Оптроны и их применение


Примечание	Прислал: Denis "Написан, надо сказать так себе, но был оценён в 9 балов (из 10 возможных). Годится для людей не (или плохо) знающих оптроны (фуксов), людям искушённым не предназначен."
	Загрузить архив:
	Файл: vdv-0209.zip (174kb [zip], Скачиваний: 82) скачать

СОДЕРЖАНИЕ:

1. Введение. 2

1.1. Основные определения. 2

1.2. Отличительныеособенности оптронов. 2

1.3. Обобщеннаяструктурная схема. 3

1.4. Применение. 4

1.5. История. 5

2. Физические основы оптронной техники. 6

2.1. Элементная база и устройство оптронов. 6

2.2. Физика преобразования энергии в диодном оптроне. 7

3. Параметры и характеристики оптопар и оптоэлектронных
интегральных 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 называюттакие оптоэлектронныеприборы,в которыхимеются источник иприемник излучения(светоизлучательи фотоприемник) с темили инымвидом оптическойи электрической связи между ними, конструктивно связанные другс другом .

Принцип действияоптронов любого вида основанна следующем. Визлучателе энергияэлектрического сигналапреобразуется всветовую, в фотоприемнике, наоборот, световойсигналвызывает электрический отклик.

Практически распространениеполучили лишь оптроны, у которыхимеется прямаяоптическая связьот излучателя кфотоприемникуи, какправило, исключены все виды электрической связи между этими элементами.

Постепенисложности структурнойсхемысреди изделий оптроннойтехникивыделяют двегруппы приборов.Оптопара (говоряттакже “элементарныйоптрон”) представляет собой оптоэлектронныйполупроводниковыйприбор, состоящийизизлучающего и фотоприемногоэлементов, между которыми имеетсяоптическая связь, обеспечивающаяэлектрическую изоляцию между входомивыходом. Оптоэлектронная интегральная микросхемапредставляетсобой микросхему,состоящую изодной илинесколькихоптопар иэлектрически соединенных с ними одного или нескольких согласующих или усилительных устройств.

Таким образом в электроннойцепи такой прибор выполняет функцию элемента связи,в котором в то же время осуществленаэлектрическая (гальваническая) развязка входа ивыхода.

1.2 Отличительные особенности оптронов.

Достоинства этихприборов базируются наобщем оптоэлектронном принципе использования электрически нейтральных фотонов дляпереноса информации. Основные из них следующие:

- возможностьобеспечения идеальнойэлектрической(гальванической);развязкимежду входом и выходом; для оптроновне существует каких-либо принципиальных физическихили конструктивныхограничений подостижениюсколь угодно высоких напряженийи сопротивленийразвязки исколь угодно малой проходной емкости;

- возможность реализации бесконтактногооптическогоуправления электроннымиобъектамии обусловленныеэтим разнообразиеи гибкостьконструкторских решений управляющих цепей;

- однонаправленность распространения информации пооптическомуканалу, отсутствиеобратной реакции приемника на излучатель;

- широкая частотнаяполоса пропускания оптрона, отсутствие ограничения со стороны низкихчастот (что свойственно импульсным трансформаторам); возможностьпередачи пооптроннойцепи какимпульсного сигнала, так и постоянной составляющей;

- возможность управления выходным сигналом оптрона путем воздействия (втом числе и неэлектрического)наматериал оптическогоканалаи вытекающая отсюдавозможность созданияразнообразных датчиков, атакже разнообразныхприборов дляпередачи информации;

- возможность создания функциональных микроэлектронныхустройств сфотоприемниками, характеристикикоторыхпри освещении изменяютсяпо сложному заданному закону;

- невосприимчивость оптических каналов связи квоздействию электромагнитныхполей, что в случае“длинных”оптронов (спротяженным волоконно-оптическимсветоводоммежду излучателеми приемником) обусловливает их защищенность отпомех иутечки информации, а также исключает взаимные наводки ;

- физическая и конструктивно-технологическая совместимостьс другими полупроводниковыми имикроэлектронными приборами.

Оптронам присущи и определенные недостатки:

- значительная потребляемая мощность, обусловленнаянеобходимостьюдвойного преобразованияэнергии (электричество - свет- электричество)и невысокими КПД этих переходов;

- повышенная чувствительность параметров и характеристикк воздействиюповышенной температуры и проникающей ядерной радиации;

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

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

- сложность реализации обратных связей,вызваннаяэлектрической разобщенностьювходнойи выходной цепей;

- конструктивно-технологическое несовершенство, связанное с использованием гибридной непланарной технологии, (с необходимостьюобъединения в одном приборенескольких - отдельныхкристалловиз различных полупроводников,располагаемых вразных плоскостях).

Перечисленные недостатки оптроновпо мересовершенствования материалов, технологии, схемотехники частично устраняются,но темне менее еще длительное времябудутносить достаточнопринципиальный характер. Однако их достоинства столь высоки, что обеспечиваютуверенную внеконкурентность оптроновсреди других приборов микроэлектроники.

