Джерела оптичного випромінювання, що використовуються в оптоелектроніці, взагалі кажучи, дуже різноманітні. Однак більшість з них (надмініатюрні накальні та газорозрядні лампочки, порошкові та плівкові електролюмінесцентні випромінювачі, вакуумні катодолюмінофорні та багато інших видів) не задовольняють всієї сукупності сучасних вимогі знаходять застосування лише окремих пристроях, головним чином індикаторних приладах і частково в оптронах.
При оцінці перспективності того чи іншого джерела визначальну роль грає агрегатний стан активної речовини, що світиться (або речовини, що заповнює робочий обсяг). З усіх можливих варіантів (вакуум, газ, рідина, тверде тіло) перевага надається твердотільній речовині, а «всередині» неї – монокристалічній як забезпечує найбільшу довговічність і надійність приладів.
Фундамент оптоелектроніки утворюють дві групи випромінювачів:
1) оптичні генератори когерентного випромінювання (лазери), серед яких слід виділити напівпровідникові лазери;
1) світловипромінюючі напівпровідникові діоди, що ґрунтуються на принципі спонтанної інжекційної електролюмінесценції.
Оптоелектронний напівпровідниковий прилад – це напівпровідниковий прилад,випромінює або перетворює електромагнітне випромінювання, чутливий до цього випромінювання у видимій, інфрачервоній та (або) ультрафіолетовій областях спектру або використовує подібне випромінювання для внутрішньої взаємодії його елементів.
Оптоелектронні напівпровідникові прилади можна поділити на напівпровідникові випромінювачі, приймачі випромінювання, оптопари та оптоелектронні інтегральні мікросхеми (рис. 2.1).
Напівпровідниковий випромінювач – це оптоелектронний напівпровідниковий прилад, що перетворює електричну енергію на енергію електромагнітного випромінювання у видимій, інфрачервоній та ультрафіолетовій областях спектру.
Багато напівпровідникових випромінювачів можуть випромінювати лише некогерентні електромагнітні коливання. До них відносяться напівпровідникові випромінювачі видимої області спектру – напівпровідникові прилади відображення інформації (світло-випромінюючі діоди, напівпровідникові знакові індикатори, шкали та екрани), а також напівпровідникові випромінювачі інфрачервоної області спектру – інфрачервоні випромінюючі діоди.
Когерентні напівпровідникові випромінювачі- Це напівпровідникові лазери з різними видами збудження. Вони можуть випромінювати електромагнітні хвилі з певною амплітудою, частотою, фазою, напрямом поширення та поляризацією, що відповідає поняттю когерентності.
Метою роботи є експериментальне дослідження характеристик фоточутливих та світловипромінюючих приладів.
Короткі теоретичні відомості.
Оптоелектронні напівпровідникові прилади можна розділити на дві групи: випромінюючі та фоточутливі (фотоприймальні). До першої групи відносяться світлодіоди та напівпровідникові лазерні випромінювачі, а до другої – фотодіоди, фототранзистори, фототиристори, фоторезистори та ряд інших.
Вступ. Сучасне поле оптоелектроніки є надзвичайно широким, що охоплює вивчення пристроїв, робота яких пов'язана з оптичними та електричними явищами, такими як різні типи фоточутливих осередків, світлогенератори, модулятори, дисплеї тощо. ми обмежимося вивченням випромінюючих пристроїв та детекторів світла.
Визначення Оптоелектроніка - це дослідження та застосування електронного обладнання, яке забезпечує, виявляє та контролює світло. Оптоелектронні пристрої є електричні перетворювачі для оптичних або оптичних до електричних або прилади, які використовують такі пристрої у своїй роботі.
Світлодіод є приладом з p-n переходами між шарами напівпровідникових матеріалів, що входять до його складу. Він перетворює енергію струму, що протікає через нього, в електромагнітне некогерентне випромінювання.
При проходженні через діод прямого струму в зоні p-n переходу відбувається рекомбінація електронів та дірок. Цей процес може супроводжуватися електромагнітним випромінюванням із частотою, що визначається співвідношенням:
Ці пристрої перетворюють електричну енергію на світлову енергію. Вони випромінюють світло під час активації електричної енергії. Ці пристрої генерують невеликий електричний сигнал, коли вони підсвічуються, таким чином перетворюючи світлову енергію на електричну.
Світлодіоди - це ті, які доступні у вигляді барвистих лампочок, які постачаються в оптоелектронних пристроях, побутовій техніці, іграшках та багатьох інших місцях. Світловипромінюючі діоди є діодами, які впливають на виробництво світла, коли через них протікає електрика. Діоди мають властивість, яка пропускає струм тільки в одному напрямку, а не в іншому.
– величина, що відповідає ширині забороненої зони напівпровідника, 
- Постійна Планка. Однак, одночасно з цим (випромінювальним) механізмом рекомбінації діє і безвипромінювальний, пов'язаний зокрема з поглинанням енергії кристалічною решіткою. При виготовленні світлодіодів його вплив прагнуть зменшити. Ефективність перетворення електричної енергії на світлову оцінюється величиною 
, Називається внутрішнім квантовим виходом. Він визначається ставленням числа випромінюваних фотонів до кількості пар носіїв, що прорекомбінували.
Світловипромінюючі діоди. Ці домішки називаються атомами-донорами, оскільки вони вносять щодо «вільний» електрон у структуру. Ці домішки називаються акцепторними атомами, оскільки кількість електронів недостатньо для завершення ковалентних зв'язків грат, що призводить до дірки, яка швидко прийме електрон. Електрони та дірки можуть рухатися під дією електричного поля, і за їх рекомбінації утворюється фотон чи частка світла. Ця рекомбінація вимагає, щоб енергія вільного вільного електрона переносилася в інший стан.
Як випливає з (5.1), довжина хвилі випромінювання світлодіода
обернено пропорційна ширині забороненої зони напівпровідника. У діодів, з германію, кремнію та арсеніду галію, максимум випромінюваної енергії посідає інфрачервону область, і, крім того, у германієвих і кремнієвих діодів велика ймовірність безвипромінювальної рекомбінації.
Ці тексти також можуть бути цікавими
У кремнії та германії більшість перебуває у формі тепла, а випромінюване світло мізерне. Ці помилки викликані наявністю гармонік у мережі, і навіть точністю вимірювання тестового устаткування. Чи може суддя покладатися на первісні факти, які не тільки затверджувалися в партіях, але які мали бути придбані якимось іншим способом, чи він міг би ґрунтувати своє рішення лише на фактах, порушених сторонами? Навіщо використати обсяг знань в управлінні проектами? . Проект «Плазмова оптоелектроніка» бере участь в експериментальних та висхідних дослідженнях органічної електроніки, від реалізації пристроїв, їх оптоелектронної характеристики до моделювання їх фізичних властивостей.
Для виготовлення світлодіодів, що випромінюють у видимому діапазоні, застосовуються спеціальні напівпровідникові матеріали – фосфід галію, нітрид галію, карбід кремнію та інші з великою шириною забороненої зони. У сучасних світлодіодах використовуються гетеропереходи, тобто напівпровідникові структури на основі матеріалів із різною шириною забороненої зони.
Область органічної електроніки включає різні технології з використанням основних пристроїв. Світловипромінювальні діоди в області плоских дисплеїв та малоенергетичного освітлення Польові транзистори в логічних схемах – пам'ять для забезпечення кочової або немережевої електропроводки. Діяльність групи розробляється в рамках місцевого, національного та міжнародного співробітництва з партнерами з академічного світу, а також регіональною та національною промисловою структурою.
Парове осадження з іонним пучком
Більшість оптоелектронних компонентів використовують катоди, одержані вакуумним випаром. Парове осадження з іонним пучком включає осадження шляхом випаровування на підкладці та одночасну дію на підкладку пучка енергетичних іонів. Цей метод призводить до змін оптичних, електричних, механічних та хімічних властивостейобложеного шару. Цей метод дозволяє, зокрема, ущільнювати обложені шари, щоб обмежити дифузію кисню та води усередині компонентів. Після цього покращується термін служби компонентів.
На рис. 5.1 наведено залежність інтенсивності випромінювання світлодіодів з різних матеріалів від довжини хвилі (спектральні характеристики), там же показано умовне позначення світлодіода на електричних схемах.
Мал. 5.1. Спектральні характеристики та позначення світлодіодів на електричних схемах.
Розробка наноструктурованих неорганічних напівпровідників
У цьому контексті в лабораторії було розроблено м'які методи іонно-променевого напилення. Гібридні оптоелектронні компоненти, що використовують властивості органічного та неорганічної речовиниу тому ж пристрої сьогодні продемонстрували важливий потенціал для розробки конкурентоспроможних недорогих рішень. У цьому контексті нас цікавить синтез неорганічних нанокристалів оксиди металів з добре контрольованою морфологією, що використовуються в активних шарах наших пристроїв, а також осадження тонких неорганічних шарів методом аерозольного піролізу, що використовується як прозорі провідні електроди, блокуючі шари або буферні шари в лабораторії.
Вольтамперна характеристика світлодіода (рис. 5.2) схожа на характеристику звичайного напівпровідникового діода. Її особливість полягає в тому, що величини прямої напруги можуть досягати декількох вольт (через велику ширину забороненої зони), а зворотні напруги невеликі внаслідок малої товщини p-n переходу. При електричному проби світлодіода, внаслідок ударної іонізації в об'ємі p-n переходу також може виникнути випромінювання електромагнітної енергії. Однак інтенсивність випромінювання в такому режимі мала, і він не знаходить практичного застосування.
Нові технології, що розробляються
Вкладання органічних матеріалів шляхом лазерної абляції. . Явище лазерної абляції може бути використане для тонких органічних шарів: воно має ту перевагу, що дозволяє виробляти шари контрольованої товщини і хорошої якості кристала при температурі довкілля. Щоб уникнути деградації молекулярної структури з'єднання, необхідно працювати за низької щільності потоку, близької до порогового флюєнсу. Лазерна абляція дозволяє проводити вибіркове травлення через маску раніше нанесених шарів.
Мал. 5.2. Вольтамперні властивості світлодіодів.
Важливою характеристикою світлодіода є яскравість, тобто залежність яскравості випромінювання 
від величини прямого струму. Яскравість визначається ставленням сили світла до площі поверхні, що світиться. Зразковий вид такої характеристики наведено на рис. 5.3. Її загини на початковому і кінцевому ділянках пояснюються тим, що з малих і великих струмах збільшується ймовірність безвипромінювальної рекомбінації.
