Область применения оптоэлектронных устройств сообщение

Обновлено: 05.07.2024

Оптоэлектронные приборы (ОЭП) это средства измерения с принципиально новым видом отсчетного устройства, основанного на использовании различных оптоэлектронных эффектов и обеспечивающего аналоговое восприятие результата измерения человеком.

Принцип действия ОЭП состоит в непосредственном или опосредованном воздействии измеряемой величины на размещенное вдоль шкалы или совмещенное с ней специальное индикаторное вещество, в котором возникает определенный физико-химический эффект, позволяющий по изменению электрооптических, магнитооптических, электротеплооптических, электрохимикооптических или электромеханикоптических характеристик судить о значении измеряемой величины. Снятие показаний производят по визуальному проявлению эффекта. Чаще всего используют изменение оптических свойств вещества (цвет, яркость, прозрачность). О значении измеряемой величины судят и по изменению геометрического положения оптического параметра, например, но перемещению светового столба. Современные ОЭП строятся в основном на электрооптических эффектах со светоизлучением электра и катодолюминесценция, а также газовый разряд. Перспективны эффекты без светоизлучения, в которых под действием электрического поля изменяется оптическое состояние вещества (коэффициенты поглощения, отражения, рассеяния, преломления или спектральный состав света). Наиболее интересные в этой группе эффектов это эффекты в жидких кристаллах. В настоящее время налажен промышленный выпуск материалов и элементов на этих эффектах (светодиодов, порошковых люминофоров, хемотронных ячеек и т.д.) с электрофизическими параметрами, позволяющими создавать на их основе ОЭП с достаточно высокими метрологическими характеристиками.

На рис. 2.41. показана упрощенная структурная схема, поясняющая принципы работы оптоэлектронного прибора с отсчетным устройством ОУ, состоящим из шкалы Ш, проградуированной в единицах измеряемой величины X, и оптоэлектрического указателя У.

Рис. 2.41. Упрощенная структурная схема ОЭП

При подаче измеряемой величины X на вход измерительного преобразователя П с чувствительностью а_Y¢, в последнем формируется электрический сигнал Y = a_Y¢X, обеспечивающий надежное функционирование воздействующего устройства ВЗУ. В качестве П используют нормирующие усилители, преобразователи импеданса, емкости, функциональные преобразователи и т. п. ВЗУ вырабатывают сигнал управления Z того вида, который необходим для возбуждения в индикаторном веществе ИВ визуального оптоэлектронного эффекта. Чаще всего Z обеспечивает создание электрического, магнитного и теплового полей.

В общем случае зависимость Z от Y нелинейная и может быть представлена следующим образом: Z = a_Z¢Y m , где m – коэффициент, определяемый видом оптоэлектронного эффекта (для большинства электрооптических эффектов m = 1); а_z¢ –чувствительность ВЗУ.

Из рис.2.41. с учетом отмеченных преобразований получаем

, (2.61)

где а_Y = 1/а_Y¢, a_z = a_z¢ – коэффициенты преобразования.

Оптический параметр ИВ является указателем У, по положению которого относительно шкалы Ш определяют показание Х_П, соответствующее значению измеряемой величины X.

В зависимости от способа перемещения и принципа формирования указателя различают оптоэлектронные приборы с аналоговыми и дискретно-аналоговыми отсчетными устройствами. На рис. 2.42. представлены различные типы и формы отсчета у современных ОЭП.

б)

а)

д)

г)

в)

Рис. 2.42. Типы отсчетных устройств ОЭП

Аналоговое ОУ (рис. 2.42,а) имеет указатель в виде непрерывного возбужденного (светящегося, затемненного и т. п.) столбца, длина которого 1 определяет значение измеряемой величины X. Для дискретно-аналогового ОУ характерно наличие указателя, состоящего из набора отдельных индикаторных элементов К (индексов отсчета ИО) в виде штрихов, полосок, точек, расположенных вдоль всей прямолинейной шкалы прибора, причем о значении измеряемой величины судят по положению относительно шкалы одного возбужденного ИО (рис. 2.42,б) или по количеству ИО (рис. 2.42,в), расположенных левее отметки шкалы, соответствующей значению измеряемой величины. Аналоговое восприятие показаний при этом способе отсчета обеспечивается конструкцией оптоэлектронного отсчетного устройства и электрической схемой управления индексами отсчета. Чисто аналоговое шкальное устройство чаще всего представляет собой два сплошных проводящих электрода, между которыми помещают индикаторное вещество. У дискретно-аналогового ОУ один электрод выполняют сплошным, а другой – из множества дискретных проводящих элементов, расположенных вдоль шкалы в соответствии с ее делениями. В ОЭП повышенной точности применяют поразрядный отсчет измеряемой величины. В этом случае ОУ содержит несколько параллельных шкал, расположенных друг под другом, например Ш1 для отсчета десятков, а второй Ш2 – для отсчета единиц (Рис. 2.42, г).

Модификация этого способа отсчета, использующая только одну шкалу, но с двумя различными по форме или цвету отсчетными индексами, приведена на рис. 2.42, д, где верхний индекс У(10) фиксирует десятки, а нижний У(1) служит для отсчета единиц. В некоторых случаях применяют комбинированный поразрядный отсчет, при котором индикация десятков производится в цифровой форме, а единиц в аналоговой или наоборот. Аналоговое оптоэлектронное отсчетное устройство имеет невысокую точность, так как для большинства эффектов наблюдается размывание края отсчетного столба 1, что приводит к неопределенности отсчета. В дискретно-аналоговых отсчетных устройствах этот недостаток устранен путем применения дискретного указателя. В ОЭП с таким видом отсчета необходимо обеспечить однозначную зависимость положения оптического указателя (номера индекса отсчета К или числа включаемых индексов К, см. рис. 2.42,б,в) от значения измеряемой величины. На метрологические и эксплуатационные характеристики ОЭП существенно влияют свойства индикаторного вещества (нелинейность функции преобразования, яркость или контрастность, потребляемая мощность, времена срабатывания и релаксации, устойчивость к воздействию внешних факторов). При выборе ИВ для серийного производства ОЭП следует учитывать также его срок службы и стоимость.

