Читайте данную работу прямо на сайте или скачайте

Оптроны и их применение

СОДЕРЖАНИЕ:

1.                Введение. 2

1.1.         Основные определения. 2

1.2.         Отличительные особенности оптронов. 2

1.3.         Обобщенная структурная схема. 3

1.4.         Применение. 4

1.5.         История. 5

2.                Физические основы оптронной техники. 6

2.1.         Элементная база и стройство оптронов. 6

2.2.         Физика преобразования энергии в диодном оптроне. 7

3.                Параметры и характеристики оптопар и оптоэлектронных
аинтегральных микросхем. 13

3.1.         Классификация параметров изделий оптронной техники. 13

3.2.         Диодные оптопары. 14

3.3.         Транзисторные и тиристорные оптопары. 15

3.4.         Резисторные оптопары. 15

3.5.         Дифференциальные оптопары. 15

3.6.         Оптоэлектронные микросхемы. 16

4.                Сферы применения оптронов и оптронных микросхем. 16

4.1.         Передача информации. 17

4.2.         Получение и отображение информации. 18

4.3.         Контроль электрических процесов. 18

4.4.         Замена электромеханических изделий. 19

4.5.         Энергетические функции. 19

5.                Литература. 19

1. ВВЕДЕНИЕ

1.1 Основные определения.

Оптронами называюта такие оптоэлектронные приборы, ва которыха имеются источник и приемника излучения (светоизлучатель иа фотоприемник) с тема или иныма видом оптической и электрической связи между ними, конструктивно связанные друга с другом.

Принципа действия оптронов любого вид основана на следующем. Ва излучателе энергия электрического сигнал преобразуется ва световую, ва фотоприемнике, наоборот, световой сигнала вызываета электрический отклик.

Практическиа распространение получили лишь оптроны, у которыха имеется прямая оптическая связь от излучателя к фотоприемнику и, кака правило, исключены все виды электрической связи между этими элементами.

По степени сложностиа структурной схемы среди изделийа оптронной техники выделяюта две группы приборов. Оптопар (говорята также элементарный оптрон) представляет собой оптоэлектронный полупроводниковый прибор, состоящий иза излучающего и фотоприемного элементов, междуа которыми имеется оптическая связь, обеспечивающая электрическую изоляциюа между входома и выходом. Оптоэлектронная интегральная микросхем представляета собой микросхему, состоящую иза однойа или несколькиха оптопара и электрически соединенных с ними одного или нескольких согласующих или силительных стройств.

Таким образом в электронной цепи такой прибор выполняет функцию элемента связи, в котором в то же время осуществлен электрическая (гальваническая) развязка входа и выхода.

1.2 Отличительныеа особенности оптронов.

Достоинства этиха приборов базируются н общем оптоэлектронном принципе использования электрически нейтральных фотонов для переноса информации. Основные из них следующие:

а- возможность обеспечения идеальной электрической (гальванической);развязки между входома и выходом; для оптронова не существует акаких-либо принципиальных физическиха или конструктивныха ограничений по достижению сколь годно высоких напряжений и сопротивлений развязки и сколь годно малой проходной емкости;

а- возможность реализацииа бесконтактного оптического правления электронными объектами и обусловленные этима разнообразие и гибкость конструкторских решений правляющих цепей;

а- однонаправленность распространения информации по оптическому каналу, отсутствие обратной реакции приемника на излучатель;

- широкая частотная полос пропускания оптрона, отсутствие ограничения со стороны низкиха частот (что свойственно импульсным трансформаторам); возможность передачиа по оптронной цепиа кака импульсного сигнала, так и постоянной составляющей;

- возможность управления выходным сигналом оптрона путем воздействия (ва том числеа и неэлектрического)а н материала оптического канал и вытекающая отсюд возможность создания разнообразных датчиков, такжеа разнообразныха приборов для передачи информации;

- возможность создания функциональных микроэлектронныха стройства са фотоприемниками, характеристики которыха приа освещении изменяются по сложному заданному закону;

- невосприимчивость оптических каналов связи к воздействию электромагнитныха полей, что в случае длинныха оптронова (са протяженным волоконно-оптическима световодома междуа излучателема и приемником) обусловливает их защищенность ота помех и течки информации, также исключает взаимные наводки ;

- физическая и конструктивно-технологическая совместимость с другимиа полупроводниковыми и микроэлектронными приборами.

Оптронам присущи и определенные недостатки:

- значительная потребляемая мощность, обусловленная необходимостью двойного преобразования энергии (электричество - света - электричество)а и невысокими КПД этих переходов;

- повышенная чувствительность параметров и характеристика к воздействию повышенной температуры и проникающей ядерной радиации;

- более или менее заметная временная деградация (ухудшение) параметров;

-относительно высокий ровень собственных шумов, обусловленный, как и два предыдущих недостатка, особенностями физики светодиодов;

- сложность реализации обратных связей, вызванная электрическойа разобщенностью входной и выходной цепей;

- конструктивно-технологическое несовершенство, связанное с использованием гибриднойа непланарной технологии, (с необходимостью объединения ва одном приборе нескольких - отдельныха кристаллова из различных полупроводников, располагаемыха ва разных плоскостях).

Перечисленныеа недостатки оптронова по мере совершенствования материалов, технологии, схемотехники частично страняются, но тема не менееа еще длительное время будута носить достаточно принципиальный характер. Однако их достоинства столь высоки, что обеспечиваюта веренную внеконкурентность оптронова среди других приборов микроэлектроники.

1.                 

1.3 Обобщенная структурная схема (рис. 1.1).

Рис 1.1. Обобщенная структурная схема оптрона.

Как элемент связи оптрон характеризуется коэффициентом передачи К_i , определяемым отношением выходного и входного сигналов, и максимальной скоростьюа передачи информации F. Практически вместо F измеряюта длительностиа нарастания и спад передаваемыха импульсов t_нар(_сп)а или граничную частоту. Возможностиа оптрона как элемент гальванической развязкиа характеризуются максимальным напряжением и сопротивлением развязки U_разв и R_разв и проходной емкостью C_разв.

