Элементы оптоэлектронных устройств

Министерство образов ания Республики Беларусь Учреждение образования “Белорусский государственный университет информатики и радиоэлектроники” кафедра ЭВС РЕФЕРАТ На тему: « Э лем енты оптоэлектронных устройств » МИНСК, 2008 1. Оптоэлектронный переключатель представляет гибридную микросхему, содержащую оптоэлектро нную пару и усилитель. В переключателе используются высокоэффективные светодиоды на основе apce нида галлия, легированного кремнием, и быстродействующие кр емниевые p - i - n -фотодиоды. Иммерсионной сре дой является халькогенидное стекло с показателем преломления 2,7. Коэффи циент передачи тока в оптоэлектронной паре составляет 3— 5 при нормально й температуре, времена включения (сумма времен задержка и нарастания фро нта) 100— 250 пс, гальваническая развязка цепи светодиода и фотоприемника по постоянному току 10 9 Ом. Микрос хема выполнена в круглом металлостеклянном корпусе типа ТО-5. 2. Оптоэлектронный ключ п редназначен для коммутации высоковольтных цепей переменного и постоян ного токов. Он имеет четыре независимых канала, каждый из которых содерж ит две оптоэлектронные пары, состоящие из светодиода и высоковольтного p - i - n - фот одиода. Фотодиоды соединены встречно-последовательно, поэтому сопроти вление ключа в запертом состоянии (в отсутствие тока через светодиоды) н езависимо от полярности приложенного напряжения определяется темновы м сопротивлением смещенного в обратном направлении p - i - n -фотодиода; значение его сос тавляет примерно 10 9 Ом. 3. Транзисторный ключ предназначен для коммутации постоянных напряжений до 50 В. Прибор имеет два независимых канала, каждый из к оторых содержит оптоэлектронную пару, состоящую из арсенидгаллиевого светодиода и кремниевого n - p - i - n -фототранзистора. Оптоэлект ронная пара имеет коэффициент передачи тока 2, номинальный рабочий ток 10 мА, быстродействие в режиме усиления 100— 300 нс. 4. Коммутатор аналоговых с игналов предназначен для применения в системах с елективной обработки аналоговых сигналов. Электрическая схема одного канала коммутатора приведена на рис. 1. Канал содержит оптоэлектронную п ару, состоящую из арсенидгаллиевого светодиода и двух встречно включен ных n - i - n -фотодиодов, выполненных в о дном монокристалле. Рис. 1. Э лектрическая схема оптоэлектронного коммутатора аналоговых сигналов На рис. 2 показаны электрические схемы некоторых других типов оптоэ лектронных микросхем. Ключевая микросхема (рис. 2, а ) включает в себя быстродействующую диодную оптоэ лектронную пару, согласованную с монолитным кремниевым усилителем. Она предназначена для замены трансформаторных и релейных связей в логичес ких устройствах ЭВМ и дискретной автоматики. Аналоговый ключ (рис. 2, б ) относится к линейным схемам с оптоэлектронным управлением. При мощност и управляющего сигнала 60— 80 мВт параметры прерывателя достигают значен ий, необходимых для стандартных полупроводниковых микросхем. Оптоэлек тронные маломощные реле постоянного тока (рис. 2, в) пре дназначены для замены аналоговых электромеханических реле с быстродей ствием в миллисекундном диапазоне и гарантируемым числом срабатываний 10 4 — 10 7 . Рис. 2. Эле ктрические схемы некоторых типов оптоэлектронных микросхем: а – ключевая микросхема; б – аналоговый ключ; в – реле постоянного тока. Рис. 3. Э лектрическая схема оптоэлектронных микросхем серии 249 Представляют интерес оптоэлектронные микросхем ы серии 249, в которую входят четыре группы приборов, представляющих собой электронные ключи на основе электролюминесцентных диодов и транзистор ов. Электрическая схема всех групп приборов одинакова (рис. 3). Конструктивно микросхемы оформлены в прямоугольном плоск ом корпусе интегральных микросхем с 14 выводами и имеют два изолированны х канала, что уменьшает габариты и массу