Mga Batayan ng teorya ni Maxwell para sa electromagnetic field. Moscow State University of Printing Arts

Optical radiation source na ginagamit sa Ang optoelectronics, sa pangkalahatan, ay magkakaiba. Gayunpaman, karamihan sa mga ito (subminiature incandescent at gas-discharge light bulbs, powder at film electroluminescent emitters, vacuum cathodoluminescent emitters at marami pang ibang uri) ay hindi nakakatugon sa buong hanay. modernong pangangailangan at ginagamit lamang sa ilang partikular na device, pangunahin sa mga indicator device at bahagyang sa mga optocoupler.

Kapag tinatasa ang mga prospect ng isang partikular na mapagkukunan, ang pagtukoy ng papel ay ginagampanan ng estado ng pagsasama-sama ng aktibong kumikinang na sangkap (o ang sangkap na pumupuno sa dami ng gumagana). Sa lahat ng posibleng opsyon (vacuum, gas, liquid, solid), ang kagustuhan ay ibinibigay sa solid-state substance, at "sa loob" nito sa monocrystalline substance dahil nagbibigay ito ng pinakamalaking tibay at pagiging maaasahan ng mga device.

Ang pundasyon ng optoelectronics ay nabuo ng dalawang grupo ng mga emitters:

1) mga optical generator ng magkakaugnay na radiation (laser), kung saan dapat makilala ang mga semiconductor laser;

1) light-emitting semiconductor diodes batay sa prinsipyo ng spontaneous injection electroluminescence.

Ang isang optoelectronic semiconductor device ay isang semiconductor device nanagpapalabas o nagko-convert ng electromagnetic radiation, sensitibo sa radiation na ito sa nakikita, infrared at (o) ultraviolet na mga rehiyon ng spectrum, o paggamit ng naturang radiation para sa panloob na interaksyon ng mga elemento nito.

Ang mga optoelectronic semiconductor device ay maaaring nahahati sa mga semiconductor emitters, radiation receiver, optocoupler at optoelectronic integrated circuits (Fig. 2.1).

Ang semiconductor emitter ay isang optoelectronic semiconductor device na nagko-convert ng elektrikal na enerhiya sa enerhiya ng electromagnetic radiation sa nakikita, infrared at ultraviolet na mga rehiyon ng spectrum.

Maraming mga semiconductor emitters ang maaari lamang maglabas ng mga hindi magkakaugnay na electromagnetic wave. Kabilang dito ang mga semiconductor emitters sa nakikitang rehiyon ng spectrum - semiconductor information display device (light-emitting diodes, semiconductor sign indicators, scales at screens), pati na rin ang mga semiconductor emitters sa infrared na rehiyon ng spectrum - infrared emitting diodes.

Magkakaugnay na mga naglalabas ng semiconductor– ito ay mga semiconductor laser na may iba't ibang uri ng paggulo. Maaari silang maglabas ng mga electromagnetic wave na may isang tiyak na amplitude, frequency, phase, direksyon ng pagpapalaganap at polariseysyon, na tumutugma sa konsepto ng pagkakaugnay-ugnay.

Ang layunin ng gawain ay ang eksperimento na pag-aralan ang mga katangian ng mga photosensitive at light-emitting device.

Maikling teoretikal na impormasyon.

Ang mga optoelectronic na semiconductor na aparato ay maaaring nahahati sa dalawang grupo: nagpapalabas at photosensitive (photoreceiving). Kasama sa unang grupo ang mga LED at semiconductor laser emitters, at ang pangalawang grupo ay kinabibilangan ng mga photodiode, phototransistors, photothyristors, photoresistors at marami pang iba.

Panimula. Ang modernong larangan ng optoelectronics ay napakalawak, na sumasaklaw sa pag-aaral ng mga device na ang operasyon ay nauugnay sa optical at electrical phenomena, tulad ng iba't ibang uri ng photosensitive cells, light generators, modulators, display, atbp. Limitahan natin ang ating sarili sa pag-aaral ng mga light emitting device at detector.

Kahulugan Ang Optoelectronics ay ang pag-aaral at aplikasyon ng mga elektronikong kagamitan na nagbibigay, nakakakita, at nagkokontrol ng liwanag. Ang mga optoelectronic na device ay mga electrical converter sa optical o optical to electrical, o mga device na gumagamit ng mga naturang device sa kanilang operasyon.

Ang LED ay isang aparato na may mga p-n junction sa pagitan ng mga layer ng mga semiconductor na materyales na kasama sa komposisyon nito. Kino-convert nito ang enerhiya ng kasalukuyang dumadaloy sa pamamagitan nito sa electromagnetic incoherent radiation.

Kapag ang isang pasulong na kasalukuyang dumadaan sa diode sa p-n junction zone, ang recombination ng mga electron at butas ay nangyayari. Ang prosesong ito ay maaaring sinamahan ng electromagnetic radiation na may dalas na tinutukoy ng relasyon:

Ang mga aparatong ito ay nagko-convert ng elektrikal na enerhiya sa liwanag na enerhiya. Naglalabas sila ng liwanag kapag na-activate ng elektrikal na enerhiya. Ang mga device na ito ay bumubuo ng isang maliit na electrical signal kapag sila ay naiilaw, at sa gayon ay nagko-convert ng liwanag na enerhiya sa elektrikal na enerhiya.

Ang mga LED ay ang mga magagamit sa anyo ng mga makukulay na bombilya na nasa mga optoelectronic na aparato, mga gamit sa bahay, mga laruan at marami pang ibang lugar. Ang mga light-emitting diode ay mga diode na nakakaapekto sa paggawa ng liwanag kapag dumadaloy ang kuryente sa kanila. Ang mga diode ay may katangian na nagpapahintulot sa kasalukuyang dumaan sa isang direksyon lamang at hindi sa isa pa.

– halaga na naaayon sa band gap ng semiconductor, - pare-pareho ni Planck. Gayunpaman, kasabay ng mekanismong ito ng (radiative) recombination, ang isang non-radiative ay nagpapatakbo din, na nauugnay lalo na sa pagsipsip ng enerhiya ng kristal na sala-sala. Kapag gumagawa ng mga LED, sinisikap nilang bawasan ang impluwensya nito. Ang kahusayan ng pag-convert ng elektrikal na enerhiya sa liwanag ay tinatantya ng halaga , tinatawag na internal quantum efficiency. Ito ay tinutukoy ng ratio ng bilang ng mga ibinubuga na photon sa bilang ng mga pinagsama-samang pares ng mga carrier.

Mga light emitting diode. Ang mga impurities na ito ay tinatawag na donor atoms dahil nag-aambag sila ng medyo "libre" na elektron sa istraktura. Ang mga impurities na ito ay tinatawag na acceptor atoms dahil ang bilang ng mga electron ay hindi sapat upang makumpleto ang covalent bonds ng sala-sala, na nagreresulta sa isang butas na mabilis na tatanggap ng isang electron. Ang mga electron at butas ay maaaring gumalaw sa ilalim ng impluwensya ng electric field, at kapag muling pinagsama ang mga ito, isang photon o particle ng liwanag ang nabuo. Ang recombination na ito ay nangangailangan ng enerhiya ng unbound free electron na mailipat sa ibang estado.

Tulad ng sumusunod mula sa (5.1), ang wavelength ng LED radiation

ay inversely proportional sa band gap ng semiconductor. Para sa mga diode na gawa sa germanium, silicon at gallium arsenide, ang maximum na ibinubuga na enerhiya ay nangyayari sa infrared na rehiyon, at, bilang karagdagan, para sa germanium at silicon diodes ay may mataas na posibilidad ng non-radiative recombination.

Ang mga tekstong ito ay maaari ding maging kawili-wili

Sa silikon at germanium, ang karamihan ay nasa anyo ng init, at ang ilaw na ibinubuga ay bale-wala. Ang mga error na ito ay sanhi ng pagkakaroon ng mga harmonika sa network, pati na rin ang katumpakan ng pagsukat ng kagamitan sa pagsubok. Maaari bang umasa ang hukom sa mga prima facie na katotohanan na hindi lamang pinaghihinalaang sa mga partido, ngunit dapat na nakuha sa ibang paraan, o maaari ba niyang ibatay ang kanyang desisyon sa mga katotohanang diumano ng mga partido? Bakit gumagamit ng katawan ng kaalaman sa pamamahala ng proyekto? . Ang proyekto ng Plasma Optoelectronics ay kasangkot sa eksperimental at bottom-up na pananaliksik sa mga organic na electronics, mula sa pagpapatupad ng mga device, ang kanilang optoelectronic na katangian, hanggang sa pagmomodelo ng kanilang mga pisikal na katangian.

Upang makagawa ng mga LED na naglalabas sa nakikitang hanay, ginagamit ang mga espesyal na materyales ng semiconductor - gallium phosphide, gallium nitride, silicon carbide at iba pa na may malaking band gap. Ang mga modernong LED ay gumagamit ng mga heterojunction, iyon ay, mga istruktura ng semiconductor batay sa mga materyales na may iba't ibang mga puwang ng banda.

Kasama sa larangan ng organic electronics ang iba't ibang teknolohiya gamit ang mga pangunahing device. Mga light-emitting diode sa larangan ng flat panel display at low-energy lighting Field-effect transistors sa logic circuits - memory para sa pagsuporta sa nomadic o off-grid na mga de-koryenteng mga kable. Ang mga aktibidad ng grupo ay binuo sa pamamagitan ng lokal, pambansa at internasyonal na pakikipagtulungan sa mga kasosyo mula sa akademikong mundo, pati na rin ang mga istrukturang pang-industriya sa rehiyon at pambansang.

Deposition ng singaw na may ion beam

Karamihan sa mga bahagi ng optoelectronic ay gumagamit ng mga cathode na ginawa ng vacuum evaporation. Ion beam vapor deposition ay nagsasangkot ng deposition sa pamamagitan ng evaporation papunta sa isang substrate at sabay-sabay na paglalantad sa substrate sa isang beam ng mga energetic na ion. Ang pamamaraang ito ay nagreresulta sa mga pagbabago sa optical, electrical, mechanical at mga katangian ng kemikal idineposito na layer. Ginagawang posible ng pamamaraang ito, lalo na, upang i-compact ang mga na-deposito na layer upang limitahan ang pagsasabog ng oxygen at tubig sa loob ng mga bahagi. Pinapabuti nito ang buhay ng serbisyo ng mga bahagi.

Sa Fig. Ipinapakita ng Figure 5.1 ang pag-asa ng intensity ng radiation ng mga LED na gawa sa iba't ibang mga materyales sa wavelength (mga spectral na katangian); ang simbolo ng LED sa mga de-koryenteng circuit ay ipinapakita din doon.

kanin. 5.1. Mga spectral na katangian at pagtatalaga ng mga LED sa mga de-koryenteng diagram.

Pag-unlad ng nanostructured inorganic semiconductors

Sa kontekstong ito, ang mga soft ion beam sputtering technique ay binuo sa laboratoryo. Hybrid optoelectronic na mga bahagi gamit ang mga katangian ng organic at di-organikong bagay sa parehong aparato, ngayon ay nagpakita ng mahalagang potensyal para sa pagbuo ng mapagkumpitensyang murang mga solusyon. Sa kontekstong ito, interesado kami sa synthesis ng inorganic metal oxide nanocrystals na may mahusay na kinokontrol na mga morpolohiya na ginagamit sa mga aktibong layer ng aming mga device, pati na rin ang pag-deposito ng mga inorganic na manipis na layer sa pamamagitan ng aerosol pyrolysis na ginagamit bilang transparent conductive electrodes, blocking layers o buffer layer sa mga bahaging binuo ng laboratoryo.

Ang kasalukuyang-boltahe na katangian ng isang LED (Larawan 5.2) ay katulad ng sa isang maginoo na semiconductor diode. Ang kakaiba nito ay ang mga pasulong na boltahe ay maaaring umabot ng ilang volts (dahil sa malaking banda gap), at ang mga baligtad na boltahe ay maliit dahil sa maliit na kapal ng pn junction. Kung sakaling magkaroon ng electrical breakdown ng isang LED, dahil sa impact ionization sa volume ng p-n junction, maaaring mangyari din ang radiation ng electromagnetic energy. Gayunpaman, ang intensity ng radiation sa mode na ito ay mababa, at hindi ito nakakahanap ng praktikal na aplikasyon.

Mga bagong teknolohiya na binuo

Pag-embed ng mga organikong materyales sa pamamagitan ng laser ablation. . Ang laser ablation phenomenon ay maaaring gamitin upang makabuo ng manipis na mga organikong layer: ito ay may kalamangan sa paggawa ng mga layer ng kinokontrol na kapal at magandang kristal na kalidad sa temperatura kapaligiran. Upang maiwasan ang pagkasira ng molekular na istraktura ng tambalan, kinakailangan na gumana sa isang mababang density ng flux na malapit sa threshold fluence. Nagbibigay-daan din ang laser ablation para sa selective etching ng mga naunang nadeposito na layer sa pamamagitan ng mask.

kanin. 5.2. Kasalukuyang-boltahe na mga katangian ng LEDs.

Ang isang mahalagang katangian ng isang LED ay liwanag, iyon ay, ang pagtitiwala sa liwanag ng radiation sa magnitude ng pasulong na kasalukuyang. Ang liwanag ay tinutukoy ng ratio ng maliwanag na intensity sa lugar ng maliwanag na ibabaw. Ang isang tinatayang view ng naturang katangian ay ipinapakita sa Fig. 5.3. Ang mga liko nito sa una at huling mga seksyon ay ipinaliwanag sa pamamagitan ng katotohanan na sa mababa at mataas na alon ang posibilidad ng nonradiative recombination ay tumataas.

Pag-unlad ng mga electrodes batay sa carbon nanotubes. . Mula sa isang de-koryenteng punto ng view, ang mga nanotubes ay may katangian ng pagiging metal o semiconducting depende sa kanilang geometry. Sa pamamagitan ng mga diskarte sa solusyon, nilalayon naming bumuo at mag-optimize ng carbon nanotube-based na mga electrodes.