Розробка електродів на основі вуглецевих нанотрубок. . З електричної точки зору, нанотрубки мають особливість бути або металевими, або напівпровідниковими в залежності від їхньої геометрії. За допомогою підходів до вирішення ми прагнемо розробити та оптимізувати електроди на основі вуглецевих нанотрубок.
Розробка гібридних компонентів шляхом спільного осадження. . Принцип спільного осадження гібридних компонентів Як новий підхід ми пропонуємо спільне осадження органічного матеріалу шляхом випаровування та неорганічного матеріалу шляхом іонного напилення. Такі гібридні шари також можуть бути використані як бар'єрні шари для інкапсуляції компонентів.
Мал. 5.3. Яскрава характеристика світлодіода.
Світлодіоди, на відміну від інших випромінюючих приладів (ламп розжарювання тощо), є дуже швидкодіючими (безінерційними). Час, протягом якого світловий потік, що формується світлодіодом при подачі прямокутного імпульсу прямого струму, досягає максимуму, лежить в межах від одиниць мікросекунд до десятків наносекунд.
Оптоелектронні пристрої
Органічні та гібридні фотогальванічні елементи
Фотогальванічні осередки дозволяють перетворювати світлову енергію на електричну енергію шляхом поглинання фотонів, а потім створювати і, нарешті, перенесення вільних зарядів в активному шарі, що складається з донорних і електронів, що приймають матеріалів. Органічні клітини, засновані на невеликих кон'югованих молекулах або напівпровідникових полімерах, мають ту перевагу, що вони розробляються з низькою вартістю гнучких підкладок.Для органічних сонячних елементів основними завданнями. Контроль морфології в нанометровому масштабі як для компонентів на основі малих молекул, що випарувалися, так і для клітин на основі кон'югованих полімерів і розчинних молекулярних акцепторів.
Світлодіоди характеризуються такими основними параметрами: довжина хвилі максимуму випромінювання або колір свічення; яскравість або сила світла при заданому прямому струмі; пряме падіння напруги при заданому прямому струмі та максимально допустимі прямий струм, зворотна напруга та потужність, що розсіюється світлодіодом.
Фотодіод є напівпровідниковий прилад, p-n перехід якого відкритий для дії зовнішнього випромінювання. Якщо до висновків напівпровідникового діода не підключені зовнішні джерела напруги, то p-n перехід знаходиться в рівноважному стані. При цьому різниця потенціалів на висновках діода дорівнює нулю, а на межі розділу шарів напівпровідника існує внутрішнє електричне поле, що перешкоджає переміщенню основних носіїв через pn перехід.
Оптимізація електродів із використанням методів іонного пучка. Моделювання активних зон клітин для поліпшення їх характеристик та їхньої тривалості життя. Оптимізація електродних конструкцій сонячних елементів з урахуванням випарених малих молекул. Паралельно з органічними компонентами ми нещодавно розпочали виробництво та оптоелектронну характеристику гібридних фотогальванічних елементів на основі наноструктурованих оксидів металів. В основному нас цікавлять сенсибілізовані клітини барвниками у твердому стані, потенційна продуктивність яких може. На додаток до сенсибілізованих клітин ми також продовжуємо розробку звичайних гібридних компонентів.
Під впливом електромагнітного випромінювання (при освітленні), обсягом переходу відбувається розрив зв'язків електронів з атомами – генерація электронно-дырочных пар. Це явище називається внутрішнім фотоефектом. Поле p-n переходу буде переміщати дірки, що утворилися, в область p-напівпровідника, а електрони відповідно в n-напівпровідник, розділяючи генеровані носії. При цьому на зовнішніх краях напівпровідникових шарів з'явиться деяка різниця потенціалів (+ на аноді діода, - на його катоді) і одночасно на величину цієї різниці зменшиться висота потенційного бар'єру p-n переходу.
Основні зусилля спрямовані на точний контроль наномасштабної архітектури за рахунок недорогого розвитку нанопористих шарів оксидів металів. Принцип сенсибілізованих клітин барвника у твердому стані. Контакт: Тьєррі Тріго, Бруно Лукас. Команда розробляє нові технології виробництва електронних схем з урахуванням органічних транзисторів. Мета полягає в тому, щоб отримувати недорогі продукти через використовувані матеріали та застосовувані методи виробництва. Дві галузі досліджень в основному розвинені в лабораторії.
Прозорі органічні транзистори. Гнучкі схеми, одержані методами друку. Вивчаються з теоретичної точки зору. Фізика органічних напівпровідників. Рішення друкованих технологій. Стан інтерфейсів: відповідно до методів осадження та осаджених матеріалів.
Генерована фотодіодом, під дією світла, різниця потенціалів, називається фото е.р.с.
. Її величина залежить від світлового потоку (рис. 5.4), але фото е.р.с. не може перевищити контактної різниці потенціалів 
. Це пояснюється тим, що напрямки зовнішнього та внутрішнього полів протилежні та зі збільшенням 
зменшується сумарне електричне поле, що викликає рух носіїв зарядів. При рівності фото е.р.с. і сила, що викликає рух носіїв зникне. Величина різниці потенціалів, що утворюється на висновках фотодіода при розімкнутому зовнішньому ланцюгу називається напругою холостого ходу.
Архітектура органічних ланцюгів. Типові характеристики органічного транзистора нанесеного на гнучку підкладку. Крім того, ми розробляємо інші просунуті компоненти, що базуються на використанні органічних транзисторів, таких як фотоелементи. Справді, різні ефектиможуть бути отримані у твердих тілах поглинанням або випромінюванням фотона матеріалом, таким як фотопровідність або фотовольтаїчний ефект, які безпосередньо пов'язані з транспортними механізмами. Фототранзистор, який використовує фотопровідні властивості активного шару транзистора, може бути використаний як світловилучний перемикач як підсилювач оптичної сітки як схема виявлення або в якості датчика.
Мал. 5.4. Залежність фото е.р.с. та струму короткого замикання p-n переходу від величини світлового потоку.
Якщо висновки діода з освітленим p-n переходом замкнути коротко, то по провіднику потече електричний струм, званий фотострумом 
, обумовлений спрямованим переміщенням вільних носіїв, що утворилися в зоні переходу. Їхній рух відбуватиметься під дією внутрішнього електричного поля переходу. При освітленому фотодіоді цей струм підтримуватиметься за рахунок енергії світлового випромінювання, що викликає генерацію електронно-діркових пар. При нульовому опорі зовнішнього ланцюга такий струм називається струмом короткого замикання.
Органічні світлодіоди
Органічний транзистор на гнучкій підкладці під час збудження світла. Тимчасовий відгук транзистора для різних напругстоку та в залежності від освітлення. Контактна особа: Ремі Антоній, Бруно Лукас. Органічні світловипромінюючі діоди дозволяють перетворювати електричну енергію на енергію світла. Структури мають сендвіч-тип з одним або декількома органічними шарами, розташованими між двома електродами, один з яких прозорий для довжини хвилі, що випромінюється. Застосування електричного поля до висновків компонента дозволяє вводити носії навантаження, які мігрувати органічні шари, а рекомбінація цих носіїв призводить до виникнення квазичастинки, званої екситоном.
Величина фотоструму , як і величина фото-е.д.с., пропорційна світловому потоку (рис. 5.4), але відповідна залежність
не має яскраво вираженої ділянки насичення, так як при будь-якій кількості носіїв, що утворилися, електричне поле, що впливає на них буде дорівнює полю контактної різниці потенціалів.
Довжина хвилі випромінюваного світла та інших оптоелектронних характеристик залежить від характеру шару, що випромінює. Характеристики фотоелемента у темряві та під освітленням. Ці компоненти дозволяють, наприклад, передавати інформацію шляхом підтримки електричної ізоляції, яка також може використовуватися для оцінки їхньої продуктивності з точки зору тривалості життя або термічної стабільності.
Передові методи визначення характеристик
Вимірювання рухливості навантажень та явища транспорту
Таким чином, характеристики органічних компонентів сильно залежать від рухливості носіїв транспортних механізмів. Отже, для оцінки цих делікатних параметрів, які необхідно виміряти, ми розробили метод вимірювання рухливості на основі діелектричних вимірювань: екстраполяція на дуже низькій частоті в поданні діелектричних втрат залежно від частоти дозволяє отримати провідність продовжується. Тоді, з характеристики щільності струму залежно від напруги, визначається щільність носіїв, щоб остаточно визначити їх рухливість.Таким чином, за наявності зовнішніх джерел світла, фотодіод може служити як генератор е.д.с. чи струму, тобто. виконувати функції перетворювача світлової енергії на електричну. У цьому принципі засновано дію сонячних перетворювачів (батарей). Описаний режим фотодіода (без зовнішніх джерел) називається вентильним.
Вольтамперна характеристика фотодіода, тобто. залежність струму через нього від величини зовнішнього прикладеного напруження певним чином пов'язана з освітленістю. Очевидно, якщо p-n перехід не освітлений, вольтамперна характеристика фотодіода буде ідентична відповідній характеристиці звичайного діода. Цій ситуації відповідає графік на рис. 5.5 для
=0.
Мал. 5.5. Вольтамперні властивості фотодіода.
При подачі на затемнений фотодіод зворотної напруги через нього протікатиме так званий темновий струм 
, Який визначається, як і для звичайного діода співвідношенням:
(5.2)
де 
- Струм насичення, 
- температурний потенціал,
- Додана напруга. При освітленні p-n переходу замкненого діода у його обсязі та прилеглих областях будуть генеруватися пари носіїв. Вони будуть захоплюватися зовнішнім електричним полем до країв напівпровідникових шарів і через діод потече зворотний струм.
(5.3)
де - Темновий струм, - Струм, створюваний носіями, народженими електромагнітним випромінюванням (фотострум). Цей струм має умовно негативний знак. Оскільки величина фотоструму пропорційна світловому потоку
, то зі зростанням освітленості зворотна гілка ВАХ фотодіода практично паралельно зміщуватиметься вниз, як показано на рис. 5.5. Цей режим роботи фотодіода (при зворотному зміщенні p-n переходу) називається фотодіодним.
Якщо на фотодіод подати напругу рівну нулю, то це буде відповідати його короткому замиканню і, як зазначалося раніше, через зовнішній ланцюг протікатиме деякий струм, який називається струмом короткого замикання.
.
При зміні полярності напруги на діоді зовнішнє електричне поле включається зустрічно з полем фото е.д.с., що викликає зменшення потоку носіїв через p-n перехід і зниження зворотного струму. Коли пряма напруга досягне деякої величини, струм діод припиниться. Величина цієї напруги відповідає режиму холостого ходу і дорівнюватиме
, що генерується діодом при заданій освітленості та розімкнутого зовнішнього ланцюга. Подальше зростання різниці потенціалів, що відмикає, викличе протікання через діод прямого струму, залежність якого від напруги описується співвідношенням, аналогічним (5.2)
, а сумарний струм дорівнюватиме
.
