Элементы оптоэлектронных устройств

Министерство образования Республики Беларусь

Учреждение образования

“Белорусский государственный университет

информатики и радиоэлектроники”

кафедра ЭВС

РЕФЕРАТ

На тему:

«Элементы оптоэлектронных устройств»

МИНСК, 2008

1. Оптоэлектронный переключатель представляет гибридную микросхему, содержащую оптоэлектронную пару и усилитель. В переключателе используются высокоэффективные светодиоды на основе apceнида галлия, легированного кремнием, и быстродействующие кремниевые p-i-n-фотодиоды. Иммерсионной средой является халькогенидное стекло с показателем преломления 2,7. Коэффициент передачи тока в оптоэлектронной паре составляет 3—5 при нормальной температуре, времена включения (сумма времен задержка и нарастания фронта) 100—250 пс, гальваническая развязка цепи светодиода и фотоприемника по постоянному току 10⁹ Ом. Микросхема выполнена в круглом металлостеклянном корпусе типа ТО-5.

2. Оптоэлектронный ключ предназначен для коммутации высоковольтных цепей переменного и постоянного токов. Он имеет четыре независимых канала, каждый из которых содержит две оптоэлектронные пары, состоящие из светодиода и высоковольтного p-i-n-фотодиода. Фотодиоды соединены встречно-последовательно, поэтому сопротивление ключа в запертом состоянии (в отсутствие тока через светодиоды) независимо от полярности приложенного напряжения определяется темновым сопротивлением смещенного в обратном направлении p-i-n-фотодиода; значение его составляет примерно 10⁹ Ом.

3. Транзисторный ключ предназначен для коммутации постоянных напряженийдо 50 В. Прибор имеет два независимых канала, каждый из которых содержит оптоэлектронную пару, состоящую из арсенидгаллиевого светодиода и кремниевого n-p-i-n-фототранзистора. Оптоэлектронная пара имеет коэффициент передачи тока 2, номинальный рабочий ток 10 мА, быстродействие в режиме усиления 100—300 нс.

4.Коммутатор аналоговых сигналов предназначен для применения в системах селективной обработки аналоговых сигналов. Электрическая схема одного канала коммутатора приведена на рис. 1. Канал содержит оптоэлектронную пару, состоящую из арсенидгаллиевого светодиода и двух встречно включенных n-i-n-фотодиодов, выполненных в одном монокристалле.

Рис. 1. Электрическая схема оптоэлектронного коммутатора аналоговых сигналов

На рис. 2 показаны электрические схемы некоторых других типов оптоэлектронных микросхем. Ключевая микросхема (рис. 2, а) включает в себя быстродействующую диодную оптоэлектронную пару, согласованную с монолитным кремниевым усилителем. Она предназначена для замены трансформаторных и релейных связей в логических устройствах ЭВМ и дискретной автоматики. Аналоговый ключ (рис. 2, б) относится к линейным схемам с оптоэлектронным управлением. При мощности управляющего сигнала 60—80 мВт параметры прерывателя достигают значений, необходимых для стандартных полупроводниковых микросхем. Оптоэлектронные маломощные реле постоянного тока (рис.2, в) предназначены для замены аналоговых электромеханических реле с быстродействием в миллисекундном диапазоне и гарантируемым числом срабатываний 10⁴—10⁷.

Рис. 2. Электрические схемы некоторых типов оптоэлектронных микросхем: а – ключевая микросхема; б – аналоговый ключ; в – реле постоянного тока.

Рис. 3. Электрическая схема оптоэлектронных микросхем серии 249

Представляют интерес оптоэлектронные микросхемы серии 249, в которую входят четыре группы приборов, представляющих собой электронные ключи на основе электролюминесцентных диодов и транзисторов. Электрическая схема всех группприборов одинакова (рис. 3). Конструктивно микросхемы оформлены в прямоугольном плоском корпусе интегральных микросхем с 14 выводами и имеют два изолированных канала, что уменьшает габариты и массу аппаратуры, а также расширяет функциональные возможности микросхем. Светодиоды выполнены на основе кремния и имеют п⁺-p-n_i-n⁺-структуру.Наличие двух каналов в ключе позволяет использовать егов качестве интегрального прерывателя аналоговых сигналов и получать высокий коэффициент передачи сигнала (10—100) при включении фототранзисторов по схеме составного транзистора.

Оптоэлектронные приборы

Работа оптоэлектронных приборов основана на электронно-фотонных процессах получения, передачи и хранения информации.

Простейшим оптоэлектронным прибором является оптоэлектронная пара, или оптрон. Принцип действия оптрона, состоящего из источника излучения, иммерсионной среды (световода) и фотоприемника, основан на преобразовании электрического сигнала в оптический, а затем снова в электрический.