Основными параметрами ИВ с наиболее распространенной электрооптической характеристикой (Рис. 2.43) являются пороговое значение Z_П воздействующего значения Z, при котором возникает оптоэлектрический эффект; диапазон нарастания эффекта δZ, т.е. то приращение Z, которое надо приложить для полного наступления эффекта.

Рис. 2.43. Электрооптическая характеристика индикаторного вещества (ОП – оптический параметр)

При проектировании ОЭП используют понятие относительного диапазона нарастания эффекта δZ/Z. По значению этого параметра принято разделять ИВ на вещества, обладающие пороговой характеристикой (δZ/Z_П 0,8). Большинство электрооптических эффектов со светоизлучением, в которых яркость свечения изменяется в достаточно широких пределах при малых изменениях приложенного напряжения, не имеют резко выраженной пороговой характеристики. Электрооптическим эффектам в жидких кристаллах при определенных условиях присущи высокие пороговые свойства.

Рассмотрим условие, при котором приведенная на рис. 2.41 структура работает как измерительный прибор, т.е. обеспечивает однозначную зависимость между номером отсчетного индекса К и измеряемой величиной X. Для прибора с равномерной шкалой должно выполняться соотношение Х = сК, где с – постоянная прибора. Исходим из того, что каждое значение измеряемой величины X должно быть зафиксировано на отсчетном устройстве за счет возбуждения (включения) с оответствующего ему индекса отсчета К, т. е. отсчетное значение измеряемой величины на К-м индексе Х_К должно равняться Х (Х_К = X). Для возбуждения электрооптического эффекта именно на этом индексе, необходимо, чтобы значение выходной величины Z_k воздействующего устройства у этого индекса равнялось пороговому значению эффекта Z_П на данном индексе. С учетом (2.61) искомое условие примет вид:

, (2.62)

для равномерной шкалы

. (2.63)

Условие (2.62) реализуется функциональным позиционным преобразованием измеряемой величины X в выходной параметр используемого эффекта, например, за счет применения функциональных специальных преобразователей или другим путем Построение ОЭП более высокого класса точности с расширенными функциональными возможностями основано на цифровых методах преобразования измеряемой величины при сохранении оптоэлектронного шкального устройства.

Электроизмерительные приборы с оптоэлектронными отсчетными устройствами (ОЭП) являются перспективными средствами ИИТ в сферах эксплуатации и производства, так как измерение и индикация показаний в них осуществляется новыми методами на базе оптоэлектронных шкал без использования традиционных электромеханических измерительных механизмов.

Развитие ОЭП идет по трем основным направлениям. Первое направление включает в себя разработку показывающих ОЭП невысокого класса точности (1.5, 2.5, 4.0), отличающихся от электромеханических показывающих приборов улучшенным комплексом технико-экономических показателей. Они обладают высокими прочностью и устойчивостью к механическим воздействиям (до 250 м/с 2 в диапазоне частот до 2500 Гц), повышенным быстродействием (0,5 – 0,8 с). У этих приборов отсутствуют дополнительные погрешности от влияния наклона, ферромагнитных масс, трения, уменьшены погрешности от влияния температуры, электрических и магнитных нолей. Простота конструкции, малое количество механических деталей (в три, четыре раза меньше, чем у электромеханических приборов) позволили повысить технологичность изготовления ОЭП и практически автоматизировать процесс их производства.

Второе направление связано с проектированием и выпуском ОЭП — аналогов электромеханических приборов типа АСК. Эти приборы кроме функции измерения обеспечивают регулирование и сигнализацию о выходе измеряемой величины из зоны регулирования. Они являются приборами более высокого класса точности (0,5; 1,0; 1,5), имеют аналоговую и в ряде случаев цифровую индикации, кодовый выход, обеспечивают позиционное регулирование с погрешностью по срабатыванию 0,5 1.5%.

Третье направление ставит целью создание многофункциональных оптоэлектронных приборов па основе микропроцессорных средств, для многоканальных измерений. В сферу их работы также входят обработка результатов измерений, регулирование по специальному закону и т. и. задачи. Точность этих ОЭП по индикатору 0,5 1,5%, по кодовому выходу 0,05 – 0,2%.

Современная наука активно развивается в самых разных направлениях, стремясь охватить все возможные потенциально полезные сферы деятельности. Среди всего этого следует выделить оптоэлектронные приборы, которые используются как в процессе передачи данных, так и их хранения или обработки. Они используются практически везде, где применяется более или менее сложная техника.

Что это такое?

блоках связи аппаратуры;
входных цепях измеряющих устройств;
высоковольтных и сильноточных цепях;
мощных тиристорах и симисторах;
релейных устройствах и так далее.

Все такие изделия могут быть классифицированы по нескольким базовым группам, в зависимости от их отдельных компонентов, конструкции или других факторов. Об этом ниже.

Излучатель

Оптоэлектронные приборы и устройства оснащаются системами передачи сигнала. Их называют излучателями и в зависимости от типа, изделия разделяются следующим образом:

Лазерные и светодиоды. Такие элементы относятся к самым универсальными. Для них характерны высокие показатели коэффициента полезного действия, весьма узкий спектр луча (этот параметр также известен как квазихроматичность), достаточно широкий диапазон работы, поддержание четкого направления излучения и очень высокая скорость работы. Устройства с подобными излучателями работают очень долго и крайне надежно, отличаются небольшими размерами и отлично показывают себя в сфере микроэлектронных моделей.
Электролюминесцентные ячейки. Такой элемент конструкции показывает не особо высокий параметр качества преобразования и работает не слишком долго. При этом, устройствами весьма тяжело управлять. Однако именно они лучше всего подходят для фоторезисторов и могут использоваться для создания многоэлементных, многофункциональных структур. Тем не менее в силу своих недостатков, сейчас излучатели такого типа используются достаточно редко, только тогда, когда без них действительно нельзя обойтись.
Неоновые лампы. Отдача света этих моделей сравнительно невысока, а также они плохо выдерживают повреждения и работают недолго. Отличаются большими размерами. Используются крайне редко, в отдельных видах приборов.
Ламы накаливания. Такие излучатели применяются только в резисторном оборудовании и больше нигде.