Pag-unlad ng mga hybrid na bahagi sa pamamagitan ng co-precipitation. . Ang prinsipyo ng co-precipitation ng mga hybrid na bahagi. Bilang isang bagong diskarte, iminumungkahi namin ang co-precipitation ng organic na materyal sa pamamagitan ng evaporation at inorganic na materyal sa pamamagitan ng ion sputtering. Ang ganitong mga hybrid na layer ay maaari ding gamitin bilang mga barrier layer upang i-encapsulate ang mga bahagi.

kanin. 5.3. Mga katangian ng liwanag ng LED.

Ang mga LED, hindi tulad ng iba pang mga nagpapalabas na aparato (mga incandescent lamp, atbp.), ay napakabilis na kumikilos (walang inertia). Ang oras kung kailan ang luminous flux na nabuo ng LED kapag nag-aaplay ng rectangular na direktang kasalukuyang pulso ay umabot sa pinakamataas na saklaw nito mula sa ilang microseconds hanggang sampu-sampung nanosecond.

Mga aparatong optoelectronic

Organic at hybrid na photovoltaic na mga cell

Ang mga photovoltaic cell ay nagpapahintulot sa pag-convert ng liwanag na enerhiya sa elektrikal na enerhiya sa pamamagitan ng pagsipsip ng mga photon, pagkatapos ay lumilikha at sa wakas ay naglilipat ng mga libreng singil sa isang aktibong layer na binubuo ng mga electron-donate at electron-receiving na mga materyales. Ang mga organikong selula batay sa maliliit na conjugated molecule o semiconducting polymers ay may kalamangan na mabuo sa mababang halaga sa mga nababaluktot na substrate.

Para sa mga organikong solar cell, ang mga pangunahing layunin ay. Kontrol ng morpolohiya sa sukat ng nanometer para sa parehong mga bahagi batay sa mga evaporated na maliliit na molekula at mga cell batay sa mga conjugated polymers at natutunaw na molekular na mga acceptor.

Ang mga LED ay nailalarawan sa pamamagitan ng mga sumusunod na pangunahing mga parameter: ang haba ng daluyong ng maximum na radiation o ang kulay ng glow; liwanag o maliwanag na intensity sa isang naibigay na pasulong na kasalukuyang; pasulong na boltahe drop sa isang naibigay na pasulong na kasalukuyang at ang pinakamataas na pinahihintulutang pasulong na kasalukuyang, reverse boltahe at kapangyarihan dissipated sa pamamagitan ng LED.

Ang photodiode ay isang semiconductor device na ang p-n junction ay bukas sa panlabas na radiation. Kung ang mga panlabas na mapagkukunan ng boltahe ay hindi konektado sa mga terminal ng semiconductor diode, kung gayon ang p-n junction ay nasa isang estado ng balanse. Sa kasong ito, ang potensyal na pagkakaiba sa mga terminal ng diode ay zero, at sa interface sa pagitan ng mga layer ng semiconductor ay may panloob na electric field na pumipigil sa paggalaw ng karamihan sa mga carrier sa pamamagitan ng p-n junction.

Pag-optimize ng mga electrodes gamit ang mga pamamaraan ng ion beam. Pagmomodelo sa mga aktibong zone ng mga cell upang mapabuti ang kanilang mga katangian at ang kanilang habang-buhay. Pag-optimize ng mga istruktura ng elektrod ng mga solar cell batay sa mga sumingaw na maliliit na molekula. Kaayon ng mga organikong sangkap, sinimulan namin kamakailan ang produksyon at optoelectronic na pagkilala sa mga hybrid na photovoltaic na cell batay sa nanostructured metal oxides. Pangunahing interesado kami sa mga solid-state na dye-sensitized na mga cell, ang potensyal na pagganap nito ay maaaring Bilang karagdagan sa mga sensitized na mga cell, nagpapatuloy din kami sa pagbuo ng mga conventional hybrid na bahagi.

Sa ilalim ng impluwensya ng electromagnetic radiation (sa ilalim ng pag-iilaw), ang mga bono ng mga electron na may mga atom ay nasira sa dami ng paglipat - ang henerasyon ng mga pares ng electron-hole. Ang phenomenon na ito ay tinatawag na internal photoelectric effect. Ang pn junction field ay ililipat ang mga resultang butas sa rehiyon p-semiconductor, at mga electron, ayon sa pagkakabanggit, sa n-semiconductor, na naghihiwalay sa mga nabuong carrier. Sa kasong ito, ang isang tiyak na potensyal na pagkakaiba ay lilitaw sa mga panlabas na gilid ng mga layer ng semiconductor ("+" sa anode ng diode, "-" sa cathode nito) at sa parehong oras ang taas ng potensyal na hadlang ng pn ang junction ay bababa sa dami ng pagkakaibang ito.

Ang mga pangunahing pagsisikap ay naglalayong tumpak na kontrol ng mga nanoscale na arkitektura sa pamamagitan ng murang pag-unlad ng nanoporous metal oxide layers. Ang prinsipyo ng sensitized dye cells sa solid state. Kontakin: Thierry Trigot, Bruno Lucas. Ang koponan ay bumubuo ng mga bagong teknolohiya para sa paggawa ng mga electronic circuit batay sa mga organikong transistor. Ang layunin ay makakuha ng murang mga produkto dahil sa mga materyales na ginamit at mga pamamaraan ng produksyon na ginamit. dalawang lugar ng pananaliksik na pangunahing binuo sa laboratoryo.

Transparent na mga organikong transistor. Mga nababaluktot na circuit na ginawa ng mga paraan ng pag-print. Nag-aral mula sa isang teoretikal na pananaw. Physics ng organic semiconductors. Mga solusyon sa teknolohiya sa pag-print. Estado ng mga interface: ayon sa mga pamamaraan ng pag-deposito at mga materyales na idineposito.

Ang potensyal na pagkakaiba na nabuo ng isang photodiode sa ilalim ng impluwensya ng liwanag ay tinatawag na photo emf.

. Ang halaga nito ay nakasalalay sa maliwanag na pagkilos ng bagay (Larawan 5.4), ngunit ang larawan ng emf. hindi maaaring lumampas sa potensyal na pagkakaiba ng contact . Ito ay ipinaliwanag sa pamamagitan ng katotohanan na ang mga direksyon ng panlabas at panloob na mga patlang ay kabaligtaran at may pagtaas bumababa ang kabuuang patlang ng kuryente na nagdudulot ng paggalaw ng mga carrier ng singil. Kung pantay ang photo emf. At mawawala ang puwersang nagdudulot ng paggalaw ng mga carrier. Ang magnitude ng potensyal na pagkakaiba na nabuo sa mga terminal ng photodiode kapag ang panlabas na circuit ay bukas ay tinatawag na bukas na boltahe ng circuit.

Arkitektura ng mga organikong kadena. Mga tipikal na katangian ng isang organikong transistor na idineposito sa isang nababaluktot na substrate. Bilang karagdagan, gumagawa kami ng iba pang mga advanced na bahagi batay sa mga organic na transistor, tulad ng mga photovoltaic cell. Talaga, iba't ibang epekto ay maaaring gawin sa solids sa pamamagitan ng pagsipsip o paglabas ng isang photon ng materyal, tulad ng photoconductivity o ang photovoltaic effect, na direktang nauugnay sa mga mekanismo ng transportasyon. Ang isang phototransistor na nagsasamantala sa mga photoconductive na katangian ng aktibong layer ng transistor ay maaaring gamitin bilang light-extractable switch, bilang optical grid amplifier, bilang detection circuit, o bilang sensor.

kanin. 5.4. Depende sa photo emf. at ang short circuit current ng p-n junction mula sa magnitude ng luminous flux.

Kung ang mga lead ng isang diode na may iluminadong p-n junction ay short-circuited, ang isang electric current na tinatawag na photocurrent ay dadaloy sa conductor. , sanhi ng direktang paggalaw ng mga libreng carrier na nabuo sa transition zone. Ang kanilang paggalaw ay magaganap sa ilalim ng impluwensya ng panloob na electric field ng paglipat. Kapag ang photodiode ay iluminado, ang kasalukuyang ito ay mapapanatili ng enerhiya ng liwanag na radiation, na nagiging sanhi ng pagbuo ng mga pares ng electron-hole. Sa zero external circuit resistance, ang kasalukuyang ito ay tinatawag na short circuit current.

Mga organikong LED

Organic transistor sa isang nababaluktot na substrate sa ilalim ng magaan na paggulo. Transistor time response para sa iba't ibang mga boltahe alisan ng tubig at depende sa ilaw. Contact person: Remy Antony, Bruno Lucas. Ang mga organikong light-emitting diode ay nagko-convert ng elektrikal na enerhiya sa liwanag na enerhiya. Ang mga istruktura ay uri ng sanwits na may isa o higit pang mga organikong layer na nakasabit sa pagitan ng dalawang electrodes, na ang isa ay transparent sa ibinubuga na haba ng daluyong. Ang paglalapat ng electric field sa mga terminal ng isang component ay nagbibigay-daan sa pagpapakilala ng mga load carrier na lilipat sa mga organic na layer, at ang recombination ng mga carrier na ito ay gumagawa ng quasiparticle na tinatawag na exciton.

Laki ng photocurrent , tulad ng halaga ng photo-emf, ay proporsyonal sa maliwanag na pagkilos ng bagay (Larawan 5.4), ngunit ang kaukulang pag-asa

ay walang binibigkas na seksyon ng saturation, dahil para sa anumang bilang ng mga carrier na nabuo, ang electric field na kumikilos sa kanila ay magiging katumbas ng field ng contact potential difference.

Ang haba ng daluyong ng ibinubuga na ilaw at iba pang mga katangian ng optoelectronic ay nakasalalay sa likas na katangian ng nagpapalabas na layer. Mga katangian ng isang photocell sa dilim at sa ilalim ng liwanag. Ang mga bahaging ito ay nagpapahintulot, halimbawa, ang paglipat ng impormasyon sa pamamagitan ng pagpapanatili ng pagkakabukod ng kuryente, na maaari ding gamitin upang suriin ang kanilang pagganap sa mga tuntunin ng habang-buhay o thermal stability.

Mga Advanced na Teknik sa Characterization

Pagsukat ng kadaliang mapakilos ng mga kargamento at transport phenomena

Kaya, ang mga katangian ng mga organikong sangkap ay lubos na nakadepende sa kadaliang mapakilos ng carrier at mga mekanismo ng transportasyon. Samakatuwid, upang suriin ang mga maselan na parameter na ito na kailangang sukatin, bumuo kami ng isang paraan ng pagsukat ng kadaliang kumilos batay sa mga sukat ng dielectric: ang extrapolation sa isang napakababang frequency sa representasyon ng mga pagkalugi ng dielectric bilang isang function ng frequency ay nagbibigay-daan upang makuha ang conductivity. Pagkatapos, batay sa kasalukuyang density kumpara sa boltahe na katangian, ang density ng carrier ay tinutukoy upang sa wakas ay matukoy ang kanilang kadaliang kumilos.

Kaya, sa pagkakaroon ng mga panlabas na pinagmumulan ng liwanag, ang photodiode ay maaaring magsilbi bilang isang emf generator. o kasalukuyang, i.e. isagawa ang mga function ng isang converter ng light energy sa electrical energy. Ang pagpapatakbo ng mga solar converter (baterya) ay batay sa prinsipyong ito. Ang inilarawan na mode ng pagpapatakbo ng photodiode (nang walang mga panlabas na mapagkukunan) ay tinatawag na valve mode.

Kasalukuyang-boltahe na katangian ng photodiode, i.e. ang pag-asa ng kasalukuyang sa pamamagitan nito sa magnitude ng panlabas na inilapat na boltahe ay sa isang tiyak na paraan na nauugnay sa pag-iilaw. Malinaw, kung ang pn junction ay hindi naiilaw, kung gayon ang kasalukuyang-boltahe na katangian ng photodiode ay magiging magkapareho sa kaukulang katangian ng isang maginoo na diode. Ang sitwasyong ito ay tumutugma sa graph sa Fig. 5.5 para sa

=0.

kanin. 5.5. Mga katangian ng kasalukuyang boltahe ng photodiode.

Kapag ang isang reverse boltahe ay inilapat sa isang darkened photodiode, isang tinatawag na dark current ay dadaloy sa pamamagitan nito , tinutukoy, tulad ng para sa isang maginoo na diode, sa pamamagitan ng kaugnayan:

(5.2)

saan - kasalukuyang saturation, - potensyal na temperatura,

- inilapat na boltahe. Kapag ang pn junction ng isang gated diode ay iluminado, ang mga pares ng mga carrier ay bubuo sa dami nito at mga katabing lugar. Dadalhin sila ng panlabas na electric field sa mga gilid ng mga layer ng semiconductor at isang reverse current ang dadaloy sa diode.

(5.3)

saan - madilim na agos, – kasalukuyang nilikha ng mga carrier na nabuo ng electromagnetic radiation (photocurrent). Ang kasalukuyang ito ay karaniwang may negatibong senyales. Dahil ang magnitude ng photocurrent ay proporsyonal sa maliwanag na pagkilos ng bagay

, pagkatapos ay sa pagtaas ng pag-iilaw ang reverse branch ng kasalukuyang-boltahe na katangian ng photodiode ay lilipat pababa halos kahanay, tulad ng ipinapakita sa Fig. 5.5. Ang mode ng operasyon ng photodiode (na may reverse bias ng p-n junction) ay tinatawag na photodiode.

Kung ang isang boltahe na katumbas ng zero ay inilapat sa photodiode, kung gayon ito ay tumutugma sa maikling circuit nito at, tulad ng nabanggit kanina, ang ilang kasalukuyang ay dadaloy sa panlabas na circuit, na tinatawag na short circuit current.

.

Kapag ang polarity ng boltahe sa diode ay nagbabago, ang panlabas na electric field ay naka-on counter sa photoemf field, na nagiging sanhi ng pagbawas sa daloy ng mga carrier sa pamamagitan ng pn junction at, nang naaayon, isang pagbaba sa reverse current. Kapag ang pasulong na boltahe ay umabot sa isang tiyak na halaga, ang kasalukuyang diode ay titigil. Ang halaga ng boltahe na ito ay tumutugma sa idle mode at magiging katumbas ng

, na nabuo ng diode sa isang naibigay na pag-iilaw at isang bukas na panlabas na circuit. Ang karagdagang pagtaas sa pag-unlock ng potensyal na pagkakaiba ay magiging sanhi ng isang pasulong na daloy sa pamamagitan ng diode, ang pag-asa kung saan sa boltahe ay inilarawan ng isang kaugnayan na katulad ng (5.2)

, at ang kabuuang kasalukuyang ay magiging pantay

.