Ва структурой схеме рис. 1.1а входное стройство служита для оптимизации рабочего режим излучателя (например, смещения светодиод н линейныйа участок ватт-ампернойа характеристики)а и преобразования (усиления)а внешнего сигнала. Входной блока должен обладать высоким КПД преобразования, высокима быстродействием, широким динамическим диапазонома допустимыха входныха токова (для линейных систем), малыма значениема Упорогового входного тока, при котором обеспечивается надежная передача информации по цепи.

Назначениеа оптической среды - передач энергии оптического сигнал от излучателя к фотоприемнику, такжеа во многиха случаях обеспечение механической целостности конструкции.

Принципиальная возможность правления оптическимиа свойствами среды, напримера са помощью использования электрооптических или магнитооптическиха эффектов, отражен введениема ва схемуа устройств правления, Ва этома случае мы получаем оптрона с управляемым

оптическима каналом, функционально отличающийся от обычного оптрона: изменение выходного сигнал может осуществляться как по входу, так и по цепи правления.

Ва фотоприемнике происходита восстановление информационного сигнала из оптического в электрический; при этом стремятся иметь высокуюа чувствительность и высокое быстродействие.

Наконец, выходное стройство призвано преобразовать сигнал фотоприемник в стандартную форму, добную для воздействия н последующие з оптроном каскады. Практически обязательной функциейа выходного стройства является усиление сигнала, так кака потери послеа двойного пpeобразования очень значительны. Нередко функцию силения выполняет иа сам фотоприемника (например, фототранзистор).

Общая структурная схем рис. 1.1 реализуется ва каждома конкретнома приборе лишь частьюа блоков. Ва соответствии с этима выделяют три основные группы приборова оптронной техники;а ранее названные оптопары (элементарныеа оптроны), использующие блоки светоизлучатель -а оптическая сред - фотоприемник; оптоэлектронные (оптронные) микросхемы (оптопары с добавлением выходного, иногда и входного стройства); специальные виды оптронов -а приборы, функционально иа конструктивно существенно отличающиеся от элементарных оптронова и оптоэлектронныха ИС

Реальный оптрон может быть строена и сложнее, чем схема н рис. 1.1;а каждый иза казанных блоков может включать в себя не один, несколько одинаковыха или подобныха друг другу элементов, связанных электрически и оптически, однако это не изменяет существенно основ физики и электроники оптрона.

1.4 Применение.

В качествеа элементов гальванической развязкиа оптроны применяются:а для связи блоков аппаратуры, междуа которыми имеется значительная разность потенциалов;а для защиты входных цепей измерительных стройств от помех и наводок; и т.д.

Другая важнейшая область применения оптронов - оптическое, бесконтактное правление сильноточными и высоковольтными цепями. Запуска мощных тиристоров, триаков, симисторов, управление электромеханическими релейными стройствами

Специфическую группу правляющих оптронов составляют резисторныеа оптроны, предназначенные для слаботочныха схема коммутации ва сложныха устройствах визуального отображения информации, выполненныха на электролюминесцентных (порошковых) индикаторах, мнемосхемах, экранах.

Созданиеа Удлинныха оптронова (приборова с протяженныма гибкима волоконнооптическима световодом) открыло совершенно новое направление применения изделий оптронной техники - связь на коротких расстояниях.

Различные оптроны (диодные, резисторные, транзисторные)а находята применениеа и ва чисто радиотехнических схемах модуляции, автоматической регулировки усиления и др. Воздействие по аоптическому каналу используется здесь для вывода схемы в оптимальный рабочий режим, для бесконтактной перестройкиа режима и т. п.

Возможность изменения свойств оптического канала при различныха внешниха воздействияха н него позволяет создать целуюа серию оптронных датчиков:а таковы датчики влажности и загазованности, датчик наличия ва объеме тойа или иной жидкости, датчики чистоты обработки поверхности предмета, скоростиа его перемещения и т. п.

Достаточно специфическим является использование оптронов в энергетических целях, т. е. работа диодного оптрон ва фотовентильном режиме. В такома режиме фотодиода генерируета электрическую мощность в нагрузкуа и оптрон до определенной степени подобен маломощному вторичномуа источнику питания, полностьюа развязанному от первичной цепи;

Создание оптронова с фоторезисторами, свойства которыха при освещенииа меняются по заданному сложному закону, позволяета моделировать математические функции, является шагома на путиа создания функциональной оптоэлектроники.

ниверсальность оптронова кака элементов гальванической развязки и бесконтактного правления, разнообразие и никальность многих другиха функций являются причиной того, что сферами применения этих приборов стали вычислительная техника, автоматика, связная и радиотехническая аппаратура, автоматизированные системы правления, измерительная техника, системы контроля иа регулирования, медицинская электроника, стройства визуального отображения информации.

1.5 История

Идея создания и применения oптронов относится к 1955 г., когда в работе Loebner E. E. УOpto-electronic devices networkФ была предложена целая серия приборов с оптическими и электрическими связямиа между элементами, что позволяло осуществлять силение и спектральное преобразование световых сигналов, создавать приборы са двумя стойчивымиа состояниями - бистабильныеа оптроны, оптоэлектронные устройства накопления и хранения информации логические схемы, регистры сдвига. Там же был предложена и термина оптрон, образованный как сокращение от английского Уoptical-electronicа deviceФ.

Описанные ва этой работеа оптроны, отлично иллюстрируя принципы, оказались непригодными для промышленной реализации, так как основывались на несовершеннойа элементарной базе - неэффективныха и инерционных порошковыха злектролюминесцентных конденсаторах (излучатель) и фоторезистораха (приемник). Несовершенны былиа и важнейшие эксплуатационные характеристики приборов: низкотемпературная и временная стабильность параметров, недостаточная стойчивость к механическим воздействиям. Поэтому. на первых пораха оптрона оставался лишь интересным научным достижением не находящим применения в технике.