Как следствие, светодиодные и лазерные модели оптимально подходят практически для всех сфер деятельности и лишь в некоторых областях, где по-другому нельзя, применяются другие варианты.

Фотоприемник

Классификация оптоэлектронных приборов также производится и по типу этой части конструкции. В качестве принимающего элемента могут использоваться разные типы изделий.

Фото- тиристоры, транзисторы и диоды. Все они относятся к универсальным устройствам, способным работать с переходом открытого типа. Чаще всего в основе конструкции лежит кремний и из-за этого изделия получают достаточно широкий спектр чувствительности.
Фоторезисторы. Это единственный альтернативный вариант, главным преимуществом которого является изменение свойств очень сложным образом. Это помогает реализовывать всевозможные математические модели. К сожалению, именно фоторезисторы инерционны, что значительно сужает сферу их применения.

Прием луча – это один из самых базовых элементов любого подобного устройства. Только после того как он сможет быть получен, начинается дальнейшая обработка, и она будет невозможна при недостаточно высоком качестве связи. Как следствие, конструкции фотоприемника уделяется огромное внимание.

Оптический канал

Особенности конструкции изделий может неплохо показать используемая система обозначений фотоэлектронных и оптоэлектронных приборов. В том числе это касается и канала передачи данных. Выделяют три основных их варианта:

Удлиненный канал. Фотоприемник в такой модели отдален на достаточно серьезное расстояние от оптического канала, образуя специальный световод. Именно такой вариант конструкции активно применяется в компьютерных сетях для активной передачи данных.
Закрытый канал. Такой тип конструкции использует специальную защиту. Она превосходно предохраняет канал от внешнего воздействия. Применяются модели для системы гальванической развязки. Это достаточно новая и перспективная технология, сейчас непрерывно совершенствующаяся и постепенно заменяющая собой электромагнитные реле.
Открытый канал. Такая конструкция подразумевает наличие воздушного зазора между фотоприемником и излучателем. Используются модели в системах диагностики или разнообразных датчиках.

Спектральный диапазон

С точки зрения этого показателя, все виды оптоэлектронных приборов можно разделить на два вида:

Конструкция

По этому показателю оптоэлектронные приборы разделяются на три группы:

Специальные. Сюда входят устройства оснащенными несколькими излучателями и фотоприемниками, датчиками присутствия, положения, задымленности и так далее.
Интегральные. В таких моделях дополнительно используются специальные логические схемы, компараторы, усилители и другие устройства. Кроме всего прочего, выходы и входы у них гальванически развязаны.
Элементарные. Это самый простой вариант изделий, в которых приемник и излучатель присутствуют только в одном экземпляре. Они могут быть как тиристорными, так и транзисторными, диодными, резистивными и вообще, любыми другими.

В приборах могут использоваться все три группы или каждая по отдельности. Конструктивные элементы играют существенную роль и напрямую воздействуют на функциональность изделия. В то же время сложное оборудование может использовать и самые простейшие, элементарные разновидности, если это будет целесообразно. Но верно и обратное.

Оптоэлектронные приборы и их применение

С точки зрения использования устройств все они могут разделяться на 4 категории:

Интегральные схемы. Применяются в самых разных приборах. Используется принцип между разными элементами конструкции при помощи отдельных частей, которые изолированы друг от друга. Это не дает взаимодействовать компонентам никаким образом, кроме того, который был предусмотрен разработчиком.
Изоляция. В этом случае используются специальные оптические резисторные пары, их диодные, тиристорные или транзисторные разновидности и так далее.
Преобразование. Это один из самых распространенных вариантов использования. В нем ток трансформируется в свет и применяется именно таким образом. Простой пример – всевозможные лампы.
Обратное преобразование. Это уже полностью противоположный вариант, в котором именно свет трансформируется в ток. Используются для создания всевозможных приемников.

Фактически, сложно представить себе практически любое устройство, работающее на электричестве и лишенное какого-то варианта оптоэлектронных компонентов. Они могут быть представлены в небольшом количестве, но все равно будут присутствовать.

Итоги

Все оптоэлектронные приборы, тиристоры, диоды, полупроводниковые приборы – это конструктивные элементы разных видов оборудования. Они позволяют человеку получать свет, передавать информацию, обрабатывать или даже хранить ее.

Оптоэлектроника является важной самостоятельной областью функциональной электроники и микроэлектроники. Оптоэлектронный прибор - это устройство, в котором при обработке информации происходит преобразование электрических сигналов в оптические и обратно.

Существенная особенность оптоэлектронных устройств состоит в том, что элементы в них оптически связаны, а электрически изолированы друг от друга.

Благодаря этому легко обеспечивается согласование высоковольтных и низковольтных, а также высокочастотных и низкочастотных цепей. Кроме того, оптоэлектронным устройствам присущи и другие достоинства: возможность пространственной модуляции световых пучков, что в сочетании с изменениями во времени дает три степени свободы (в чисто электронных цепях две); возможность значительного ветвления и пересечения световых пучков в отсутствие гальванической связи между каналами; большая функциональная нагрузка световых пучков ввиду возможности изменения многих их параметров (амплитуды, направления, частоты, фазы, поляризации).

Оптоэлектроника охватывает два основных независимых направления - оптическое и электронно-оптическое. Оптическое направление базируется на эффектах взаимодействия твердого тела с электромагнитным излучением. Оно опирается на голографию, фотохимию, электрооптику и другие явления. Оптическое направление иногда называют лазерным.