Ang mga photodiode ay karaniwang ginagamit bilang mga light sensor at gumagana sa reverse bias, iyon ay, sa photodiode mode. Ang mga ito ay nailalarawan sa pamamagitan ng mga sumusunod na parameter: – madilim na kasalukuyang (reverse current ng isang darkened photodiode sa isang naibigay na temperatura at reverse boltahe);

– integral, o

- pagkakaiba sa photosensitivity. Ang huli ay madalas na tinukoy bilang ang ratio ng pagbabago sa reverse kasalukuyang

sa pagbabago sa luminous flux na naging sanhi nito

.

Ang sensitivity ng photodiode ay depende sa wavelength ng supply light. Ang pag-asa na ito para sa mga photodiode na gawa sa iba't ibang mga materyales at ang pagtatalaga nito sa mga circuit diagram ay ipinapakita sa Fig. 5.6.

kanin. 5.6. Mga spectral na katangian ng photodiode at ang pagtatalaga nito sa mga electrical diagram.

Dahil ang isang bipolar transistor ay isang istraktura na naglalaman ng mga p-n junctions, ang kasalukuyang nasa loob nito ay maaaring kontrolin hindi lamang sa pamamagitan ng pagbabago ng kaukulang mga boltahe, kundi pati na rin sa pamamagitan ng pag-iilaw sa base area. Ang isang transistor kung saan ibinigay ang mode ng operasyon na ito ay tinatawag na phototransistor. Sa kawalan ng pag-iilaw, ang kasalukuyang-boltahe na mga katangian nito ay kapareho ng sa isang maginoo transistor.

Sa ilalim ng impluwensya ng light flux, ang mga pares ng electron-hole ay bubuo sa mga p-n junctions ng base region. Sa pamamagitan ng field ng isang naka-lock na collector junction, ang mga electron (para sa isang n-p-n transistor) ay iguguhit sa rehiyon ng kolektor, na nagpapataas ng kasalukuyang nito. Ang sitwasyong ito ay katulad ng pagpapatakbo ng isang photodiode sa reverse bias mode.

Ang mga butas na lumilitaw kapag ang phototransistor (n-p-n type) ay iluminado ay nananatili sa base, pinatataas ang positibong potensyal nito, na humahantong sa pagtaas ng intensity ng electron injection mula sa emitter. Ang mga karagdagang electron, na nakarating sa collector junction, ay iguguhit ng field nito sa collector region at lilikha ng karagdagang pagtaas sa collector current. Ang kabuuang kasalukuyang kolektor ng phototransistor kapag ito ay nakabukas ayon sa isang circuit na may karaniwang emitter ay ilalarawan ng kaugnayan:

- sa pamamagitan ng kasalukuyang kolektor, – photocurrent ng collector junction, ang magnitude nito ay depende sa panlabas na pag-iilaw. Mula sa (5.4) sumusunod na ang kasalukuyang kolektor ng phototransistor ay maaaring kontrolin pareho sa pamamagitan ng base circuit at sa pamamagitan ng pagbabago ng halaga ng light flux. Ang photosensitivity ng naturang transistor ay humigit-kumulang

beses ang sensitivity ng photodiode.

Ang pamilya ng mga katangian ng kasalukuyang-boltahe ng output ng phototransistor ay ipinapakita sa Fig. 5.7. Ang katumbas na circuit ng isang phototransistor ay ipinakita din doon sa anyo ng isang kumbinasyon ng isang maginoo transistor at isang photodiode.

kanin. 5.7. Mga katangian ng kasalukuyang boltahe, pagtatalaga at katumbas na representasyon ng isang bipolar phototransistor.

Kung ang pinagsamang kasalukuyang kontrol ng kolektor ay hindi kinakailangan, ang phototransistor ay maaaring walang base terminal. Ang mode ng operasyon na ito ay tinatawag na "torn off" o free base mode. Sa kasong ito, ang phototransistor ay hindi lamang pinakamataas na sensitivity, kundi pati na rin ang maximum na kawalang-tatag ng mga parameter nito. Upang madagdagan ang katatagan, ang base output ay maaaring konektado sa emitter contact sa pamamagitan ng isang risistor.

Ang mga photothyristors ay lumilipat ng mga aparatong semiconductor, ang paglipat ng boltahe na maaaring magbago sa ilalim ng impluwensya ng liwanag na pagkilos ng bagay sa kaukulang p-n junctions. Ang kondisyon para sa pag-on ng thyristor ay ang mga sumusunod:

, Saan At – transmission coefficients ng mga katumbas na transistors. Sa kawalan ng pag-iilaw, ang kasalukuyang boltahe na katangian ng isang photothyristor ay katulad ng katangian ng isang maginoo na switching device (dinistor o thyristor na may

). Ang pag-iilaw ng mga junction ng photothyristor ay nagdudulot ng pagtaas sa mga alon ng kaukulang transistors at ang kanilang mga koepisyent ng paghahatid. Ito ay hahantong sa pagbaba sa turn-on na boltahe ng istraktura, tulad ng ipinapakita sa Fig. 5.8. Sa kaso ng sapat na matinding pag-iilaw, ang photothyristor ay bubuksan sa anumang halaga ng pasulong na boltahe, pati na rin ang thyristor kapag ang control current ay mas malaki kaysa sa rectification current.

kanin. 5.8. Mga katangian ng kasalukuyang boltahe at pagtatalaga ng photothyristor.

Kaya, sa pamamagitan ng paglalapat ng ilang boltahe sa madilim na photothyristor at pagkatapos ay saglit na nag-iilaw sa p-n junction, ang aparato ay maaaring ilipat sa naka-on na estado. Posibleng i-off ang isang photothyristor, tulad ng isang conventional switching device, kapag ang anode current ay nabawasan sa isang halaga na mas mababa kaysa sa hawak na kasalukuyang. Ang photothyristor ay maaari ding magkaroon ng karagdagang output - isang control electrode, na nagpapahintulot na ito ay i-on kapag ang parehong de-koryente at isang light signal ay ibinibigay.

Ang photoresistor ay isang two-electrode semiconductor device na ang paglaban ay nakasalalay sa panlabas na pag-iilaw. Hindi tulad ng naunang tinalakay na mga device, ang photoresistor ay hindi naglalaman ng mga rectifying junction at ito ay isang linear na elemento, i.e. ang kasalukuyang-boltahe na katangian nito ay inilarawan para sa anumang polarity ng boltahe ratio:

, Saan – kasalukuyang dumadaloy sa photoresistor, – paglaban sa isang naibigay na pag-iilaw. Ang kasalukuyang-boltahe na mga katangian ng photoresistor at ang pagtatalaga nito sa mga de-koryenteng diagram ay ipinapakita sa Fig. 5.9.

kanin. 5.9. Mga katangian ng kasalukuyang boltahe at pagtatalaga ng mga photoresistor sa mga de-koryenteng circuit.

Ang pangunahing mga parameter ng isang photoresistor ay: madilim na pagtutol (resistance at luminous flux

), salik ng pagbabago ng paglaban , katumbas ng ratio ng madilim na pagtutol sa paglaban sa isang naibigay na pag-iilaw. Ang mga photoresistor, tulad ng mga photodiode, ay tumutugon nang iba sa mga light flux ng iba't ibang wavelength. Ang pinakasensitibo sa infrared radiation ay ang mga photoresistor na gawa sa selenide at lead sulfide, at kapag tumatakbo sa nakikitang hanay, ginagamit ang mga photoresistor na gawa sa selenide at cadmium sulfide.

Ang light emitter at photodetector ay maaaring ilagay sa isang pabahay, na bumubuo ng isang aparato na tinatawag na optocoupler o optocoupler. Depende sa kumbinasyon ng mga light emitter at receiver, may iba't ibang uri ng optocoupler. Ang istraktura at mga pagtatalaga sa mga circuit diagram ng ilan sa mga ito ay ipinapakita sa Fig. 5.10.

kanin. 5.10. Pagtatalaga sa mga de-koryenteng diagram ng iba't ibang uri ng mga optocoupler.

Paglalarawan ng setup ng laboratoryo.

Ang pag-install para sa gawaing laboratoryo No. 5 "Pananaliksik ng mga aparatong optoelectronic" ay binubuo ng mga laboratoryo at mga paninindigan sa pagsukat, hitsura front panel na kung saan ay ipinapakita sa Fig. 1.8 at 5.11.

Ang laboratoryo bench ay naglalaman ng adjustable power supply na may output voltage range na 0 15V at i-load ang kasalukuyang limiter sa 60mA. Ang power supply switch, boltahe adjustment knob at output sockets ay matatagpuan sa kanang bahagi ng laboratoryo bench panel. Mayroon ding button na may label na "Off." E", kapag pinindot, ang output boltahe ay nakadiskonekta mula sa socket na may markang "+".

Bilang karagdagan, mayroong dalawang kasalukuyang mapagkukunan, ang mga halaga nito ay itinakda ng kaukulang mga switch. Base kasalukuyang maaaring itakda sa zero, 0.1 µA, 1 µA, 10 µA, at ang pangalawang source current – 0, 0.5mA, 10mA, 20mA at 30mA.

Sa gawaing laboratoryo na ito, pinag-aaralan ang mga katangian ng LEDs AL336B (VD1) na may pula, AL336G (VD2) na may green light set at infrared LED AL107A (VD3).

Resistor na na-rate sa 680 Ohms ay nagsisilbing limitahan ang dami ng pasulong na kasalukuyang sa pamamagitan ng mga LED. Bilang karagdagan, ang isang pag-aaral ay isinasagawa sa mga photodetector ng iba't ibang uri na bahagi ng mga optocoupler ng diode AOD101A (U1), transistor AOT128A (U2), thyristor AOU103B (U3) at risistor OEP10 (U4). Mga risistor

(halaga 1 kOhm) at

(10 kOhm value) ay ginagamit kapag pinag-aaralan ang optocoupler sa analog signal transmission mode, na isinasagawa sa trabaho No.

Ang laboratory stand ay nakabukas gamit ang "On" toggle switch. Ang paggana ng pinagmumulan ng kuryente ay ipinapahiwatig ng pag-iilaw ng berdeng LED na matatagpuan sa toggle switch na ito.

Pamamaraan para sa pagsasagawa ng gawaing laboratoryo.

1. Paghahanda sa tahanan.

Sa panahon ng paghahanda sa bahay, kinakailangan, gamit ang sangguniang literatura, upang matukoy at isulat sa isang workbook ang mga pangunahing parameter ng mga aparatong semiconductor na pinag-aralan sa gawaing ito. Bilang karagdagan, kinakailangan upang gumuhit ng mga diagram para sa pagkuha ng mga sukat at mga talahanayan para sa pagtatala ng mga resulta ng pananaliksik.

2. Pagsasagawa ng gawaing laboratoryo.

2.1. Pag-aaral ng kasalukuyang-boltahe na mga katangian ng LEDs.

Gamit ang diode VD1, tipunin ang circuit na ipinapakita sa Fig. 5.12.

kanin. 5.12. Circuit para sa pag-aaral ng direktang sangay ng kasalukuyang-boltahe na katangian ng LEDs.

Itakda ang boltahe regulator knob sa matinding kaliwang posisyon (

); limitasyon sa pagsukat PV1 – 1.5V, limitasyon sa pagsukat PA1 – 10mA. I-on ang power supply sa laboratory stand.

Sa pamamagitan ng pagpihit sa control knob sa kanan, dagdagan ang boltahe ng pinagmumulan ng kuryente at sukatin ang pag-asa ng pagbaba ng boltahe sa diode sa pasulong na kasalukuyang, na nagtatakda ng mga halaga nito na katumbas ng: 0mA, 1mA, 3mA, 5mA, 10mA, 20mA, 30mA, 40mA, 50mA. Punan ang unang hilera ng talahanayan ng natanggap na data:

(mA)
(SA)
(SA)
(SA)

Magsagawa ng mga katulad na sukat para sa mga diode VD2, VD3. Ang kanilang koneksyon ay dapat na isagawa sa laboratory stand de-energized.

Gamit ang diode VD1, tipunin ang circuit na ipinapakita sa Fig. 5.13.

kanin. 5.13. Circuit para sa pag-aaral ng reverse branch ng kasalukuyang-boltahe na katangian ng LEDs.

Itakda ang limitasyon sa pagsukat PA1 – 0.1 mA, PV1 – 15V. Gamit ang regulator upang baguhin ang blocking boltahe sa diode, sukatin ang reverse current at punan ang unang hilera ng talahanayan:

(SA)
(mA)
(mA)
(mA)

Magsagawa ng mga katulad na sukat para sa mga diode VD2, VD3.

2.2. Pag-aaral ng kasalukuyang-boltahe na mga katangian ng isang photodiode.

Sa cycle ng mga pag-aaral na ito, isang gallium arsenide photodiode ang ginagamit, na bahagi ng diode optocoupler U1.

2.2.1. Pag-aaral ng direktang sangay ng kasalukuyang-boltahe na katangian ng isang photodiode.

Ipunin ang circuit na ipinapakita sa Fig. 5.14.

kanin. 5.14. Circuit para sa pag-aaral ng direktang sangay ng kasalukuyang-boltahe na katangian ng isang photodiode.

Itakda ang boltahe regulator sa matinding kaliwang posisyon (

), lumipat sa kasalukuyang setting - V zero na estado, ang limitasyon sa pagsukat ng PV1 voltmeter ay 0.75V, ang PA1 milliammeter ay 10mA.

Sa pamamagitan ng pagtaas ng output boltahe ng pinagmumulan ng kapangyarihan, itakda ang mga pasulong na alon ng photodiode na katumbas ng mga ipinahiwatig sa talahanayan sa Fig. 5.15, sukatin ang pagbaba ng boltahe sa kabuuan nito at punan ang unang hilera ng talahanayan ng data na nakuha.