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 входногосигналов, имаксимальной скоростью передачи информации F. Практически вместо F измеряютдлительности нарастания испада передаваемыхимпульсов t_нар(_сп)или граничнуючастоту. Возможности оптрона как элементагальванической развязки характеризуются максимальным напряжением и сопротивлением развязки U_разв иR_разв и проходной емкостью C_разв.

В структуройсхемерис. 1.1 входноеустройство служитдля оптимизациирабочего режима излучателя(например, смещения светодиодана линейный участок ватт-амперной характеристики)и преобразования(усиления) внешнегосигнала. Входной блокдолжен обладать высоким КПД преобразования, высоким быстродействием, широким динамическим диапазономдопустимых входныхтоков(для линейных систем),малымзначением “порогового” входноготока, прикотором обеспечивается надежная передача информации по цепи.

Назначение оптическойсреды- передачаэнергии оптическогосигнала от излучателя к фотоприемнику, атакже вомногихслучаях обеспечениемеханической целостности конструкции.

Принципиальная возможность управленияоптическими свойствамисреды,например спомощьюиспользования электрооптических или магнитооптическихэффектов,отражена введениемвсхему устройствауправления,В этомслучаемы получаем оптронс управляемым

оптическим каналом,функционально отличающийся от “обычного”оптрона: изменениевыходногосигнала может осуществляться как по входу, так и поцепи управления.

В фотоприемникепроисходит“восстановление”информационного сигнала из оптическогов электрический; приэтом стремятсяиметь высокую чувствительность и высокое быстродействие.

Наконец, выходноеустройствопризвано преобразовать сигнал фотоприемникав стандартнуюформу, удобную длявоздействия напоследующие заоптроном каскады. Практически обязательнойфункцией выходногоустройства является усиление сигнала,так какпотери после двойного пpeобразования оченьзначительны. Нередкофункцию усилениявыполняет и сам фотоприемник(например, фототранзистор).

Общая структурная схема рис. 1.1 реализуется вкаждомконкретном приборелишь частью блоков. Всоответствиис этим выделяют триосновные группы приборовоптронной техники;ранее названные оптопары(элементарные оптроны),использующие блоки светоизлучатель-оптическая среда- фотоприемник; оптоэлектронные (оптронные) микросхемы (оптопары с добавлением выходного, а иногда ивходного устройства); специальные видыоптронов -приборы, функциональнои конструктивносущественноотличающиеся от элементарных оптронов и оптоэлектронныхИС

Реальный оптрон может быть устроени сложнее, чем схема нарис. 1.1; каждый изуказанных блоков может включать в себя не один, анесколько одинаковыхилиподобных друг другуэлементов, связанных электрическииоптически, однако этоне изменяет существенно основ физики и электроники оптрона.

1.4 Применение.

В качестве элементов гальванической развязки оптроны применяются:для связи блоков аппаратуры,между которымиимеется значительнаяразностьпотенциалов; длязащитывходных цепей измерительных устройств от помех инаводок; и т.д.

Другая важнейшаяобластьприменения оптронов - оптическое, бесконтактное управлениесильноточными ивысоковольтнымицепями. Запускмощных тиристоров, триаков,симисторов, управление электромеханическими релейными устройствами

Специфическую группу управляющих оптронов составляют резисторные оптроны, предназначенныедля слаботочныхсхем коммутациивсложных устройствах визуального отображенияинформации,выполненных на электролюминесцентных (порошковых) индикаторах, мнемосхемах, экранах.

Создание “длинных”оптронов(приборов с протяженнымгибкимволоконнооптическимсветоводом) открылосовершенно новое направлениеприменения изделий оптронной техники - связь на коротких расстояниях.

Различные оптроны (диодные, резисторные, транзисторные)находятприменение ивчисто радиотехнических схемах модуляции, автоматическойрегулировки усиления и др.Воздействие по оптическому каналуиспользуется здесь длявывода схемыв оптимальный рабочийрежим, длябесконтактнойперестройки режима и т. п.

Возможность изменения свойств оптического канала приразличныхвнешних воздействияхнанего позволяет создатьцелую сериюоптронных датчиков:таковы датчики влажности изагазованности, датчика наличия вобъеметой или инойжидкости, датчикичистоты обработкиповерхности предмета,скорости его перемещения и т. п.

Достаточно специфическим являетсяиспользование оптронов в энергетических целях,т. е.работа диодного оптрона в фотовентильном режиме.В такомрежиме фотодиодгенерирует электрическуюмощностьв нагрузку иоптрон доопределенной степениподобен маломощномувторичному источникупитания,полностью развязанному от первичной цепи;

Создание оптронов с фоторезисторами,свойства которыхприосвещении меняются позаданному сложному закону,позволяетмоделировать математическиефункции, являетсяшагомна пути создания функциональной оптоэлектроники.