Электронно-оптическое направление использует принцип фотоэлектрического преобразования, реализуемого в твердом теле посредством внутреннего фотоэффекта, с одной стороны, и электролюминесценцией, с другой. В основе этого направления лежит замена гальванических и магнитных связей в традиционных электронных цепях оптическими. Это позволяет повысить плотность информации в канале связи, его быстродействие, помехозащищенность.

Для микроэлектроники представляет интерес в основном электронно-оптическое направление, которое позволяет решить одну из важных проблем интегральной микроэлектроники - существенное уменьшение паразитных связей между элементами как внутри одной интегральной микросхемы, так и между микросхемами. На оптоэлектронном принципе могут быть созданы безвакуумные аналоги электронных устройств и систем: дискретные и аналоговые преобразователи электрических сигналов (усилители, генераторы, ключевые элементы, элементы памяти, логические схемы, линии задержки и др.); преобразователи оптических сигналов - твердотельные аналоги электронно-оптических преобразователей, видиконов, электронно-лучевых преобразователей (усилители света и изображения, плоские передающие и воспроизводящие экраны); устройства отображения информации (индикаторные экраны, цифровые табло и другие устройства картинной логики).

Рис.1. Оптрон с внутренней (а) и внешними (б) фотонными связями: 1, 6 – источники света; 2 – световод; 3, 4 – приемники света; 5 – усилитель.

Основным элементом оптоэлектроники является оптрон. Различают оптроны с внутренней (рис.1, а) и внешними (рис.1, б) фотонными связями. Простейший оптрон представляет собой четырехполюсник (рис.1, а), состоящий из трех элементов: фотоизлучателя 1, световода 2 и приемника света 3, заключенных в герметичном светонепроницаемом корпусе. При подаче на вход электрического сигнала в виде импульса или перепада входного тока возбуждается фотоизлучатель. Световой поток по световоду попадает в фотоприемник, на выходе которого образуется электрический импульс или перепад выходного тока. Этот тип оптрона является усилителем электрических сигналов, в нем внутренняя связь фотонная, а внешние - электрические.

Другой тип оптрона - с электрической внутренней связью и фотонными внешними связями (рис.1, б) - является усилителем световых сигналов, а также преобразователем сигналов одной частоты в сигналы другой частоты, например сигналов инфракрасного излучения в сигналы видимого спектра. Приемник света 4 преобразует входной световой сигнал в электрический. Последний усиливается усилителем 5 и возбуждает источник света 6.

В настоящее время разработано большое число оптоэлектронных устройств различного назначения. В микроэлектронике, как правило, используются только те оптоэлектронные функциональные элементы, для которых имеется возможность интеграции, а также совместимость технологии их изготовления с технологией изготовления соответствующих интегральных микросхем.

Фотоизлучатели. К источникам света оптоэлектроникой предъявляются такие требования, как миниатюрность, малая потребляемая мощность, высокие эффективность и надежность, большой срок службы, технологичность. Они должны обладать высоким быстродействием, допускать возможность изготовления в виде интегральных устройств.

Наиболее широкое распространение в качестве электролюминесцентных источников получили инжекционные светодиоды, в которых испускание света определяется механизмом межзонной рекомбинации электронов и дырок. Если пропускать достаточно большой ток инжекции через p-n-переход (в прямом направлении), то часть электронов из валентной зоны перейдет в зону проводимости (рис.2). В верхней части валентной зоны образуются свободные состояния (дырки), а в нижней части зоны проводимости - заполнение состояния (электроны проводимости).

Такая инверсная заселенность не является равновесной и приводит к хаотическому испусканию фотонов при обратных переходах электронов. Возникающее при этом в р-n-переходе некогерентное свечение и является электролюминесценцией.

Рис.2. К объяснению принципа действия инжекционного светодиода.

Фотон, испускаемый при люминесцентном переходе из заполненной части зоны проводимости в свободную часть валентной зоны, вызывает индуцированное излучение идентичного фотона, заставив еще один электрон перейти в валентную зону. Однако фотон такой же энергии (от ∆E=E2-E1 до ∆E=2δE) не может поглотиться, так как нижнее состояние свободно (в нем нет электронов), а верхнее состояние уже заполнено. Это означает, что p-n-переход прозрачен для фотонов такой энергии, т.е. для соответствующей частоты. Наоборот, фотоны с энергией, большей ∆E+2δE, могут поглощаться, переводя электроны из валентной зоны в зону проводимости. В то же время для таких энергий индуцированное испускание фотонов невозможно, так как верхнее исходное состояние не заполнено, а нижнее состояние заполнено. Таким образом, вынужденное излучение возможно в узком диапазоне около частоты, соответствующей энергии запрещенной зоны ∆Е с шириной спектра δE.

Наилучшими материалами для светодиодов являются арсенид галлия, фосфид галлия, фосфид кремния, карбид кремния и др. Светодиоды имеют высокое быстродействие (порядка 0,5 мкс), но потребляют большой ток (около 30 А/см2). В последнее время разработаны светодиоды на основе арсенида галлия - алюминия, мощности которых составляют от долей до нескольких милливатт при прямом токе в десятки миллиампер.К. п. д. светодиодов не превышает 1 - 3%.

Перспективными источниками света являются инжекционные лазеры, позволяющие концентрировать высокие энергии в узкой спектральной области при высоких к. п. д. и быстродействии (десятки пикосекунд). Эти лазеры можно изготовлять в виде матриц на одном базовом кристалле по той же технологии, что и интегральные микросхемы. Недостатком простых инжекционных лазеров является то, что они имеют приемлемые характеристики лишь при использовании охлаждения до очень низких температур. При нормальной температуре галлий-арсенидовый лазер имеет малую среднюю мощность, низкий к. п. д. (порядка 1%), небольшие стабильность работы и срок службы. Дальнейшее усовершенствование инжекционного лазера путем создания перехода сложной структуры с использованием гетеропереходов (гетеропереход - граница между слоями с одинаковыми типами электропроводности, но с разной шириной запрещенной зоны) позволило получить малогабаритный источник света, работающий при нормальной температуре с к. п. д.10 - 20% и приемлемыми характеристиками.