Gamit ang switch na may label na "I" upang itakda ang mga kasalukuyang halaga ng LED sa 5, 10, 20 at 30 mA at sa gayon ay pinapataas ang pag-iilaw ng photodiode, magsagawa ng mga katulad na sukat.

(mA)
(SA)									mA
(SA)									mA
(SA)									mA
(SA)									mA
(SA)									mA

kanin. 5.15. Talahanayan para sa pagtatala ng mga resulta ng mga pag-aaral ng direktang sangay ng kasalukuyang-boltahe na katangian ng photodiode.

2.2.2. Pag-aaral ng open circuit voltage at short circuit current ng isang photodiode.

Idiskonekta ang pinagmumulan ng kapangyarihan mula sa circuit (Larawan 5.14) at, itakda ang kasalukuyang sa pamamagitan ng LED sa 0.5, 10, 20 at 30 mA, sukatin ang bukas na circuit boltahe ng photodiode kapag ito ay gumagana sa valve mode. Itala ang iyong mga resulta sa talahanayan:

(mA)
(SA)

Upang sukatin ang kasalukuyang short circuit, tipunin ang circuit na ipinapakita sa Fig. 5.16. Ang pagtatakda ng mga alon sa pamamagitan ng LED alinsunod sa mga ipinahiwatig sa talahanayan sa itaas, sukatin ang mga halaga ng mga short circuit na alon ng photodiode at ipasok ang mga resulta sa ilalim na hilera ng talahanayan.

kanin. 5.16. Circuit para sa pagsukat ng short-circuit current ng isang photodiode kapag ito ay gumagana sa valve mode.

2.2.3. Pag-aaral ng intermediate branch ng kasalukuyang-boltahe na katangian ng isang photodiode kapag tumatakbo sa isang valve mode.

Ipunin ang circuit na ipinapakita sa Fig. 5.17.

kanin. 5.17. Circuit para sa pag-aaral ng kasalukuyang-boltahe na mga katangian ng isang photodiode.

Itakda ang kasalukuyang LED sa 5 mA. Sa pamamagitan ng pagpapalit ng boltahe sa output ng pinagmumulan ng kapangyarihan, itakda ang kasalukuyang sa pamamagitan ng photodiode sa zero. Ang boltahe na ito ay dapat na malapit sa dating nasusukat na halaga

sa naaangkop na kasalukuyang LED. Pagbawas ng boltahe sa zero, sukatin ang mga alon ng photodiode para sa tatlo hanggang lima sa mga halaga nito at ipasok ang mga resulta sa talahanayan:

(SA)
(mA)

Ang magnitude ng pasulong na kasalukuyang sa zero power supply boltahe ay dapat na malapit sa katumbas na halaga

. Magsagawa ng isang cycle ng mga katulad na sukat para sa mga alon sa pamamagitan ng LED na katumbas ng 10, 20 at 30 mA.

2.2.4. Pag-aaral ng reverse branch ng kasalukuyang-boltahe na katangian ng isang photodiode.

Ipunin ang circuit na ipinapakita sa Fig. 5.18.

kanin. 5.18. Circuit para sa pag-aaral ng reverse branch ng kasalukuyang-boltahe na katangian ng isang photodiode.

Itakda ang kasalukuyang sa pamamagitan ng LED sa zero, ang power supply boltahe sa malapit sa zero, ang pagsukat limitasyon PV1 sa 15V, ang pagsukat limitasyon PA1 sa 0.1mA.

Sukatin ang dependence ng reverse current ng photodiode sa halaga ng blocking boltahe at punan ang unang hilera ng talahanayan na ipinapakita sa Fig. na may kaukulang data. 5.19. Ang pagtatakda ng kasalukuyang sa pamamagitan ng LED sa 5, 10, 20 at 30 mA, gumawa ng mga katulad na sukat at ilagay ang mga resulta sa parehong talahanayan.

(SA)
(mA)								mA
(mA)								mA
(mA)								mA
(mA)								mA
(mA)								mA

kanin. 5.19. Isang talahanayan para sa pagtatala ng mga resulta kapag pinag-aaralan ang reverse branch ng kasalukuyang-boltahe na katangian ng isang photodiode.

2.3. Pag-aaral ng mga katangian ng output ng isang phototransistor.

Sa mga pag-aaral na ito, ginagamit ang isang phototransistor, na bahagi ng isang transistor optocoupler

.

Ipunin ang circuit na ipinapakita sa Fig. 5.20.

kanin. 5.20. Circuit para sa pag-aaral ng mga katangian ng output ng isang phototransistor.

Itakda ang mga agos At katumbas ng zero, ang boltahe regulator knob ay nasa matinding kaliwang posisyon, ang limitasyon sa pagsukat ng PA1 ay 0.1 mA, ang limitasyon sa pagsukat ng PV1 ay 15V.

Sukatin ang kasalukuyang kolektor ng transistor sa boltahe ng pinagmumulan ng kuryente na 0, 1, 3, 6, 9, 12 at 15V, at ipasok ang mga resulta sa kaukulang hilera ng talahanayan na ipinapakita sa Fig. 5.21. Ang pagtatakda ng base currents sa 1, 5 at 10 μA, magsagawa ng mga katulad na sukat para sa isang hindi naiilaw na transistor (na may

= 0). Itala ang mga resulta na nakuha sa naaangkop na mga hilera ng talahanayan.

Itakda ang kasalukuyang LED sa 20mA at magsagawa ng isang cycle ng mga katulad na sukat.

(SA)
(mA)
(mA)								µA
(mA)								µA
(mA)								µA
(mA)									mA
(mA)								µA
(mA)								µA
(mA)								µA

kanin. 5.21. Isang talahanayan para sa pagtatala ng mga resulta ng pag-aaral ng mga katangian ng output ng isang phototransistor.

2.4. Pananaliksik sa photothyristor.

Kapag ginagawa ang item na ito, ginagamit ang isang photothyristor, na bahagi ng thyristor optocoupler

.

Ipunin ang circuit na ipinapakita sa Fig. 5.22.

kanin. 5.22. Circuit para sa pag-aaral ng isang photothyristor.

Itakda ang kasalukuyang sa pamamagitan ng photodiode katumbas ng zero, ang output boltahe regulator knob sa matinding kaliwang posisyon, ang limitasyon sa pagsukat PV1 ay 15V.

Sa pamamagitan ng pagtaas ng boltahe ng pinagmumulan ng kuryente, subukang i-on ang thyristor. Kung ito ay naka-on, ang VD2 LED ay sisindi. Sukatin ang halaga

. Bawasan ang supply boltahe sa zero at pindutin ang "Off" na buton. E" upang ibalik ang thyristor sa orihinal nitong estado. Ang pagtatakda ng kasalukuyang LED sa 2, 5, 10 at 20 mA, magsagawa ng mga katulad na sukat at ipasok ang mga resulta sa talahanayan:

(mA)
(SA)

Itakda ang kasalukuyang LED sa zero. I-off ang thyristor. Itakda ang maximum na boltahe ng pinagmumulan ng kapangyarihan at, sunud-sunod na pagtaas ng kasalukuyang sa pamamagitan ng LED, i-on ang thyristor. Subukang i-off ito sa pamamagitan ng pagbabawas ng LED current sa zero.

2.5. Pananaliksik sa Photoresistor.

Kapag nagsasagawa ng item na ito ng gawaing laboratoryo, ang mga katangian ng photoresistor na kasama sa optocoupler ay sinusuri.

.

Ipunin ang circuit na ipinapakita sa Fig. 5.23.

kanin. 5.23. Circuit para sa pag-aaral ng photoresistor.

Itakda ang kasalukuyang katumbas ng zero, ang boltahe regulator knob sa matinding kaliwang posisyon (

), limitasyon sa pagsukat PV1 – 15V, PA1 – 0.1mA.

Sa pamamagitan ng pagpapalit ng boltahe sa photoresistor, sukatin ang kasalukuyang dumadaloy dito at ipasok ang mga resulta sa unang hilera ng talahanayan na ipinapakita sa Fig. 5.24. Patuloy na pagtaas ng mga halaga ng mga alon sa pamamagitan ng isang maliwanag na bombilya, magsagawa ng mga katulad na sukat at itala ang mga resulta sa naaangkop na mga hilera ng talahanayan.

(SA)
(mA)							mA
(mA)							mA
(mA)							mA
(mA)							mA
(mA)							mA

kanin. 5.24. Talahanayan para sa pagtatala ng mga resulta ng mga pag-aaral ng kasalukuyang-boltahe na mga katangian ng isang photoresistor.

Baguhin ang polarity ng boltahe ng pinagmumulan ng kapangyarihan at mga instrumento sa pagsukat (ipunin ang circuit na ipinapakita sa Fig. 5.25). Magsagawa ng isang cycle ng mga katulad na sukat at itala ang mga resulta sa talahanayan.

kanin. 5.25. Circuit para sa pag-aaral ng kasalukuyang-boltahe na mga katangian ng isang photoresistor na may reverse boltahe polarity.

3. Pagproseso ng mga eksperimentong resulta.

3.1. Pagpoproseso ng mga resultang nakuha kapag nagsasagawa ng talata 2.1.

Buuin sa isang sheet ng graph paper ang pasulong at baligtad na mga sanga ng kasalukuyang-boltahe na mga katangian ng pinag-aralan na mga diode, na kumukuha ng sukat sa kahabaan ng axis ng mga alon at boltahe para sa pasulong na sangay na 5 mA/cm, 0.5 V/cm at, nang naaayon, para sa reverse branch 0.1 mA/cm at 1.5 V/ cm.

3.2. Pagproseso ng mga resulta ng mga talata 2.2.1 2.2.4 gawaing laboratoryo.

Bumuo sa isang sheet ng graph paper ng isang pamilya ng kumpletong kasalukuyang-boltahe na katangian ng photodiode sa iba't ibang antas ng pag-iilaw na tinukoy ng LED current. Ang sukat sa kahabaan ng kasalukuyang axis para sa direktang sangay ng kasalukuyang boltahe na katangian ay dapat piliin na katumbas ng 5 mA/cm, kasama ang boltahe axis na 0.1 V/cm. Kapag nagtatayo ng reverse branch, kunin ang mga kaliskis na katumbas ng 0.1 mA/cm at 1.5 V/cm. Markahan sa mga katangian ang mga halaga ng walang-load na boltahe at short-circuit kasalukuyang.

Batay sa data na nakuha sa talata 2.2.2, bumuo ng mga dependency

At

, Saan – kasalukuyang sa pamamagitan ng LED. Ang mga kaliskis sa kahabaan ng mga palakol kung saan naka-plot ang mga halaga ng kaukulang dami ay dapat piliin na katumbas ng 5 mA/cm - kasama ang kasalukuyang axis ; 0.1V/cm – kasama ang axis

at 0.2 mA/cm – kasama ang axis

.

3.3. Pagproseso ng mga resultang nakuha kapag nagsasagawa ng talata 2.3.

Bumuo sa isang sheet ng graph paper ng isang pamilya ng mga katangian ng output ng phototransistor sa iba't ibang mga halaga ng kasalukuyang LED. Sa axis ng boltahe, piliin ang sukat na katumbas ng 1V/cm, at sa kasalukuyang axis, 2mA/cm.

3.4. Pagproseso ng mga resulta ng talata 2.4 ng gawaing laboratoryo.

I-plot ang dependence ng photothyristor turn-on na boltahe sa LED current, pagpili ng sukat sa kahabaan ng kasalukuyang axis na 2 mA/cm, at kasama ang boltahe axis na 3 V/cm. Ipaliwanag ang mga resultang nakuha kapag ginagawa ang item na ito.

3.5. Pagproseso ng mga resulta ng talata 2.5.

Bumuo sa isang sheet ng graph paper ng isang pamilya ng kasalukuyang-boltahe na mga katangian ng isang photoresistor para sa parehong polarities ng inilapat na boltahe, pagpili ng isang sukat sa kahabaan ng kasalukuyang axis na 5 mA/cm, at kasama ang axis ng boltahe na 3V/cm.

Batay sa mga katangiang ito, matukoy ang paglaban ng photoresistor sa rehiyon ng mga zero na halaga ng boltahe sa iba't ibang pag-iilaw, bumuo ng isang graph ng pag-asa ng paglaban ng photoresistor sa dami ng kasalukuyang dumadaloy sa pinagmulan ng radiation.

Sak A.V. Pang-ekonomiyang Pagtataya at Pagpaplano (Dokumento)

Klinachev N.V. Teorya ng sistema awtomatikong regulasyon(Dokumento)

Bocharov A.B. Pang-edukasyon at methodological complex para sa kursong Logic (Dokumento)

Bakharev P.V. Proseso ng arbitrasyon. Pang-edukasyon at metodolohikal na kumplikado (Dokumento)

Starova L.I. Pagsusuri ng produksyon at pang-ekonomiyang aktibidad ng negosyo (Dokumento)

Svetlitsky I.S. Teoryang Pang-ekonomiya (Dokumento)

Danilchenko A.V. (at iba pa) World Economy: Educational and Methodological Complex (Dokumento)

Gutkovich E.M. Pang-edukasyon at metodolohikal na kumplikado para sa disiplina ng Batas sa Pagbabangko (Dokumento)

n1.doc

Paksa 4.1 Mga Batayan ng optoelectronics. Pag-uuri ng mga optoelectronic na aparato.
Ang Optoelectronics ay isang mahalagang independiyenteng larangan ng functional electronics at microelectronics. Ang isang optoelectronic na aparato ay isang aparato kung saan, kapag nagpoproseso ng impormasyon, ang mga de-koryenteng signal ay na-convert sa mga optical signal at vice versa.

• 
  Ang isang mahalagang katangian ng mga optoelectronic na aparato ay ang mga elemento sa mga ito ay optically konektado at electrically isolated mula sa bawat isa.