Универсальность оптроновкакэлементов гальванической развязки и бесконтактного управления, разнообразие и уникальностьмногих других функций являются причиной того, что сферами примененияэтих приборов сталивычислительная техника, автоматика,связная и радиотехническаяаппаратура,автоматизированные системыуправления, измерительная техника,системы контроляи регулирования,медицинская электроника, устройства визуального отображения информации.

1.5 История

Идея создания и применения oптронов относится к 1955 г., когда в работе Loebner E. E. “Opto-electronic devices network” была предложена целая серия приборов с оптическими и электрическимисвязями междуэлементами, чтопозволяло осуществлять усиление и спектральное преобразованиесветовых сигналов,создаватьприборы сдвумяустойчивыми состояниями - бистабильные оптроны,оптоэлектронные устройства накопленияихранения информации логические схемы, регистры сдвига.Там жебыл предложен и термин“оптрон”, образованный как сокращение от английского “optical-electronicdevice”.

Описанныевэтой работе оптроны,отличноиллюстрируя принципы, оказалисьнепригодными дляпромышленной реализации, так как основывались на несовершенной элементарной базе - неэффективных иинерционных порошковыхзлектролюминесцентных конденсаторах (излучатель) и фоторезисторах (приемник). Несовершенны были иважнейшиеэксплуатационныехарактеристикиприборов: низкотемпературная ивременная стабильностьпараметров, недостаточная устойчивость к механическим воздействиям. Поэтому. на первых порахоптрон оставалсялишьинтересным научным достижением не находящим применения в технике.

Лишь в середине 60-х годов развития полупроводниковых светоизлучающих диодов и технологически совершенных высокоэффективных быстродействующихкремниевыхфотоприемников с р - n-переходами (фотодиоды и фототранзисторы) начала создаваться элементарнаябаза современной оптронной техники. К началу 70-х годов производство оптронов в ведущих странах мира превратилось вважную ибыстроразвивающуюся отрасль электронной техники,успешно дополняющуютрадиционную микроэлектронику.

2. ФИЗИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ОПТРОННОЙ ТЕХНИКИ

2.1. ЭЛЕМЕНТНАЯ БАЗА И УСТРОЙСТВО ОПТРОНОВ

Элементную основу оптронов составляютфотоприемники иизлучатели,а такжеоптическаясреда между ними.Ко всемэтимэлементам предъявляютсятакие общиетребования, как малыегабариты имасса, высокаядолговечность и надежность, устойчивостьк механическимиклиматическим воздействиям,технологичность, низкая стоимость. Желательно такжечтобы элементы прошли достаточно широкую и длительную промышленную апробацию.

Функционально(как элементсхемы) оптрон характеризуется в первую очередь тем, какойвид фотоприемника в нем используется.

Успешное использование фотоприемника в оптроне определяетсявыполнениемследующих основных требований: эффективностьпреобразованияэнергии квантов излучениявэнергию подвижныхэлектрических; наличие и эффективность внутреннего встроенного усиления;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 интенсивные источники излучения и возможна работа фотоприемников без охлаждения.

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

Многочисленные требования предъявляются и к излучателямоптронов.Основные из них: спектральное согласование свыбранным фотоприемником;высокая эффективностьпреобразованияэнергии электрического токавэнергию излучения;преимущественная направленностьизлучения; высокоебыстродействие; простота и удобство возбуждения и модуляции излучения.

Для использования в оптронах пригодны и доступны несколько разновидностей излучателей:

- Миниатюрныелампочкинакаливания.

- Неоновые лампочки, в которых используется свечение электрического разрядагазовой смеси неон-аргон.

Этимвидам излучателей свойственныневысокая светоотдача,низкаяустойчивость к механическимвоздействиям,ограниченная долговечность, большие габариты,полная несовместимостьс интегральнойтехнологией.Темне менеев отдельныхвидах оптронов они могут находить применение.

- Порошковая электролюминесцентная ячейка использует в качестве светящегося тела мелкокристаллическиезернасульфида цинка(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 эффективностьпреобразованияэлектрической энергиивсветовую, низкую долговечность (особенно- тонкопленочные ), сложныв управлении (например, оптимальныйрежим дляпорошковых люминофоров~220 Вприf=400... 800Гц). Основное достоинствоэтих излучателей-конструктивно-технологическая совместимость с фоторезисторами,возможность создания на этойоснове многофункциональных, многоэлементных оптронных структур.

Основным наиболееуниверсальным видом излучателя,используемымв оптронах,является полупроводниковый инжекционный светоизлучающийдиод - светодиод. Этообусловлено следующимиего достоинствами:высокое значение КПДпреобразованияэлектрической энергиив оптическую;узкий спектр излучения (квазимонохроматичность); широта спектрального диапазона,перекрываемого различными светодиодами;направленностьизлучения; высокоебыстродействие;малые значенияпитающихнапряжений итоков;совместимость странзисторами иинтегральными схемами;простотамодуляции мощности излученияпутем измененияпрямоготока; возможность работыкак в импульсном,так ив непрерывном режиме; линейность ватт-амперной характеристикивболее илименеешироком диапазоневходныхтоков; высокаянадежность и долговечность;малые габариты;технологическая совместимость с изделиями микроэлектроники.

