Общая характеристика оптоэлектронных приборов. Принцип действия оптоэлектронных приборов. Свойства электроизмерительных приборов и области их применения Оптоэлектроника приборы

Оптоэлектроника – область электроники, где в качестве носителей информации используются электро-магнитные волны оптического диапазона (10нм – 1мм).

Широкое освоение оптического диапазона определяется рядом принципиальных преимуществ световых волн по сравнению с ра­диоволнами:

1) большой информационной емкостью оптической связи, что обусловлено очень высокой частотой световых волн. Так в видимом участке спектра f ~ (101... 1015) Гц для передачи обычного телевизионного изображения необходима полоса частот f = 6 мГц, поэтому в УКВ и дециметровом диапазонах можно разместить до нескольких сотен телевизионных каналов. В оптическом диапазоне это число возрастает до сотен миллионов и более;

2) высокой направленностью излучения из-за малого отнош. длины волны к размерам апертуры излучателя;

4) высокой плотностью записи информации в оптических за­поминающих устройствах, что открывает новые перспективы для построения ЭВМ последующих поколений.

Для реализации этих преимуществ необходимы прежде всего оптоэлектронные приборы, имеющие хорошие характеристики. Оптоэлектронные приборы - это устройства, в которых основные процессы происходят с участием фотонов. В зависимости от осо­бенностей протекающих процессов все оптоэлектронные приборы можно разделить на три группы:

1) светоизлучатели, преобразующие электрическую энергию в оптическое излучение (светодиоды, полупроводниковые лазеры, люминесцентные конденсаторы);

2) фотоприемники (фотодетекторы), которые преобразуют оп­тическое излучение в электрические информационные сигналы (фоторезисторы, фотодиоды, фототранзисторы и т.д.);

3) солнечные преобразователи, преобразующие оптическое из­лучение в электрическую энергию (солнечные батареи, фотовольтические приборы).

Помимо указанных приборов, в различных областях науки и техники широко используются оптоэлектронные пары - полупроводниковые приборы, состоящие из светоизлучающего и фотоприемного элементов, между которыми существует оптическая связь через посредство оптического канала, обеспечивающего электриче­скую изоляцию между входом и выходом(последовательного преобразования «ток-свет-ток»). Светоизлучатель, фотоприемник и оптический канал, реализующий гальваническую раз­вязку между входом и выходом, конструктивно объединены в одном корпусе.

Для применения в различных электронных устройствах служат оптоэлектронные интегральные схемы - интегральные микросхемы, в которых осуществляется оптическая связь между отдельными узлами или компонентами с целью изоляции их друг от друга (гальванической развязки).