Фотодіоди зазвичай використовуються як датчики освітленості та працюють при зворотному зміщенні, тобто у фотодіодному режимі. Вони характеризуються такими параметрами: – темновий струм (зворотний струм затемненого фотодіода при заданій температурі та зворотній напрузі);
- Інтегральна, або
- Диференційна фоточутливість. Остання часто визначається як відношення зміни зворотного струму
до зміни світлового потоку, що його викликав.
.
Чутливість фотодіода залежить від довжини хвилі світла, що подає. Ця залежність для фотодіодів, виготовлених із різних матеріалів та його позначення на принципових схемах наведено на рис. 5.6.
Мал. 5.6. Спектральні характеристики фотодіода та його позначення на електричних схемах.
Так як біполярний транзистор є структурою, що містить p-n переходи, то управління струмом в ньому, може бути здійснено не тільки при зміні відповідних напруг, але і шляхом освітлення області бази. Транзистор, для якого передбачено такий режим роботи, називається фототранзистором. Без освітленості його вольтамперні характеристики ідентичні аналогічним характеристикам звичайного транзистора.
Під впливом світлового потоку в p-n переходах базової області генеруватимуться електронно-діркові пари. Полем замкненого колекторного переходу електрони (для n-p-n транзистора) втягуватимуться в область колектора, збільшуючи його струм. Ця ситуація аналогічна роботі фотодіода як зворотного зміщення.
Дірки, що виникли під час освітлення фототранзистора (n-p-n типу), залишаються в базі, збільшуючи її позитивний потенціал, що призводить до підвищення інтенсивності інжекції електронів з емітера. Додаткові електрони, досягнувши колекторного переходу, втягнуть його полем в область колектора і створять додаткове збільшення колекторного струму. Повний колекторний струм фототранзистора при включенні його за схемою із загальним емітером описуватиметься співвідношенням:
- Наскрізний колекторний струм, 
– фотострум колекторного переходу, величина якого залежить від зовнішнього освітлення. З (5.4) випливає, що колекторним струмом фототранзистора можна керувати як ланцюгом бази, так і змінюючи величину світлового потоку. Фоточутливість такого транзистора приблизно в
разів більша за чутливість фотодіода.
Сімейство вихідних вольтамперних характеристик фототранзистора наведено на рис. 5.7. Там же представлено еквівалентну схему фототранзистора у вигляді комбінації звичайного транзистора і фотодіода.
Мал. 5.7. Вольтамперні характеристики, позначення та еквівалентне представлення біполярного фототранзистора.
Якщо комбіноване керування струмом колектора не потрібне, то фототранзистор може не мати базового виводу. Цей режим роботи називається режимом з відірваною або вільною базою. Фототранзистор при цьому має не тільки максимальну чутливість, але й максимальну нестабільність своїх параметрів. З метою підвищення стабільності виведення бази через резистор може бути з'єднаний з емітерним контактом.
Фототиристори являють собою напівпровідникові прилади, що перемикають, напруга включення яких може змінюватися під впливом на відповідні p-n переходи світлового потоку. Умова включення тиристора виглядає так:
, де 
і 
- Коефіцієнти передачі еквівалентних транзисторів. У відсутність освітленості вольтамперна характеристика фототиристора аналогічна характеристиці звичайного перемикаючого приладу (диністора або тиристора при
). Висвітлення переходів фототиристора викликає зростання струмів відповідних транзисторів та його коефіцієнтів передачі. Це спричинить зменшення напруги включення структури, як показано на рис. 5.8. У разі досить інтенсивного освітлення фототиристор буде включений при будь-якому значенні прямої напруги, як і тиристор при струмі управління більшим струмом випрямлення.
Мал. 5.8. Вольтамперні характеристики та позначення фототиристора.
Таким чином, подавши на затемнений фототиристор деяку напругу, а потім короткочасно висвітлив p-n перехід, прилад можна перевести у включений стан. Вимкнути фототиристор, як і звичайний прилад, що вимикає, вдається лише при зменшенні анодного струму до значення, меншого, ніж струм утримання. Фототиристор може мати і додатковий висновок - електрод, що керує, що дозволяє включати його при подачі як електричного, так і світлового сигналу.
Фоторезистором називається двоелектродний напівпровідниковий прилад, опір якого залежить від зовнішнього освітлення. На відміну раніше розглянутих приладів, фоторезистор немає випрямляючих переходів і є лінійним елементом, тобто. його вольтамперна характеристика описується за будь-якої полярності напруги 
співвідношенням:
, де 
- Струм, що протікає через фоторезистор, 
- Опір при заданій освітленості. Вольтамперні характеристики фоторезистора та його позначення на електричних схемах наведено на рис. 5.9.
Мал. 5.9. Вольтамперні характеристики та позначення фоторезисторів на електричних схемах.
Основними параметрами фоторезистора є: темновий опір 
(опір при світловому потоці
), кратність зміни опору 
, що дорівнює відношенню темнового опору до опору при заданій освітленості. Фоторезистори, як і фотодіоди, неоднаково реагують на світлові потоки з різними довжинами хвиль. Найбільш чутливими до інфрачервоного випромінювання є фоторезистори, виготовлені з селеніду та сульфіду свинцю, а при роботі у видимому діапазоні використовуються фоторезистори з селеніду та сульфіду кадмію.
Випромінювач світла та фотоприймач можуть поміщатися в один корпус, утворюючи прилад, званий оптроном або оптопарою. Залежно від комбінацій випромінювачів та приймачів світла існують різні види оптронів. Структура та позначення на принципових схемах деяких з них наведено на рис. 5.10.
Мал. 5.10. Позначення на електричних схемах різних видів оптронів.
Опис лабораторної установки.
Установка для проведення лабораторної роботи № 5 «Дослідження оптоелектронних приладів» складається з лабораторного та вимірювального стендів, зовнішній виглядпередніх панелей яких наведено на рис.1.8 та 5.11.
Лабораторний стенд містить у своєму складі регульоване джерело живлення з діапазоном зміни вихідної напруги. 
15В та обмежувачем струму навантаження на рівні 60мА. Тумблер включення джерела живлення, ручка регулювання напруги та вихідні гнізда розміщені у правій частині панелі лабораторного стенду. Там розташована кнопка з написом «Вимк. Е», при натисканні якої вихідна напруга відключається від гнізда з маркуванням «+».
Крім цього є два джерела струму, величини яких задаються відповідними перемикачами. Струм бази 
може встановлюватися рівним нулю, 0,1мкА, 1мкА, 10мкА, а струм другого джерела - 0, 0,5мА, 10мА, 20мА та 30мА.
У цій лабораторній роботі досліджуються характеристики світлодіодів АЛ336Б (VD1) з червоним, АЛ336Г (VD2) із зеленим сетом світіння та інфрачервоного світлодіода АЛ107А (VD3).
Резистор 
номіналом 680 Ом служить обмеження величини прямого струму через світлодіоди. Крім цього, проводиться дослідження фотоприймачів різного типу, що входять до складу оптронів діодного АОД101А (U1), транзисторного АОТ128А (U2), тиристорного АОУ103В (U3) та резисторного ОЕП10 (U4). Резистори
(величиною 1 ком) і
(Величиною 10 кОм) використовуються при дослідженні оптрона в режимі передачі аналогових сигналів, що проводиться в роботі № 6.
Увімкнення лабораторного стенду здійснюється тумблером «Увімк.». Про функціонування джерела живлення свідчить загоряння зеленого світлодіода, розташованого у тумблера.
Порядок лабораторної роботи.
1. Домашня підготовка.
У ході домашньої підготовки потрібно, користуючись довідковою літературою, визначити і записати в робочий зошит основні параметри напівпровідникових приладів, що досліджуються в даній роботі. Крім того, необхідно замалювати схеми для проведення вимірювань та таблиці для запису результатів досліджень.
2. Проведення лабораторної роботи.
2.1. Дослідження вольтамперних показників світлодіодів.
Зібрати, використовуючи діод VD1, схему, наведену на рис. 5.12.
Мал. 5.12. Схема на дослідження прямої гілки вольтамперной характеристики світлодіодів.
Встановити ручку регулятора напруги в крайнє ліве положення (
); межа виміру PV1 – 1,5В, межа виміру PA1 – 10мА. Увімкнути живлення лабораторного стенду.
Збільшуючи обертанням ручки регулятора праворуч напругу джерела живлення, провести вимірювання залежності падіння напруги на діоді від величини прямого струму, встановлюючи його значення рівними: 0мА, 1мА, 3мА, 5мА, 10мА, 20мА, 30мА, 40мА, 50м. Заповнити отриманими даними перший рядок таблиці:
|
| ||||||||||
|
| ||||||||||
|
| ||||||||||
|
|
(мА)
(В)Провести аналогічні виміри для діодів VD2, VD3. Їхнє підключення необхідно проводити при знеструмленому лабораторному стенді.
Зібрати, використовуючи діод VD1, схему, наведену на рис. 5.13.
Мал. 5.13. Схема на дослідження зворотної гілки вольтамперной характеристики світлодіодів.
Встановити межу виміру PA1 – 0,1мА, PV1 – 15В. Змінюючи регулятором замикаючу напругу на діоді, провести вимірювання зворотного струму та заповнити перший рядок таблиці:
|
| ||||||||
|
| ||||||||
|
| ||||||||
|
|
(В)
(мА)Провести аналогічні виміри для діодів VD2, VD3.
2.2. Вивчення вольтамперних характеристик фотодіода.
У циклі даних досліджень використовується арсенід-галієвий фотодіод, що входить до складу діодного оптрону U1.
2.2.1. Дослідження прямої гілки вольтамперної характеристики фотодіода.
Зібрати схему, наведену на рис. 5.14.
Мал. 5.14. Схема на дослідження прямої гілки вольтамперной характеристики фотодиода.
Встановити регулятор напруги в крайнє ліве положення (
), перемикач, що задає струм – у нульовий стан, Межа вимірювання вольтметра PV1 - 0,75В, міліамперметра PA1 - 10мА.
Збільшуючи вихідну напругу джерела живлення, задати прямі струми фотодіода рівними вказаним у таблиці на рис. 5.15, виміряти падіння напруги на ньому та заповнити отриманими даними перший рядок таблиці.