Общие требования, предъявляемые к оптической иммерсионной среде оптрона, следующие: высокое значение показателяпреломленияn_им;высокое значение удельного сопротивления r_им; высокаякритическая напряженностьполяЕ_{им кр}, достаточная теплостойкость Dq_{им раб}; хорошая адгезияскристаллами кремнияи арсенида галлия; эластичность (это необходимо,так как неудаетсяобеспечить согласованиеэлементов оптрона покоэффициентам термического расширения);механическая прочность,так какиммерсионная средав оптопаре выполняетне толькосветопередающие, нои конструкционныефункции; технологичность (удобство использования, воспроизводимость свойств, дешевизна и т. п.).

Основным видом иммерсионной среды, используемойв оптронахявляются полимерныеоптические клеи. Для них типично n_им =1,4... 1,6, r_им > 10¹²... 10¹⁴Ом 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 преобразованияэнергии в оптроне требуетучитывать квантовуюприроду света. Известно,что электромагнитноеизлучение можетбыть представленов видепотокачастиц - квантов (фотонов), энергия. каждого из которыхопределяется соотношением;

E_ф=hn=hc/nl (2.1)

где h- постояннаяПланка ;

с - скорость света в вакууме ;

n - показатель преломления полупроводника ;

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

Если плотность потока квантов(т. е.число квантов, пролетающихчерез единицуплощадив единицувpeмени)равнаN_ф, тополная удельнаямощность излучения составит:

P_ф= N_ф E_ф (2.2)

и, как видно из (2.1), при заданном N_ф онатем больше, чемкороче длинаволныизлучения. Посколькунапрактике заданной бывает P_ф (энергетическаяоблученность 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 основных процессов: излучательная (и безызлучательная) рекомбинацияв полупроводниках,инжекция избыточныхнеосновных носителей заряда в базу светодиодаи выводизлучения из области генерации.

Рекомбинация носителей заряда в полупроводнике определяется прежде всего его зоннойдиаграммой, наличием и природой примесейи дефектов, степенью нарушения равновесногосостояния.Основные материалы оптронныхизлучателей (GaAsитройные соединения на его основе GaA1As иGaAsP) относятсяк прямозонным полупроводникам т.е. ктаким, вкоторых 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, а через те или иные центры рекомбинации, образующие разрешенные энергетические уровни в запрещенной зоне (уровень E_t на рисунке 2.1).

2. Оже-рекомбинация (или ударная). Приочень высоких концентрациях свободныхносителей зарядав полупроводнике растетвероятность столкновениятрех тел, энергия рекомбинирующей электронно-дырочкойпары при этом отдается третьему свободному носителюв формекинетической энергии,которую онпостепенно 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 -“непрозрачная” часть кристалла; D - омические контакты; E - область объемного заряда.

Относительная рольразличныхмеханизмов рекомбинации описывается введением понятия внутреннего квантового выходаизлучения h_int,определяемого отношением вероятностиизлучательной рекомбинациик полной (излучательнойибезызлучательной) 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 0h_int

Создание избыточной концентрации свободных носителейв активной (излучающей) областикристалла светодиода осуществляется путем инжекции ихр - n-переходом, смещенным в прямомнаправлении.

“Полезной” компонентной тока, поддерживающей излучательную рекомбинацию в активной области диода, являетсяток электроновI_n (рис.2.2,а), инжектируемых р - n-переходом. К “бесполезным” компонентам прямого тока относятся:

1.Дырочнаясоставляющая I_p,обусловленная инжекциейдырок вn-областьи отражающаятот факт, чтор - n-переходов содносторонней инжекциейне бывает, Доля этоготока темменьше чем сильнее легирована n-область по сравнению с р-областью.

2.Токрекомбинации (безызлучательной)в области объемногозаряда р-n-перехода I_рек.В полупроводникахс большойширинойзапрещенной зоны прималых прямыхсмещениях доляэтоготока может быть заметной.

3.Туннельныйток I_тун ,обусловленный “просачиванием”носителейзаряда черезпотенциальныйбарьер. Ток переноситсяосновными носителямии вкладав излучательнуюрекомбинацию недает. Туннельный ток тембольше,чем ужер -n-переход, он заметен при сильнойстепенилегирования базовойобластиипри больших прямых смещениях.

4. Ток поверхностных утечек I_пов, обусловленный отличием свойствповерхности полупроводникаот свойств объема и наличием техили иныхзакорачивающих включений.

Эффективность р- n-перехода характеризуется коэффициентом инжекции:

(2.5)

Очевидно, чтопределы возможногоизменения g те же, что и у h_int, т. е. 0g

Привыводеизлучения изобластигенерации имеют место следующие виды потерь энергии (рис. 2.2,6):

1. Потери на самопоглощение (лучи 1). Если длина волны генерируемых квантов в точности соответствует формуле (2.4),то онасовпадает с “красной границей” поглощения (см.ниже), и такое излучениебыстро поглощается в толще полупроводника(самопоглощение).Вдействительности,излучение в прямозонных полупроводниках идетнепо приведеннойвыше идеальной, схеме. Поэтомудлинаволны генерируемыхквантов 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. Потерина обратноеи торцевоеизлучение (луч 3и4).