Лишь в середине 60-х годов развития полупроводниковых светоизлучающих диодов и технологическиа совершенных высокоэффективныха быстродействующиха кремниевыха фотоприемников с р - n-переходами (фотодиоды и фототранзисторы) начала создаваться элементарная база современной оптронной техники. К началу 70-х годов производство оптронов в ведущих странах мира превратилось ва важнуюа и быстро развивающуюся отрасль электронной техники, спешно дополняющую традиционную микроэлектронику.

2. ФИЗИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ОПТРОННОЙ ТЕХНИКИ

2.1. ЭЛЕМЕНТНАЯ БАЗА И СТРОЙСТВО ОПТРОНОВ

Элементную основу оптронов составляюта фотоприемникиа и излучатели, также оптическая среда между ними. Ко всема этима элементам предъявляются такие общие требования, как малые габариты и масса, высокая долговечность и надежность, стойчивость к механическима и климатическим воздействиям, технологичность, низкая стоимость. Желательно также чтобы элементы прошли достаточно широкую и длительную промышленную апробацию.

Функционально (кака элемента схемы) оптрона характеризуется в первую очередь тем, какой вид фотоприемника в нем используется.

спешное использование фотоприемника в оптроне определяется выполнениема следующиха основных требований:а эффективность преобразования энергииа квантов излучения ва энергиюа подвижныха электрических; наличие и эффективность внутреннего встроенного усиления;а высокое быстродействие; широта функциональных возможностей.

В оптронах используются фотоприемники различных структур , чувствительные в видимой и ближней инфракрасной области, так как именно в этом диапазоне спектра имеются интенсивныеа источники излучения и возможна работа фотоприемников без охлаждения.

Наиболее ниверсальными являются фотоприемники с р - n-переходами (диоды, транзисторы и т, п.), в подавляющем большинстве случаев они изготовляются на основе кремния и область их максимальной спектральнойа чувствительности находится вблизи l=0,7...0,9мкм.

Многочисленные требования предъявляются и к излучателяма оптронов. Основные из них: спектральное согласование са выбранным фотоприемником;а высокая эффективность преобразования энергииа электрического ток ва энергиюа излучения;а преимущественная направленность излучения; высокое быстродействие; простота и добство возбуждения и модуляции излучения.

Для использования в оптронах пригодны и доступны несколько разновидностей излучателей:

- Миниатюрные лампочки накаливания.

- Неоновые лампочки, в которых используется свечениеа электрического разряд газовой смеси неон-аргон.

Этима видама излучателей свойственны невысокая светоотдача, низкая стойчивость к механическима воздействиям, ограниченная долговечность, большиеа габариты, полная несовместимость с интегральной технологией. Тема не менее в отдельныха видах оптронов они могут находить применение.

- Порошковая электролюминесцентная ячейка использует в качестве светящегося тела мелкокристаллические зерн сульфид цинк (активированного медью, марганцем или другими присадками),взвешенные в полимеризующемся диэлектрике. При приложении достаточно высоких напряжений переменного тока идет процесс предпробойной люминесценции.

- Тонкопленочные электролюминесцентные ячейки. Свечение здесь связано с возбуждением атомов марганца горячими электронами.

И порошковые, и пленочные электролюминесцентные ячейки имеют невысокую эффективность преобразования электрическойа энергии ва световую, низкую долговечность (особенно- тонкопленочные ), сложны в правленииа (например, оптимальный режим для порошковых люминофорова ~220а Ва при f=400а... 80Гц). Основное достоинство этиха излучателей -а конструктивно-технологическая совместимость с фоторезисторами, возможность создания н этой основе многофункциональных, многоэлементных оптронных структур.

Основным наиболее ниверсальным видома излучателя, используемыма ва оптронах, является полупроводниковый инжекционный светоизлучающий диод -а светодиод. Это обусловлено следующими его достоинствами:а высокоеа значение КДа преобразования электрическойа энергии в оптическую;а зкий спектр излучения (квазимонохроматичность); широт спектрального диапазона, перекрываемого различнымиа светодиодами;а направленность излучения;а высокое быстродействие;а малыеа значения питающиха напряженийа и токов;а совместимость са транзисторами и интегральными схемами;а простот модуляцииа мощности излучения путема изменения прямого тока;а возможность работы как ва импульсном, так и в непрерывнома режиме; линейность ватт-ампернойа характеристики ва болееа или менее широкома диапазоне входныха токов;а высокая надежность и долговечность;а малыеа габариты;а технологическая совместимость с изделиями микроэлектроники.

Общие требования, предъявляемые к оптической иммерсионной среде оптрона, следующие: высокое значениеа показателя преломления n_им;а высокое значение дельного сопротивления r_им; высокая критическая напряженность поля Е_{им кр}, достаточная теплостойкость Dq_{им раб}; хорошая адгезия са кристалламиа кремния и арсенида галлия; эластичность (это необходимо, так как не дается обеспечить согласование элементов оптрона по коэффициентама термического расширения);а механическая прочность, так кака иммерсионная сред в оптопареа выполняета не только светопередающие, но и конструкционные функции;а технологичность (удобство использования, воспроизводимость свойств, дешевизна и т. п.).

Основным видом иммерсионной среды, используемой в оптронаха являются полимерные оптические клеи. Для них типично n_им =1,4... 1,6, r_им > 10¹²... 10¹⁴а Ом см, Е_{им кр} =80 кВ/мм, Dq_{им раб} = - 60... 120 C. Клеи обладают хорошей адгезией к кремнию и арсениду галлия, сочетают высокую механическую прочность и устойчивость к термоциклированию. Используются также незатвердевающие вазелиноподобные и каучукоподобные оптические среды

2.2. ФИЗИКА ПРЕОБРАЗОВАНИЯ ЭHEPГИИ В ДИОДНОМ ОПТРОНЕ

Рассмотрение процессов преобразования энергии ва оптроне требуета учитывать квантовую природу света. Известно, что электромагнитное излучениеа можета быть представлено ва виде поток частиц -а квантов (фотонов), энергия. каждого из которыха определяется соотношением;

E_ф=hn=hc/nl (2.1)

где hа -а постоянная Планка ;

с - скорость света в вакууме ;

n - показатель преломления полупроводника ;

n, l - частота колебаний и длина волны оптического излучения.