Фотоприемники. Для преобразования световых сигналов в электрические используют фотодиоды, фототранзисторы, фоторезисторы, фототиристоры и другие приборы.

Фотодиод представляет собой смещенный в обратном направлении p-n-переход, обратный ток насыщения которого определяется количеством носителей заряда, порождаемых в нем действием падающего света (рис.3). Параметры фотодиода выражают через значения тока, протекающего в его цепи. Чувствительность фотодиода, которую принято называть интегральной, определяют как отношение фототока к вызвавшему его световому потоку Фυ. Порог чувствительности фотодиодов оценивают по известным значениям интегральной (токовой) чувствительности и темнового тока Id, т.е. тока, протекающего в цепи в отсутствие облученности чувствительного слоя.

Основными материалами для фотодиодов являются германий и кремний. Кремниевые фотодиоды обычно чувствительны в узкой области спектра (от λ = 0,6 – 0,8 мкм до λ = 1,1 мкм) с максимумом при λ = 0,85 мкм, а германиевые фотодиоды имеют границы чувствительности λ = 0,4 - 1,8 мкм с максимумом при λ ≈ 1,5 мкм. В фотодиодном режиме при напряжении питания 20 В темновой ток кремниевых фотодиодов обычно не превышает 3 мкА, в то время как у германиевых; фотодиодов при напряжении питания 10 В он достигает 15-20 мкА.

Рис.3. Схема и вольт-амперные характеристики фотодиода.

Рис.4. Схема и вольт-амперные характеристики фототранзистора.

Фототранзисторы представляют собой приемники лучистой энергии с двумя или с большим числом р-п-переходов, обладающие свойством усиления фототока при облучении чувствительного слоя. Фототранзистор соединяет в себе свойства фотодиода и усилительные свойства транзистора (рис.4). Наличие у фототранзистора оптического и электрического входов одновременно позволяет создать смещение, необходимое для работы на линейном участке энергетической характеристики, а также компенсировать внешние воздействия. Для обнаружения малых сигналов напряжение, снимаемое с фототранзистора, должно быть усилено. В этом случае следует увеличить сопротивление выхода переменному току при минимальном темновом токе в цепи коллектора, создавая положительное смещение на базе.

В качестве световодов в оптоэлектронике находят применение тонкие нити стекла или прозрачной пластмассы. Это направление получило название волоконной оптики. Волокна покрывают светоизолирующими материалами и соединяют в многожильные световые кабели. Они выполняют те же функции по отношению к свету, что и металлические провода по отношению к току. С помощью волоконной оптики можно: осуществлять поэлементную передачу изображения с разрешающей способностью, определяемой диаметром световолокна (порядка 1 мкм); производить пространственные трансформации изображения благодаря возможности изгибания и скручивания волокон световода; передавать изображения на значительные расстояния и т.д. На Рис.6 показан световод в виде кабеля из светопроводящих волокон.

Интегральная оптика. Одним из перспективных направлений функциональной микроэлектроники является интегральная оптика, обеспечивающая создание сверхпроизводительных систем передачи и обработки оптической информации. Область исследований интегральной оптики включает распространение, преобразование и усиление электромагнитного излучения оптического диапазона в диэлектрических тонкопленочных волноводах и волоконных световодах. Основным элементом интегральной оптики является объемный или поверхностный оптический микроволновод. Простейший симметричный объемный оптический микроволновод представляет собой локализованную по одной или двум пространственным измерениям область с показателем преломления, превышающим показатель преломления окружающей оптической среды. Такая оптически более плотная область есть нечто иное, как канал или несущий слой диэлектрического волновода.

Рис.5. Разрез твердотельного оптрона с иммерсионным световодом: 1 – планарная диффузия; 2 - селеновое стекло; 3 – омические контакты; 4 – диффузионная мезаструктура; 5 – источник света; 6 – приемник света.

Рис.6. Световод в виде кабеля из светопроводящих волокон: 1 - источник света; 2 – приемник света; 3 – световой кабель.

Примером несимметричного поверхностного диэлектрического волновода может служить тонкая пленка оптически прозрачного диэлектрика или полупроводника с показателем преломления, превышающим показатель преломления оптически прозрачной подложки. Степень локализации электромагнитного поля, а также отношение потоков энергии, переносимых вдоль несущего слоя и подложки, определяются эффективным поперечным размером несущего слоя и разностью показателей преломления несущего слоя и подложки при заданной частоте излучения. Сравнительно простым и наиболее подходящим для твердотельных оптических устройств является оптический полосковый микроволновод, выполненный в виде тонкой диэлектрической пленки (рис.7), нанесенной на подложку методами микроэлектроники (например, вакуумным напылением). С помощью маски на диэлектрическую подложку можно наносить с высокой степенью точности целые оптические схемы. Применение электронно-лучевой литографии обеспечило успехи в создании как одиночных оптических полосковых волноводов, так и оптически связанных на определенной длине, а впоследствии расходящихся волноводов, что существенно для создания направленных ответвителей и частотно-избирательных фильтров в системах интегральной оптики.

Рис 7. Оптический полосковый микроволновод с прямоугольным поперечным сечением: 1 – подложка; 2 – диэлектрическая пленка.

Оптоэлектронные микросхемы. На основе оптоэлектроники разработано большое число микросхем. Рассмотрим некоторые оптоэлектронные микросхемы, выпускаемые отечественной промышленностью. В микроэлектронике наиболее широко применяют оптоэлектронные микросхемы гальванической развязки. К ним относят быстродействующие переключатели, коммутаторы аналоговых сигналов, ключи и аналоговые оптоэлектронные устройства, предназначенные для использования в системах функциональной обработки аналоговых сигналов.