Количественно эффективность вывода оптической энергии из кристалла характеризуется коэффициентом вывода К_опт определяемым отношением мощности излучения, выходящего внужном направлении, к мощности излучения, генерируемой внутри кристалла. Также, как и для коэффициентов h_int и g , всегда выполняется условие 0К_опт

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

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

Кванты света, поглощаясь в кристалле, могут вызывать отрыв электроновот атомовкак самого полупроводника,таки примеси.Всоответствии с этим говорят о собственном (беспримесном) и примесном поглощении (фотоэффекте). Поскольку концентрация примесных атомов мала, фотоэлектрические эффекты, основанные на собственном поглощении, всегда существеннее, чем основанные на примесном. Все используемые в оптронах фотоприемники“работают” на беспримесном фотоэффекте. Для того чтобы квант света вызывалотрыв электронаот атома, необходимо выполнение очевидных энергетическихсоотношений:

E_ф1=hn₁E_c-E_v (2.6)

E_ф2=hn₂E_c-E_t (2.7)

Такимобразом, собственныйфотоэффектможет иметь местолишь привоздействии наполупроводник излученияс длинойволны,меньшей некоторогозначения l_гр:

l_гр=hc/( E_c-E_v)_g (2.8)

Второе равенствов (2.8)справедливо, если l_гр выражено вмикрометрах, аширина запрещеннойзоны полупроводника E_g -вэлектроновольтах. Величину l_гр называютдлинноволновойили “красной” границей спектральнойчувствительностиматериала.

Интенсивность протекания фотоэффекта (в той спектральнойобласти, где онможет существовать) зависит от квантового выхода, определяемого отношением числа генерированных пар электрон-дырка к числу поглощенны фотонов. Анализэкспериментальныхзависимостей от показывает, что в интересной для оптроновспектральной областиb=1.

Образование свободных носителей заряда под действием облучения проявляется в полупроводнике в виде двухфотоэлектрических эффектов: фотопроводимости (возрастание проводимости образцапри засветке) и фотовольтаического (возникновение фото-ЭДС на р - n-переходе или другом виде потенциального барьера в полупроводнике при освещении). Оба эффекта используются в практике конструированияфотоприемников; для оптронов предпочтительным и доминирующим 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 оптическогоокна; максимальный и минимальный уровни мощности излучения. К электрооптическим - фоточувствительность,степень однородности распределения чувствительностипо фотоприемнойплощадке; спектральнаяплотность чувствительности(зависимостьпараметра, характеризующегочувствительность, от длины волны); собственные шумы фотоприемника и их зависимостьот уровня засветки и диапазонарабочихчастот; разрешающеевремя (быстродействие); коэффициент качества (комбинированный показатель, позволяющий сопоставлять различные фотоприемники друг с другом); показатель линейности; динамический диапазон. Как элемент электрической цепи фотоприемник характеризуется прежде всего параметрамиего эквивалентнойсхемы, требованиямик рабочим режимам, наличием(или отсутствием)встроенного механизмаусиления, видоми формойвыходного сигнала. Прочие характеристики: эксплуатационные,надежностные, габаритные,технологические -ничего специфически “фотоприемното” не содержат.

В зависимости от характера выходногосигнала (напряжение, ток)говорят о вольтовой илитоковой фоточувствительностиприемника S, измеряемыхсоответственно в В/Вт илиА/Вт. Линейность(или нелинейность) фотоприемникаопределяется значениемпоказателястепени nв уравнении, связывающем выходнойсигнал с входным: U_вых( или I_вых)~P_ф. При nфотоприемник линеен;областьзначений P_ф(от P_{ф max} до P_{ф min}), в которойэтовыполняется, определяетдинамический диапазон линейности фотоприемника выражаемый обычно в децибелах: _{ф max} /P_{ф min}).

Важнейшим параметром фотоприемника,определяющим порог егочувствительности, являетсяудельная обнаружительнаяспособность D,измеряемая в Вт^-1мГц^1/2. При известном значении D порог чувствительности (минимальная фиксируемая мощностьизлучения) определяется как

P_{ф min}= (2.9)

где А - площадь фоточувствительной площадки; рабочихчастотусилителя фотосигналов. Иными словами, параметр D играет роль коэффициента качества фотоприемника.

В применении к оптронам не всеперечисленные характеристики оказываются одинаково важными. Как правило,фотоприемники воптронахработают при облученностях,очень далекихот пороговых,поэтому использованиепараметров 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 на примере планарно-эпитаксиальных фотодиодовс р -n-переходом и с р - i - n-структурой,в которыхможно выделитьn⁺- подложку,базу n-или i-типа(слабая проводимостьn-типа) итонкийр⁺-слой.При работе в фотодиодномрежиме(рис. 2.4,а) приложенное извненапряжение заставляет подвижные дырки и электроны уходить от р - n(р - i)-перехода;при этомкартина распределенияполявкристалле оказывается резко различной для двух рассматриваемых структур.

Световое излучение, поглощаясьв базовойобласти диода, генерирует электронно-дырочные пары,которые диффундируюткр- n-переходу,разделяютсяим ивызывают появление дополнительного тока во внешней цепи. В р -i - n-диодах эторазделение происходитв полеi-o6лaсти ивместопроцесса диффузии имеетместо дрейф носителей заряда под влияниемэлектрического поля. Каждая генерированная электронно-дырочная пара, прошедшаячерезр -n-переход,вызывает прохождениевовнешней цепизаряда,равного зарядуэлектрона.Чем большеоблученность диода, тем большефототок. Фототокпротекаетиприсмещении диодав прямомнаправлении (рис.2.4,а), однако уже принебольших напряжениях он оказывается намного меньше прямого тока,поэтомуего выделение оказываетсязатруднительным.

Рабочей областью вольт-амперных характеристик фотодиода являетсяIII квадрант на рис. 2.4,а; соответственно этому в качестве важнейшего параметравыступает токовая чувствительность

(2.10)

Второе равенство в (2.10) полученов предположениилинейной зависимости I_ф=f(P_ф), а третье - при условии пренебрежения темновымтоком (),что длякремниевых фотодиодов обычно выполняется.

Если освещать фотодиод без приложения к немувнешнего смещения, то процесс разделения генерируемых электронов и дырок будет протекать благодаря действиюсобственноговстроенного поляр- n-перехода. Приэтомдырки будутперетекатьв р-областьичастично компенсироватьвстроенноеполе р-n-перехода. Создается некотороеновое равновесное(для данного значения: P_ф)состояние, прикоторомна внешнихвыводах диода возникает фото-ЭДС U_ф. Если замкнутьосвещенный фотодиоднанекоторую нагрузку, тоон будетотдавать в нее полезную электрическую мощность Р_э.

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

Схематически фотодиод в вентильном режиме работает как своеобразныйный вторичный источник питания, поэтомуего определяющим параметром является КПДпреобразования 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. КЛАССИФИКАЦИЯ ПАРАМЕТРОВ ИЗДЕЛИЙ

ОПТРОННОИ ТЕХНИКИ

Приклассификации изделий оптронной техникиучитывается двамомента:тип фотоприемногоустройства и конструктивные особенности прибора в целом .

Выбор первого классификационного признака обусловлен тем, чтопрактически увсех оптронов на входе помещенсветодиоди функциональныевозможностиприбора определяютсявыходными характеристикамифотоприемного устройства.

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

Используя этот смешанный конструктивно-схемотехнический принципклассификации, логичновыделить три основныегруппы изделийоптроннойтехники: оптопары (элементарныеоптроны), оптоэлектронные(оптронные) интегральныемикросхемыи специальные видыоптронов. К каждойиз этихгрупп относитсябольшое 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, 2Д (2Т) - диодная (транзисторная) дифференциальная.

Системапараметров изделийоптронной техники базируетсянасистеме параметровоптопар,которая формируется из четырех групп параметров и режимов.

Рис 3.1. К определению импульсных параметров оптопар.

Первая группа характеризуетвходную цепь оптопары(входныепараметры), вторая-ее выходную цепь (выходные параметры),третья- объединяетпараметры, характеризующие степень воздействия излучателя на фотоприемники связанныесэтим особенностипрохождениясигнала черезоптопарукак элементсвязи (параметры передаточнойхарактеристики),наконец, четвертаягруппа объединяет параметры гальванической развязки,значениякоторых показывают,насколькоприближается оптопара кидеальному элементуразвязки. Из четырех перечисленныхгрупп определяющими,специфически “оптронными” являются параметры передаточной характеристики и параметры гальванической развязки.

Важнейшим параметром диодной и транзисторной оптопар является коэффициентпередачи тока. Определениеимпульсныхпараметров оптронов ясно из (рис. 3.1). Отсчетными уровнями приизмерении параметров t_нар(сп), t_зд, и t_{вкл(выкл)} обычно служат уровни 0.1 и 0.9, полноевремя логическойзадержки сигнала определяется по уровню0,5 амплитудыимпульса.

Рис. 3.2. Условные обозначения оптопар.