Если плотность потока квантова (т. е. число квантов, пролетающиха череза единицу площади в единицу вpeмени)а равн N_ф, то полная дельная мощность излучения составит:

P_ф= N_ф E_ф (2.2)

и, как видно из (2.1), при заданном N_ф он тем больше, чема корочеа длин волны излучения. Поскольку н практикеа заданной бывает P_ф (энергетическая облученность фотоприемника), то представляется полезным следующее соотношение

N_ф = P_ф/ E_ф=510¹⁵ l P_ф (2.3)

Рис.2.1. Энергетическая диаграмма прямозонного полупроводника (на примере тройного соединения GaAsP).

где N_ф, см^-2с^-1; l, мкм; P_ф, мВт/см.

Механизм инжекционной люминесценции в светодиоде состоит из трех основныха процессов: излучательная (иа безызлучательная) рекомбинация в полупроводниках, инжекция избыточныха неосновных носителей заряда в базу светодиод и вывода излучения из области генерации.

Рекомбинация носителей заряд в полупроводнике определяется прежде всего его зонной диаграммой, наличием и природой примесей и дефектов, степенью нарушения равновесного состояния. Основные материалы оптронныха излучателейа (GaAsа и тройные соединения на его основе GaA1As и GaAsP) относятся к прямозонныма полупроводникам т.е. к таким, ва которых разрешенными являются прямые оптические переходы зона-зона (рис.2.1.). Каждый акт рекомбинации носителя заряда по этой схеме сопровождается излучением кванта, длина волны которого в соответствии с законом сохранения энергии определяется соотношением

l_изл[мкм] =1,23/ E_ф[эB] (2.4)

Следует отметить, Что имеются и конкурирующие безызлучательные - механизмы рекомбинации . К числу важнейших из них относятся:

1. Рекомбинация на глубоких центрах. Электрон может переходить в валентную зону не прямо, через те или иные центры рекомбинации, образующие разрешенные энергетические ровни в запрещенной зоне (уровень E_t на рисунке 2.1).

2. Оже-рекомбинация (илиа ударная). При очень высоких концентрациях свободныха носителей заряд в полупроводнике растета вероятность столкновения трех тел, энергия рекомбинирующей электронно-дырочкой пары при этом отдается третьему свободному носителю в форме кинетическойа энергии, которую она постепенно растрачивает при соударениях с решеткой.

рис.2.2. Электрическая (a) и оптическая (b) модели светодиода. A - оптически прозрачная часть кристалла; B - активная часть кристалла; C -Унепрозрачная часть кристалла; D - омические контакты; E - область объемного заряда.

Относительная роль различныха механизмов рекомбинации описывается введением понятия внутреннего квантового выход излучения h_int, определяемого отношением вероятности излучательной рекомбинации к полнойа (излучательной и безызлучательной) вероятности рекомбинации (или, иначе, отношением числа генерированных квантов к числу инжектированных за то же время неосновных носителей заряда). Значение h_int является важнейшей характеристикой материала, используемого в светодиоде; очевидно, что 0аh_int

Создание избыточной концентрации свободных носителей в активнойа (излучающей) области кристалла светодиод осуществляется путем инжекции иха р - n-переходом, смещенныма в прямома направлении.

Полезной компонентной тока, поддерживающейа излучательную рекомбинацию в активной области диода, является тока электронова I_n а(рис.2.2, ), инжектируемых р - n-переходом. К бесполезным компонентам прямого тока относятся:

1. Дырочная составляющая I_p, обусловленная инжекцией дырока ва n-область иа отражающая тот факт, что р - n-переходов са односторонней инжекцией не бывает, Доля этого тока тема меньше чема сильнее легирована n-область по сравнению с р-областью.

2. Тока рекомбинации (безызлучательной)а в области объемного заряд ра -а n-переход I_рек. В полупроводникаха c большой шириной запрещенной азоны при малых прямыха смещенияха доля этого тока можета быть заметной.

3. Туннельный ток I_тун , обусловленный просачиванием носителей заряд череза потенциальный барьер. Тока переносится основными носителями и вклад в излучательную рекомбинацию не дает. Туннельныйа ток тема больше, чема уже р -а n-переход, она заметен при сильной степени легирования базовой области и при больших прямых смещениях.

4. Ток поверхностных течек I_пов, обусловленный отличиема свойства поверхности полупроводник от свойств объем и наличием теха или иныха закорачивающих включений.

Эффективность ра - n-переход характеризуется коэффициентом инжекции:

(2.5)

Очевидно, что пределы возможного изменения g те же, что и у h_int, т. е. 0аg

При выводе излучения иза области генерации имеют место следующие виды потерь энергии (рис. 2.2,6):

1. Потери на самопоглощение (лучи 1). Если длина волны генерируемых квантов в точности соответствуета формуле (2.4), то он совпадает c красной границей поглощения (см. ниже), иа такое излучение быстро поглощается ва толще полупроводник (самопоглощение).Ва действительности, излучение в прямозонных полупроводникаха идета не по приведенной выше идеальной, схеме. Поэтому длин волны генерируемыха квантов несколько больше, чем по (2.4):

2. Потери на полное внутреннее отражение (лучи 2).Известно, что при падении лучей света на границу раздела оптически плотной среды (полупроводник) с оптически менее плотной (воздух) для части этих лучей выполняется условие полного внутреннего отражения такие лучи, отразившиеся внутрь кристалла, в конечном счете теряются за счет самопоглощения.

3. Потери на обратное и торцевое излучение (луч 3а и 4).

Количественно эффективность вывода оптической энергии из кристалла характеризуется коэффициентом вывода К_опт определяемым отношением мощности излучения, выходящего ва нужном направлении, к мощности излучения, генерируемой внутри кристалла. Така же, как и для коэффициентов h_int и g, всегда выполняется словие 0К_опт

Интегральным показателем излучеательной способности светодиода является величина внешнего квантового выхода h_ext. Из сказанного ясно, что h_ext= h_int g К_опт.