Оптроны как функциональные приборы обладают следующими преимуществами перед обычными радиоэлементами:

полной гальванической развязкой «вход – выход» (сопротивление изоляции превышает 10¹² – 10¹⁴ Ом);

абсолютной помехозащищенностью в канале передачи информации (носителями информации являются электрически нейтральные частицы – фотоны);

однонаправленностью потока информации, которая связана с особенностями распространения света;

широкополосностью из-за высокой частоты оптических колебаний,

достаточным быстродействием (единицы наносекунд);

высоким пробивным напряжением (десятки киловольт);

малым уровнем шумов;

хорошей механической прочностью.

По выполняемым функциям оптрон можно сравнивать с трансформатором (элементом связи) при реле (ключом).

В оптронных приборах применяют полупроводниковые источники излучения – светоизлучающие диоды, изготовляемые из материалов соединений группы А^IIIB^V, среди которых наиболее перспективны фосфид и арсенид галлия. Спектр их излучения лежит в области видимого и ближнего инфракрасного излучения (0,5 – 0,98 мкм). Светоизлучающие диоды на основе фосфида галлия имеют красный и зеленый цвет свечения. Перспективны светодиоды из карбида кремния, обладающие желтым цветом свечения и работающие при повышенных температурах, влажности и в агрессивных средах.

Светодиоды, излучающие свет в видимом диапазоне спектра, используют в электронных часах и микрокалькуляторах.

Светоизлучающие диоды характеризуются спектральным составом излучения, который достаточно широк, диаграммой направленности; квантовой эффективностью, определяемой отношением числа испускаемых квантов света к количеству прошедших через p-n-переход электронов; мощностью (при невидимом излучении) и яркостью (при видимом излучении); вольт-амперными, люмен-амперными и ватт-амперными характеристиками; быстродействием (нарастанием и спадом электролюминесценции при импульсном возбуждении), рабочим диапазоном температур. При повышении рабочей температуры яркость светодиода падает и снижается мощность излучения.

Основные характеристики светоизлучающих диодов видимого диапазона приведены в табл. 1, а инфракрасного диапазона – в табл. 2.

Таблица 1 Основные характеристики светоизлучающих диодов видимого диапазона

Светоизлучающие диоды в оптоэлектронных приборах соединяются с фотоприемниками иммерсионной средой, основным требованием к которой является передача сигнала с минимальными потерями и искажениями. В оптоэлектронных приборах используют твердые иммерсионные среды – полимерные органические соединения (оптические клеи и лаки), халькогенидные среды и волоконные световоды. В зависимости от длины оптического канала между излучателем и фотоприемником оптоэлектронные приборы можно подразделить на оптопары (длина канала 100 – 300 мкм), оптоизоляторы (до 1 м) и волоконно-оптические линии связи – ВОЛС (до десятков километров).

Таблица 2. Основные характеристики светоизлучающих диодов инфракрасного диапазона

К фотоприемникам, используемым в оптронных приборах, предъявляют требования по согласованию спектральных характеристик с излучателем, минимуму потерь при преобразовании светового сигнала в электрический, фоточувствительности, быстродействию, размерам фоточувствительной площадки, надежности и уровню шумов.

Для оптронов наиболее перспективны фотоприемники с внутренним фотоэффектом, когда взаимодействие фотонов с электронами внутри материалов с определенными физическими свойствами приводит к переходам электронов в объеме кристаллической решетки этих материалов.

Внутренний фотоэффект проявляется двояко: в изменении сопротивления фотоприемника под действием света (фоторезисторы) либо в появлении фото-эдс на границе раздела двух материалов – полупроводник-полупроводник, металл-полупроводник (вентильные фотоэлементы, фотодиоды, фототранзисторы).

Фотоприемники с внутренним фотоэффектом подразделяют на фотодиоды (с p-n-переходом, МДП-структурой, барьером Шоттки), фоторезисторы, фотоприемники с внутренним усилением (фототранзисторы, составные фототранзисторы, фототиристоры, полевые фототранзисторы).

Фотодиоды выполняют на основе кремния и германия. Максимальная спектральная чувствительность кремния 0,8 мкм, а германия – до 1,8 мкм. Они работают при обратном смещении на p-n-переходе, что позволяет повысить их быстродействие, стабильность и линейность характеристик.

Наиболее часто в качестве фотоприемников оптоэлектронных приборов различной сложности применяют фотодиоды p-i-n-структуры, где i – обедненная область высокого электрического поля. Меняя толщину этой области, можно получить хорошие характеристики по быстродействию и чувствительности за счет малой емкости и времени пролета носителей.