аппаратуры, а также расширяет фу нкциональные возможности микросхем. Светодиоды выполнены на основе кр емния и имеют п + - p - n i - n + - структуру. Наличие двух каналов в ключе позволяет использовать его в качестве интегрального пре рывателя аналоговых сигналов и получать высокий коэффициент передачи сигнала (10— 100) при включении фототранзисторов по схеме составного транзи стора. Опто электронные приборы Работа оптоэлектронных приборов основана на электронно-фотонных процессах по лучения, передачи и хранения информации. Простейшим оптоэлектронным прибором является оп тоэлектронная пара, или оптрон. Принцип действия оптрона, состоящего из источника излучения, иммерсионной среды (световода) и фотоприемника, осн ован на преобразовании электрического сигнала в оптический, а затем сно ва в электрический. Оптроны как функциональные приборы обладают сле дующими преимуществами перед обычными радиоэлементами: полной гальванической развязкой «вход – выход» ( сопротивление изоляции превышает 10 12 – 10 14 Ом); абсолютной помехозащищенностью в канале передач и информации (носителями информации являются электрически нейтральные частицы – фотоны); однонаправленностью потока информации, которая связана с особенностями распространения света; широкополосностью из-за высокой частоты оптичес ких колебаний, достаточным быстродействием (единицы наносекунд ); высоким пробивным напряжением (десятки киловоль т); малым уровнем шумов; хорошей механической прочностью. По выполняемым функциям оптрон можно сравнивать с трансформатором (элементом связи) при реле (ключом). В оптронных приборах применяют полупроводниковы е источники излучения – светоизлучающие диоды, изготовляемые из матер иалов соединений группы А III B V , среди которых наиболее перспективн ы фосфид и арсенид галлия. Спектр их излучения лежит в области видимого и ближнего инфракрасного излучения (0,5 – 0,98 мкм). Светоизлучающие диоды на о снове фосфида галлия имеют красный и зеленый цвет свечения. Перспективн ы светодиоды из карбида кремния, обладающие желтым цветом свечения и раб отающие при повышенных температурах, влажности и в агрессивных средах. Светодиоды, излучающие свет в видимом диапазоне с пектра, используют в электронных часах и микрокалькуляторах. Светоизлучающие диоды характеризуются спектрал ьным составом излучения, который достаточно широк, диаграммой направле нности; квантовой эффективностью, определяемой отношением числа испус каемых квантов света к количеству прошедших через p - n -переход электронов; мощност ью (при невидимом излучении) и яркостью (при видимом излучении); вольт-ампе рными, люмен-амперными и ватт-амперными характеристиками; быстродейств ием (нарастанием и спадом электролюминесценции при импульсном возбужд ении), 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 таб л. 2. Таблиц а 1 Основные характеристики светоизлучающих дио дов видимого диапазона Тип диода Яркос ть, кд/м 2 , или сила света, мкк д Постоянное прямое напряж ение, В Цвет свечения Постоянный прямой ток, мА Масса, г КЛ101 А – В АЛ102 А – Г АЛ307 А – Г 10 – 20 кд/м 2 40 – 250 мккд 150 – 1500 мккд 5,5 2,8 2,0 – 2,8 Желтый Красный, зеленый Красный, зеленый 10 – 40 5 – 20 10 – 20 0,03 0,25 0,25 Светои злучающие диоды в оптоэлектронных приборах соединяются с фотоприемник ами иммерсионной средой, основным требованием к которой является перед ача сигнала с минимальными потерями и искажениями. В оптоэлектронных пр иборах используют твердые иммерсионные среды – полимерные органическ ие соединения (оптические клеи и лаки), халькогенидные среды и волоконны е световоды. В зависимости от длины оптического канала между излучателе м и фотоприемником оптоэлектронные приборы можно подразделить на опто пары (длина канала 100 – 300 мкм), оптоизоляторы (до 1 м) и волоконно-оптические линии связи – ВОЛС (до десятков кило метров). Таблица 2. Основные характ еристики светоизлучающих диодов инфракрасного диапазона Тип диода Полная мощность излучения, мВт Постоянно е прямое напряжение, В Длина волны излучения, мкм Время нарастания имп ульса излучения, нс Время спада импульса излучения, нс Масса, г АЛ103 А, Б АЛ106 А – Д АЛ107 А, Б АЛ 108 А АЛ109 А АЛ115 А 0,6 – 1 (пр и токе 50 мА) 0,2 – 1,5 (п ри 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) 1,6 1,7 – 1,9 2 1,35 1,2 2,0 0,95 0,92 – 0,935 0,95 0,94 0,94 0,9 – 1 200 – 300 10 – 400 – 300 500 20 – 1000 – 500 0,1 0,5 0,2 0,15 0,006 0,2 К фотоприемникам, используемым в оптронных прибо рах, предъявляют требования по согласованию спектральных характеристи к с излучателем, минимуму потерь при преобразовании светового сигнала в электрический, фоточувствительности, быстродействию, размерам фоточув ствительной площадки, надежности и уровню шумов. Для оптронов наиболее перспективны фотоприемник и с внутренним фотоэффектом, когда взаимодействие фотонов с электронам и внутри материалов с определенными физическими свойствами приводит к переходам электронов в объеме кристаллической решетки этих материалов . Внутренний фотоэффект проявляется двояко: в изме нении сопротивления фотоприемника под действием света (фоторезисторы) либо в появлении фото-эдс на границе раздела двух материалов – полупров одник-полупроводник, металл-полупроводник (вентильные фотоэлементы, фо тодиоды, фототранзисторы). Фотоприемники с внутренним фотоэффектом подразд еляют на фотодиоды (с p - n -пере ходом, МДП-структурой, барьером Шоттки), фоторезисторы, фотоприемники с в нутренним усилением (фототранзисторы, составные фототранзисторы, фото тиристоры, 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 пов ысить их быстродействие, стабильность и линейность характеристик. Наиболее часто в качестве фотоприемников оптоэл ектронных приборов различной сложности применяют фотодиоды p - i - n -структуры, где i – обедненная область высок ого электрического поля. Меняя толщину этой области, можно получить хоро шие характеристики по быстродействию и чувствительности за счет малой емкости и времени пролета носителей. Повышенными чувствительностью и быстродействие м обладают лавинные фотодиоды, использующие усиление фототока при умно жении носителей заряда. Однако у этих фотодиодов недостаточно стабильн ы параметры в диапазоне температур и требуются источники питания высок ого напряжения. Перспективны для использования в определенных диапазо нах длин волн фотодиоды с барьером Шоттки и с МДП-структурой. Фоторезисторы изготовляют в основном из поликри сталлических полупроводниковых пленок на основе соединения (кадмия с с ерой и селеном). Максимальная спектральная чувствительность фоторезис торов 0,5 – 0,7 мкм. Фоторезисто ры, как правило, применяют при малой освещенности; по чувствительности о ни сравнимы с фотоэлектронными умножителями – приборами с внешним фот оэффектом, но требуют низковольтного питания. Недостатками фоторезист оров являются низкое быстродействие и высокий уровень шумов. Наиболее распространенными фотоприемниками с вн утренним усилением являются фототранзисторы и фототиристоры. Фототран зисторы чувствительнее фотодиодов, но менее быстродействующие. Для бол ьшего повышения чувствительности фотоприемника применяют составной ф ототранзистор, представляющий сочетание фото- и усилительного транзис торов, однако он обладает невысоким быстродействием. В оптронах в качестве фотоприемника можно исполь зовать фототиристор (полупроводниковый прибор с тремя p - n -переходами, переключающийс я при освещении), который обладает высокими чувствительностью и уровнем выходного сигнала, но недостаточным быстродействием. Многообразие типов оптронов определяется в осно вном свойствами и характеристиками фотоприемников. Одно из