Перейдем к приемному блоку. Принцип действия используемых в оптронах фотприемников основан на внутреннема фотоэффекте, заключающемся в отрыве электронов от атомов внутри тела под действием электромагнитного (оптического)а излучения.

Кванты света, поглощаясь в кристалле, могут вызывать отрыв электронова от атомова как самого полупроводника, така иа примеси. Ва соответствииа с этим говорят о собственном (беспримесном) и примесном поглощении (фотоэффекте). Поскольку концентрация примесных атомов мала, фотоэлектрические эффекты, основанные н собственном поглощении, всегд существеннее, чем основанные н примесном. Все используемые в оптронах фотоприемники работают н беспримесном фотоэффекте. Для того чтобы квант свет вызывала отрыв электрон от атома, необходимо выполнениеа очевидных энергетическиха соотношений:

E_ф1=hn₁E_c-E_v (2.6)

E_ф2=hn₂E_c-E_t (2.7)

Такима образом, собственный фотоэффекта можета иметь место лишь при воздействии н полупроводник излучения c длиной волны, меньшей некоторого значения l_гр:

l_гр=hc/( E_c-E_v)_g (2.8)

Второе равенство в (2.8)а справедливо, если l_гр выражено ва микрометрах, ширина запрещенной зоны полупроводника E_g -а ва электроновольтах. Величину l_гр называюта длинноволновой или красной границей спектральной чувствительности материала.

Интенсивность протекания фотоэффекта (в той спектральной области, где она может существовать) зависит от квантового выхода, определяемого отношением числа генерированных пар электрон-дырка к числу поглощенны фотонов. Анализа экспериментальныха зависимостей от показывает, что в интереснойа для оптронова спектральной области b=1.

Образование свободных носителей заряда под действием облучения проявляется в полупроводнике в виде двуха фотоэлектрических эффектов:а фотопроводимости (возрастание проводимости образц при засветке) и фотовольтаического (возникновение фото-ЭДС на р - n-переходеа или другом виде потенциального барьера в полупроводнике при освещении). Оба эффекта используются в практикеа конструирования фотоприемников; для оптронов предпочтительным и доминирующима является использование фото-ЭДС-эффекта.

Основные параметры и характеристики фотоприемников (безотносительно к физической природе и конструкции этих приборов) можно подразделить на несколько групп, К оптическим характеристикам относятся площадь фоточувствительной поверхности, материал, размеры и конфигурация оптического окна; максимальный и минимальный ровни мощностиа излучения. К электрооптическим - фоточувствительность, степень однородности распределения чувствительности по фотоприемной площадке;а спектральная плотность чувствительности (зависимость параметра, характеризующего чувствительность, от длины волны); собственные шумы фотоприемника и их зависимость от ровня засветки и диапазон рабочиха частот; разрешающее время (быстродействие); коэффициент качества (комбинированный показатель, позволяющий сопоставлять различные фотоприемники друг с другом); показатель линейности; динамический диапазон. Как элемент электрической цепи фотоприемник характеризуется прежде всего параметрами его эквивалентной схемы, требованиями к рабочим режимам, наличиема (или отсутствием)а встроенного механизм силения, видома и формой выходного сигнала. Прочие характеристики: эксплуатационные, надежностные, габаритные, технологические -а ничего специфически фотоприемното не содержат.

В зависимости от характера выходного сигнала (напряжение, ток)а говорят о вольтовой или токовой фоточувствительности приемника S, измеряемыха соответственно в В/Вт или А/Вт. Линейность (или нелинейность) фотоприемник определяется значениема показателя степениа nа в равнении, связывающем выходной сигнал c входным: U_вых( или I_вых)~P_ф. При nфотоприемника линеен;а область значений P_ф(от P_{ф max} до P_{ф min}), ва которой это выполняется, определяета динамический диапазон линейности фотоприемника а выражаемый обычно в децибелах: _{ф max} /P_{ф min}).

Важнейшима параметром фотоприемника, определяющим порог его чувствительности, является дельная обнаружительная способность D, измеряемая в Вт^-1мГц^1/2. При известнома значении D порог чувствительности (минимальная фиксируемая мощность излучения) определяется как

P_{ф min}= (2.9)

где А - площадь фоточувствительной площадки; а рабочиха частота силителя фотосигналов. Иными словами, параметр D играет роль коэффициента качества фотоприемника.

В применении к оптронама не все перечисленные характеристики оказываются одинаково важными. Как правило, фотоприемникиа ва оптронаха работаюта при облученностях, очень далекиха от пороговых, поэтому использование параметров P_{ф min} и D оказывается практически бесполезным. Конструктивно фотоприемник в оптроне обычно, утоплен в иммерсионную. среду, соединяющую его с излучателем, поэтому знание оптических характеристик входного окна теряет смысл (как правило, специально такого окна нет). Не очень важно знать и распределение чувствительности по фоточувствительной площадке, так как интерес представляют интегральные эффекты.

Рис. 2.4. Схемы измерения и семейства вольт-амперных характеристик в фотодиодном (а) и фотовентильном (б) режимах работы диода.

Механизм работы фотоприемников, базирующихся на фотовольтаическом эффекте, рассмотрим н примере планарно-эпитаксиальных фотодиодова c р -а n-переходома и с р - i - n-структурой, в которыха можно выделить n⁺- подложку, базуа n-а или i-тип (слабая проводимость n-типа)а и тонкий р⁺-слой. При работеа в фотодиоднома режиме (рис. 2.4, )а приложенное извне напряжение заставляет подвижные дырки и электроны ходить от р - n(р - i)-перехода;а при этома картина распределения поля ва кристалле оказывается резко различной для двух рассматриваемых структур.