Страница 5 из 14

Оптронами называют такие оптоэлектронные приборы, в которых имеются источник и приемник светового излучения (светоизлучатель и фотоприемник) с тем или иным видом оптической и электрической связи между ними и которые конструктивно связаны друг с другом.
Принцип действия оптронов любого вида основан на том, что в излучателе энергия электрического сигнала преобразуется в световую; в фотоприемнике, наоборот, световой сигнал вызывает электрический ток. Электрический сигнал на излучатель подается обычно от внешнего источника. Световой сигнал на фотоприемник поступает по цепи оптической связи от излучателя.
Процессы преобразования энергии в оптроне основаны на квантовой природе света, который представляет собой электромагнитное излучение в виде потока частиц - квантов.
Светоизлучатели. Для применения в оптронах пригодны несколько разновидностей излучателей: миниатюрные лампочки накаливания, в которых используется тепловое излучение нагретой электрическим током до 1800-2000 °С нити; неоновые лампочки, в которых используется свечение электрического разряда газовой смеси неон-аргон, и др. [см. 1, § 1.1].
Указанные виды излучателей имеют невысокую светоотдачу, ограниченную долговечность, большие габариты, малую направленность излучения и сложны в управлении. Основным видом излучателя, используемым в оптронах, является полупроводниковый инжекционный светоизлучающий диод - светодиод. Рассмотрим процесс преобразования энергии в таком оптроне (рис. 11,а).
На границе раздела р- и областей полупроводниковой структуры, как было показано выше, возникает p-n-переход, в котором сосредоточен объемный заряд из дырок и электронов. При приложении к структуре прямого напряжения 1/ип в активной области В кристалла некоторых видов полупроводников (например, арсенида галлия и соединений на его основе) создается избыточная концентрация свободных носителей зарядов, инжектируемых р-лпереходом, смещенным в прямом направлении. Возникающий при этом поток электронов проходит через область объемного заряда Е, создавая электронный ток /п. Часть электронов рекомбинируется в активной В и непрозрачной С областях кристалла с дырками. Каждый акт рекомбинации основных носителей заряда сопровождается излучением кванта света, т.е. имеет место излучательная рекомбинация.
Одновременно возникает дырочная составляющая тока /р, обусловленная инжекцией дырок в л-область и отражающая тот факт, что p-n-первходов с односторонней инжекцией не бывает. Доля этого тока тем меньше, чем сильнее легирована /т-область по сравнению с р-областью структуры кристалла .
Часть возникающего излучения поглощается в оптически "прозрачной" области А кристалла (лучи 1 на рис. 11,6), кроме того, имеет место: внутреннее отражение (лучи 2) при падении лучей света на границу раздела сред полупроводник - воздух, имеющих разную оптическую плотность, что приводит в конечном счете к их потере из-за самопоглощения.

Рис. 11. Электрическая (а) и оптическая (6) модели светодиода
Генерация квантов в активной области полупроводника является спонтанной и характеризуется тем, что лучи света направлены равновероятно во все стороны. Лучи 3, распространяющиеся в сторону сильно легированной области полупроводника, быстро поглощаются. Активная область В обладает волновод ным эффектом, и лучи 4 вследствие многократных отражений фокусируются вдоль этой области, поэтому интенсивность торцевого излучения значительно выше, чем в других направлениях выхода света из кристалла.
Основными материалами, из которых изготовляются излучатели, являются арсенид галлия и соединения на его основе, а материалом для фотоприемников служит кремний. Оба вида материалов имеют практически одинаковую оптическую плотность (показатель преломления). Это обстоятельство обеспечивает полное оптическое согласование генераторного и приемного блоков оптрона.
Фотоприемники. Принцип действия используемых в оптронах фотоприемников основан на внутреннем фотоэффекте, заключающемся в отрыве электронов от атомов внутри кристаллического тела под действием электромагнитного (оптического) излучения. Образование свободных электронов приводит к изменению электрических свойств облучаемого тела, а возникающие при этом фотоэлектрические явления используются на практике. Экспериментально установлено, что наиболее значительные фотоэлектрические явления имеют место в полупроводниках, в основном в беспримесных. Таким образом, в фотоприемнике происходит преобразование квантов света в энергию подвижных электрических зарядов, под действием которых на р-п-переходе возникает фото-ЭДС.
При разработке оптопар фотоприемник является определяющим элементом оптрона, а излучатель выбирается "под фотоприемник". Уровень оптронной техники в наибольшей степени характеризуется диодными оптронами, промышленные типы которых отличаются простотой устройства, большим разнообразием, широтой функциональных возможностей, хорошим сочетанием электрических параметров.
Конструкция силовых полупроводниковых приборов. Основой конструкции всякого полупроводникового прибора является полупроводниковая структура, определяющая его электрические параметры и характеристики. Структуру с элементами, обеспечивающими необходимую механическую прочность, надежный электрический и тепловой контакты с корпусом прибора, называют вентильным элементом конструкции. Вентильный элемент должен иметь надежную защиту от влияния окружающей среды, поэтому он помещается в корпус, обеспечивающий герметизацию и механическую прочность всей конструкции.
По виду конструкции корпуса все силовые полупроводниковые вентили можно разделить на штыревые, с плоским основанием (фланцевые) и таблеточные.
На рис. 12,я показана конструкция штыревого тиристора, основание которого 2 изготовляется из меди совместно с нарезным болтом 1 для обеспечения электрического и теплового контакта с охладителем. Тиристоры с плоским основанием корпуса (рис. 12,в) имеют медный фланец 1 для крепления прибора болтами к охладителю. Крышки корпусов в обоих типах тиристоров выполняются в металлостеклянном или металлокерамическом исполнении. Верхний силовой вывод 3 может быть выполнен в виде металлического (медного) плетеного жгута (гибкий вывод) или медного полого стержня, заполненного свинцом (жесткий вывод, рис. 12,6).