Встановлюючи перемикачем з написом «I» значення струму світлодіода рівними 5, 10, 20 і 30мА і тим самим збільшуючи освітленість фотодіода, провести аналогічні вимірювання.
|
| |||||||||
|
|
|
||||||||
|
|
|
||||||||
|
|
|
||||||||
|
|
|
||||||||
|
|
|
мА
мА
мА
мА
мАМал. 5.15. Таблиця для запису результатів досліджень прямої гілки вольтамперної характеристики фотодіода.
2.2.2. Дослідження напруги холостого ходу та струму короткого замикання фотодіода.
Від'єднати від схеми (рис. 5.14) джерело живлення та, задаючи струм через світлодіод рівним 0,5, 10, 20 та 30мА, виміряти значення напруги холостого ходу фотодіода при його роботі у вентильному режимі. Зафіксувати отримані результати у таблиці:
|
| |||||
|
| |||||
|
|
Для вимірювання струму короткого замикання зібрати схему, наведену на рис. 5.16. Задаючи струми через світлодіод відповідно до зазначених у наведеній вище таблиці, виміряти величини струмів короткого замикання фотодіода і занести отримані результати в нижній рядок таблиці.
Мал. 5.16. Схема для вимірювання струму короткого замикання фотодіода під час роботи у вентильному режимі.
2.2.3. Дослідження проміжної гілки вольтамперної характеристики фотодіода під час роботи у вентильному режимі.
Зібрати схему, наведену на рис. 5.17.
Мал. 5.17. Схема на дослідження вольтамперної характеристики фотодиода.
Встановити струм світлодіода рівним 5 мА. Змінюючи напругу на виході джерела живлення, встановити струм через фотодіод рівним нулю. Ця напруга має бути близько до виміряного раніше значення
за відповідного струму світлодіода. Зменшуючи напругу до нуля, провести вимірювання струмів фотодіода для трьох-п'яти його значень та занести отримані результати до таблиці:
|
| ||||||||
|
|
(В)Величина прямого струму при нульовій напрузі джерела живлення має бути близька до відповідного значення
. Провести цикл аналогічних вимірювань струмів через світлодіод, рівних 10, 20 і 30мА.
2.2.4. Дослідження зворотної гілки вольтамперної характеристики фотодіода.
Зібрати схему, наведену на рис. 5.18.
Мал. 5.18. Схема дослідження зворотної гілки вольтамперной характеристики фотодиода.
Встановити струм через світлодіод рівним нулю, напруга джерела живлення близьким до нуля, межа вимірювання PV1 – 15В, межа вимірювання PA1 – 0,1мА.
Провести вимірювання залежності зворотного струму фотодіода від величини напруги, що замикає, і заповнити відповідними даними перший рядок таблиці, наведеної на рис. 5.19. Встановлюючи струм через світлодіод рівним 5, 10, 20 і 30мА, зробити аналогічні вимірювання та результати занести в ту ж таблицю.
|
| ||||||||
|
|
|
|||||||
|
|
|
|||||||
|
|
|
|||||||
|
|
|
|||||||
|
|
|
Мал. 5.19. Таблиця для запису результатів щодо зворотної гілки вольтамперной характеристики фотодиода.
2.3. Дослідження вихідних параметрів фототранзистора.
У ході даних досліджень використовується фототранзистор, що входить до складу транзисторного оптрона.
.
Зібрати схему, наведену на рис. 5.20.
Мал. 5.20. Схема на дослідження вихідних характеристик фототранзистора.
Встановити струми і рівними нулю, ручку регулятора напруги – у крайнє ліве положення, межа виміру PA1 – 0,1мА, межа виміру PV1 – 15В.
Провести вимірювання струму колектора транзистора при напрузі джерела живлення, що дорівнює 0, 1, 3, 6, 9, 12 і 15В, та результати занести у відповідний рядок таблиці, наведеної на рис. 5.21. Встановлюючи струми бази рівними 1, 5 і 10мкА, провести аналогічні вимірювання для неосвітленого транзистора (при
= 0). Записати отримані результати до відповідних рядків таблиці.
Встановити струм світлодіода рівним 20мА та провести цикл аналогічних вимірювань.
|
| |||||||||
|
|
|
|
|||||||
|
|
|
||||||||
|
|
|
||||||||
|
|
|
||||||||
|
|
|
|
|||||||
|
|
|
||||||||
|
|
|
||||||||
|
|
|
(В)
(мА)
мкА
мкА
мкАМал. 5.21. Таблиця для запису результатів дослідження вихідних параметрів фототранзистора.
2.4. Дослідження фототиристора.
Під час виконання цього пункту використовується фототиристор, що входить до складу тиристорного оптрона.
.
Зібрати схему, наведену на рис. 5.22.
Мал. 5.22. Схема на дослідження фототиристора.
Встановити струм через фотодіод рівним нулю, ручку регулятора вихідної напруги - крайнє ліве положення, межа вимірювання PV1 - 15В.
Збільшуючи напругу джерела живлення, спробувати увімкнути тиристор. Якщо він увімкнений, то загориться світлодіод VD2. Виміряти величину
. Зменшити напругу живлення до нуля та натиснути кнопку «Вимк. Е» для переведення тиристора у вихідний стан. Задаючи струм світлодіода рівним 2, 5, 10 і 20мА, провести аналогічні вимірювання та результати занести до таблиці:
|
| |||||
|
|
Встановити струм світлодіода рівним нулю. Вимкнути тиристор. Задати максимальну напругу джерела живлення та, послідовно збільшуючи струм через світлодіод, включити тиристор. Спробувати вимкнути його шляхом зниження струму світлодіода до нульового значення.
2.5. Дослідження фоторезистора.
Під час виконання цього пункту лабораторної роботи досліджуються характеристики фоторезистора, що входить до складу оптрона.
.
Зібрати схему, наведену на рис. 5.23.
Мал. 5.23. Схема на дослідження фоторезистора.
Встановити струм рівним нулю, ручку регулятора напруги – у крайнє ліве положення (
), межа виміру PV1 - 15В, PA1 - 0,1мА.
Змінюючи напругу на фоторезисторі, провести виміри струму, що протікає через нього, і результати занести в перший рядок таблиці, наведеної на рис. 5.24. Послідовно збільшуючи значення струмів через лампочку розжарювання, провести аналогічні вимірювання та записати результати у відповідні рядки таблиці.
|
| |||||||
|
|
|
||||||
|
|
|
||||||
|
|
|
||||||
|
|
|
||||||
|
|
|
(мА)Мал. 5.24. Таблиця для запису результатів досліджень вольтамперної характеристики фоторезистора.
Змінити полярність напруги джерела живлення та вимірювальних приладів (збирати схему, наведену на рис. 5.25). Провести цикл аналогічних вимірювань та результати зафіксувати у таблиці.
Мал. 5.25. Схема на дослідження вольтамперної характеристики фоторезистора при зворотної полярності напруги.
3. Обробка експериментальних результатів.
3.1. Обробка результатів, отриманих під час виконання пункту 2.1.
Побудувати на одному аркуші міліметрівки прямі та зворотні гілки вольтамперних характеристик досліджених діодів, взявши масштаб по осі струмів і напруги для прямої гілки 5мА/см, 0,5В/см і, відповідно, для зворотної гілки 0,1мА/см і 1,5В/ див.
3.2. Обробка результатів пунктів 2.2.1 2.2.4 Лабораторна робота.
Побудувати на одному аркуші міліметрівки сімейство повних вольтамперних характеристик фотодіода при різних рівнях освітленості, що задаються струмом світлодіода. Масштаб по осі струмів для прямої гілки вольтамперної характеристики вибрати рівним 5мА/см, по осі напруги 0,1В/см. При побудові зворотної гілки масштаби взяти рівними 0,1мА/см та 1,5В/см. Відзначити на характеристиках величини напруги холостого ходу і струмів короткого замикання.
За даними, отриманими у пункті 2.2.2, побудувати залежності
і
, де - Струм через світлодіод. Масштаби по осях, на яких відкладаються значення відповідних величин, вибрати рівними 5мА/см – по осі струмів ; 0,1В/см – по осі
та 0,2мА/см – по осі
.
3.3. Обробка результатів, отриманих під час виконання пункту 2.3.
Побудувати на одному аркуші міліметрівки сімейство вихідних характеристик фототранзистора при різних значеннях струму світлодіода. По осі напруги масштаб вибрати рівним 1В/см, а по осі струмів 2мА/см.
3.4. Опрацювання результатів пункту 2.4 лабораторної роботи.
Побудувати залежність напруги увімкнення фототиристора від струму світлодіода, вибравши масштаб по осі струмів 2мА/см, а по осі напруги 3В/см. Пояснити отримані під час виконання цього пункту результати.
3.5. Опрацювання результатів пункту 2.5.
Побудувати на одному аркуші міліметрівки сімейство вольтамперних характеристик фоторезистора при обох полярностях напруги, що подається, вибравши масштаб по осі струмів 5мА/см, а по осі напруг 3В/см.
Визначити за даними характеристик опір фоторезистора в області нульових значень напруг при різних освітленості, побудувати графік залежності опору фоторезистора від величини струму, що протікає через джерело випромінювання.
n1.doc
Тема 4.1 Основи оптоелектроніки. Класифікація оптоелектронних пристроїв.Оптоелектроніка є важливою самостійною областю функціональної електроніки та мікроелектроніки. Оптоелектронний прилад - це пристрій, в якому при обробці інформації відбувається перетворення електричних сигналів на оптичні і назад.
Істотна особливість оптоелектронних пристроїв у тому, що елементи у яких оптично пов'язані, а електрично ізольовані друг від друга.
Оптоелектроніка охоплює два основні незалежні напрямки - оптичний та електронно-оптичний. Оптичний напрямок ґрунтується на ефектах взаємодії твердого тіла з електромагнітним випромінюванням. Воно спирається на голографію, фотохімію, електрооптику та інші явища. Оптичний напрямок іноді називають лазерним.
Електронно-оптичний напрямок використовує принцип фотоелектричного перетворення, що реалізується у твердому тілі за допомогою внутрішнього фотоефекту, з одного боку, та електролюмінесценцією, з іншого. В основі цього напряму лежить заміна гальванічних та магнітних зв'язків у традиційних електронних ланцюгах оптичними. Це дозволяє підвищити щільність інформації в каналі зв'язку, його швидкодію, схибленість.
Основним елементом оптоелектроніки є оптрон.Розрізняють оптрони із внутрішньої (рис. 9.4, а)та зовнішніми (рис. 9.4, б) фотонними зв'язками. Найпростіший оптрон є чотириполюсником (рис. 9.4, а),що складається з трьох елементів: фотовипромінювача 1 , світловода 2 та приймача світла 3, ув'язнених у герметичному світлонепроникному корпусі. При подачі на вхід електричного сигналу як імпульсу або перепаду вхідного струму збуджується фотовипромінювач. Світловий потік світловодом потрапляє у фотоприймач, на виході якого утворюється електричний імпульс або перепад вихідного струму. Цей тип оптрона є підсилювачем електричних сигналів, у ньому внутрішній зв'язок фотонний, а зовнішні - електричні .