Световоеа излучение, поглощаясь в базовой области диода, генерирует электронно-дырочные пары, которые диффундируюта к ра -а n-переходу, разделяются им и вызывают появление дополнительного ток во внешней цепи. В р -а i -а n-диодах это разделение происходита в поле i-o6лaстиа и вместо процесс диффузии имеета место дрейф носителей заряд под влияниема электрического поля. Каждая генерированная электронно-дырочная пара, прошедшая череза ра -а n-переход, вызываета прохождение во внешнейа цепи заряда, равного заряду электрона. Чема больше облученность диода, тем больше фототок. Фототока протекаета и при смещенииа диод в прямома направленииа (рис. 2.4, ), однако уже при небольших напряжениях он оказывается намного меньше прямого тока, поэтому его выделение оказывается затруднительным.

Рабочей областью вольт-амперных характеристик фотодиода является квадранта на рис. 2.4, ; соответственно этому в качествеа важнейшего параметр выступает токовая чувствительность

(2.10)

Второе равенство в (2.10) получено в предположении линейной зависимости I_ф=f(P_ф), третье - при словии пренебрежения темновыма током (), что для кремниевых фотодиодов обычно выполняется.

Если освещать фотодиод без приложения к нему внешнего смещения, то процесс разделения генерируемых электронов и дырок будет протекать благодаря действию собственного встроенного поля ра -а n-перехода. При этома дыркиа будута перетекать ва р-область и частично компенсировать встроенное полеа ра -а n-перехода. Создается некоторое новое равновесное (для данного значения: P_ф)а состояние, при которома н внешниха выводах диод возникает фото-ЭДС U_ф. Если замкнуть освещенныйа фотодиода н некоторуюа нагрузку, то он будета отдавать в нее полезную электрическую мощность Р_э.

Характеристическими точками вольт-амперных характеристик диода, работающего в таком - фотовентильном - режиме, являются ЭДС холостого хода U_xx и ток короткого замыкания I_кз (рис. 2.4,б).

Схематически фотодиод в вентильном режиме работает как своеобразныйный вторичный источник питания, поэтому его определяющим параметром является КДа преобразования световой энергии в электрическую:

КПД=P_э/AP_ф=aU_xxI_кз/ Ap_ф (2.11)

В фотовентильном режиме действует важный класс фотоэлектрических приборов - солнечные батареи.

3. ПАРАМЕТРЫ И ХАРАКТЕРИСТИКИ ОПТОПАР И ОПТОЭЛЕКТРОННЫХ ИНТЕГРАЛЬНЫХ МИКРОСХЕМ

3.1. КЛАССИФИКАЦЯа ПАРАМЕТРОВ ИЗДЕЛИЙ

ОПТРОННОИ ТЕХНИКИ

При классификации изделийа оптронной техники учитывается дв момента:а тип фотоприемного стройства и конструктивные особенности прибора в целом.

Выбор первого классификационного признак обусловлена тем, что практически у всех оптронова на входе помещена светодиода иа функциональные возможности прибор определяются выходными характеристиками фотоприемного стройства.

В качестве второго признака принято конструктивное исполнение, которое определяет специфику применения оптрона.

Используя этот смешанный конструктивно-схемотехническийа принципа классификации, логично выделить три основные группы изделий оптронной техники: оптопары (элементарные оптроны), оптоэлектронные (оптронные) интегральные микросхемы иа специальные виды оптронов. К каждой из этиха групп относится большое число видов приборов.

Для наиболее распространенных оптопар используются следующие сокращения:

Д - диодная, Т - транзисторная, R - резисторная, У - тиристорная, Т² - с составным фототранзистором, ДТ - диодно-транзисторная, Д (Т) - диодная (транзисторная) дифференциальная.

Систем параметрова изделий оптронной техникиа базируется н системеа параметрова оптопар, которая формируется из четырех групп параметров и режимов.

Рис 3.1. К определению импульсных параметров оптопар.

Первая групп характеризуета входную цепь оптопары (входные параметры), вторая -а ееа выходную цепь (выходныеа параметры), третья -а объединяета параметры, характеризующие степень воздействия излучателя на фотоприемника иа связанные са этима особенности прохождения сигнал череза оптопару кака элемента связи (параметры передаточной характеристики), наконец, четвертая групп объединяета параметры гальванической развязки, значения которыха показывают, насколько приближается оптопар к идеальному элементу развязки. Из четырех перечисленныха групп определяющими, специфически оптронными являются параметры передаточной характеристики и параметры гальванической развязки.

Важнейшим параметром диодной и транзисторной оптопар является коэффициента передачиа тока. Определение импульсныха параметрова оптронов ясно из (рис. 3.1). Отсчетными ровнями при измерении параметров t_нар(сп), t_зд, и t_{вкл(выкл)} обычно служат ровни 0.1 и 0.9, полное время логической задержки сигнала определяется по ровню 0,5 амплитуды импульса.

Рис. 3.2. словные обозначения оптопар.

Параметрами гальванической развязки. Оптопар являются: максимально допустимое пиковое напряжениеа между входома иа выходома U_{разв п max}; максимально допустимое напряжение между входом и выходом U_{разв max}; сопротивлениеа гальванической развязки R_разв;а проходная емкость C_разв; максимально допустимая скорость изменения напряжения между входом в выходом (dU_разв/dt)_max. Важнейшим является параметр U_{разв п max}. Именно он определяета электрическую прочность оптопары и ее возможности как элемента гальванической развязки.

Рассмотренные параметры оптопар полностью или с некоторыми изменениями используются и для описания оптоэлектронных интегральных микросхем.

3.2. ДИОДНЫЕ ОПТОПАРЫ

Диодные оптопары (рис. 3.2, )а в большой степени, чем какие-либо: другие приборы, характеризуют ровень оптронной техники. По величине К_i можно судить о достигнутых КПД преобразования энергии в оптроне; значения временных параметров позволяют определить предельные скоростиа распространения информации. Подключение к диодной оптопаре тех илиа иных силительных элементов, весьма полезное и добное, не может тем не менее дать выигрыша ниа по энергетике, ни по предельным частотам.