основных пр именений оптронов – эффективная гальваническая развязка передатчико в и приемников цифровых и аналоговых сигналов. В этом случае оптрон можн о использовать в режиме преобразователя или коммутатора сигналов. Оптр он характеризуется допустимым входным сигналом (током управления), коэф фициентом передачи тока, быстродействием (временем переключения) и нагр узочной способностью. Отношение коэффициента передачи тока к времени п ереключения называется добротностью оптрона и составляет 10 5 – 10 6 для фотодиодных и фототранзисторных оптронов. Широко ис пользуют оптроны на основе фототиристоров. Оптроны на фоторезисторах н е получили широкого распространения из-за низкой временной и температу рной стабильности. Схемы некоторых оптронов приведены на рис. 4, а – г. В качестве когерентных источников излучения при меняют лазеры, обладающие высокой стабильностью, хорошими энергетичес кими характеристиками и эффективностью. В оптоэлектронике для констру ирования компактных устройств используют полупроводниковые лазеры – лазерные диоды, применяемые, например, в волоконно-оптических линиях свя зи вместо традиционных линий передачи информации – кабельных и провод ных. Они обладают высокой пропускной способностью (полоса пропускания е диницы гигагерц), устойчивостью к воздействию электромагнитных помех, м алой массой и габаритами, полной электрической изоляцией от входа к выхо ду, взрыво- и пожаробезопасностью. Особенностью ВОЛС является использов ание специального волоконно-оптического кабеля, структура которого пр едставлена на рис. 5. Промышленные образцы таких кабелей имеют затухание 1 – 3 дБ/км и ниже. Волоконно-оптические линии связи используют для построе ния телефонных и вычислительных сетей, систем кабельного телевидения с высоким качеством передаваемого изображения. Эти линии допускают одно временную передачу десятков тысяч телефонных разговоров и нескольких программ телевидения. В последнее время интенсивно разрабатываются и п олучают распространение оптические интегральные схемы (ОИС), все элемен ты которых формируются осаждением на подложку необходимых материалов. Перспективными в оптоэлектронике являются прибо ры на основе жидких кристаллов, широко используемые в качестве индикато ров в электронных часах. Жидкие кристаллы представляют собой органичес кое вещество (жидкость) со свойствами кристалла и находятся в переходном состоянии между кристаллической фазой и жидкостью. Индикаторы на жидких кристаллах имеют высокую ра зрешающую способность, сравнительно дешевы, потребляют малую мощность и работают при больших уровнях освещенности. Жидкие кристаллы со свойствами, схожими с монокри сталлами (нематики, наиболее часто используют в световых индикаторах и у стройствах оптической памяти. Разработаны и широко применяются жидкие кристаллы, изменяющие цвет при нагревании (холестерики). Другие типы жид ких кристаллов (смектики) используют для термооптической записи информ ации. Оптоэлектронные приборы, разработанные сравните льно недавно, получили широкое распространение в различных областях на уки и техники, благодаря своим уникальным свойствам. Многие из них не име ют аналогов в вакуумной и полупроводниковой технике. Однако существует еще много нерешенных проблем, связанных с разработкой новых материалов, улучшением электрических и эксплуатационных характеристик этих прибо ров и развитием технологических методов их изготовления. ЛИТЕРАТУРА 1. Петров К.С. Ради оматериалы, радиокомпоненты и электроника: Учебное пособие для вузов. – СПб: Питер, 2003. – 512 с. 2. Опадчий Ю.Ф. и д р. Аналоговая и цифровая электроника: Учебник для вузов / Ю.Ф.Опадчий, О.П.Гл удкин, 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 устр ойства РЭА: Справочник / Н.Н.Акимов, Е.П.Ващуков, В.А.Прохоренко, Ю.П. Ходоренок. Мн.: Беларусь, 2005. – 591 с.