Інший тип оптрона - з електричним внутрішнім зв'язком та фотонними зовнішніми зв'язками (рис. 9.4, б) - є підсилювачем світлових сигналів, а також перетворювачем сигналів однієї частоти сигнали іншої частоти, наприклад сигналів інфрачервоного випромінювання в сигнали видимого спектра. Приймач світла 4 перетворює вхідний світловий сигнал електричний. Останній посилюється підсилювачем 5 і збуджує джерело світла 6.
В даний час розроблено велику кількість оптоелектронних пристроїв раз-
Особистого призначення. У мікроелектроніці, зазвичай, використовуються ті оптоэлектронные функціональні елементи, котрим є можливість інтеграції, і навіть сумісність технології їх виготовлення з технологією виготовлення відповідних інтегральних мікросхем.
Фотовипромінювачі. До джерел світла оптоелектронікою пред'являються такі вимоги, як мініатюрність, мінімальна споживана потужність, висока ефективність і надійність, великий термін служби, технологічність. Вони повинні мати високу швидкодію, допускати можливість виготовлення у вигляді інтегральних пристроїв.
Найбільшого поширення як електролюмінесцентних джерел набули інжекційні світлодіоди,у яких випромінювання світла визначається механізмом міжзонної рекомбінації електронів та дірок. Якщо пропускати досить великий струм інжекції
| Мал. 9.5. До пояснення принципу дії інжекційного світлодіода |
через p- n-Перехід (у прямому напрямку), то частина електронів з валентної зони перейде в зону провідності (рис. 9.5). У верхній частині валентної зони утворюються вільні стани (дірки), а в нижній частині зони провідності - заповнення стану
Нія (електрони провідності). Така інверсна заселеність не є рівноважною і призводить до хаотичного випромінювання фотонів при зворотних переходах електронів. Виникає при цьому в р-n-перехід некогерентне світіння і є електролюмінесценцією. Фотон, що випромінюється при люмінесцентному переході із заповненої частини зони провідності у вільну частину валентної зони, викликає індуковане випромінювання ідентичного фотона, змусивши ще один електрон перейти у валентну зону. Однак фотон такої ж енергії (від ∆ E= E 2 - E 1 до ∆ E=2? E) не може поглинутися, оскільки нижній стан вільний (у ньому немає електронів), а верхній стан вже заповнений. Це означає, що p- n-перехід прозорий для фотонів такий енергії, т. е. відповідної частоти. Навпаки, фотони з більшою енергією ∆ E+2? E, можуть поглинатися, переводячи електрони з валентної зони до зони провідності. У той же час для таких енергій індуковане випромінювання фотонів неможливе, оскільки верхній вихідний стан не заповнений, а нижній стан заповнений. Таким чином, вимушене випромінювання можливе у вузькому діапазоні близько частоти, що відповідає енергії забороненої зони ∆Еіз шириною спектру ? E.
Найкращими матеріалами для світлодіодів є арсенід галію, фосфід галію, фосфід кремнію, карбід кремнію та ін. Світлодіоди мають високу швидкодію (порядку 0,5 мкс), але споживають великий струм (близько 30 А/см 2). Останнім часом розроблені світлодіоди на основі арсеніду галію - алюмінію, потужності яких складають від часток до декількох міліват при прямому струмі в десятки міліампер. світлодіодів не перевищує 1 - 3%.
Перспективними джерелами світла є інжекційні лазери,що дозволяють концентрувати високі енергії у вузькій спектральній ділянці при високих к. п. д. та швидкодії (десятки пікосекунд). Ці лазери можна виготовляти у вигляді матриць на одному базовому кристалі за тією ж технологією, що і інтегральні мікросхеми. Недоліком простих інжекційних лазерів і те, що вони мають прийнятні характеристики лише за використанні охолодження дуже низьких температур. При нормальній температурігалій-арсенідовий лазер має малу середню потужність, низький к. п. д. (близько 1%), невеликі стабільність роботи та термін служби. Подальше удосконалення інжекційного лазера шляхом створення переходу складної структури з використанням гетеропереходів (гетероперехід - межа між шарами з однаковими типами електропровідності, але з різною шириною забороненої зони) дозволило отримати малогабаритне джерело світла, що працює при нормальній температурі з к. п. д. % та прийнятними характеристиками.
Фотоприймачі.Для перетворення світлових сигналів електричні використовують фотодіоди, фототранзистори, фоторезистори, фототиристори та інші прилади.
Фотодіод є зміщеним у зворотному напрямку p- n-перехід, зворотний струм насичення якого визначається кількістю носіїв заряду, що у ньому породжуються дією падаючого світла (рис. 9.6). Параметри фотодіода виражають через значення струму, що протікає його ланцюга. Чутливість фотодіода, яку прийнято називати інтегральною, визначають як відношення фотоструму до світлового потоку, що його викликав. Ф ? . Поріг чутливості фотодіодів оцінюють за відомим значеннямінтегральної (струмової) чутливості та темнового струму I d, Т. е. струму, що протікає в ланцюгу без опроміненості чутливого шару.
Основними матеріалами для фотодіодів є германій та кремній. Кремнієві фотодіоди зазвичай чутливі у вузькій ділянці спектру (від ? = 0,6 – 0,8 мкм до? = 1,1 мкм) з максимумом при? = 0,85 мкм, а германієві фотодіоди мають межі чутливості? = 0,4 – 1,8 мкм з максимумом при? ? 15 мкм. У фотодіодному режимі при напрузі живлення 20 темновий струм кремнієвих фотодіодів зазвичай не перевищує 3 мкА, в той час як у германієвих; фотодіодів при напрузі живлення 10 він досягає 15-20 мкА.
Фототранзистори є приймачами променистої енергії з двома або з великим числом р-п-переходів, що мають властивість посилення фотоструму при опроміненні чутливого шару. Фототранзистор поєднує в собі властивості фотодіода та підсилювальні властивості транзистора (рис. 9.7). Наявність фототранзистора оптичного та електричного входів одночасно дозволяє створити зміщення, необхідне для роботи на лінійній ділянці енергетичної характеристики, а також компенсувати зовнішні впливи. Для виявлення малих сигналів напруга, яка знімається з фототранзистора, повинна бути посилена. У цьому випадку слід збільшити опір виходу змінному струму при мінімальному темновому струмі ланцюга колектора, створюючи позитивне зміщення на базі.
Світловоди.Між джерелом та приймачем світла в оптроні знаходиться світловод. Для зменшення втрат при відображенні від межі розділу світлодіода і провідного середовища (світловоду) остання повинна мати великий коефіцієнт заломлення. Такі середовища називаються імерсійними. Іммерсійний матеріал повинен володіти також гарною адгезією до матеріалів джерела і приймача, забезпечувати достатнє узгодження за коефіцієнтами розширення, бути прозорим у робочій області і т. д. Найбільш перспективними є свинцеві стекла з показником заломлення 1,8-1,9 і селенові стекла з показником заломлення 2, 4-2,6. На рис. 9.8 показано поперечний переріз твердотільного оптрона з імерсійним світловодом.
Як світловоди в оптоелектроніці знаходять застосування тонкі нитки скла або прозорої пластмаси. Цей напрямок отримав назву волоконної оптики. Волокна покривають світлоізолюючими матеріалами і з'єднують у багатожильні світлові кабелі. Вони виконують самі функції стосовно світла, як і металеві дроти стосовно струму. За допомогою волоконної оптики можна: здійснювати поелементну передачу зображення з роздільною здатністю, яка визначається діаметром світловолокна (порядку 1 мкм); проводити просторові трансформації зображення завдяки можливості згинання та скручування волокон світловоду; передавати зображення на значні відстані тощо. буд. На рис. 9.9 показаний світловод у вигляді кабелю із світлопровідних волокон.
Інтегральна оптика.Одним із перспективних напрямків функціональної мікроелектроніки є інтегральна оптика, що забезпечує створення надпродуктивних систем передачі та обробки оптичної інформації. Область досліджень інтегральної оптики включає поширення, перетворення та посилення електромагнітного випромінювання оптичного діапазону в діелектричних тонкоплівкових хвилеводах та волоконних світловодах. Основним елементом інтегральної оптики є об'ємний чи поверхневий оптичний мікрохвильоводи. Найпростіший симетричний об'ємний оптичний мікрохвильовник являє собою локалізовану по одній або двох просторових вимірах область з показником заломлення, що перевищує показник заломлення навколишнього оптичного середовища. Така оптично більш щільна область є щось інше, як канал або шар діелектричного хвилеводу, що несе.
П 
римером несиметричного поверхневого діелектричного хвилеводу може бути тонка плівка оптично прозорого діелектрика або напівпровідника з показником заломлення, що перевищує показник заломлення оптично прозорої підкладки. Ступінь локалізації електромагнітного поля, а також відношення потоків енергії, що переносяться вздовж несучого шару та підкладки, визначаються ефективним поперечним розміром несучого шару та різницею показників заломлення несучого шару та підкладки при заданій частоті випромінювання. Порівняно простим і найбільш підходящим для оптичних твердотільних пристроїв є оптичний смужковий мікрохвильоводи, виконаний у вигляді тонкої діелектричної плівки (рис. 9.10), нанесеної на підкладку методами мікроелектроніки (наприклад, вакуумним напиленням). За допомогою маски на діелектричну підкладку можна з високим ступенем точності наносити цілі оптичні схеми. Застосування електронно-променевої літографії забезпечило успіхи у створенні як одиночних оптичних смужкових хвилеводів, так і оптично пов'язаних на певній довжині, а згодом розбіжних хвилеводів, що істотно для створення спрямованих відгалужувачів та частотно-виборчих фільтрів у системах інтегральної оптики.
Оптоелектронні мікросхеми.на
Основу оптоелектроніки розроблено велику кількість мікросхем. Розглянемо деякі оптоелектронні мікросхеми, які випускаються вітчизняною промисловістю. У мікроелектроніці найширше застосовують оптоелектронні мікросхеми гальванічної розв'язки. До них відносять швидкодіючі перемикачі, комутатори аналогових сигналів, ключі та аналогові оптоелектронні пристрої, призначені для використання у системах функціональної обробки аналогових сигналів.