Рис. 12. Конструкции мощных тиристоров:
а - штыревой тиристор с гибким и б - без гибкого вывода; в - фланцевый тиристор с гибким выводом
Тиристоры таблеточной конструкции (рис. 13,э) выполняются в виде таблетки 1 в гофрированном керамическом корпусе, обеспечивающем защиту вентильного элемента от загрязнений и механических повреждений. Таблетка помещается между верхним 2 и нижним 6 металлическими основаниями прибора, которые соприкасаются с охладителями, создавая электрический и тепловой контакты. Управляющий электрод 4 тиристора выведен на боковую поверхность корпуса. Подключение прибора к электрической цепи производится посредством токоведущих пластин 3 и 5.
Штыревая и фланцевая конструкции применяются для силовых вентилей на ток до 320 А, таблеточная - на ток 250А и более. Приборы с плоским основанием корпуса более стойки к воздействию циклической смены температуры. В разработках тиристоров последних лет такая конструкция применяется более часто.
На рис. 13,6 в качестве примера показана конструкция нового силового кремниевого транзистора серии ТК. Такие приборы имеют массивный корпус штыревой конструкции с нарезным болтом на основании для соединения с радиатором и жесткие выводы базы и эмиттера.
Общая характеристика полупроводниковых приборов. Отечественная промышленность выпускает в широком ассортименте силовые полупроводниковые приборы, применение которых дозволяет создавать экономичные, малогабаритные и обладающие высокой надежностью различные преобразователи электрической энергии. Для удобства выбора полупроводниковых приборов в процессе проектирования установок и замены вышедших из строя вентилей во время их эксплуатации применяется буквенно-цифровая система условных обозначений на силовые диоды, тиристоры, транзисторы и оптроны (ГОСТ 15543- 70*).

Рис. 13. Таблеточная конструкция тиристора Т500 без охладителя (а) и габаритно-установочные размеры силового транзистора (б)
Для управления фототиристором в его корпусе предусмотрено специальное окно для пропускания светового потока. В оптронных тиристорах в качестве излучателя используется полупроводниковый светоизлучающий диод - светодиод, на который подается управляющий сигнал. Существенным преимуществом фото- и оптронных тиристоров перед тиристорами, управляемыми электрическим сигналом, является отсутствие гальванической связи между силовой цепью прибора и системой их управления.

Оптоэлектроника - это раздел наукн и техники, в ротором изучаются вопросы генерации, обработки, запоминания и хранения информации на основе совместного использования электрических и оптических ивлений. Оптоэлектронные приборы используют при своей работе электромагнитное излучение оптического диапазона.

Современная микроэлектроника не решила проблему всеобщей микроминиатюризации электронной аппаратуры. Такие традиционные элементы, как трансформаторы, разъемные контакты, конденсаторы большой емкости плохо совмещаются с интегральными компонентами из-за больших габаритов. Особые трудности вызывает обеспечение электрической изоляции при связи двух систем: высоковольтной и низковольтной. В частности, такая задача возникает при создании устройств управления высоковольтными установками большой электроэнергии. Здесь на помощь приходит оптоэлектроника. Применение оптического канала связи позволяет обеспечить надежную электрическую изоляцию любых систем, исключить громоздкие реактивные и контактные компоненты, повысить надежность работы оборудования.

Элементная база оптоэлектроники включает в себя:

1) оптоизлучатели - преобразователи электрической энергии в световую;

2) фотоэлектрические приемники излучения (фотоприемники) - преобразователи световой энергии в электрическую;

3) приборы для электрической изоляции при передаче энергии и информации по световому каналу - оптоэлектронные приборы (оптопары);

4) световоды.