Основным элементом любой оптоэлектронной микросхемы является оптронная пара (рис.8, а, б), состоящая из источника света 1, управляемого входным сигналом, иммерсионной среды 2, оптически связанной с источником света, и фотоприемника 3. Параметрами оптронной пары являются сопротивление развязки по постоянному току, коэффициент передачи тока (отношение фототока приемника к току излучателя), время переключения и проходная емкость.

На базе оптоэлектронных пар создаются оптоэлектронные микросхемы различного назначения.

Рис.8. Схема и технологическое выполнение оптронной пары:

1 – источник света; 2 – иммперсионная среда; 3 – фотоприемник.

1. Петров К.С. Радиоматериалы, радиокомпоненты и электроника: Учебное пособие для вузов. – СПб: Питер, 2003. – 512 с.

2. Опадчий Ю.Ф. и др. Аналоговая и цифровая электроника: Учебник для вузов / Ю.Ф. Опадчий, О.П. Глудкин, А.И. Гуров; Под. ред. О.П. Глудкина. М.: Горячая Линия – Телеком, 2002. – 768 с.

3. Акимов Н.Н. и др. Резисторы, конденсаторы, трансформаторы, дроссели, коммутационные устройства РЭА: Справочник / Н.Н. Акимов, Е.П. Ващуков, В.А. Прохоренко, Ю.П. Ходоренок. Мн.: Беларусь, 2005. – 591 с.

Оптоэлектроника — это отрасль электроники, посвященной теории и практике создания приборов и устройств, основанных на преобразовании электрических сигналов в оптические и наоборот.

В оптоэлектронике используется диапазон длин волн 0,2 мкм — 0,2 мм. Оптоэлектронный прибор — это совокупность источника и приемника излучения. В качестве источника излучения применяют светодиоды на основе GaAs, как фотоприемники — фотодиоды и фототранзисторы на основе Si.

Отличительной и особенностью оптоэлектронных приборов (ОЭП) от других является то, что элементы в них оптически связаны, но электрически изолированы друг от друга. Благодаря этому легко обеспечивается согласованность высоко- и низковольтных и высокочастотных цепей.

Оптоэлектроника развивается по двум независимым направлениям:

Оптическое направление базируется на эффектах взаимодействия твердого тела с электромагнитным излучением (голография, фотохимия, электрооптика). Электронно-оптическое направление использует принцип фотоэлектрического преобразования при внутреннем фотоэффекте с одной стороны, и фотолюминесценции — с другой (замена гальванической и магнитной связи на оптическую, оптоволоконные линии связи).

На оптоэлектронном принципе могут быть созданы безвакуумные аналоги электронных устройств и систем:

дискретные и аналоговые преобразователи электрических сигналов (усилители, генераторы, ключевые элементы, элементы памяти, логические схемы, линии задержки и др.)
преобразователи оптических сигналов (усилители света и изображения, плоские экраны, которые передают и воспроизводят изображение)
устройства воспроизведения информации (индикаторные экраны, цифровые табло, картинная логика и др.).

Основными факторами, которые обусловливают развитие оптоэлектроники, являются:

разработка сверхчистых материалов,
разработка совершенной технологии новых современных приборов и устройств,
подготовка высококвалифицированных кадров.

Для изготовления активных и пассивных элементов оптоэлектроники широко применяются:

полупроводниковые материалы, редкоземельные металлы и их сплавы,
диэлектрические соединения,
пленочные материалы,
фоторезисты,
диффузанты.

В настоящее время номенклатура материалов, используемых в оптоэлектронике достаточно широка. К ним относятся вещества высокой чистоты, чистые металлы и сплавы со специальными электрофизическими свойствами, диффузанты, различные полупроводниковые соединения в виде порошков и монокристаллов, монокристаллические пластины из кремния, арсенида и фосфида галлия, фосфида индия, сапфир, гранат, различные вспомогательные материалы — технологические газы, фоторезисты, абразивные порошки и др.

Важнейшими материалами оптоэлектроники является такие вещества, как: GaAs, BaF₂, CdTe (для изготовления подложек) структуры GaAlAs / GaAs / GaAlAs (электрооптические модуляторы) SiO₂ (материал для изоляции), Si, CdHgTe, PbSnSe (фотодиоды, фототранзисторы). В некоторых ИМС используются Ni, Cr, и Ag. Технология производства оптоэлектронных интегральных микросхем (ОЭИМС) постоянно совершенствуется на основе разработки новых физико-технологических процессов.

ОЭП имеют следующие преимущества:

возможность пространственной модуляции световых пучков и их значительного пересечения при отсутствии гальваническим связей между каналами;
большую функциональную нагрузку световых пучков благодаря возможности изменения многих их параметров (амплитуды, направления, частоты, фазы, поляризации).

Оптоэлектронные приборы — это приборы, принцип действия которых построен на использовании электромагнитного излучения оптического диапазона.

К основным группам оптоэлектронных приборов относят следующие:

светоизлучающие диоды и лазеры;
фотоэлектрические приемники излучения — фоторезисторы и фотоприемники с р-n-переходом;
приборы, управляющие излучением — модуляторы, дефлекторы и др.; приборы для отображения информации — индикаторы;
приборы для электрической изоляции — оптроны;
оптические каналы связи и оптические запоминающие устройства.

Вышеперечисленные группы приборов осуществляют генерацию, преобразование, передачу и хранение информации. Носителями информации в оптоэлектронике являются нейтральные в электрическом смысле частицы — фотоны, которые нечувствительны к воздействию электрических и электромагнитных полей, не взаимодействуют между собой и создают однонаправленную передачу сигнала, что обеспечивает высокую помехозащищенность и гальваническую развязку входных и выходных цепей. Оптоэлектронные приборы принимают, превращают и генерируют излучение в видимой, инфракрасной и ультрафиолетовой областях спектра.

