowy przed zanieczyszczeniem i uszkodzeniem mechanicznym. Tablet umieszcza się pomiędzy górnymi 2 i dolnymi 6 metalowymi podstawami urządzenia, które stykają się z chłodnicami, tworząc styki elektryczne i termiczne. Elektroda sterująca 4 tyrystora jest doprowadzona do bocznej powierzchni obudowy. Urządzenie jest podłączone do obwodu elektrycznego za pomocą płytek przewodzących prąd 3 i 5.
Konstrukcje kołkowe i kołnierzowe są stosowane do zaworów mocy dla prądu do 320 A, tabletu - dla prądu 250 A i więcej. Urządzenia z płaską podstawą obudowy są bardziej odporne na cykliczne zmiany temperatury. W rozwoju tyrystorów ostatnie lata ten projekt jest używany częściej.
na ryc. 13.6 przedstawia jako przykład budowę nowego krzemowego tranzystora mocy serii TK. Takie urządzenia mają masywną obudowę typu kołkowego z gwintowaną śrubą na podstawie do podłączenia do grzejnika oraz sztywne zaciski podstawy i emitera.
ogólna charakterystyka przyrządy półprzewodnikowe. Przemysł krajowy produkuje szeroką gamę półprzewodnikowych urządzeń mocy, których zastosowanie umożliwia tworzenie ekonomicznych, niewielkich rozmiarów i wysoce niezawodnych różnych przetworników energii elektrycznej. Dla wygody wyboru urządzeń półprzewodnikowych w procesie projektowania instalacji i wymiany uszkodzonych zaworów podczas ich eksploatacji stosuje się alfanumeryczny system symboli diod mocy, tyrystorów, tranzystorów i transoptorów (GOST 15543-70*).
Ryż. Rys. 13. Konstrukcja tabletu tyrystora T500 bez chłodnicy (a) oraz wymiary gabarytowe i montażowe tranzystora mocy (b)
Aby sterować fototyrystorem, w jego obudowie znajduje się specjalne okienko do przepuszczania strumienia świetlnego. W tyrystorach transoptorowych jako emiter stosowana jest półprzewodnikowa dioda elektroluminescencyjna - dioda LED, do której przykładany jest sygnał sterujący. Istotną przewagą tyrystorów foto- i transoptorowych nad tyrystorami sterowanymi sygnałem elektrycznym jest brak galwanicznego połączenia między obwodem zasilającym urządzenia a jego układem sterowania.