Ограничимся рассмотрением наиболее часто применяющихся в промышленной электронике полупроводниковых оптопар, источников или приемников некогерентного излучения.

Полупроводниковым излучателем света является светоизлучающий диод. Известно, что при рекомбинации носителей, т. е. возвращении электрона из зоны проводимости в валентную зону, излучается квант энергии. Наиболее интенсивно рекомбинация происходит вблизи перехода, когда основные носители преодолевают потенциальный барьер и рекомбинируют. Для создания светоизлучающих диодов используют сложные полупроводниковые материалы, у которых квант энергии излучается в оптическом (или инфракрасном) диапазоне, например фосфид галлия, арсенид галлия или карбид кремния. Излучение происходит при пропускании через прибор тока в прямом направлении. Конструкция прибора обеспечивает передачу света от перехода без значительных потерь в толще полупроводника. ВАХ светоизлучающих диодов аналогична характеристикам обычных кремниевых и германиевых диодов.

Светоизлучающие диоды выпускаются в виде отдельных элементов или групп (матриц) для индикации информации в виде букв, цифр и различных символов. Они входят также в состав оптопар. Обозначение светоизлучающего диода на схемах приведено на рис. 1.20, а.

Рис. 1.20. Схемные обозначения светоизлучающего диода (а), фотодиода (б), фототранзистора (в), фототиристора (г) и диодного оптрона (д)

К числу фотоприемников относятся фотодиоды, фототранзисторы, фототиристоры и другие приборы. В § 1.1 было упомянуто явление термогенерации, т. е. перехода электрона из валентной зоны в зону проводимости при нагреве. Аналогичный переход может произойти, если на слой полупроводника воздействовать светом. В результате увеличения числа неосновных носителей увеличивается проводимость вещества (появление фотопроводимости). При облучении светом перехода увеличивается ток неосновных носителей, т. е. увеличивается обратный ток этого перехода: где - световой поток.

На этом основана работа фотодиода, к которому подключается источник обратного напряжения через сопротивление нагрузки . При увеличении Ф увеличивается и растет падение напряжения на нагрузке Обозначение фотодиода на схемах приведено на рис. .

Работа фототранзистора также основана на фотопроводимости. В транзисторе без вывода базы во внешнюю цепь (т е. при ) ток в соответствии с (1.4) определяется

При облучении базы или области коллекторного перехода изменяется ток неосновных носителей пропорционально изменяется . В транзисторе с ОЭ ток усиливается в раз, поэтому мощность сигнала может быть выше, чем в фотодиоде, при том же уровне напряжений источника питания Е. Обозначение фототранзистора приведено на схеме рис. 1.20, в.

Принцип действия фототиристора (схемное обозначение приведено на рис. 1.20,г) на изменении тока воздействии светового облучения. При отсутствии управляющего электрода ток тиристора описывается выражением, получаемым из (1.9):

В фототиристоре . При увеличении светового потока растет и анодный ток . Как показано в § 1.7, при этом увеличиваются коэффициенты , а при достижении тиристор открывается. Таким образом, рост тока при увеличении светового потока стимулирует отпирание тиристора. Ток открытого тиристора может во много раз превышать значение .

Такпм образом, управляемые полупроводниковые приборы (транзистор и тирнстор) в качестве сигнала управления могут использовать товое излучение.

При использовании в качестве фотоприемника фототранзистора может быть получено усиление тока. Общим недостатком оптопар является нелинейность зависимости выходного сигнала от входного, обусловленная нелинейностью характеристик оптопар.

Передача информации от излучателя к фотоприемнику может производиться с помощью световодов: гибких шлангов, состоящих из отражающей оболочки и сердцевины из органического или неорганического стекла. Передача информации по световодам обеспечивает полную защищенность от электромагнитных помех.

Оптоэлектронные приборы находят все более широкое применение в информационной и энергетической электронике, в различных устройствах для передачи и отображения информации.