3.3. ТРАНЗИСТОРНЫЕ И ТИРИСТОРНЫЕ ОПТОПАРЫ

Транзисторные оптопары (рис. 3.2, c) рядом своих свойств выгодно отличаются от других видов оптронов. Это прежде всего схемотехническая гибкость, проявляющаяся в том, что коллекторным током можно управлять как по цепи светодиода (оптически), так и по базовой цепи (электрически), также в том, что выходная цепь может работать и в линейном и в ключевом режиме. Механизм внутреннего силения обеспечивает получение больших значений коэффициента передачи ток К_i, така что последующие силительные каскады не всегд необходимы. Важно, что при этома инерционность оптопары не очень велик и для многих случаева вполне допустима. Выходные токи фототранзисторова значительно выше, чем, например, у фотодиодов, что делаета их пригодными для коммутации широкого круга электрических цепей. Наконец, следует отметить, что все это достигается при относительной технологической простоте транзисторныха оптопар.

Тиристорные оптопары (рис. 3.2, b) наиболее перспективны для коммутации сильноточных высоковольтныха цепей:а по сочетаниюа мощности, коммутируемой в нагрузке, и быстродействию они явно предпочтительнее Т²а -оптопар. Оптопары тип АОУ103 предназначены для использования ва качестве бесконтактныха ключевыха элементова ва различных радиоэлектронных схемах: ва цепях правления, силителях мощности, формирователях импульсов и т. п.

3.4. РЕЗИСТОРНЫЕ ОПТОПАРЫ

Резисторные оптопары (рис. 3.2, d)а принципиально отличаются от всеха других видова оптопар физическими и конструктивно-технологическими особенностями, также составома и значениями параметров.

Ва основе принцип действия фоторезистор лежит эффект фотопроводимости, т. е. изменения сопротивления полупроводник при освещении.

3.5. ДИФФЕРЕНЦИАЛЬНЫЕ ОПТОПАРЫ ДЛЯ ПЕРЕДАЧИ АНАЛОГОВОГО СИГНАЛА

Весь изложенный выше материал касается вопросов передачи цифровойа информации по гальваническиа развязанной цепи. Во всех случаях, когда говорилось о линейности, оба аналоговых сигналах, речь шл о видеа выходной характеристикиа оптопары. Во всеха случаях правление по каналуа излучатель -а фотоприемника не описывалось линейной зависимостью. Важную задачу представляет собой передач аналоговойа информации са помощью оптопары, т.е., обеспечение линейности передаточной характеристики входа -а выхода [36]. Лишь при наличии таких оптопара становится возможным непосредственное распространение аналоговойа информации по гальванически развязанныма цепяма беза преобразования ее к цифровой форме (последовательности импульсов).

Сопоставление свойства различных оптопара по параметрам, важным с точки зрения передачи аналоговых сигналов приводита к заключению, что если эта задач и можета быть решена, то только са помощью диодныха оптопар, обладающиха хорошими частотными иа шумовыми характеристиками. Сложность проблемы заключается прежде всего в зком диапазоне линейности передаточной характеристики и степени этой линейности у диодных оптопар.

Следует отметить, что в создании приборов с гальванической развязкой, пригодных для передачи аналоговых сигналов, сделаны лишь первые шаги и можно ожидать дальнейшего прогресса.

3.6. ОПТОЭЛЕКТРОННЫЕ МИКРОСХЕМЫ И ДРУГИЕ ПРИБОРЫ ОПТРОННОГО ТИПА

Оптоэлектронные микросхемы представляют собой один из наиболее широко применяемых, развивающихся, перспективных классов изделий оптронной техники. Это обусловлено полной электрической и конструктивной совместимостью оптоэлектронных микросхем с традиционными микросхемами, также их более широкими по сравнению с элементарными оптронами функциональными возможностями. Как и среди обычных микросхем, наиболее широкое распространение получили переключательные оптоэлектронные микросхемы.

Специальные виды оптронов резко отличаются от традиционных оптопар и оптоэлектронных микросхем. К ним относятся прежде всего оптроны c открытым оптическима каналом. Ва конструкции этиха приборова между излучателема иа фотоприемникома имеется воздушныйа зазор, так что, помещая в него те илиа иные механические преграды, можно правлять световыма потоком и тем самым выходным сигналома оптрона. Такима образом, оптроны с открытыма оптическим каналома выступают ва качестве оптоэлектронных датчиков, фиксирующих наличие (или отсутствие) предметов, состояние их поверхности, скорость перемещения или поворота и т. п.

4. СФЕРЫ ПРИМЕНЕНИЯ ОПТРОНОВ И ОПТРОННЫХ МИКРОСХЕМ

Перспективные направления развития на применения оптронной техники ва значительнойа степени определились. Оптроны и оптронные микросхемы эффективно применяются для передачиа информации между стройствами, не имеющими замкнутых электрических связей. Традиционно сильными остаются позиции оптоэлектронных приборов в технике получения и отображения информации. Самостоятельное значение ва этом направлении имеют оптронные датчики, предназначенные для контроля процессова и объектов, весьм различных по природе иа назначении. Заметно прогрессируета функциональная оптронная микросхемотехника, ориентированная н выполнениеа разнообразных операций, связанных c преобразованием, накоплениема и хранениема информации. Эффективной и полезной оказывается замен громоздких, недолговечных и нетехнологичныха (с позиций микроэлектроники) электромеханическиха изделийа (трансформаторов, потенциометров, реле) оптоэлектронными приборами и стройствами. Достаточно специфическим, но во многиха случаях оправданныма и полезныма является использование оптронных элементов в энергетических целях.

4.1. ПЕРЕДАЧА ИНФОРМАЦИИ

При передачеа информации оптроны используются в качестве элементов связи, и, как правило, не несут самостоятельнойа функциональной нагрузки. Иха применение позволяета осуществить весьм эффективную гальваническую развязку стройств правления и нагрузки (рис 4.1), действующих ва различных электрических словияха и режимах. С введениема оптронов резко повышается помехоустойчивость каналова связи;а практически страняются Упаразитные взаимодействия по цепяма Уземли и питания.

Интереса представляета также рациональное и надежное согласование цифровыха интегральныха стройства c разнородной элементной базой (ТТЛ, ЭСЛ, И²Л, КМОП и т. п).