Принцип действия оптоэлектронных приборов основан на использовании внешнего или внутреннего фотоэффекта.

Внешним фотоэффектом называется выход свободных электронов из поверхностного слоя фотокатода во внешнюю среду под действием света.

Внутренним фотоэффектом называется свободное перемещение внутри вещества электронов, освобожденных от связей в атомах под действием света, и изменяющих его электропроводность или даже вызывающих появление ЭДС на границе двух веществ (р-n-переходе).

ОЭП нашли широкое применение в автоматических контрольных и измерительных системах, вычислительной технике, фототелеграфии, звуковоспроизводящей аппаратуре, кинематографии, спектрофотометрии, для преобразования световой энергии в электрическую, в автоматике для решения электрических цепей.

Оптрон

Оптрон — полупроводниковый прибор, в котором конструктивно объединены источник и приемник излучения, связанные между собой оптической связью. В источнике излучения электрические сигналы превращаются в световые, действующих на фотоприемник и создают в нем опять же электрические сигналы. Если оптрон имеет только один излучатель и один приемник излучения, то его называют оптопарой или элементарным оптроном.

Микросхема, состоящая из одной или нескольких оптопар с дополнительными устройствами для согласования и усиления сигнала, называется оптоэлектронной интегральной микросхемой. На входе и выходе оптрона всегда используются электрические сигналы, а связь входа и выхода происходит благодаря световому сигналу.

Фоторезистор

Фоторезисторы — это полупроводниковые резисторы, изменяющие свое сопротивление под воздействием светового потока. В зависимости от спектральной чувствительности фоторезисторы делят на две группы: для видимой части спектра и для инфракрасной части спектра. Для изготовления фоторезисторов используют соединения Cd и Pb. Чувствительные элементы изготавливают из монокристаллов или поликристаллов этих соединений.

Обозначение фоторезисторов ранних выпусков:

1 элемент — буквы, обозначающие тип прибора (ФС — фотосопротивление),
2 элемент — буква, обозначающая материал светочувствительного элемента (А — сернистый свинец, К — сернистый кадмий, Д — селенистий кадмий),
3 элемент — цифра, которая обозначает тип конструктивного исполнения.
буква Б перед цифрой — герметичный вариант исполнения,
П — пленочный материал фоточувствительного элемента,
М — монокристаллический материал фоточувствительного элемента.
буква Т — тропический вариант, предназначенный для эксплуатации в условиях повышенных температур и влажности.

Обозначение современных фоторезисторов:

1 элемент — буквы, обозначающие тип прибора (СФ — сопротивление фоточувствительное),
2 элемент — цифра, которая означает материал светочувствительного элемента (2 — сернистый кадмий, 3 — селенистий кадмий, 4 — селенистый свинец),
3 элемент — цифра, которая означает порядковый номер разработки.

Фоторезисторы имеют высокую стабильность параметров. Изменение фототока является достаточно точной характеристикой его состояния. При длительной эксплуатации наблюдается стабилизация фототока, при этом его величина может изменяться на 20 — 30%. Фоторезисторы чувствительны к быстрой смене температур. Хранить фоторезисторы следует при температуре 5 — 35 о С и влажности не более 80%.

К основным параметрам фоторезисторов относят:

Темновой ток ( I_т ) — ток, проходящий через фоторезистор при рабочем напряжении через 30 с после снятия освещенности 200 лк.
Световой ток ( I_с ) — ток, проходящий через фоторезистор при рабочем напряжении и освещенности 200 лк от источника света с цветовой температурой 2850 К.
Температурный коэффициент фототока ( ТКI_ф ) — изменение фототока при изменении температуры фоторезистора на 1 о С.
Рабочее напряжение ( U_ф) — напряжение, которое можно приложить к фоторезистора при длительной эксплуатации без изменения его параметров сверх допустимого.
Темновой сопротивление ( R_т) — сопротивление фоторезистора при температуре 20 о С через 30 с после снятия освещенности 200 лк.
Удельный чувствительность ( К₀ ) — отношение фототока к произведению величин светового потока, падающего на него и приложенного напряжения: К₀ =I_ф/ (ФU_ф), где Ф — световой поток, лм.
Постоянная времени ( t ) — время, в течение которого фототок изменяется на нормированную величину при его освещении.
Мощность рассеяния ( Р_рас_. ) — максимально допустимая мощность, фоторезистор может рассеивать при непрерывном электрическом погрузке и температуре окружающей среды, не изменяя параметров сверх нормы, установленной техническими условиями.
Сопротивление изоляции ( R_и ).
Длинноволновая граница ( l ).

Основными характеристиками фоторезисторов являются:

Вольт-амперная ( I=f(U)) — зависимость светового, темнового или фототока (при Ф =const ) от приложенного напряжения.
Световая или люкс-амперная (I=f(Е)) — зависимость фототока от светового потока, падающего или освещенности (при U=const ).
Спектральная (I=f(l)) — зависимость фототока от длины волны светового потока (при U=const ).
Частотная (I_Ф = f (F_Ф )) — зависимость фототока от частоты модуляции светового потока (при U = const).

Высокая интегральная чувствительность позволяет использовать резисторы даже без усилителей, а малые габариты являются причинами их широкого применения.Основные недостатки фоторезисторов — их инерционность и сильное влияние температуры, приводит к большому разбросу характеристик.

Фотодиод

Фотодиоды — это полупроводниковые диоды, в которых используется внутренний фотоэффект. Световой поток управляет обратным током фотодиодов. Под действием света на электронно-дырочный переход происходит генерация пар носителей заряда, проводимость диода растет и увеличивается обратный ток. Такой режим работы называется фотодиодным режимом. Второй тип режима — фотогенераторный. В отличие от фотогенераторного для фотодиодного режима необходимо использовать внешний источник питания.