Классификация и система обозначений тиристоров

Выпускаемые с 1980 года тиристоры имеют классификацию и систему обозначений, установленные ГОСТ 20859.1-89. В основу обозначений тиристоров положен буквенно-цифровой код, состоящий из девяти элементов.

Первый элемент (буква или буквы) обозначает вид прибора: Т – тиристор; ТЛ – лавинный тиристор; ТС – симметричный тиристор (симистор); ТО – оптотиристор; ТЗ – запираемый тиристор; ТБК – комбинированно выключаемый тиристор; ТД – тиристор-диод.

Второй элемент (буква) – подвид тиристора по коммутационным характеристикам: Ч – высокочастотный (быстро включающийся) тиристор; Б – быстродействующий; И – импульсный.

Третий элемент (цифра от 1 до 9) обозначает порядковый номер модификации (разработки).

Четвертый элемент (цифра от 1 до 9) – классификационный размер корпуса прибора.

Пятый элемент (цифра от 0 до 5) – конструктивное исполнение.

Шестой элемент – число, равное значению максимально допустимого среднего тока.

Седьмой элемент – буква Х для приборов с обратной полярностью (основание корпуса – катод).

Восьмой элемент – число, обозначающее класс по повторяющемуся импульсному напряжению в закрытом состоянии (сотни вольт).

Девятый элемент – группа цифр, обозначающая сочетание классификационных параметров: (du зс /dt ). Аббревиатура «зс» означает запертое состояние.

Пример условных обозначений тиристоров по ГОСТ 20859.1–89:

ТЛ171-320-10-6 – тиристор лавинный первой модификации, размер шестигранника «под ключ» 41 мм , конструктивное исполнение – штыревое с гибким катодным выводом, максимально допустимый средний ток в открытом состоянии 320 А , повторяющееся импульсное напряжение в закрытом состоянии 1000 В (10-й класс), критическая скорость нарастания напряжения в закрытом состоянии 500 В/мкс .

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 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.

Основные достоинства оптоэлектронных приборов:

· высокая информационная емкость оптических каналов передачи информации, что является следствием больших значений используемых частот;

· полная гальваническая развязка источника и приемника излучения;

· отсутствие влияния приемника излучения на источник (однонаправленность потока информации);

· невосприимчивость оптических сигналов к электромагнитным полям (высокая помехозащищенность).

Излучающий диод (светодиод)

Излучающий диод, работающий в видимом диапазоне волн, часто называют светоизлучающим, или светодиодом.

Рассмотрим устройство, характеристики, параметры и систему обозначений излучающих диодов.

Устройство. Схематическое изображение структуры излучающего диода представлено на рис. 6.1,а, а его условное графическое обозначение – на рис. 6.2,б.

Излучение возникает при протекании прямого тока диода в результате рекомбинации электронов и дырок в области p-n -перехода и в областях, примыкающих к указанной области. При рекомбинации излучаются фотоны.

Характеристики и параметры . Для излучающих диодов, работающих в видимом диапазоне (длина волн от 0,38 до 0,78 мкм , частота около 10 15 Гц ), широко используются следующие характеристики:

· зависимость яркости излучения L от тока диода i (яркостная характеристика);

зависимость силы света I v от тока диода i .

Рис. 6.1. Структура светоизлучающего диода (а )

и его графическое изображение (б )

Яркостная характеристика для светоизлучающего диода типа АЛ102А представлена на рис. 6.2. Цвет свечения этого диода – красный.

Рис. 6.2. Яркостная характеристика светодиода

График зависимости силы света от тока для светоизлучающего диода типа АЛ316А представлен на рис. 6.3. Цвет свечения – красный.

Рис. 6.3. Зависимость силы света от тока светодиода

Для излучающих диодов, работающих не в видимом диапазоне, используют характеристики, отражающие зависимость мощности излучения Р от тока диода i . Зона возможных положений графика зависимости мощности излучения от тока для излучающего диода типа АЛ119А, работающего в инфракрасном диапазоне (длина волны 0,93…0,96 мкм ), представлена на рис. 6.4.