Salamat sa ito, ang pagtutugma ng mataas na boltahe at mababang boltahe, pati na rin ang mga high-frequency at low-frequency na circuit ay madaling matiyak. Bilang karagdagan, ang mga optoelectronic na aparato ay may iba pang mga pakinabang: ang posibilidad ng spatial modulation ng mga light beam, na, kasama ng mga pagbabago sa paglipas ng panahon, ay nagbibigay ng tatlong antas ng kalayaan (dalawa sa purong electronic circuits); ang posibilidad ng makabuluhang sumasanga at intersection ng mga light beam sa kawalan ng galvanic na koneksyon sa pagitan ng mga channel; malaking functional load ng mga light beam dahil sa posibilidad na baguhin ang marami sa kanilang mga parameter (amplitude, direksyon, dalas, phase, polariseysyon).

Sinasaklaw ng optoelectronics ang dalawang pangunahing independiyenteng lugar - optical at electron-optical. Ang optical na direksyon ay batay sa mga epekto ng pakikipag-ugnayan ng isang solid na may electromagnetic radiation. Ito ay umaasa sa holography, photochemistry, electro-optics at iba pang phenomena. Ang optical na direksyon kung minsan ay tinatawag na laser.

Ang electron-optical na direksyon ay gumagamit ng prinsipyo ng photoelectric conversion, na natanto sa isang solidong katawan sa pamamagitan ng panloob na photoelectric effect, sa isang banda, at electroluminescence, sa kabilang banda. Ang direksyon na ito ay batay sa pagpapalit ng galvanic at magnetic na koneksyon sa tradisyonal na mga electronic circuit na may mga optical. Ginagawa nitong posible na mapataas ang density ng impormasyon sa channel ng komunikasyon, ang bilis nito, at ang kaligtasan sa ingay.

Ang pangunahing elemento ng optoelectronics ay optocoupler Mayroong mga optocoupler na may panloob (Larawan 9.4, A) at panlabas (Larawan 9.4, b) photonic bond. Ang pinakasimpleng optocoupler ay isang four-terminal network (Fig. 9.4, A), na binubuo ng tatlong elemento: photo emitter 1 , liwanag na gabay 2 at light receiver 3, nakapaloob sa isang selyadong, light-proof na pabahay. Kapag ang isang de-koryenteng signal ay inilapat sa input sa anyo ng isang pulso o isang drop sa kasalukuyang input, ang photoemitter ay nasasabik. Ang light flux sa pamamagitan ng light guide ay pumapasok sa photodetector, sa output kung saan nabuo ang isang de-koryenteng pulso o output kasalukuyang drop. Ang ganitong uri ng optocoupler ay isang amplifier ng mga electrical signal, kung saan ang internal coupling ay photonic at ang external coupling ay electrical. .

Ang isa pang uri ng optocoupler ay may electrical internal coupling at photonic external coupling (Fig. 9.4, b) - ay isang amplifier ng mga light signal, pati na rin ang isang converter ng mga signal ng isang frequency sa mga signal ng isa pang frequency, halimbawa, mga signal ng infrared radiation sa mga signal ng nakikitang spectrum. Tagatanggap ng ilaw 4 ginagawang electrical signal ang input light signal. Ang huli ay pinalakas ng isang amplifier 5 at pinasisigla ang pinagmumulan ng liwanag 6.

Sa kasalukuyan, ang isang malaking bilang ng mga optoelectronic na aparato ay binuo

Personal na layunin. Sa microelectronics, bilang panuntunan, ang mga optoelectronic functional na elemento lamang ang ginagamit kung saan mayroong posibilidad ng pagsasama, pati na rin ang pagiging tugma ng kanilang teknolohiya sa pagmamanupaktura sa teknolohiya ng pagmamanupaktura ng kaukulang integrated circuit.

Mga nagpapalabas ng larawan. Ang mga optoelectronic na pinagmumulan ng ilaw ay napapailalim sa mga kinakailangan tulad ng miniaturization, mababang paggamit ng kuryente, mataas na kahusayan at pagiging maaasahan, mahabang buhay ng serbisyo, at kakayahang gawin. Dapat ay may mataas na pagganap ang mga ito at may kakayahang gawin bilang mga pinagsama-samang device.

Ang pinakakaraniwang ginagamit na mga pinagmumulan ng electroluminescent ay mga iniksyon na LED, kung saan ang paglabas ng liwanag ay tinutukoy ng mekanismo ng interband recombination ng mga electron at hole. Kung pumasa ka sa isang sapat na malaking kasalukuyang iniksyon

kanin. 9.5. Upang ipaliwanag ang operating prinsipyo ng iniksyon LED

sa pamamagitan ng p- n-transition (sa pasulong na direksyon), pagkatapos ay ang ilang mga electron mula sa valence band ay lilipat sa conduction band (Larawan 9.5). Sa itaas na bahagi ng valence band, ang mga libreng estado (mga butas) ay nabuo, at sa ibabang bahagi ng banda ng pagpapadaloy, ang mga estado ay napuno.

Niya (conduction electron). Ang ganitong kabaligtaran na populasyon ay hindi equilibrium at humahantong sa magulong paglabas ng mga photon sa panahon ng reverse electron transition. Ang resulta R-n-transition incoherent glow ay electroluminescence. Ang isang photon na ibinubuga sa panahon ng luminescent na paglipat mula sa napunong bahagi ng conduction band patungo sa libreng bahagi ng valence band ay nagdudulot ng stimulated na paglabas ng isang magkaparehong photon, na nagiging sanhi ng isa pang electron na lumipat sa valence band. Gayunpaman, isang photon ng parehong enerhiya (mula sa ∆ E= E 2 - E 1 dati ∆ E=2? E) ay hindi ma-absorb, dahil ang mas mababang estado ay libre (walang mga electron sa loob nito), at ang itaas na estado ay napuno na. Ibig sabihin nito ay p- n-transition ay transparent para sa mga photon ng naturang enerhiya, ibig sabihin, para sa kaukulang dalas. Sa kabaligtaran, ang mga photon na may enerhiya ay mas malaki ∆ E+2? E, maaaring masipsip, na naglilipat ng mga electron mula sa valence band patungo sa conduction band. Kasabay nito, para sa gayong mga enerhiya ang sapilitan na paglabas ng mga photon ay imposible, dahil ang itaas na paunang estado ay hindi napuno, at ang mas mababang estado ay napuno. Kaya, ang stimulated emission ay posible sa isang makitid na hanay sa paligid ng dalas na tumutugma sa enerhiya ng bandgap ∆E na may lapad ng spectrum ? E.

Ang pinakamahusay na materyales para sa LEDs ay gallium arsenide, gallium phosphide, silicon phosphide, silicon carbide, atbp. Ang mga LED ay may mataas na bilis (mga 0.5 μs), ngunit kumonsumo ng mataas na kasalukuyang (mga 30 A/cm2). Kamakailan lamang, ang mga LED ay binuo batay sa gallium arsenide - aluminyo, ang kapangyarihan nito ay mula sa mga fraction hanggang sa ilang milliwatts na may forward current na sampu-sampung milliamps. Ang kahusayan ng mga LED ay hindi lalampas sa 1 - 3%.

Ang mga promising light source ay mga iniksyon na laser, ginagawang posible na mag-concentrate ng mataas na enerhiya sa isang makitid na spectral na rehiyon na may mataas na kahusayan at bilis (sampu-sampung picoseconds). Ang mga laser na ito ay maaaring gawin bilang mga array sa isang solong base chip gamit ang parehong teknolohiya bilang integrated circuits. Ang kawalan ng simpleng mga laser ng iniksyon ay mayroon lamang silang katanggap-tanggap na pagganap kapag pinalamig sa napakababang temperatura. Sa normal na temperatura Ang gallium-arsenide laser ay may mababang average na kapangyarihan, mababang kahusayan (mga 1%), mababang operating stability at buhay ng serbisyo. Ang karagdagang pagpapabuti ng iniksyon na laser sa pamamagitan ng paglikha ng isang paglipat ng isang kumplikadong istraktura gamit ang mga heterojunction (ang isang heterojunction ay ang hangganan sa pagitan ng mga layer na may parehong mga uri ng electrical conductivity, ngunit may iba't ibang mga gaps ng banda) ay naging posible upang makakuha ng isang maliit na laki ng ilaw na pinagmumulan ng operating. sa normal na temperatura na may kahusayan na 10 - 20 % at mga katanggap-tanggap na katangian.

Mga photodetector. Upang i-convert ang mga light signal sa mga electrical signal, ginagamit ang mga photodiode, phototransistor, photoresistor, photothyristors at iba pang mga device.

Ang photodiode ay isang reverse biased p- n- isang paglipat na ang reverse saturation kasalukuyang ay tinutukoy ng bilang ng mga carrier ng singil na nabuo dito sa pamamagitan ng pagkilos ng liwanag ng insidente (Larawan 9.6). Ang mga parameter ng isang photodiode ay ipinahayag sa pamamagitan ng mga halaga ng kasalukuyang dumadaloy sa circuit nito. Ang sensitivity ng isang photodiode, na karaniwang tinatawag na integral, ay tinukoy bilang ratio ng photocurrent sa luminous flux na naging sanhi nito. F ? . Ang sensitivity threshold ng photodiodes ay tinatantya ng kilalang halaga integral (kasalukuyang) sensitivity at madilim na kasalukuyang ako d, ibig sabihin, ang kasalukuyang dumadaloy sa circuit sa kawalan ng pag-iilaw ng sensitibong layer.

Ang mga pangunahing materyales para sa photodiodes ay germanium at silikon. Ang mga silicone photodiode ay kadalasang sensitibo sa isang makitid na rehiyon ng spectrum (mula? = 0.6 - 0.8 microns hanggang? = 1.1 µm) na may maximum sa? = 0.85 microns, at ang germanium photodiodes ba ay may mga limitasyon sa pagiging sensitibo? = 0.4 - 1.8 µm na may maximum sa? ? 1.5 microns. Sa photodiode mode na may supply voltage na 20 V, ang madilim na kasalukuyang ng silicon photodiodes ay karaniwang hindi lalampas sa 3 μA, habang para sa germanium; photodiodes sa isang supply boltahe ng 10 V umabot ito sa 15-20 μA.

Ang mga phototransistor ay mga receiver ng nagliliwanag na enerhiya na may dalawa o higit pa p-p- mga transition na may pag-aari ng pagpapahusay ng photocurrent kapag ang sensitibong layer ay na-irradiated. Pinagsasama ng isang phototransistor ang mga katangian ng isang photodiode at ang mga katangian ng pagpapalakas ng isang transistor (Larawan 9.7). Ang pagkakaroon ng mga optical at electrical input sa phototransistor nang sabay-sabay ay nagpapahintulot sa iyo na lumikha ng isang bias na kinakailangan para sa operasyon sa linear na bahagi ng katangian ng enerhiya, pati na rin ang pagbawi panlabas na impluwensya. Upang makita ang maliliit na signal, ang boltahe na kinuha mula sa phototransistor ay dapat na palakasin. Sa kasong ito, ang output AC resistance ay dapat na tumaas na may kaunting madilim na kasalukuyang sa circuit ng kolektor, na lumilikha ng isang positibong bias sa base.

Mga magaan na gabay. Mayroong light guide sa pagitan ng light source at light receiver sa optocoupler. Upang mabawasan ang mga pagkalugi sa panahon ng pagmuni-muni mula sa interface sa pagitan ng LED at ng conducting medium (fiber), ang huli ay dapat magkaroon ng mataas na refractive index. Ang ganitong mga kapaligiran ay tinatawag na immersion. Ang materyal sa paglulubog ay dapat mayroon ding mahusay na pagdirikit sa mga materyales ng pinagmulan at receiver, magbigay ng sapat na pagtutugma sa mga koepisyent ng pagpapalawak, maging transparent sa lugar ng pagtatrabaho, atbp. Ang pinaka-promising ay mga lead glass na may refractive index na 1.8-1.9 at selenium na baso na may refractive index ng 2, 4-2.6. Sa Fig. Ipinapakita ng Figure 9.8 ang isang cross section ng solid-state optocoupler na may immersion light guide.

Ang mga manipis na thread ng salamin o transparent na plastik ay ginagamit bilang mga light guide sa optoelectronics. Ang direksyong ito ay tinatawag na fiber optics. Ang mga hibla ay pinahiran ng mga light-insulating na materyales at konektado sa mga multi-core na light cable. Ginagawa nila ang parehong mga pag-andar na may kaugnayan sa liwanag tulad ng ginagawa ng mga wire ng metal na may kaugnayan sa kasalukuyang. Gamit ang fiber optics, maaari mong: magsagawa ng pagpapadala ng imahe ng elemento-by-element na may resolusyon na tinutukoy ng diameter ng optical fiber (mga 1 micron); gumawa ng spatial na pagbabago ng imahe dahil sa kakayahang yumuko at i-twist ang mga hibla ng light guide; magpadala ng mga imahe sa malalaking distansya, atbp. Sa Fig. Ang Figure 9.9 ay nagpapakita ng isang light guide sa anyo ng isang cable na gawa sa light-conducting fibers.

integral optika. Ang isa sa mga promising na lugar ng functional microelectronics ay integrated optics, na nagsisiguro sa paglikha ng mga high-performance system para sa pagpapadala at pagproseso ng optical information. Ang larangan ng pananaliksik sa pinagsamang optika ay kinabibilangan ng pagpapalaganap, conversion at pagpapalakas ng electromagnetic radiation sa optical range sa dielectric thin-film waveguides at optical fibers. Ang pangunahing elemento ng pinagsamang optika ay isang bulk o surface optical microwave guide. Ang pinakasimpleng simetriko volumetric optical microwave guide ay isang rehiyon na naisalokal sa isa o dalawang spatial na dimensyon na may refractive index na lumalampas sa refractive index ng nakapaligid na optical medium. Ang optically denser na rehiyon na ito ay hindi hihigit sa isang channel o carrier layer ng isang dielectric waveguide.