Схема согласования элемент транзисторно-транзисторной логики (ТТЛ) са интегральным стройствома на МДП-транзисторах построена на транзисторном оптроне (рис. 4.2). В конкретном варианте: E₁ = Е₂ =5 В, Е₃ = 15 В, R₁ = 820 Ом, R₂ = 24 кОма - светодиода оптрон возбуждается токома (5 мА), достаточным для насыщения транзистор и уверенного правления устройством на МДП-транзисторах.

ктивно используются оптические связи в телефонных стройствах и системах. С помощью оптронова технически несложными средствами дается подключать к телефонным линияма микроэлектронные стройства, предназначенные для вызова, индикации, контроля и других целей.

Введение оптических связей в электронную измерительную аппаратуру, кроме полезной во многих отношениях гальванической развязки исследуемого объекта и измерительного прибора, позволяет также резко меньшить влияние помех, действующих по цепям заземления и питания.

Значительный интерес представляюта возможности и опыт использования оптоэлектронных приборов и стройств ва биомедицинской аппаратуре. Оптроны позволяют надежно изолировать больного от действия высокиха напряжений, имеющихся, например, ва электрокардиографическиха приборах.

Бесконтактное правление мощными, высоковольтными цепями по оптическим каналама весьма добно и безопасно ва сложныха технических режимах, характерныха для многих стройства и комплексова промышленнойа электроники. В этой области сильны позицииа тиристорныха оптронов (рис 4.3).

4.2. ПОЛУЧЕНИЕ И ОТОБРАЖЕНИЕ ИНФОРМАЦИИ

Рис 4.4. Оптоэлектронный датчик.

Оптроны иа оптронные микросхемы занимаюта прочные позиции в бесконтактной дистанционной технике оперативного получения и точного отображения информации о характеристиках и свойствах весьм различных (по природе и назначению) процессов и объектов. никальнымиа возможностями ва этом планеа обладают оптроны с открытыми оптическимиа каналами. Среди них оптоэлектронные прерыватели, реагирующиеа на пересечение оптического канала непрозрачными объектами (рис 4.4), и отражательные оптроны, у которыха воздействие светоизлучателей на фотоприемники всецело связано с отражением излучаемого потока от внешних объектов.

Круга примененийа оптронова са открытымиа оптическими каналами обширена иа разнообразен. же ва 60-е годы оптроны подобного типа эффективно использовались для регистрации предметов и объектов. При такой регистрации, характерной в первую очередь для стройств автоматического контроля и счет объектов, также для обнаружения и индикации различного род дефектов и отказов, важно четко определить местонахождение объекта или отразить факт его существования. Функции регистрации оптроны выполняют надежно и оперативно.

4.3. КОНТРОЛЬ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ

Мощность излучения, генерируемого светодиодом, и ровень фототока, возникающего в линейныха цепях са фотоприемниками, прямо пропорциональны току электрической проводимости излучателя. Такима образом, по оптическим (бесконтактным, дистанционным) каналам можно получить вполне определенную, информацию о процессах ва электрических цепях, гальванически связанныха c излучателем. Особенно эффективным оказывается использование светоизлучателей оптронова в качестве датчикова электрическиха изменений в сильноточных, высоковольтных цепях. Четкая информация о подобныха измененияха важн для оперативной защиты источников и потребителей энергии от электрических перегрузок.

Рис. 4.5. Стабилизатор напряжения с контролирующим оптроном.

Оптроны успешно действуют в высоковольтных стабилизаторах напряжения, где они создают оптические каналы отрицательныха обратных связей. Рассматриваемый стабилизатора (рис. 4.5) относятся к стройству последовательного типа, причем регулирующим элементома является биполярный транзистор, кремниевыйа стабилитрон действуета как источник, опорного (эталонного)а напряжения. Сравнивающима элементом служит светодиод.

Если выходное напряжение ва схеме рис. 4.5 возрастает, то величивается и ток проводимости светодиода. Фототранзистор оптрон воздействует н транзистор, подавляя возможнуюа нестабильность выходного напряжения.

4.4. ЗАМЕНА ЭЛЕКТРОМЕХАНИЧЕСКИХ ИЗДЕЛИИ

Рис 4.5. Схема оптоэлектронного трансформатора

В комплексе технических решений, ориентированных на повышение эффективности и качества устройств автоматики, радиотехники, электросвязи, промышленнойа и бытовой электроники, целесообразной и полезной мерой является замен электромеханических изделий (трансформаторов, реле, потенциометров, реостатов, кнопочных и клавишных переключателей)а более компактными, долговечными, быстродействующими аналогами. Ведущая роль ва этома направленииа отводится оптоэлектронныма приборама и стройствам. Дело в том, что весьма важные технические достоинств трансформаторова и электромагнитныха релеа (гальваническая развязка цепей управления и нагрузки, веренное функционирование в мощных, высоковольтных, сильноточных системах) свойственны и оптронам. Вместе с тем оптоэлектронные изделия существенно превосходята электромагнитные аналоги по надежности, долговечности, переходныма и частотным характеристикам. правление компактными и бытродействующими оптоэлектронными трансформаторами, переключателями, реле уверенно осуществляется с помощью интегральныха микросхем цифровойа техники беза специальныха средства электрического согласования.

Пример замены импульсного трансформатора приведен на рис 4.5.

4.5. ЭНЕРГЕТИЧЕСКИЕ ФУНКЦИИ

Ва энергетическома режиме оптроны используются ва качествеа вторичныха источникова ЭСа и тока. КПД оптронныха преобразователей энергииа невелик. Однако возможность введения дополнительного источник напряжения или ток в любую цепь стройств без гальванической связи са первичным источникома питания дает разработчику новую степень свободы, особенно полезную при решении нестандартных технических зада.

Литература:

1. Ю. Р. Носов, А. С. Сидоров Оптроны и их применение- М.: Радио и связь, 1981 г.

2. В. И. Иванов, А. И. Аксенов, А. М. Юшин Полупроводниковые оптоэлектронные приборы. / Справочник.Ф- М.:а Энерготомиздат, 1984 г.