Повышенными чувствительностью и быстродействием обладают лавинные фотодиоды, использующие усиление фототока при умножении носителей заряда. Однако у этих фотодиодов недостаточно стабильны параметры в диапазоне температур и требуются источники питания высокого напряжения. Перспективны для использования в определенных диапазонах длин волн фотодиоды с барьером Шоттки и с МДП-структурой.

Фоторезисторы изготовляют в основном из поликристаллических полупроводниковых пленок на основе соединения (кадмия с серой и селеном). Максимальная спектральная чувствительность фоторезисторов 0,5 – 0,7мкм. Фоторезисторы, как правило, применяют при малой освещенности; по чувствительности они сравнимы с фотоэлектронными умножителями – приборами с внешним фотоэффектом, но требуют низковольтного питания. Недостатками фоторезисторов являются низкое быстродействие и высокий уровень шумов.

Наиболее распространенными фотоприемниками с внутренним усилением являются фототранзисторы и фототиристоры. Фототранзисторы чувствительнее фотодиодов, но менее быстродействующие. Для большего повышения чувствительности фотоприемника применяют составной фототранзистор, представляющий сочетание фото- и усилительного транзисторов, однако он обладает невысоким быстродействием.

В оптронах в качестве фотоприемника можно использовать фототиристор (полупроводниковый прибор с тремя p-n-переходами, переключающийся при освещении), который обладает высокими чувствительностью и уровнем выходного сигнала, но недостаточным быстродействием.

Многообразие типов оптронов определяется в основном свойствами и характеристиками фотоприемников. Одно из основных применений оптронов – эффективная гальваническая развязка передатчиков и приемников цифровых и аналоговых сигналов. В этом случае оптрон можно использовать в режиме преобразователя или коммутатора сигналов. Оптрон характеризуется допустимым входным сигналом (током управления), коэффициентом передачи тока, быстродействием (временем переключения) и нагрузочной способностью.

Отношение коэффициента передачи тока к времени переключения называется добротностью оптрона и составляет 10⁵ – 10⁶ для фотодиодных и фототранзисторных оптронов. Широко используют оптроны на основе фототиристоров. Оптроны на фоторезисторах не получили широкого распространения из-за низкой временной и температурной стабильности. Схемы некоторых оптронов приведены на рис. 4, а – г.

В качестве когерентных источников излучения применяют лазеры, обладающие высокой стабильностью, хорошими энергетическими характеристиками и эффективностью. В оптоэлектронике для конструирования компактных устройств используют полупроводниковые лазеры – лазерные диоды, применяемые, например, в волоконно-оптических линиях связи вместо традиционных линий передачи информации – кабельных и проводных. Они обладают высокой пропускной способностью (полоса пропускания единицы гигагерц), устойчивостью к воздействию электромагнитных помех, малой массой и габаритами, полной электрической изоляцией от входа к выходу, взрыво- и пожаробезопасностью. Особенностью ВОЛС является использование специального волоконно-оптического кабеля, структура которого представлена на рис. 5. Промышленные образцы таких кабелей имеют затухание 1 – 3 дБ/км и ниже. Волоконно-оптические линии связи используют для построения телефонных и вычислительных сетей, систем кабельного телевидения с высоким качеством передаваемого изображения. Эти линии допускают одновременную передачу десятков тысяч телефонных разговоров и нескольких программ телевидения.

В последнее время интенсивно разрабатываются и получают распространение оптические интегральные схемы (ОИС), все элементы которых формируются осаждением на подложку необходимых материалов.

Перспективными в оптоэлектронике являются приборы на основе жидких кристаллов, широко используемые в качестве индикаторов в электронных часах. Жидкие кристаллы представляют собой органическое вещество (жидкость) со свойствами кристалла и находятся в переходном состоянии между кристаллической фазой и жидкостью.

Индикаторы на жидких кристаллах имеют высокую разрешающую способность, сравнительно дешевы, потребляют малую мощность и работают при больших уровнях освещенности.

Жидкие кристаллы со свойствами, схожими с монокристаллами (нематики, наиболее часто используют в световых индикаторах и устройствах оптической памяти. Разработаны и широко применяются жидкие кристаллы, изменяющие цвет при нагревании (холестерики). Другие типы жидких кристаллов (смектики) используют для термооптической записи информации.

Оптоэлектронные приборы, разработанные сравнительно недавно, получили широкое распространение в различных областях науки и техники, благодаря своим уникальным свойствам. Многие из них не имеют аналогов в вакуумной и полупроводниковой технике. Однако существует еще много нерешенных проблем, связанных с разработкой новых материалов, улучшением электрических и эксплуатационных характеристик этих приборов и развитием технологических методов их изготовления.

ЛИТЕРАТУРА

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.