Основним елементом будь-якої оптоелектронної мікросхеми є оптронна пара (рис. 9.11, а,б), що складається з джерела світла 1 , керованого вхідним сигналом, імерсійного середовища 2, оптично пов'язаної з джерелом світла і фотоприймача 3. Параметрами оптронної пари є опір розв'язки по постійному струму, коефіцієнт передачі струму (відношення фотоструму приймача до струму випромінювача), час перемикання та прохідна ємність.
За підсумками оптоэлектронных пар створюються оптоэлектронные мікросхеми різного призначення.
Мал. 9.11. Схема та технологічне виконання оптронної пари:
1 – джерело світла; 2 – іммперсійне середовище; 3 – фотоприймач.
Тема 4.2 ЕЛЕМЕНТИ ОПТОЕЛЕТРОННИХ ПРИСТРІЙ
1. Оптоелектронний перемикачпредставляє гібридну мікросхему, що містить оптоелектронну пару та підсилювач. У перемикачі використовуються високоефективні світлодіоди на основі apceніду галію, легованого кремнієм, та швидкодіючі кремнієві. p-
i-
n-Фотодиоди. Іммерсійним середовищем є халькогенідне скло з показником заломлення 2,7. Коефіцієнт передачі струму в оптоелектронній парі становить 3-5 при нормальній температурі, часи включення (сума часів затримка та наростання фронту) 100-250 пс, гальванічна розв'язка ланцюга світлодіода та фотоприймача постійного струму 10 9 Ом. Мікросхема виконана у круглому металлостеклянном корпусі типу ТО-5.
2. Оптоелектронний ключпризначений для комутації високовольтних ланцюгів змінного та постійного струмів. Він має чотири незалежні канали, кожен з яких містить дві оптоелектронні пари, що складаються з світлодіода та високовольтного. p- i- n- фотодіод. Фотодіоди з'єднані зустрічно-послідовно, тому опір ключа в замкненому стані (без струму через світлодіоди) незалежно від полярності прикладеної напруги визначається темновим опором зміщеного у зворотному напрямку p- i- n-Фотодиоди; значення його становить приблизно 109 Ом.
3. Транзисторний ключпризначений для комутації постійних напруг до 50 В. Прилад має два незалежні канали, кожен з яких містить оптоелектронну пару, що складається з арсенідгаллієвого світлодіода і кремнієвого. n- p- i- n-Фототранзистора. Оптоелектронна пара має коефіцієнт передачі струму 2 номінальний робочий струм 10 мА, швидкодія в режимі посилення 100-300 нс.
4.Комутатор аналогових сигналівпризначений для застосування у системах селективної обробки аналогових сигналів. Електрична схема одного каналу комутатора наведено на рис. 9.12. Канал містить оптоелектронну пару, що складається з арсенідгаллієвого світлодіода та двох зустрічно включених n- i- n-Фотодиодів, виконаних в одному монокристалі.
На рис. 9.13 показано електричні схеми деяких інших типів оптоелектронних мікросхем. Ключова мікросхема (рис. 9.13, а) включає швидкодіючий діодну оптоелектронну пару, узгоджену з монолітним кремнієвим підсилювачем. Вона призначена для заміни трансформаторних та релейних зв'язків у логічних пристроях ЕОМ та дискретної автоматики. Аналоговий ключ (рис. 9.13, б) відноситься до
Лінійним схемам з оптоелектронним керуванням. При потужності сигналу керування 60-80 мВт параметри переривника досягають значень, необхідних для стандартних напівпровідникових мікросхем. Оптоелектронні малопотужні реле постійного струму (рис. 9.13, в)призначені для заміни аналогових
електромеханічних реле із швидкодією в мілісекундному діапазоні та гарантованим числом спрацьовувань 10 4 -10 7 .
Цікаві оптоелектронні мікросхеми серії 249, до якої входять чотири групи приладів, що являють собою електронні ключі на основі електролюмінесцентних діодів і транзисторів. Електрична схема всіх груп
Прилади однакові (рис. 9.14). Конструктивно мікросхеми оформлені у прямокутному плоскому корпусі інтегральних мікросхем з 14 висновками та мають два ізольовані канали, що зменшує габарити та масу апаратури, а також розширює функціональні можливості мікросхем. Світлодіоди виконані на основі кремнію та мають п + - p- n i - n + - структуру. Наявність двох каналів у ключі дозволяє використовувати його як інтегральний переривник аналогових сигналів і отримувати високий коефіцієнт передачі сигналу (10-100) при включенні фототранзисторів за схемою складеного транзистора.
Оптоелектронні прилади
Робота оптоелектронних приладів ґрунтується на електронно-фотонних процесах отримання, передачі та зберігання інформації.
Найпростішим оптоелектронним приладом є оптоелектронна пара або оптрон. Принцип дії оптрона, що складається з джерела випромінювання, імерсійного середовища (світловоду) і фотоприймача, заснований на перетворенні електричного сигналу на оптичний, а потім знову на електричний.
Оптрони як функціональні прилади мають наступними перевагамиперед звичайними радіоелементами:
Повна гальванічна розв'язка «вхід – вихід» (опір ізоляції перевищує 10 12 – 10 14 Ом);
Абсолютною перешкодозахищеністю в каналі передачі інформації (носіями інформації є електрично нейтральні частки - фотони);
Односпрямованість потоку інформації, яка пов'язана з особливостями поширення світла;
Широкополосність через високу частоту оптичних коливань,
Достатньою швидкодією (одиниці наносекунд);
Високим пробивним напругою (десятки кіловольт);
Малий рівень шумів;
Гарною механічною міцністю.
За функціями, що виконуються, оптрон можна порівнювати з трансформатором (елементом зв'язку) при реле (ключом).
В оптронних приладах застосовують напівпровідникові джерела випромінювання – світловипромінюючі діоди, що виготовляються з матеріалів сполук групи А III B V , серед яких найбільш перспективними є фосфід і арсенід галію. Спектр їхнього випромінювання лежить в області видимого та ближнього інфрачервоного випромінювання (0,5 – 0,98 мкм). Світловипромінюючі діоди на основі фосфіду галію мають червоний і зелений колірсвітіння. Перспективні світлодіоди з карбіду кремнію, що мають жовтий колір свічення і працюють при підвищених температурах, вологості та в агресивних середовищах.
Світлодіоди, що випромінюють світло у видимому діапазоні спектру, використовують у електронний годинникта мікрокалькуляторах.
Світловипромінюючі діоди характеризуються спектральним складом випромінювання, який є досить широким, діаграмою спрямованості; квантовою ефективністю, яка визначається ставленням числа квантів світла, що випускаються, до кількості минулих через p-n-перехід електронів; потужністю (при невидимому випромінюванні) та яскравістю (при видимому випромінюванні); вольт-амперними, люмен-амперними та ват-амперними характеристиками; швидкодією (наростанням та спадом електролюмінесценції при імпульсному збудженні), робочим діапазоном температур. При підвищенні робочої температури яскравість світлодіода падає та знижується потужність випромінювання.
Основні характеристики світловипромінюючих діодів видимого діапазону наведено у табл. 32 а інфрачервоного діапазону - в табл. 33.
Таблиця 32 Основні характеристики світловипромінювальних діодів видимого діапазону
Таблиця 33 Основні характеристики світловипромінювальних діодів інфрачервоного діапазону
| Тип діода | Повна потужність випромінювання, мВт | Постійна пряма напруга, | Довжина хвилі випромінювання, мкм | Час наростання імпульсу випромінювання, нс | Час спаду імпульсу випромінювання, нс | Маса, г |
| АЛ103 А, Б АЛ106 А - Д | 0,6 - 1 (при струмі 50 мА) 0,2 - 1,5 (при струмі 100 мА) 6 – 10 (при струмі 100 мА) 1,5 (при струмі 100 мА) 0,2 (при струмі 20 мА) 10 (при струмі 50 м А) | 1,6 | 0,95 | 200 – 300 | 500 | 0,1 |
Світловипромінюючі діоди в оптоелектронних приладах з'єднуються з фотоприймачами імерсійним середовищем, основною вимогою до якої є передача сигналу з мінімальними втратами та спотвореннями. В оптоелектронних приладах використовують тверді імерсійні середовища – полімерні органічні сполуки(оптичні клеї та лаки), халькогенідні середовища та волоконні світловоди. Залежно від довжини оптичного каналу між випромінювачем та фотоприймачем оптоелектронні прилади можна поділити на оптопари (довжина каналу 100 – 300 мкм), оптоізолятори (до 1 м) та волоконно-оптичні лінії зв'язку – ВОЛЗ (до десятків кілометрів).
До фотоприймачів, що використовуються в оптронних приладах, висувають вимоги щодо узгодження спектральних характеристик з випромінювачем, мінімуму втрат при перетворенні світлового сигналу в електричний, фоточутливості, швидкодії, розмірів фоточутливого майданчика, надійності та рівню шумів.
Для оптронів найбільш перспективні фотоприймачі з внутрішнім фотоефектом, коли взаємодія фотонів з електронами всередині певних матеріалів фізичними властивостямипризводить до переходів електронів в обсязі кристалічних ґрат цих матеріалів.
Внутрішній фотоефект проявляється подвійно: у зміні опору фотоприймача під впливом світла (фоторезистори) чи появі фото-эдс межі розділу двох матеріалів – напівпровідник-напівпровідник, метал-напівпровідник (вентильні фотоелементи, фотодіоди, фототранзистори).
Фотоприймачі з внутрішнім фотоефектом поділяють на фотодіоди (з p-n-переходом, МДП-структурою, бар'єром Шоттки), фоторезистори, фотоприймачі з внутрішнім посиленням (фототранзистори, складові фототранзистори, фототиристори, польові фототранзистори).
Фотодіоди виконують на основі кремнію та германію. Максимальна спектральна чутливість кремнію 0,8 мкм, а Німеччина – до 1,8 мкм. Вони працюють при зворотному зміщенні на p-n-переході, що дозволяє підвищити їхню швидкодію, стабільність і лінійність характеристик.
Найчастіше як фотоприймачі оптоелектронних приладів різної складності застосовують фотодіоди p- i-n-структури, де i- Збіднена область високого електричного поля. Змінюючи товщину цієї області, можна отримати хороші характеристики швидкодії та чутливості за рахунок малої ємності та часу прольоту носіїв.
Підвищену чутливість і швидкодію мають лавинні фотодіоди, що використовують посилення фотоструму при множенні носіїв заряду. Однак у цих фотодіодів недостатньо стабільні параметри в діапазоні температур і потрібні джерела живлення високої напруги. Перспективні для використання у певних діапазонах довжин хвиль фотодіоди з бар'єром Шоттки та з МДП-структурою.