Схема включения фотодиода для работы в фотодиодном режиме

Основные параметры фотодиодов:

интегральная чувствительность (~ 10 мА / лм): рабочее напряжение (10 — 30 В);
темновой ток (~ 2 — 20 мкА).

Основные характеристики фотодиодов:

вольт-амперная (I = f (U)) — зависимость светового, темнового или фототока (при Ф = const) от приложенного напряжения;
энергетическая ( I_Ф=f(Ф)) — зависимость фототока от светового потока (при U=const ) — линейная, мало зависит от напряжения.

В лавинных фотодиодах происходит лавинное размножения носителей в p-n переходе и за счет этого в десятки раз возрастает чувствительность. Фотодиоды с барьером Шоттки имеют высокое быстродействие. Фотодиоды с гетеропереходами работают как генераторы ЭДС. Германиевые фотодиоды используют как индикаторы инфракрасного излучения; кремниевые — для преобразования световой энергии в электрическую (солнечные батареи для автономного питания различной аппаратуры в космосе) селеновые — для изготовления фотоэкспонометров и свето-технических измерений, поскольку их спектральная характеристика близка к спектральной характеристики глаза человека.

Фототранзистор

Фототранзисторы — это полупроводниковые приборы с двумя p-n переходами, предназначенные для преобразования светового потока в электрический ток. От обычного биполярного транзистора фототранзистор конструктивно отличается тем, что в его корпусе предусмотрено прозрачное окно, через которое свет может попадать на область базы.

Напряжение питания подается на эмиттер и коллектор, его коллекторный переход оказывается закрытым, а эмиттерный — открытым. База остается свободной. При освещении фототранзистора в его базе генерируются электроны и дырки. В коллекторном переходе происходит распределение электронно-дырочных переходов, достигших в результате диффузии, границы перехода. Дыры (неосновные носители зарядов в полупроводнике), перебрасываются полем перехода в коллектор, увеличивая его собственный ток, а электроны (основные носители зарядов) остаются в базе, снижая ее потенциал. Снижение потенциала базы приводит к образованию дополнительной прямого напряжения на эмиттерном переходе и усиления инжекции дырок из эмиттера в базу. Инжектированных в базу дырки, достигая коллекторного перехода, вызывают дополнительное увеличение тока коллектора.

Структурная схема биполярного фототранзистора со свободной базой (а) и схема включения фототранзистора (б)

Ток коллектора освещенного фототранзистора оказывается достаточно большим; отношение светового тока к темнового достигает нескольких сотен.

Применяют два варианта включения фототранзисторов:

диодное — с использованием только двух выводов (эмиттера и коллектора)
транзисторное — с использованием трех выводов, когда на вход подают не только световой, но и электрический сигнал.

В оптоэлектронике, автоматике и телемеханике фототранзисторы используют для тех же целей, что и фотодиоды, но они уступают им по порогу чувствительности и температурному диапазону. Чувствительность фототранзисторов растет с интенсивностью их освещения.

Фототиристор

Фототиристор — это полупроводниковый прибор с четырехслойной p-n-p-n структурой, который сочетает в себе свойства тиристора и фотоприемника и преобразует световую энергию в электрическую.

Структура фототиристора

Из световой характеристики I_пр. = F (Ф) при U_пр. = Const видно, что при включении фототиристора ток через него возрастает до I_пр. = Е_пр. / R_нагр. и больше не меняется, то есть фототиристор имеет два стабильных состояния и может быть использован как элемент памяти. По вольтамперной характеристике I_пр. = F ( U_пр.) при Ф = const (Ф ₂ > Ф1> Фо) видно, что с увеличением светового потока напряжение и время включения уменьшаются.

Характеристики фототиристора: а — световая, б — ВАХ, в — зависимость времени включения от светового потока

Преимуществами фототиристоров являются:

высокая погрузочная способностью при малой мощности управляющего сигнала;
возможность получать необходимый исходный сигнал без дополнительных каскадов усиления;
наличие памяти, то есть поддержка открытого состояния после снятия управляющего сигнала;
большая чувствительность;
высокое быстродействие.

Вышеуказанные свойства фототиристоров позволяют упростить схемы, исключив из них усилители и релейные элементы, что очень важно в промышленной электронике, например в высоковольтных преобразователях. Чаще всего фототиристоры используют для коммутации световым сигналом мощных электрических сигналов.

Таким образом, несмотря на то, что оптоэлектроника была одним из первых направлений радиоэлектроники, она сохранила важное значение до настоящего времени, в отличии от многих, канувших в лету, технологий.

Оптоэлектронными называют приборы, которые чувствительны к электромагнитному излучению в видимой, инфракрасной и ультрафиолетовой областях, а также приборы, производящие или использующие такое излучение.

Излучение в видимой, инфракрасной и ультрафиолетовой областях относят к оптическому диапазону спектра. Обычно к указанному диапазону относят электромагнитные волны с длиной от 1 нм до 1 мм, что соответствует частотам примерно от 0,5 · 10 12 Гц до 5 · 10 17 Гц. Иногда говорят о более узком диапазоне частот — от 10 нм до 0,1 мм ( 5 · 10 12 …5 · 10 16 Гц). Видимому диапазону соответствуют длины волн от 0,38 мкм до 0,78 мкм (частота около, но меньше 10 15 Гц).

На практике широко используются источники излучения (излучатели), приемники излучения (фотоприемники) и оптроны (оптопары).

Оптроном называют прибор, в котором имеется и источник, и приемник излучения, конструктивно объединенные и помещенные в один корпус.

Из источников излучения нашли широкое применение светодиоды и лазеры, а из приемников — фоторезисторы, фотодиоды, фототранзисторы и фототиристоры.

Широко используются оптроны, в которых применяются пары светодиод-фотодиод, светодиод-фототранзистор, светодиод-фототиристор.

Читайте также: