Оптоэлектронные приборы

Содержание

1. Оптоэлектронные приборы
2. Основные характеристики светоизлучающих диодов видимого диапазона
3. Основные характеристики светоизлучающих диодов инфракрасного диапазона
4. Оптоэлектронные приборы в широком понимании
5. 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 10¹² – 10¹⁴ Ом);

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

     однонаправленностью потока информации, которая связана  с особенностями распространения  света;

     широкополосностью из-за высокой частоты оптических колебаний,

     достаточным быстродействием (единицы наносекунд);

     высоким пробивным напряжением (десятки  киловольт);

     малым уровнем шумов;

     хорошей механической прочностью.

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

В оптронных  приборах применяют полупроводниковые  источники излучения – светоизлучающие  диоды, изготовляемые из материалов соединений группы А^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

 

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

     Таблица 2. Основные характеристики светоизлучающих диодов инфракрасного диапазона

 

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

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

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

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

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

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

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

     Фоторезисторы изготовляют в основном из поликристаллических  полупроводниковых пленок на основе соединения (кадмия с серой и селеном). Максимальная спектральная чувствительность фоторезисторов 0,5 – 0,7 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 10⁵ – 10⁶ для фотодиодных и фототранзисторных оптронов. Широко используют оптроны на основе фототиристоров. Оптроны на фоторезисторах не получили широкого распространения из-за низкой временной и температурной стабильности. Схемы некоторых оптронов приведены на рис. 4, а – г. 

       

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