P Ang isang halimbawa ng isang asymmetrical surface dielectric waveguide ay isang manipis na pelikula ng isang optically transparent dielectric o semiconductor na may refractive index na lumalampas sa refractive index ng optically transparent substrate. Ang antas ng lokalisasyon ng electromagnetic field, pati na rin ang ratio ng mga flux ng enerhiya na inilipat kasama ang carrier layer at substrate, ay tinutukoy ng epektibong transverse size ng carrier layer at ang pagkakaiba sa mga refractive index ng carrier layer at ang substrate sa isang ibinigay na dalas ng radiation. Ang medyo simple at pinaka-angkop para sa solid-state na optical device ay isang optical strip microwave guide, na ginawa sa anyo ng isang manipis na dielectric film (Fig. 9.10), na idineposito sa isang substrate gamit ang mga microelectronics na pamamaraan (halimbawa, vacuum deposition). Gamit ang isang maskara, ang buong optical circuit ay maaaring ilapat sa isang dielectric substrate na may mataas na antas ng katumpakan. Ang paggamit ng electron beam lithography ay nagbigay ng tagumpay sa paglikha ng parehong single optical strip waveguides at optically coupled waveguides sa isang tiyak na haba, at pagkatapos ay diverging waveguides, na mahalaga para sa paglikha ng mga directional coupler at frequency-selective na mga filter sa pinagsama-samang mga sistema ng optika .

Optoelectronic microcircuits. Naka-on

Ang isang malaking bilang ng mga microcircuits ay binuo batay sa optoelectronics. Tingnan natin ang ilang optoelectronic microcircuits na ginawa ng domestic industry. Sa microelectronics, ang optoelectronic galvanic isolation microcircuits ay pinaka-malawakang ginagamit. Kabilang dito ang mga high-speed switch, analog signal switch, switch at analog optoelectronic device na nilalayon para gamitin sa mga functional na analog signal processing system.

Ang pangunahing elemento ng anumang optoelectronic microcircuit ay isang pares ng optocoupler (Larawan 9.11, A, b), na binubuo ng isang ilaw na pinagmumulan 1 , kinokontrol ng isang input signal, immersion medium 2, optically konektado sa light source, at photodetector 3. Ang mga parameter ng pares ng optocoupler ay ang DC decoupling resistance, ang kasalukuyang transfer coefficient (ang ratio ng receiver photocurrent sa emitter current), oras ng paglipat at throughput capacitance.

Ang mga optoelectronic microcircuits para sa iba't ibang layunin ay nilikha batay sa mga pares ng optoelectronic.

kanin. 9.11. Scheme at teknolohikal na pagpapatupad ng optocoupler pares:

1 – pinagmumulan ng liwanag; 2 – daluyan ng paglulubog; 3 – photodetector.

Paksa 4.2 MGA ELEMENTO NG OPTOELECTRONIC DEVICES
1. Optoelectronic switch ay isang hybrid chip na naglalaman ng isang optoelectronic na pares at isang amplifier. Gumagamit ang switch ng high-efficiency na silicon-doped gallium apcenide LED at high-speed na silicon p- i- n-photodiodes. Ang immersion medium ay chalcogenide glass na may refractive index na 2.7. Ang kasalukuyang koepisyent ng paglipat sa pares ng optoelectronic ay 3-5 sa normal na temperatura, ang mga oras ng pag-on (ang kabuuan ng mga oras ng pagkaantala at pagtaas) ay 100-250 ps, ​​​​ang galvanic na paghihiwalay ng LED at photodetector circuit para sa direktang kasalukuyang ay 10 9 Ohms. Ang microcircuit ay ginawa sa isang bilog na metal-glass case ng uri TO-5.

2. Optoelectronic na susi dinisenyo para sa paglipat ng mataas na boltahe na mga circuit ng alternating at direktang mga alon. Mayroon itong apat na independiyenteng channel, bawat isa ay naglalaman ng dalawang optoelectronic na pares na binubuo ng isang LED at isang mataas na boltahe. p- i- n- photodiode. Ang mga photodiode ay konektado back-to-series, kaya ang paglaban ng switch sa naka-lock na estado (sa kawalan ng kasalukuyang sa pamamagitan ng LEDs), anuman ang polarity ng inilapat na boltahe, ay tinutukoy ng madilim na pagtutol ng reverse biased p- i- n-photodiode; ang halaga nito ay humigit-kumulang 10 9 ohms.

3. Transistor switch dinisenyo para sa paglipat ng mga boltahe ng DC hanggang sa 50 V. Ang aparato ay may dalawang independiyenteng channel, ang bawat isa ay naglalaman ng isang optoelectronic na pares na binubuo ng isang gallium arsenide LED at isang silikon n- p- i- n-phototransistor. Ang optoelectronic na pares ay may kasalukuyang transfer coefficient na 2, isang rated operating current na 10 mA, at bilis sa amplification mode na 100-300 ns.

4.Analog switch Idinisenyo para gamitin sa mga system para sa pumipili na pagproseso ng mga analog signal. Ang electrical diagram ng isang channel ng switch ay ipinapakita sa Fig. 9.12. Ang channel ay naglalaman ng isang optoelectronic na pares na binubuo ng isang gallium arsenide LED at dalawang back-to-back n- i- n-photodiodes na ginawa sa isang solong kristal.

Sa Fig. Ipinapakita ng Figure 9.13 ang mga electrical circuit ng ilang iba pang uri ng optoelectronic circuit. Key chip (Larawan 9.13, A) kasama ang isang high-speed diode optoelectronic na pares na itinugma sa isang monolithic silicon amplifier. Ito ay inilaan upang palitan ang mga koneksyon ng transpormer at relay sa mga lohikal na aparato ng mga computer at discrete automation. Analog key (Larawan 9.13, b) tumutukoy sa

Mga linear na circuit na may kontrol ng optoelectronic. Sa pamamagitan ng kapangyarihan ng signal ng kontrol na 60-80 mW, ang mga parameter ng chopper ay umaabot sa mga halagang kinakailangan para sa karaniwang mga microcircuit ng semiconductor. Mga optoelectronic na low-power na DC relay (Larawan 9.13, V) dinisenyo upang palitan ang analog

mga electromechanical relay na may bilis sa hanay ng millisecond at garantisadong bilang ng mga operasyon na 10 4 -10 7.

Ang interes ay ang mga optoelectronic microcircuits ng 249 series, na kinabibilangan ng apat na grupo ng mga device, na mga electronic switch batay sa electroluminescent diodes at transistors. Electrical diagram ng lahat ng grupo

Ang mga aparato ay pareho (Larawan 9.14). Sa istruktura, ang microcircuits ay idinisenyo sa isang rectangular flat integrated circuit package na may 14 na pin at may dalawang nakahiwalay na channel, na nagpapababa sa laki at bigat ng kagamitan, at nagpapalawak din ng functionality ng microcircuits. Ang mga LED ay batay sa silikon at mayroon P + - p- n i - n + - istraktura. Ang pagkakaroon ng dalawang channel sa dongle ay nagpapahintulot sa iyo na gamitin ito bilang isang pinagsama-samang chopper ng mga analog signal at makakuha ng isang mataas na signal transmission ratio (10-100) kapag kumokonekta ng mga phototransistor ayon sa isang composite transistor circuit.

Mga aparatong optoelectronic
Ang operasyon ng mga optoelectronic na aparato ay batay sa mga proseso ng electron-photonic ng pagtanggap, pagpapadala at pag-iimbak ng impormasyon.

Ang pinakasimpleng optoelectronic na aparato ay isang optoelectronic na pares, o optocoupler. Ang prinsipyo ng pagpapatakbo ng isang optocoupler, na binubuo ng isang pinagmulan ng radiation, isang daluyan ng immersion (gabay sa ilaw) at isang photodetector, ay batay sa pag-convert ng isang de-koryenteng signal sa isang optical, at pagkatapos ay bumalik sa isang elektrikal.

Ang mga optocoupler bilang mga functional na device ay mayroon ang mga sumusunod na pakinabang bago ang maginoo na radioelement:

Buong galvanic na paghihiwalay "input - output" (insulating resistance ay lumampas sa 10 12 - 10 14 Ohms);

Ganap na kaligtasan sa ingay sa channel ng paghahatid ng impormasyon (mga carrier ng impormasyon ay mga electrically neutral na particle - mga photon);

Unidirectional na daloy ng impormasyon, na nauugnay sa mga katangian ng pagpapalaganap ng liwanag;

Broadband dahil sa mataas na dalas ng optical vibrations,

Sapat na pagganap (ilang nanosecond);

Mataas na breakdown boltahe (sampu-sampung kilovolts);

Mababang antas ng ingay;

Magandang mekanikal na lakas.

Batay sa mga function na ginagawa nito, ang isang optocoupler ay maihahambing sa isang transpormer (coupling element) na may relay (key).

Sa mga aparatong optocoupler, ginagamit ang mga mapagkukunan ng radiation ng semiconductor - mga light-emitting diode na ginawa mula sa mga materyales ng mga compound ng pangkat A III B V , kung saan ang pinaka-promising ay ang gallium phosphide at arsenide. Ang spectrum ng kanilang radiation ay namamalagi sa rehiyon ng nakikita at malapit-infrared radiation (0.5 - 0.98 microns). Gallium phosphide light emitting diodes ay may pula at kulay berde mamula. Ang mga LED na gawa sa silicon carbide ay promising; mayroon silang dilaw na glow at gumagana sa mataas na temperatura, halumigmig at sa mga agresibong kapaligiran.

Ang mga LED na nagpapalabas ng liwanag sa nakikitang hanay ng spectrum ay ginagamit sa elektronikong relo at microcalculators.

Ang mga light-emitting diode ay nailalarawan sa pamamagitan ng isang parang multo na komposisyon ng radiation na medyo malawak, isang pattern ng directivity; quantum efficiency, na tinutukoy ng ratio ng bilang ng ibinubuga na light quanta sa bilang ng mga dumadaan p-n-transition ng mga electron; kapangyarihan (na may hindi nakikitang radiation) at ningning (na may nakikitang radiation); mga katangian ng volt-ampere, lumen-ampere at watt-ampere; bilis (pagtaas at pagkabulok ng electroluminescence sa panahon ng pulsed excitation), hanay ng temperatura ng pagpapatakbo. Habang tumataas ang temperatura ng pagpapatakbo, bumababa ang liwanag ng LED at bumababa ang kapangyarihan ng paglabas.

Ang mga pangunahing katangian ng light-emitting diodes sa nakikitang hanay ay ibinibigay sa talahanayan. 32, at ang infrared range - sa talahanayan. 33.
Talahanayan 32 Pangunahing katangian ng mga nakikitang light-emitting diode

Talahanayan 33. Mga pangunahing katangian ng infrared light-emitting diodes

Uri ng diode	Kabuuang lakas ng radiation, mW	Patuloy na pasulong na boltahe, V	Radiation wavelength, microns	Oras ng pagtaas ng pulso ng radiation, ns	Oras ng pagkabulok ng pulso ng radiation, ns	Timbang, g
AL103 A, B AL106 A – D AL107 A, B	0.6 – 1 (sa kasalukuyang 50 mA) 0.2 – 1.5 (sa kasalukuyang 100 mA) 6 – 10 (sa kasalukuyang 100 mA) 1.5 (sa 100 mA kasalukuyang) 0.2 (sa 20 mA kasalukuyang) 10 (sa kasalukuyang 50 mA)	1,6	0,95	200 – 300	500	0,1

Ang mga light-emitting diode sa mga optoelectronic na aparato ay konektado sa mga photodetector sa pamamagitan ng isang immersion medium, ang pangunahing kinakailangan para sa kung saan ay ang paghahatid ng signal na may kaunting pagkalugi at pagbaluktot. Sa mga optoelectronic na aparato, ginagamit ang solid immersion media - polymers. mga organikong compound(optical adhesives at varnishes), chalcogenide media at optical fibers. Depende sa haba ng optical channel sa pagitan ng emitter at ng photodetector, ang mga optoelectronic na aparato ay maaaring nahahati sa mga optocoupler (haba ng channel 100 - 300 microns), mga optoisolator (hanggang sa 1 m) at fiber-optic na mga linya ng komunikasyon - fiber optic na mga link (pataas sa sampu-sampung kilometro).

Ang mga photodetector na ginagamit sa mga optocoupler device ay napapailalim sa mga kinakailangan para sa pagtutugma ng mga spectral na katangian sa emitter, pagliit ng mga pagkalugi kapag nagko-convert ng liwanag na signal sa isang electrical signal, photosensitivity, bilis, laki ng photosensitive area, pagiging maaasahan at antas ng ingay.

Para sa mga optocoupler, ang pinaka-promising ay ang mga photodetector na may panloob na photoelectric effect, kapag ang pakikipag-ugnayan ng mga photon sa mga electron sa loob ng mga materyales na may ilang pisikal na katangian humahantong sa mga transisyon ng elektron sa karamihan ng kristal na sala-sala ng mga materyales na ito.

Ang panloob na epekto ng photoelectric ay nagpapakita ng sarili sa dalawang paraan: sa isang pagbabago sa paglaban ng photodetector sa ilalim ng impluwensya ng liwanag (photoresistors) o sa hitsura ng isang photo-emf sa interface sa pagitan ng dalawang materyales - semiconductor-semiconductor, metal-semiconductor (nagpalit ng mga photocell, photodiode, phototransistor).

Ang mga photodetector na may panloob na photoelectric effect ay nahahati sa mga photodiode (na may p-n-junction, MIS structure, Schottky barrier), photoresistors, photodetector na may internal amplification (phototransistors, compound phototransistors, photothyristors, field-effect phototransistors).

Ang mga photodiode ay batay sa silikon at germanium. Ang maximum na spectral sensitivity ng silikon ay 0.8 microns, at germanium - hanggang 1.8 microns. Gumagana sila sa reverse bias p-n-transition, na ginagawang posible upang mapataas ang kanilang pagganap, katatagan at linearity ng mga katangian.

Ang mga photodiode ay kadalasang ginagamit bilang mga photodetector para sa mga optoelectronic na aparato na may iba't ibang kumplikado. p- i-n-mga istruktura kung saan i– ubos na rehiyon ng mataas na electric field. Sa pamamagitan ng pagbabago ng kapal ng rehiyong ito, posible na makakuha ng mahusay na pagganap at mga katangian ng sensitivity dahil sa mababang kapasidad at oras ng paglipad ng mga carrier.

Ang mga avalanche photodiode ay nagpapataas ng sensitivity at performance, gamit ang amplification ng photocurrent kapag nagpaparami ng mga charge carrier. Gayunpaman, ang mga photodiode na ito ay hindi sapat na matatag sa isang hanay ng temperatura at nangangailangan ng mataas na boltahe na mga power supply. Ang mga photodiode na may Schottky barrier at isang MIS na istraktura ay nangangako na gamitin sa ilang partikular na wavelength range.

Ang mga photoresistor ay pangunahing ginawa mula sa polycrystalline semiconductor films batay sa isang compound (cadmium na may sulfur at selenium). Ang pinakamataas na spectral sensitivity ng photoresistors ay 0.5 - 0.7 microns. Ang mga photoresistor ay kadalasang ginagamit sa mababang kondisyon ng liwanag; sa sensitivity sila ay maihahambing sa photomultipliers - mga device na may panlabas na photoelectric effect, ngunit nangangailangan ng mababang boltahe na kapangyarihan. Ang mga disadvantages ng mga photoresistor ay mababa ang pagganap at mataas na antas ng ingay.

Ang pinakakaraniwang internally amplified photodetector ay phototransistors at photothyristors. Ang mga phototransistor ay mas sensitibo kaysa sa mga photodiode, ngunit mas mabagal. Upang higit pang madagdagan ang sensitivity ng photodetector, isang composite phototransistor ang ginagamit, na isang kumbinasyon ng mga photo at amplification transistors, ngunit ito ay may mababang pagganap.

Sa mga optocoupler, isang photothyristor (isang semiconductor device na may tatlo p- n-transitions, switching kapag iluminado), na may mataas na sensitivity at ang antas ng output signal, ngunit hindi sapat na bilis.

Ang iba't ibang uri ng mga optocoupler ay pangunahing tinutukoy ng mga katangian at katangian ng mga photodetector. Ang isa sa mga pangunahing aplikasyon ng mga optocoupler ay ang epektibong galvanic na paghihiwalay ng mga transmitters at receiver ng digital at analog signal. Sa kasong ito, ang optocoupler ay maaaring gamitin sa converter o signal switch mode. Ang optocoupler ay nailalarawan sa pamamagitan ng pinahihintulutang signal ng input (control current), kasalukuyang koepisyent ng paglipat, bilis (oras ng paglipat) at kapasidad ng pagkarga.

TUNGKOL SA Ang ratio ng kasalukuyang transfer coefficient sa switching time ay tinatawag na quality factor ng optocoupler at 10 5 – 10 6 para sa photodiode at phototransistor optocoupler. Ang mga optocoupler batay sa photothyristors ay malawakang ginagamit. Ang mga photoresistor optocoupler ay hindi malawakang ginagamit dahil sa mababang oras at katatagan ng temperatura. Ang mga diagram ng ilang mga optocoupler ay ipinapakita sa Fig. 130, Ad.

SA Ang mga laser na may mataas na katatagan, mahusay na mga katangian ng enerhiya at kahusayan ay ginagamit bilang magkakaugnay na mga mapagkukunan ng radiation. Sa optoelectronics, para sa disenyo ng mga compact na aparato, ang mga semiconductor laser ay ginagamit - laser diodes, na ginagamit, halimbawa, sa fiber-optic na mga linya ng komunikasyon sa halip na mga tradisyunal na linya ng paghahatid ng impormasyon - cable at wire. Mayroon silang mataas na throughput (bandwidth ng mga unit ng gigahertz), paglaban sa electromagnetic interference, mababang timbang at mga sukat, kumpletong insulation ng kuryente mula input hanggang output, pagsabog at kaligtasan ng sunog. Ang isang espesyal na tampok ng FOCL ay ang paggamit ng isang espesyal na fiber-optic cable, ang istraktura nito ay ipinapakita sa Fig. 131. Ang mga pang-industriya na sample ng naturang mga cable ay may attenuation na 1 – 3 dB/km at mas mababa. Ang fiber-optic na mga linya ng komunikasyon ay ginagamit upang bumuo ng mga network ng telepono at computer, mga cable television system na may mataas na kalidad na ipinadalang mga imahe. Ang mga linyang ito ay nagpapahintulot sa sabay-sabay na paghahatid ng sampu-sampung libong mga pag-uusap sa telepono at ilang mga programa sa telebisyon.

Kamakailan lamang, ang optical integrated circuits (OICs), na ang lahat ng mga elemento ay nabuo sa pamamagitan ng pag-deposito ng mga kinakailangang materyales sa isang substrate, ay masinsinang binuo at naging laganap.

Ang mga liquid crystal-based na device, na malawakang ginagamit bilang mga indicator sa mga electronic na relo, ay nangangako sa optoelectronics. Ang mga likidong kristal ay isang organikong sangkap (likido) na may mga katangian ng isang kristal at nasa isang estado ng paglipat sa pagitan ng mala-kristal na bahagi at isang likido.

Ang mga tagapagpahiwatig ng likidong kristal ay may mataas na resolusyon, medyo mura, kumonsumo ng mababang kapangyarihan at gumagana sa mataas na antas ng liwanag.

Ang mga likidong kristal na may mga katangiang katulad ng mga solong kristal (nematics) ay kadalasang ginagamit sa mga light indicator at optical memory device. Ang mga likidong kristal na nagbabago ng kulay kapag pinainit (cholesterics) ay nabuo at malawakang ginagamit. Ang iba pang mga uri ng likidong kristal (smectics) ay ginagamit para sa thermo-optical na pagtatala ng impormasyon.

Ang mga optoelectronic na aparato, na binuo kamakailan, ay naging laganap sa iba't ibang larangan ng agham at teknolohiya dahil sa kanilang mga natatanging katangian. Marami sa kanila ay walang analogues sa vacuum at semiconductor na teknolohiya. Gayunpaman, marami pa rin mga problemang hindi nalutas nauugnay sa pagbuo ng mga bagong materyales, pagpapabuti ng mga katangian ng elektrikal at pagpapatakbo ng mga aparatong ito at ang pagbuo ng mga teknolohikal na pamamaraan para sa kanilang paggawa.

Seksyon 5. Charge-coupled device (CCD) na mga device.

Ministri ng Edukasyon ng Republika ng Belarus

Institusyong pang-edukasyon

“Unibersidad ng Estado ng Belarus

computer science at radio electronics”

Kagawaran ng EMU

"Mga Batayan ng optoelectronics. Pag-uuri ng mga optoelectronic na device"

MINSK, 2008

Ang Optoelectronics ay isang mahalagang independiyenteng larangan ng functional electronics at microelectronics. Ang isang optoelectronic na aparato ay isang aparato kung saan, kapag nagpoproseso ng impormasyon, ang mga de-koryenteng signal ay na-convert sa mga optical signal at vice versa.

Ang isang mahalagang katangian ng mga optoelectronic na aparato ay ang mga elemento sa mga ito ay optically konektado at electrically isolated mula sa bawat isa.

Salamat sa ito, ang pagtutugma ng mataas na boltahe at mababang boltahe, pati na rin ang mga high-frequency at low-frequency na circuit ay madaling matiyak. Bilang karagdagan, ang mga optoelectronic na aparato ay may iba pang mga pakinabang: ang posibilidad ng spatial modulation ng mga light beam, na, kasama ng mga pagbabago sa paglipas ng panahon, ay nagbibigay ng tatlong antas ng kalayaan (dalawa sa purong electronic circuits); ang posibilidad ng makabuluhang sumasanga at intersection ng mga light beam sa kawalan ng galvanic na koneksyon sa pagitan ng mga channel; malaking functional load ng mga light beam dahil sa posibilidad na baguhin ang marami sa kanilang mga parameter (amplitude, direksyon, dalas, phase, polariseysyon).

Sinasaklaw ng optoelectronics ang dalawang pangunahing independiyenteng lugar - optical at electron-optical. Ang optical na direksyon ay batay sa mga epekto ng pakikipag-ugnayan ng isang solid na may electromagnetic radiation. Ito ay umaasa sa holography, photochemistry, electro-optics at iba pang phenomena. Ang optical na direksyon kung minsan ay tinatawag na laser.

Ang electron-optical na direksyon ay gumagamit ng prinsipyo ng photoelectric conversion, na natanto sa isang solidong katawan sa pamamagitan ng panloob na photoelectric effect, sa isang banda, at electroluminescence, sa kabilang banda. Ang direksyon na ito ay batay sa pagpapalit ng galvanic at magnetic na koneksyon sa tradisyonal na mga electronic circuit na may mga optical. Ginagawa nitong posible na mapataas ang density ng impormasyon sa channel ng komunikasyon, ang bilis nito, at ang kaligtasan sa ingay.

Fig.1. Optocoupler na may panloob na (a) at panlabas (b) na mga koneksyong photonic: 1, 6 – mga pinagmumulan ng ilaw; 2 – liwanag na gabay; 3, 4 - mga light receiver; 5 – amplifier.

Ang pangunahing elemento ng optoelectronics ay isang optocoupler. Mayroong mga optocoupler na may panloob (Larawan 1, a) at panlabas (Larawan 1, b) na mga koneksyong photonic. Ang pinakasimpleng optocoupler ay isang four-terminal network (Fig. 1, a), na binubuo ng tatlong elemento: photo emitter 1, light guide 2 at light receiver 3, na nakapaloob sa isang selyadong, light-proof na pabahay. Kapag ang isang de-koryenteng signal ay inilapat sa input sa anyo ng isang pulso o isang drop sa kasalukuyang input, ang photoemitter ay nasasabik. Ang light flux sa pamamagitan ng light guide ay pumapasok sa photodetector, sa output kung saan nabuo ang isang de-koryenteng pulso o output kasalukuyang drop. Ang ganitong uri ng optocoupler ay isang amplifier ng mga electrical signal, kung saan ang internal coupling ay photonic at ang external coupling ay electrical.

Ang isa pang uri ng optocoupler - na may electrical internal coupling at photonic external coupling (Fig. 1, b) - ay isang amplifier ng mga light signal, pati na rin isang converter ng mga signal ng isang frequency sa mga signal ng isa pang frequency, halimbawa, mga signal ng infrared radiation sa mga signal ng nakikitang spectrum. Kino-convert ng light receiver 4 ang input light signal sa isang electrical signal. Ang huli ay pinalakas ng amplifier 5 at pinasisigla ang pinagmumulan ng liwanag 6.

Sa kasalukuyan, ang isang malaking bilang ng mga optoelectronic na aparato para sa iba't ibang layunin ay binuo. Sa microelectronics, bilang panuntunan, ang mga optoelectronic functional na elemento lamang ang ginagamit kung saan mayroong posibilidad ng pagsasama, pati na rin ang pagiging tugma ng kanilang teknolohiya sa pagmamanupaktura sa teknolohiya ng pagmamanupaktura ng kaukulang integrated circuit.

Mga nagpapalabas ng larawan. Ang mga optoelectronic na pinagmumulan ng ilaw ay napapailalim sa mga kinakailangan tulad ng miniaturization, mababang paggamit ng kuryente, mataas na kahusayan at pagiging maaasahan, mahabang buhay ng serbisyo, at kakayahang gawin. Dapat ay may mataas na pagganap ang mga ito at may kakayahang gawin bilang mga pinagsama-samang device.

Ang pinaka-tinatanggap na ginagamit na mga mapagkukunan ng electroluminescent ay mga iniksyon na LED, kung saan ang paglabas ng liwanag ay tinutukoy ng mekanismo ng interband recombination ng mga electron at butas. Kung pumasa ka ng isang sapat na malaking kasalukuyang iniksyon sa pamamagitan ng p-n junction (sa pasulong na direksyon), kung gayon ang ilan sa mga electron mula sa valence band ay lilipat sa conduction band (Larawan 2). Sa itaas na bahagi ng valence band, ang mga libreng estado (mga butas) ay nabuo, at sa ibabang bahagi ng banda ng pagpapadaloy, isang puno na estado (conduction electron) ay nabuo.

Ang ganitong kabaligtaran na populasyon ay hindi equilibrium at humahantong sa magulong paglabas ng mga photon sa panahon ng reverse electron transition. Ang incoherent glow na lumilitaw sa pn junction ay electroluminescence.

Fig.2. Sa isang paliwanag ng operating prinsipyo ng isang iniksyon LED.

Ang isang photon na ibinubuga sa panahon ng luminescent na paglipat mula sa napunong bahagi ng conduction band patungo sa libreng bahagi ng valence band ay nagdudulot ng stimulated na paglabas ng isang magkaparehong photon, na nagiging sanhi ng isa pang electron na lumipat sa valence band. Gayunpaman, ang isang photon ng parehong enerhiya (mula sa ∆E=E2-E1 hanggang ∆E=2δE) ay hindi maaaring makuha, dahil ang mas mababang estado ay libre (walang mga electron sa loob nito), at ang itaas na estado ay napuno na. Nangangahulugan ito na ang p-n junction ay transparent sa mga photon ng naturang enerhiya, i.e. para sa kaukulang dalas. Sa kabaligtaran, ang mga photon na may mga enerhiya na mas malaki kaysa sa ∆E+2δE ay maaaring masipsip, na naglilipat ng mga electron mula sa valence band patungo sa conduction band. Kasabay nito, para sa gayong mga enerhiya ang sapilitan na paglabas ng mga photon ay imposible, dahil ang itaas na paunang estado ay hindi napuno, at ang mas mababang estado ay napuno. Kaya, ang stimulated emission ay posible sa isang makitid na saklaw sa paligid ng dalas na naaayon sa bandgap energy ∆E na may spectral width δE.

Ang pinakamahusay na mga materyales para sa LEDs ay gallium arsenide, gallium phosphide, silicon phosphide, silicon carbide, atbp. Ang mga LED ay may mataas na pagganap (mga 0.5 μs), ngunit kumonsumo ng mataas na kasalukuyang (mga 30 A/cm2). Kamakailan lamang, ang mga LED ay binuo batay sa gallium arsenide - aluminyo, ang kapangyarihan nito ay mula sa mga fraction hanggang sa ilang milliwatts na may pasulong na kasalukuyang ng sampu-sampung milliamperes.K. p.d. ng mga LED ay hindi lalampas sa 1 - 3%.