Приведем для диода АЛ119А его некоторые параметры:

· время нарастания импульса излучения – не более 1000 нс ;

· время спада импульса излучения – не более 1500 нс ;

· постоянное прямое напряжение при i =300 мА – не более 3 В ;

· постоянный максимально допустимый прямой ток при t <+85°C – 200 мА ;

· температура окружающей среды –60 …+85°С.

Рис. 6.4 . Зависимость мощности излучения от тока светодиода

Для информации о возможных значениях коэффициента полезного действия отметим, что излучающие диоды типа ЗЛ115А, АЛ115А, работающие в инфракрасном диапазоне (длина волны 0,95 мкм , ширина спектра не более 0,05 мкм ), имеют коэффициент полезного действия не менее 10 %.

Система обозначений. Используемая система обозначений светоизлучающих диодов предполагает применение двух или трех букв и трех цифр, например АЛ316 или АЛ331. Первая буква указывает на материал, вторая (или вторая и третья) – на конструктивное исполнение: Л – единичный светодиод, ЛС – ряд или матрица светодиодов. Последующие цифры (а иногда буквы) обозначают номер разработки.

Оптоэлектронные приборы

Основные характеристики светоизлучающих диодов видимого диапазона

Основные характеристики светоизлучающих диодов инфракрасного диапазона

Оптоэлектронные приборы в широком понимании

Список использованных источников

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 10 12 – 10 14 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 III B 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

Тип диода	Яркость, кд/м 2 , или сила света, мккд		Цвет свечения	Постоянный прямой ток, мА
КЛ101 А – В АЛ102 А – Г АЛ307 А – Г	10 – 20 кд/м 2 40 – 250 мккд 150 – 1500 мккд		Красный, зеленый Красный, зеленый

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

Тип диода	Полная мощность излучения, мВт	Постоянное прямое напряжение, В	Длина волны излучения, мкм	Время нарастания импульса излучения, нс	Время спада импульса излучения, нс
АЛ106 А – Д	0,6 – 1 (при токе 50 мА) 0,2 – 1,5 (при токе 100 мА) 6 – 10 (при токе 100 мА) 1,5 (при токе 100 мА) 0,2 (при токе 20 мА) 10 (при токе 50 м А)

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 – 0,7 мкм. 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 10 5 – 10 6 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.

Оптоэлектронный полупроводниковый прибор - полупроводниковый прибор, действие которого основано на использовании явлений излучения, передачи или поглощения в видимой, инфракрасной или ультрафиолетовой областях спектра.

Оптоэлектронные приборы в широком понимании представляют собой устройства , использующие оптическое излучение для своей работы: генерации, детектирования, преобразования и передачи информационного сигнала. Как правило, эти приборы включают в себя тот или иной набор оптоэлектронных элементов. В свою очередь, сами приборы можно подразделить на типовые и специальные, считая типовыми те из них, которые серийно производятся для широкого применения в различных отраслях промышленности, а специальные устройства выпускаются с учетом специфики конкретной отрасли - в нашем случае, полиграфии.

Все многообразие оптоэлектронных элементов подразделяют на следующие группы изделий: источники и приемники излучения, индикаторы, элементы оптики и световоды, а также оптические среды, позволяющие создавать элементы управления, отображения и запоминания информации. Известно, что любая систематизация не может быть исчерпывающей, но, как верно отметил наш соотечественник, открывший в 1869 г. периодический закон химических элементов, Дмитрий Иванович Менделеев (1834-1907), наука начинается там, где появляется счет, т.е. оценка, сравнение, классификация, выявление закономерностей, определение критериев, общих признаков. Учитывая это, прежде чем приступить к описанию конкретных элементов, следует хотя бы в общих чертах дать отличительную характеристику оптоэлектронных изделий.

Как было сказано выше, главным отличительным признаком оптоэлектроники является связь с информацией. К примеру, если в какой-то установке для закалки стальных валов используется лазерное излучение, то вряд ли закономерно относить эту установку к оптоэлектронным устройствам (хотя сам источник лазерного излучения имеет на это право).