Фоторезистори виготовляють в основному з полікристалічних напівпровідникових плівок на основі з'єднання (кадмію з сіркою та селеном). Максимальна спектральна чутливість фоторезисторів 05 - 07 мкм. Фоторезистори, як правило, застосовують при малій освітленості; за чутливістю вони можна порівняти з фотоелектронними помножувачами – приладами із зовнішнім фотоефектом, але потребують низьковольтного живлення. Недоліками фоторезисторів є низька швидкодія та високий рівень шумів.
Найбільш поширеними фотоприймачами з внутрішнім посиленням є фототранзистори та фототиристори. Фототранзистори чутливіші за фотодіоди, але менш швидкодіючі. Для більшого підвищення чутливості фотоприймача застосовують складовий фототранзистор, що представляє поєднання фото-і підсилювального транзисторів, проте він має невисоку швидкодію.
В оптронах як фотоприймач можна використовувати фототиристор (напівпровідниковий прилад з трьома) p- n-переходами, що перемикається при освітленні), який володіє високими чутливістюта рівнем вихідного сигналу, але недостатньою швидкодією.
Різноманітність типів оптронів визначається переважно властивостями і характеристиками фотоприймачів. Одне з основних застосувань оптронів – ефективна гальванічна розв'язка передавачів та приймачів цифрових та аналогових сигналів. У цьому випадку оптрон можна використовувати як перетворювач або комутатор сигналів. Оптрон характеризується допустимим вхідним сигналом (струмом управління), коефіцієнтом передачі струму, швидкодією (часом перемикання) та здатністю навантаження.
Про 
ставлення коефіцієнта передачі струму до часу перемикання називається добротністю оптрона і становить 105 - 106 для фотодіодних і фототранзисторних оптронів. Широко використовують оптрони на основі фототиристорів. Оптрони на фоторезисторах не набули широкого поширення через низьку тимчасову та температурну стабільність. Схеми деяких оптронів наведено на рис. 130, а – р.
У 
Як когерентні джерела випромінювання застосовують лазери, що володіють високою стабільністю, хорошими енергетичними характеристиками та ефективністю. В оптоелектроніці для конструювання компактних пристроїв використовують напівпровідникові лазери – лазерні діоди, які застосовуються, наприклад, у волоконно-оптичних лініях зв'язку замість традиційних ліній передачі інформації – кабельних та провідних. Вони володіють високою пропускною здатністю (смуга пропускання одиниці гігагерц), стійкістю до впливу електромагнітних перешкод, малою масою та габаритами, повною електричною ізоляцією від входу до виходу, вибухо- та пожежобезпечністю. Особливістю ВОЛЗ є використання спеціального волоконно-оптичного кабелю, структура якого представлена на рис. 131. Промислові зразки таких кабелів мають загасання 1 – 3 дБ/км та нижче. Волоконно-оптичні лінії зв'язку використовують для побудови телефонних і обчислювальних мереж, систем кабельного телебачення з високою якістю зображення, що передається. Ці лінії допускають одночасну передачу десятків тисяч телефонних розмов та кількох програм телебачення.
Останнім часом інтенсивно розробляються і набувають поширення оптичні інтегральні схеми (ОІВ), всі елементи яких формуються осадженням на підкладку необхідних матеріалів.
Перспективними в оптоелектроніці є прилади на основі рідких кристалів, що широко використовуються як індикатори в електронному годиннику. Рідкі кристали є органічною речовиною (рідина) з властивостями кристала і знаходяться в перехідному стані між кристалічною фазою і рідиною.
Індикатори на рідких кристалах мають високу роздільну здатність, порівняно дешеві, споживають малу потужність і працюють при більших рівнях освітленості.
Рідкі кристали з властивостями, схожими з монокристалами (нематики, що найчастіше використовують у світлових індикаторах і пристроях оптичної пам'яті. Розроблені та широко застосовуються рідкі кристали, що змінюють колір при нагріванні (холестерики). Інші типи рідких кристалів (смектики) використовують для термооптичного запису інформації.
Оптоелектронні прилади, розроблені порівняно недавно, набули широкого поширення в різних галузях науки і техніки завдяки своїм унікальним властивостям. Багато з них не мають аналогів у вакуумній та напівпровідниковій техніці. Однак існує ще багато невирішених проблем, пов'язаних з розробкою нових матеріалів, покращенням електричних та експлуатаційних характеристик цих приладів та розвитком технологічних методів їх виготовлення.
Розділ 5. Пристрої на приладах із зарядним зв'язком (ПЗЗ).
Міністерство освіти Республіки Білорусь
Заклад освіти
“Білоруський державний університет
інформатики та радіоелектроніки”
кафедра ЕВС
"Основи оптоелектроніки. Класифікація оптоелектронних пристроїв"
МІНСЬК, 2008
Оптоелектроніка є важливою самостійною областю функціональної електроніки та мікроелектроніки. Оптоелектронний прилад - це пристрій, в якому при обробці інформації відбувається перетворення електричних сигналів на оптичні і назад.
Істотна особливість оптоелектронних пристроїв у тому, що елементи у яких оптично пов'язані, а електрично ізольовані друг від друга.
Завдяки цьому легко забезпечується узгодження високовольтних та низьковольтних, а також високочастотних та низькочастотних ланцюгів. Крім того, оптоелектронним пристроям притаманні й інші переваги: можливість просторової модуляції світлових пучків, що у поєднанні із змінами у часі дає три ступені свободи (у суто електронних ланцюгах два); можливість значного розгалуження та перетину світлових пучків без гальванічного зв'язку між каналами; велике функціональне навантаження світлових пучків через можливість зміни багатьох параметрів (амплітуди, напрями, частоти, фази, поляризації).
Оптоелектроніка охоплює два основні незалежні напрямки - оптичний та електронно-оптичний. Оптичний напрямок ґрунтується на ефектах взаємодії твердого тіла з електромагнітним випромінюванням. Воно спирається на голографію, фотохімію, електрооптику та інші явища. Оптичний напрямок іноді називають лазерним.
Електронно-оптичний напрямок використовує принцип фотоелектричного перетворення, що реалізується у твердому тілі за допомогою внутрішнього фотоефекту, з одного боку, та електролюмінесценцією, з іншого. В основі цього напряму лежить заміна гальванічних та магнітних зв'язків у традиційних електронних ланцюгах оптичними. Це дозволяє підвищити щільність інформації в каналі зв'язку, його швидкодію, схибленість.
Рис.1. Оптрон із внутрішнім (а) та зовнішніми (б) фотонними зв'язками: 1, 6 – джерела світла; 2 – світловод; 3, 4 – приймачі світла; 5 – підсилювач.
Основним елементом оптоелектроніки є оптрон. Розрізняють оптрони із внутрішньою (рис.1, а) та зовнішніми (рис.1, б) фотонними зв'язками. Найпростіший оптрон є чотириполюсником (рис.1, а), що складається з трьох елементів: фотовипромінювача 1, світловода 2 і приймача світла 3, укладених у герметичному світлонепроникному корпусі. При подачі на вхід електричного сигналу як імпульсу або перепаду вхідного струму збуджується фотовипромінювач. Світловий потік світловодом потрапляє у фотоприймач, на виході якого утворюється електричний імпульс або перепад вихідного струму. Цей тип оптрона є підсилювачем електричних сигналів, у ньому внутрішній зв'язок фотонний, а зовнішні - електричні.
Інший тип оптрона - з електричним внутрішнім зв'язком і фотонними зовнішніми зв'язками (рис.1, б) - є підсилювачем світлових сигналів, а також перетворювачем сигналів однієї частоти сигнали іншої частоти, наприклад сигналів інфрачервоного випромінювання сигнали видимого спектра. Приймач світла 4 перетворює вхідний світловий сигнал електричний. Останній посилюється підсилювачем 5 та збуджує джерело світла 6.
В даний час розроблено велику кількість оптоелектронних пристроїв різного призначення. У мікроелектроніці, зазвичай, використовуються ті оптоэлектронные функціональні елементи, котрим є можливість інтеграції, і навіть сумісність технології їх виготовлення з технологією виготовлення відповідних інтегральних мікросхем.
Фотовипромінювачі. До джерел світла оптоелектронікою пред'являються такі вимоги, як мініатюрність, мінімальна споживана потужність, висока ефективність і надійність, великий термін служби, технологічність. Вони повинні мати високу швидкодію, допускати можливість виготовлення у вигляді інтегральних пристроїв.
Найбільш широке поширення як електролюмінесцентні джерела отримали інжекційні світлодіоди, в яких випромінювання світла визначається механізмом міжзонної рекомбінації електронів і дірок. Якщо пропускати досить великий струм інжекції через p-n-перехід (у прямому напрямку), частина електронів з валентної зони перейде в зону провідності (рис.2). У верхній частині валентної зони утворюються вільні стани (дірки), а в нижній частині зони провідності – заповнення стану (електрони провідності).
Така інверсна заселеність не є рівноважною і призводить до хаотичного випромінювання фотонів при зворотних переходах електронів. Некогерентне світіння, що виникає при цьому в р-n-переході, і є електролюмінесценцією.
Рис.2. До пояснень принципу дії інжекційного світлодіода.
Фотон, що випромінюється при люмінесцентному переході із заповненої частини зони провідності у вільну частину валентної зони, викликає індуковане випромінювання ідентичного фотона, змусивши ще один електрон перейти у валентну зону. Однак фотон такої ж енергії (від ∆E=E2-E1 до ∆E=2δE) не може поглинутись, оскільки нижній стан вільний (у ньому немає електронів), а верхній стан вже заповнений. Це означає, що p-n-перехід прозорий фотонів такий енергії, тобто. для відповідної частоти. Навпаки, фотони з енергією, більшою ∆E+2δE, можуть поглинатися, переводячи електрони з валентної зони до зони провідності. У той же час для таких енергій індуковане випромінювання фотонів неможливе, оскільки верхній вихідний стан не заповнений, а нижній стан заповнений. Таким чином, вимушене випромінювання можливе у вузькому діапазоні близько частоти, що відповідає енергії забороненої зони ∆Е з шириною спектра δE.
Найкращими матеріалами для світлодіодів є арсенід галію, фосфід галію, фосфід кремнію, карбід кремнію та ін. Світлодіоди мають високу швидкодію (порядку 0,5 мкс), але споживають великий струм (близько 30 А/см2). Останнім часом розроблені світлодіоди на основі арсеніду галію - алюмінію, потужності яких складають від часток до декількох міліватів при прямому струмі в десятки міліампер. п. д. світлодіодів вбирається у 1 - 3%.