Параметрами гальванической развязки. Оптопар являются: максимально допустимое пиковое напряжение междувходоми выходомU_{разв п max}; максимально допустимое напряжение между входом и выходом U_разв
max; сопротивление гальваническойразвязки R_разв;проходная емкость C_разв; максимально допустимая скорость изменения напряжения междувходом в выходом (dU_разв/dt)_max. Важнейшим является параметр U_{разв п
max}. Именноон определяет 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 большойстепени, чем какие-либо: другие приборы, характеризуют уровень оптронной техники. По величине К_i можно судить о достигнутых КПД преобразования энергии в оптроне; значения временных параметров позволяют определить предельныескорости распространенияинформации. Подключение к диодной оптопаре тех или иных усилительных элементов, весьма полезноеи удобное, не может тем не менее дать выигрыша ни 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), а также в том, что выходная цепь может работать и в линейном и в ключевом режиме. Механизм внутреннего усиления обеспечивает получение больших значений коэффициента передачи токаК_i, такчто последующие усилительные каскады не всегданеобходимы. Важно,чтопри этом инерционность оптопары не очень велика и длямногих случаеввполне допустима. Выходные токи фототранзисторовзначительно выше, чем, например,у фотодиодов, что делаетих пригоднымидля коммутацииширокогокруга электрических цепей. Наконец, следует отметить, что всеэто достигаетсяприотносительной технологическойпростоте транзисторныхоптопар.

Тиристорные оптопары (рис. 3.2, b) наиболееперспективны для коммутациисильноточных высоковольтныхцепей:по сочетанию мощности, коммутируемой в нагрузке, и быстродействию ониявно предпочтительнее Т²-оптопар.Оптопары типа АОУ103 предназначеныдляиспользования вкачестве бесконтактныхключевых элементоввразличных радиоэлектронных схемах: вцепях управления,усилителях мощности, формирователях импульсов и т.п.

3.4. РЕЗИСТОРНЫЕ ОПТОПАРЫ

Резисторные оптопары (рис. 3.2, d)принципиально отличаютсяот всехдругих видов оптопар физическими и конструктивно-технологическими особенностями, атакжесоставом изначениямипараметров.

Воснове принципадействия фоторезисторалежит эффект фотопроводимости,т. е. изменения сопротивления полупроводникаприосвещении.

3.5. ДИФФЕРЕНЦИАЛЬНЫЕ ОПТОПАРЫ ДЛЯ ПЕРЕДАЧИ АНАЛОГОВОГО СИГНАЛА

Весь изложенный выше материал касается вопросов передачицифровой информациипогальванически развязанной цепи. Во всех случаях, когда говорилосьо линейности, обаналоговых сигналах,речь шлао виде выходной характеристики оптопары.Вовсех случаях управление по каналу излучатель-фотоприемник неописывалось линейнойзависимостью. Важную задачупредставляет собой передачааналоговой информацииспомощью оптопары, т.е., обеспечение линейностипередаточной характеристики вход- выход[36].Лишь приналичии таких оптопарстановится возможным непосредственноераспространениеаналоговой информациипогальванически развязаннымцепям безпреобразования еек цифровой форме (последовательности импульсов).

Сопоставлениесвойств различных оптопарпо параметрам, важным с точки зрения передачи аналоговых сигналов приводитк заключению, что еслиэта задача иможетбыть решена, то только спомощью диодных оптопар, обладающиххорошими частотнымии шумовыми характеристиками. Сложность проблемы заключается прежде всего в узком 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. Этообусловлено полной электрической и конструктивной совместимостью оптоэлектронных микросхем с традиционными микросхемами, а 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 отличаютсяот традиционных оптопар и оптоэлектронных микросхем. К ним относятся прежде всегооптроны с открытым оптическимканалом.Вконструкцииэтих приборовмежду излучателеми фотоприемникомимеетсявоздушный зазор, так что, помещая в него те или иные механические преграды, можноуправлятьсветовым потоком итем самым выходным сигналомоптрона. Такимобразом, оптроны с открытымоптическим каналом выступают вкачествеоптоэлектронных датчиков,фиксирующих наличие (или отсутствие) предметов, состояниеих поверхности, скорость перемещения или поворота и т. п.

4. СФЕРЫ ПРИМЕНЕНИЯ ОПТРОНОВ И ОПТРОННЫХ МИКРОСХЕМ

Перспективныенаправления развитиянприменения оптронной техникивзначительной степениопределились. Оптроны иоптронныемикросхемы эффективно применяютсядля передачи информациимежду устройствами,не имеющимизамкнутых электрических связей.Традиционносильными остаютсяпозиции оптоэлектронных приборов в технике получения и отображения информации. Самостоятельноезначение вэтом направлении имеют оптронныедатчики, предназначенныедляконтроля процессови объектов,весьма различных поприродеи назначении.Заметно прогрессируетфункциональная оптроннаямикросхемотехника, ориентированнаяна выполнение разнообразных операций,связанных с преобразованием,накоплениеми хранением информации. Эффективнойи полезнойоказывается заменагромоздких, недолговечных и нетехнологичных(с позициймикроэлектроники) электромеханическихизделий (трансформаторов, потенциометров, реле) оптоэлектронными приборами и устройствами.Достаточно специфическим, но вомногих случаях оправданными полезнымявляется использование оптронных элементов в энергетических целях.