Было также отмечено, что к оптоэлектронным относят обычно твердотельные элементы (в Московском энергетическом институте издано учебное пособие по курсу «Оптоэлектроника» под названием «Приборы и устройства полупроводниковой оптоэлектроники»). Но это правило не очень жесткое, так как в отдельных изданиях по оптоэлектронике подробно рассматривается работа фотоумножителей и электронно-лучевых трубок (они относятся к типу электровакуумных приборов), газовых лазеров и других устройств, которые не являются твердотельными. Однако в полиграфии упомянутые устройства широко используют наравне с твердотельными (в том числе и полупроводниковыми), решая схожие задачи, поэтому в данном случае они имеют полное право на рассмотрение.

Следует упомянуть еще о трех отличительных чертах, которые, по мнению известного специалиста в области оптоэлектроники Юрия Романовича Носова, характеризуют ее как научно-техническое направление.

Физическую основу оптоэлектроники составляют явления, методы, средства, для которых принципиальны сочетание и неразрывность оптических и электронных процессов. В широком смысле оптоэлектронное устройство определяется как прибор, чувствительный к электромагнитному излучению в видимой, инфракрасной (ИК) или ультрафиолетовой (УФ) областях, или прибор, излучающий и преобразующий некогерентное или когерентное излучение в этих же спектральных областях.

Техническую основу оптоэлектроники определяют конструктивно-технологические концепции современной микроэлектроники: миниатюризация элементов; предпочтительное развитие твердотельных плоскостных конструкций; интеграция элементов и функций.

Функциональное назначение оптоэлектроники состоит в решении задач информатики: генерации (формировании) информации путем преобразования различных внешних воздействий в соответствующие электрические и оптические сигналы; переносе информации; переработке (преобразовании) информации по заданному алгоритму; хранении информации, включающем такие процессы, как запись, собственно хранение, неразрушающее считывание, стирание; отображение информации, т.е. преобразование выходных сигналов информационной системы к воспринимаемому человеком виду.

Список использованных источников

http://www.hi-edu.ru/e-books/xbook138/01/index.html?part-004.htm

http://www.hi-edu.ru/e-books/xbook138/01/index.html?part-003.htm

http://revolution.allbest.ru/radio/00049966_0.html

http://revolution.allbest.ru/radio/00049842.html

ФЕДЕРАЛЬНОЕ АГЕНТСТВО ПО ОБРАЗОВАНИЮ

Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования

ТЮМЕНСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ НЕФТЕГАЗОВЫЙ УНИВЕРСИТЕТ

ИНСТИТУТ ТРАНСПОРТА

Реферат

на тему «Оптоэлектронные приборы.»

Выполнил:

Группы ОБД - 08

Чекардинн

Проверила:

Сидорова А.Э.

Тюмень 2010

1. Элементы оптоэлектронных устройств

   Реферат >> Коммуникации и связь

   По схеме составного транзистора. Оптоэлектронные приборы Работа оптоэлектронных приборов основана на электронно-фотонных... передачи и хранения информации. Простейшим оптоэлектронным прибором является оптоэлектронная пара, или оптрон. Принцип действия...

2. Применение оптронов и приборов для отображения информации

   Реферат >> Коммуникации и связь

   Определения Оптронами называют такие оптоэлектронные приборы , в которых имеются источник и... 2. В. И. Иванов, А. И. Аксенов, А. М. Юшин «Полупроводниковые оптоэлектронные приборы .» / Справочник.”- М.: Энергоатомиздат, 2002 г. 3. Балуев В.К. «Развитие...

3. Признаки классификации полупроводниковых приборов

   Реферат >> Физика

   По каким признакам классифицируются полупроводниковые приборы ? Полупроводниковые приборы классифицируют в зависимости от механизма... оптически прозрачное окно. Светодиод Полупроводниковый оптоэлектронный прибор , преобразующий энергию протекающего прямого...