Ang mga promising light source ay mga injection laser, na ginagawang posible na mag-concentrate ng mataas na enerhiya sa isang makitid na spectral na rehiyon na may mataas na kahusayan at bilis (sampu-sampung picoseconds). Ang mga laser na ito ay maaaring gawin bilang mga array sa isang solong base chip gamit ang parehong teknolohiya bilang integrated circuits. Ang kawalan ng simpleng mga laser ng iniksyon ay mayroon lamang silang katanggap-tanggap na pagganap kapag pinalamig sa napakababang temperatura. Sa normal na temperatura, ang isang gallium-arsenide laser ay may mababang average na kapangyarihan, mababang kahusayan (mga 1%), at mahinang operating stability at buhay ng serbisyo. Ang karagdagang pagpapabuti ng iniksyon na laser sa pamamagitan ng paglikha ng isang paglipat ng isang kumplikadong istraktura gamit ang mga heterojunction (ang isang heterojunction ay ang hangganan sa pagitan ng mga layer na may parehong mga uri ng electrical conductivity, ngunit may iba't ibang mga gaps ng banda) ay naging posible upang makakuha ng isang maliit na laki ng ilaw na pinagmumulan ng operating. sa normal na temperatura na may kahusayan na 10 - 20 % at mga katanggap-tanggap na katangian.

Mga photodetector. Upang i-convert ang mga light signal sa mga electrical signal, ginagamit ang mga photodiode, phototransistor, photoresistor, photothyristors at iba pang mga device.

Ang photodiode ay isang reverse-biased p-n junction, ang reverse saturation current na kung saan ay tinutukoy ng bilang ng mga charge carrier na nabuo dito sa pamamagitan ng pagkilos ng incident light (Fig. 3). Ang mga parameter ng isang photodiode ay ipinahayag sa pamamagitan ng mga halaga ng kasalukuyang dumadaloy sa circuit nito. Ang sensitivity ng isang photodiode, na karaniwang tinatawag na integral, ay tinukoy bilang ang ratio ng photocurrent sa luminous flux Фυ na naging sanhi nito. Ang sensitivity threshold ng photodiodes ay tinatantya batay sa mga kilalang halaga ng integral (kasalukuyang) sensitivity at dark current Id, i.e. kasalukuyang dumadaloy sa circuit sa kawalan ng pag-iilaw ng sensitibong layer.

Ang mga pangunahing materyales para sa photodiodes ay germanium at silikon. Ang mga silicone photodiode ay kadalasang sensitibo sa isang makitid na hanay ng spectrum (mula λ = 0.6 - 0.8 μm hanggang λ = 1.1 μm) na may maximum na λ = 0.85 μm, at ang germanium photodiodes ay may mga limitasyon sa sensitivity λ = 0.4 - 1.8 µm na may maximum sa λ ≈ 1.5 µm. Sa photodiode mode na may supply voltage na 20 V, ang madilim na kasalukuyang ng silicon photodiodes ay karaniwang hindi lalampas sa 3 μA, habang para sa germanium; photodiodes sa isang supply boltahe ng 10 V umabot ito sa 15-20 μA.

Fig.3. Mga katangian ng circuit at kasalukuyang boltahe ng photodiode.

Fig.4. Mga katangian ng circuit at kasalukuyang boltahe ng isang phototransistor.

Pahina 5 ng 14

Ang mga optocoupler ay yaong mga optoelectronic na aparato kung saan mayroong pinagmumulan at tumatanggap ng liwanag na radiation (light emitter at photodetector) na may isa o ibang uri ng optical at electrical na koneksyon sa pagitan ng mga ito at kung saan ay structurally konektado sa isa't isa.
Ang prinsipyo ng pagpapatakbo ng mga optocoupler ng anumang uri ay batay sa katotohanan na sa emitter ang enerhiya ng electrical signal ay na-convert sa liwanag; Sa isang photodetector, sa kabaligtaran, ang liwanag na signal ay nagiging sanhi ng isang electric current. Ang de-koryenteng signal sa emitter ay karaniwang ibinibigay mula sa isang panlabas na pinagmulan. Dumarating ang light signal sa photodetector sa pamamagitan ng optical communication circuit mula sa emitter.
Ang mga proseso ng conversion ng enerhiya sa isang optocoupler ay batay sa quantum nature ng liwanag, na electromagnetic radiation sa anyo ng isang stream ng mga particle - quanta.
Mga naglalabas ng ilaw. Ang ilang mga uri ng emitters ay angkop para sa paggamit sa mga optocoupler: miniature incandescent light bulbs, na gumagamit ng thermal radiation mula sa filament na pinainit ng electric current hanggang 1800-2000 °C; neon bulbs na gumagamit ng glow ng isang electric discharge ng neon-argon gas mixture, atbp. [tingnan. 1, § 1.1].
Ang mga uri ng emitters na ito ay may mababang output ng liwanag, limitadong tibay, malalaking sukat, mababang direktiba ng radiation at mahirap kontrolin. Ang pangunahing uri ng emitter na ginagamit sa mga optocoupler ay isang semiconductor injection light-emitting diode - LED. Isaalang-alang natin ang proseso ng conversion ng enerhiya sa naturang optocoupler (Fig. 11, a).
Sa interface sa pagitan ng p- at mga rehiyon ng istraktura ng semiconductor, tulad ng ipinapakita sa itaas, lumilitaw ang isang p-n junction, kung saan ang isang space charge ng mga butas at electron ay puro. Kapag ang isang pasulong na boltahe 1/ip ay inilapat sa istraktura sa aktibong rehiyon B ng isang kristal ng ilang mga uri ng semiconductors (halimbawa, gallium arsenide at mga compound batay dito), isang labis na konsentrasyon ng mga free charge carrier na na-inject ng p- junction biased sa pasulong na direksyon ay nilikha. Ang resultang daloy ng mga electron ay dumadaan sa space charge region E, na lumilikha ng electron current /p. Ang ilang mga electron ay muling pinagsama sa aktibong B at opaque C na mga rehiyon ng kristal na may mga butas. Ang bawat pagkilos ng recombination ng mga pangunahing carrier ng singil ay sinamahan ng paglabas ng isang light quantum, i.e. nagaganap ang radiative recombination.
Kasabay nito, lumilitaw ang isang kasalukuyang bahagi ng butas /p, sanhi ng pag-iniksyon ng mga butas sa n-rehiyon at sumasalamin sa katotohanan na walang mga p-n input na may isang panig na iniksyon. Ang proporsyon ng kasalukuyang ito ay mas maliit, mas malakas ang /m-rehiyon ay doped kumpara sa p-rehiyon ng kristal na istraktura.
Ang bahagi ng nagresultang radiation ay nasisipsip sa optically "transparent" na rehiyon A ng kristal (ray 1 sa Fig. 11.6), bilang karagdagan, ang panloob na pagmuni-muni (ray 2) ay nangyayari kapag ang mga light ray ay nahuhulog sa interface sa pagitan ng semiconductor at air media na may iba't ibang optical density, na sa huli ay humahantong sa kanilang pagkawala dahil sa self-absorption.

kanin. 11. Electrical (a) at optical (6) LED na mga modelo
Ang henerasyon ng quanta sa aktibong rehiyon ng isang semiconductor ay kusang-loob at nailalarawan sa pamamagitan ng katotohanan na ang mga sinag ng liwanag ay nakadirekta nang pantay-pantay sa lahat ng direksyon. Ang mga sinag 3 na dumarating patungo sa mabigat na doped na rehiyon ng semiconductor ay mabilis na hinihigop. Ang aktibong rehiyon B ay may epekto ng waveguide, at ang mga sinag 4, dahil sa maraming pagmuni-muni, ay nakatutok sa rehiyong ito, kaya ang intensity ng dulong radiation ay mas mataas kaysa sa ibang direksyon ng paglabas ng liwanag mula sa kristal.
Ang mga pangunahing materyales kung saan ginawa ang mga emitters ay gallium arsenide at mga compound batay dito, at ang materyal para sa mga photodetector ay silikon. Ang parehong uri ng mga materyales ay may halos parehong optical density (refractive index). Tinitiyak ng sitwasyong ito ang kumpletong optical matching ng generator at receiver unit ng optocoupler.
Mga photodetector. Ang prinsipyo ng pagpapatakbo ng mga photodetector na ginagamit sa mga optocoupler ay batay sa panloob na epekto ng photoelectric, na binubuo sa paghihiwalay ng mga electron mula sa mga atomo sa loob ng isang mala-kristal na katawan sa ilalim ng impluwensya ng electromagnetic (optical) radiation. Ang pagbuo ng mga libreng electron ay humahantong sa isang pagbabago sa mga electrical properties ng irradiated body, at ang mga nagresultang photoelectric phenomena ay ginagamit sa pagsasanay. Eksperimento na itinatag na ang pinaka makabuluhang photoelectric phenomena ay nangyayari sa semiconductors, pangunahin sa mga dalisay. Kaya, sa photodetector, ang light quanta ay na-convert sa enerhiya ng mga mobile electric charges, sa ilalim ng impluwensya kung saan lumitaw ang isang photo-EMF sa pn junction.
Kapag bumubuo ng mga optocoupler, ang photodetector ay ang tumutukoy na elemento ng optocoupler, at ang emitter ay pinili "para sa photodetector." Ang antas ng mga optocoupler ay pinakamahusay na nailalarawan sa pamamagitan ng mga diode optocoupler, ang mga pang-industriyang uri nito ay nakikilala sa pamamagitan ng kanilang pagiging simple ng disenyo, mahusay na pagkakaiba-iba, lawak ng pag-andar, at mahusay na kumbinasyon ng mga de-koryenteng parameter.
Disenyo ng mga power semiconductor device. Ang batayan para sa disenyo ng anumang aparatong semiconductor ay ang istraktura ng semiconductor, na tumutukoy sa mga de-koryenteng parameter at katangian nito. Ang isang istraktura na may mga elemento na nagbibigay ng kinakailangang mekanikal na lakas, maaasahang elektrikal at thermal contact sa katawan ng aparato ay tinatawag na elemento ng disenyo ng balbula. Dapat mayroon ang elemento ng balbula maaasahang proteksyon mula sa mga impluwensya sa kapaligiran, kaya inilalagay ito sa isang pabahay na nagsisiguro ng sealing at mekanikal na lakas ng buong istraktura.
Batay sa uri ng disenyo ng pabahay, ang lahat ng power semiconductor valve ay maaaring nahahati sa pin-type, flat-base (flange) at tablet-type.
Sa Fig. Ipinapakita ng Figure 12 ang disenyo ng isang pin thyristor, ang base kung saan ang 2 ay gawa sa tanso kasama ng isang sinulid na bolt 1 upang matiyak ang electrical at thermal contact sa cooler. Ang mga thyristor na may flat housing base (Fig. 12c) ay may copper flange 1 para sa pag-bolting ng device sa cooler. Ang mga case cover sa parehong uri ng thyristor ay gawa sa metal-glass o metal-ceramic na disenyo. Ang upper power terminal 3 ay maaaring gawin sa anyo ng metal (copper) braided harness (flexible terminal) o hollow copper rod na puno ng lead (rigid terminal, Fig. 12.6).


kanin. 12. Mga disenyo ng makapangyarihang thyristor:
a - pin thyristor na may flexible at b - walang flexible na output; c - flanged thyristor na may nababaluktot na tingga
Ang mga thyristor ng disenyo ng tablet (Larawan 13, e) ay ginawa sa anyo ng tablet 1 sa isang corrugated ceramic casing, na nagpoprotekta sa elemento ng balbula mula sa kontaminasyon at pinsala sa makina. Ang tablet ay inilalagay sa pagitan ng itaas na 2 at ibabang 6 na base ng metal ng device, na nakikipag-ugnayan sa mga cooler, na lumilikha ng mga electrical at thermal contact. Ang control electrode 4 ng thyristor ay matatagpuan sa gilid na ibabaw ng pabahay. Ang aparato ay konektado sa de-koryenteng circuit sa pamamagitan ng kasalukuyang nagdadala ng mga plate 3 at 5.
Ginagamit ang mga pin at flange na disenyo para sa mga power valve para sa mga agos hanggang 320 A, mga disenyo ng tablet para sa mga agos na 250 A at higit pa. Ang mga device na may flat body base ay mas lumalaban sa paikot na pagbabago sa temperatura. Sa pagbuo ng thyristors mga nakaraang taon mas madalas na ginagamit ang disenyong ito.
Sa Fig. Ipinapakita ng 13.6 ang disenyo ng isang bagong power silicon transistor ng serye ng TK bilang isang halimbawa. Ang ganitong mga aparato ay may napakalaking katawan ng isang disenyo ng pin na may sinulid na bolt sa base para sa koneksyon sa radiator at matibay na base at mga lead ng emitter.
pangkalahatang katangian mga aparatong semiconductor. Ang domestic na industriya ay gumagawa ng isang malawak na hanay ng mga power semiconductor device, ang paggamit nito ay ginagawang posible upang lumikha ng iba't ibang mga electrical energy converter na matipid, maliit at lubos na maaasahan. Para sa kaginhawahan ng pagpili ng mga aparatong semiconductor sa proseso ng pagdidisenyo ng mga pag-install at pagpapalit ng mga nabigong balbula sa panahon ng kanilang operasyon, isang alphanumeric system ng mga simbolo ang ginagamit para sa mga power diode, thyristor, transistors at optocoupler (GOST 15543-70*).

kanin. 13. Disenyo ng tablet ng T500 thyristor na walang cooler (a) at pangkalahatang mga sukat ng power transistor (b)
Upang makontrol ang photothyristor, isang espesyal na bintana ang ibinigay sa pabahay nito upang maihatid ang liwanag na pagkilos ng bagay. Sa optocoupler thyristors, ang isang semiconductor light-emitting diode - isang LED - ay ginagamit bilang isang emitter, kung saan ang isang control signal ay ibinibigay. Ang isang makabuluhang bentahe ng photo- at optocoupler thyristors sa mga thyristor na kinokontrol ng isang de-koryenteng signal ay ang kawalan ng galvanic na koneksyon sa pagitan ng power circuit ng device at ng kanilang control system.