Перспективними джерелами світла є інжекційні лазери, що дозволяють концентрувати високі енергії у вузькій спектральній ділянці при високих к. п. д. та швидкодії (десятки пікосекунд). Ці лазери можна виготовляти у вигляді матриць на одному базовому кристалі за тією ж технологією, що і інтегральні мікросхеми. Недоліком простих інжекційних лазерів і те, що вони мають прийнятні характеристики лише за використанні охолодження дуже низьких температур. При нормальній температурі галій-арсенідовий лазер має малу середню потужність, низький к. п. д. (близько 1%), невеликі стабільність роботи та термін служби. Подальше удосконалення інжекційного лазера шляхом створення переходу складної структури з використанням гетеропереходів (гетероперехід - межа між шарами з однаковими типами електропровідності, але з різною шириною забороненої зони) дозволило отримати малогабаритне джерело світла, що працює за нормальної температури з к. п. д10. % та прийнятними характеристиками.
Фотоприймачі. Для перетворення світлових сигналів електричні використовують фотодіоди, фототранзистори, фоторезистори, фототиристори та інші прилади.
Фотодіод є зміщений у зворотному напрямку p-n-перехід, зворотний струм насичення якого визначається кількістю носіїв заряду, що у ньому породжуються дією падаючого світла (рис.3). Параметри фотодіода виражають через значення струму, що протікає його ланцюга. Чутливість фотодіода, яку прийнято називати інтегральною, визначають як відношення фотоструму до світлового потоку Фυ, що викликав його. Поріг чутливості фотодіодів оцінюють за відомими значеннями інтегральної (струмової) чутливості та темнового струму Id, тобто. струму, що протікає в ланцюзі без опроміненості чутливого шару.
Основними матеріалами для фотодіодів є германій та кремній. Кремнієві фотодіоди зазвичай чутливі у вузькій ділянці спектру (від λ = 0,6 – 0,8 мкм до λ = 1,1 мкм) з максимумом при λ = 0,85 мкм, а германієві фотодіоди мають межі чутливості λ = 0,4 - 1,8 мкм з максимумом при λ ≈ 1,5 мкм. У фотодіодному режимі при напрузі живлення 20 темновий струм кремнієвих фотодіодів зазвичай не перевищує 3 мкА, в той час як у германієвих; фотодіодів при напрузі живлення 10 він досягає 15-20 мкА.
Рис.3. Схема та вольт-амперні характеристики фотодіода.
Рис.4. Схема та вольт-амперні характеристики фототранзистора.
Сторінка 5 з 14
Оптронами називають такі оптоелектронні прилади, в яких є джерело та приймач світлового випромінювання (світловипромінювач і фотоприймач) з тим чи іншим видом оптичного та електричного зв'язку між ними та які конструктивно пов'язані один з одним.
Принцип дії оптронів будь-якого виду заснований на тому, що у випромінювачі енергія електричного сигналу перетворюється на світлову; у фотоприймачі, навпаки, світловий сигнал викликає електричний струм. Електричний сигнал на випромінювач зазвичай подається від зовнішнього джерела. Світловий сигнал на фотоприймач надходить ланцюгом оптичного зв'язку від випромінювача.
Процеси перетворення енергії в оптроні засновані на квантовій природі світла, який є електромагнітним випромінюванням у вигляді потоку частинок - квантів.
Світловипромінювачі. Для застосування в оптронах придатні кілька різновидів випромінювачів: мініатюрні лампочки розжарювання, в яких використовується теплове випромінювання нагрітої електричним струмом до 1800-2000 ° нитки; неонові лампочки, в яких використовується свічення електричного розряду газової суміші неон-аргон, та ін [див. 1, § 1.1].
Зазначені види випромінювачів мають невисоку світловіддачу, обмежену довговічність, великі габарити, малу спрямованість випромінювання та складні в управлінні. Основним видом випромінювача, що використовується в оптронах, є напівпровідниковий інжекційний світловипромінюючий діод - світлодіод. Розглянемо процес перетворення енергії у такому оптроні (рис. 11,а).
На межі розділу р- та областей напівпровідникової структури, як було показано вище, виникає p-n-перехід, в якому зосереджено об'ємний заряд з дірок та електронів. При додатку до структури прямої напруги 1/іп в активній області кристала деяких видів напівпровідників (наприклад, арсеніду галію і сполук на його основі) створюється надмірна концентрація вільних носіїв зарядів, інжектованих р-лпереходом, зміщеним у прямому напрямку. Потік електронів, що виникає при цьому, проходить через область об'ємного заряду Е, створюючи електронний струм /п. Частина електронів рекомбінується в активній і непрозорій областях кристала з дірками. Кожен акт рекомбінації основних носіїв заряду супроводжується випромінюванням кванта світла, тобто. має місце випромінювальна рекомбінація.
Одночасно виникає діркова складова струму /р, обумовлена інжекцією дірок в л-область і відбиває той факт, що p-n-первходів з односторонньою інжекцією не буває. Частка цього струму тим менше, що сильніше легована /т-область проти р-областью структури кристала .
Частина випромінювання, що виникає, поглинається в оптично "прозорій" області А кристала (промені 1 на рис. 11,6), крім того, має місце: внутрішнє відображення (промені 2) при падінні променів світла на межу розділу серед напівпровідник - повітря, що мають різну оптичну щільність, що призводить зрештою до їх втрати через самопоглинання.
Мал. 11. Електрична (а) та оптична (6) моделі світлодіода
Генерація квантів в активній області напівпровідника є спонтанною і характеризується тим, що промені світла спрямовані рівноймовірно на всі боки. Промені 3, що поширюються у бік сильно легованої області напівпровідника, швидко поглинаються. Активна область має хвилеводний ефект, і промені 4 внаслідок багаторазових відображень фокусуються вздовж цієї області, тому інтенсивність торцевого випромінювання значно вище, ніж в інших напрямках виходу світла з кристала.
Основними матеріалами, з яких виготовляються випромінювачі, є арсенід галію та з'єднання на його основі, а матеріалом для фотоприймачів служить кремній. Обидва види матеріалів мають практично однакову оптичну густину (показник заломлення). Ця обставина забезпечує повне оптичне узгодження генераторного та приймального блоків оптрона.
Фотоприймачі. Принцип дії використовуваних оптронах фотоприймачів заснований на внутрішньому фотоефекті, що полягає у відриві електронів від атомів всередині кристалічного тіла під дією електромагнітного (оптичного) випромінювання. Утворення вільних електронів призводить до зміни електричних властивостей опромінюваного тіла, а фотоелектричні явища, що при цьому виникають, використовуються на практиці. Експериментально встановлено, що найбільш значні фотоелектричні явища мають місце у напівпровідниках, в основному безпримісних. Таким чином, у фотоприймачі відбувається перетворення квантів світла на енергію рухливих електричних зарядів, під дією яких на р-п-переході виникає фото-ЕРС.
При розробці оптопар фотоприймач є визначальним елементом оптрона, а випромінювач вибирається "під фотоприймач". Рівень оптронної техніки найбільше характеризується діодними оптронами, промислові типи яких відрізняються простотою пристрою, великою різноманітністю, широтою функціональних можливостей, гарним поєднанням електричних параметрів.
Конструкція силових напівпровідникових пристроїв. Основою конструкції будь-якого напівпровідникового приладу є напівпровідникова структура, що визначає його електричні параметри та характеристики. Структуру з елементами, що забезпечують необхідну механічну міцність, надійний електричний та тепловий контакти з корпусом приладу називають вентильним елементом конструкції. Вентильний елемент повинен мати надійний захиствід впливу навколишнього середовища, тому він поміщається в корпус, що забезпечує герметизацію та механічну міцність усієї конструкції.
На вигляд конструкції корпусу всі силові напівпровідникові вентилі можна розділити на штирьові, з плоскою основою (фланцеві) і таблеткові.
На рис. 12 показана конструкція штиревого тиристора, основа якого 2 виготовляється з міді спільно з нарізним болтом 1 для забезпечення електричного і теплового контакту з охолоджувачем. Тиристори з плоскою основою корпусу (рис. 12,в) мають мідний фланець 1 для кріплення приладу болтами до охолоджувача. Кришки корпусів в обох типах тиристорів виконуються в металоскляному або металокерамічному виконанні. Верхній силовий висновок 3 може бути виконаний у вигляді металевого (мідного) плетеного джгута (гнучкий висновок) або порожнистого мідного стрижня, заповненого свинцем (жорсткий висновок, рис. 12,6). 
Мал. 12. Конструкції потужних тиристорів:
а - штирьовий тиристор з гнучким і б - без гнучкого виведення; в - фланцевий тиристор з гнучким виводом
Тиристори таблеткової конструкції (рис. 13,е) виконуються у вигляді таблетки 1 у гофрованому керамічному корпусі, що забезпечує захист вентильного елемента від забруднень та механічних пошкоджень. Таблетка поміщається між верхнім 2 і нижнім 6 металевими основами приладу, які стикаються з охолоджувачами, створюючи електричний та тепловий контакти. Керуючий електрод 4 тиристора виведено на бічну поверхню корпусу. Підключення приладу до електричного ланцюга здійснюється за допомогою струмопровідних пластин 3 та 5.
Штирова та фланцева конструкції застосовуються для силових вентилів на струм до 320 А, таблеткова - на струм 250А та більше. Прилади з плоскою основою корпусу стійкіші до впливу циклічної зміни температури. У розробках тиристорів останніх роківтака конструкція застосовується найчастіше.
На рис. 13,6 як приклад показана конструкція нового силового кремнієвого транзистора серії ТК. Такі прилади мають масивний корпус штирьової конструкції з нарізним болтом на підставі для з'єднання з радіатором та жорсткі висновки бази та емітера.
Загальна характеристиканапівпровідникових пристроїв. Вітчизняна промисловість випускає в широкому асортименті силові напівпровідникові прилади, застосування яких дозволяє створювати економічні, малогабаритні та володіють високою надійністю різноманітні перетворювачі електричної енергії. Для зручності вибору напівпровідникових приладів у процесі проектування установок та заміни вентилів, що вийшли з ладу під час їх експлуатації, застосовується буквенно-цифрова система умовних позначень на силові діоди, тиристори, транзистори та оптрони (ГОСТ 15543-70*).
Мал. 13. Таблеточна конструкція тиристора Т500 без охолоджувача (а) та габаритно-установлювальні розміри силового транзистора (б)
Для керування фототиристором у його корпусі передбачено спеціальне вікно для пропускання світлового потоку. В оптронних тиристорах як випромінювач використовується напівпровідниковий світловипромінюючий діод - світлодіод, на який подається сигнал, що управляє. Істотною перевагою фото- та оптронних тиристорів перед тиристорами, керованими електричним сигналом, є відсутність гальванічного зв'язку між силовим ланцюгом приладу та системою їх управління.