4.1. ПЕРЕДАЧА ИНФОРМАЦИИ

При передаче информации оптроныиспользуются в качестве элементов связи, и, как правило, не несут самостоятельной функциональнойнагрузки.Их применение позволяетосуществить весьмаэффективную гальваническую развязкуустройств управленияи нагрузки (рис 4.1), действующих вразличных электрических условияхи режимах. С введениемоптронов резкоповышается помехоустойчивостьканалов связи;практически устраняются “паразитные” взаимодействияпоцепям “земли” и питания.

Интереспредставляет также рациональное и надежное согласованиецифровых интегральныхустройствс разнороднойэлементной базой (ТТЛ, ЭСЛ, И²Л , КМОП и т. п).

Схема согласования элемента транзисторно-транзисторной логики(ТТЛ) синтегральным устройством 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 кОм - светодиодоптронавозбуждается током(5 мА), достаточным для насыщения транзистора и уверенного управления устройством на МДП-транзисторах.

Активно используются оптические связи в телефонных устройствах и системах. С помощью оптроновтехническинесложными средствамиудается подключать ктелефонным линияммикроэлектронныеустройства, предназначенные длявызова, индикации, контроля идругих целей.

Введение оптических связей в электронную измерительную аппаратуру, кроме полезной во многих отношениях гальванической развязки исследуемогообъекта и измерительного прибора, позволяет такжерезко уменьшить влияние помех, действующих поцепям заземления и питания.

Значительный интерес представляютвозможности иопыт использования оптоэлектронных приборов и устройств вбиомедицинской аппаратуре.Оптроны позволяют надежно изолировать больного от действия высоких напряжений,имеющихся,например, вэлектрокардиографическихприборах.

Бесконтактноеуправление мощными,высоковольтными цепями пооптическим каналамвесьма удобно и безопасновсложных технических режимах,характерных для многих устройств и комплексовпромышленной электроники. В этойобласти сильныпозиции тиристорныхоптронов (рис 4.3).

4.2. ПОЛУЧЕНИЕ И ОТОБРАЖЕНИЕ ИНФОРМАЦИИ

Рис 4.4. Оптоэлектронный датчик.

Оптроныи оптронныемикросхемызанимают прочныепозиции в бесконтактной дистанционной технике оперативного получения и точногоотображения информации о характеристиках исвойствах весьмаразличных (по природе и назначению) процессов и объектов. Уникальными возможностямивэтом плане обладают оптроны с открытыми оптическими каналами. Срединих оптоэлектронные прерыватели, реагирующие на пересечениеоптического канала непрозрачными объектами (рис 4.4),и отражательные оптроны, у которых воздействие светоизлучателей на фотоприемникивсецело связанос отражением излучаемого потока от внешних объектов.

Кругприменений оптроновсоткрытыми оптическими каналамиобширени разнообразен.Уже в60-е годы оптроны подобного типа эффективноиспользовались для регистрации предметов и объектов. При такой регистрации, характерной в первую очередь для устройств автоматического контроля и счетаобъектов, атакже для обнаружения и индикации различного родадефектов и отказов, важно четко определитьместонахождение объекта или отразить факт его существования. Функции регистрации оптроны выполняют надежно и оперативно.

4.3. КОНТРОЛЬ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ

Мощность излучения, генерируемого светодиодом,и уровень фототока, возникающегов линейныхцепях сфотоприемниками,прямо пропорциональнытоку электрическойпроводимостиизлучателя. Такимобразом, по оптическим (бесконтактным, дистанционным) каналам можно получить вполне определенную, информацию о процессах вэлектрических цепях,гальванически связанныхс излучателем.Особенноэффективным оказываетсяиспользование светоизлучателейоптронов в качестве датчиковэлектрических измененийв сильноточных, высоковольтных цепях. Четкая информация о подобныхизмененияхважна дляоперативнойзащиты источников и потребителей энергии от электрических перегрузок.

Рис. 4.5. Стабилизатор напряжения с контролирующим оптроном.

Оптроны успешно действуют в высоковольтных стабилизаторах напряжения,где онисоздают оптическиеканалы отрицательныхобратных связей. Рассматриваемый стабилизатор(рис. 4.5) относятсяк устройству последовательного типа, причем регулирующим элементомявляетсябиполярный транзистор, а кремниевый стабилитрон действуеткак источник,опорного (эталонного)напряжения. Сравнивающимэлементом служит светодиод.

Если выходное напряжениевсхеме рис. 4.5 возрастает, то увеличивается иток проводимости светодиода. Фототранзистор оптронавоздействует натранзистор, подавляя возможную нестабильность выходногонапряжения.

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, промышленной и бытовойэлектроники,целесообразной иполезной мерой являетсязамена электромеханических изделий(трансформаторов, реле, потенциометров,реостатов, кнопочных и клавишных переключателей)более компактными, долговечными, быстродействующими аналогами. Ведущая роль вэтомнаправлении отводитсяоптоэлектроннымприборам иустройствам. Делов том, что весьма важные технические достоинства трансформаторови электромагнитныхреле (гальваническаяразвязка цепей управления и нагрузки, уверенное функционирование в мощных, высоковольтных, сильноточных системах) свойственныи оптронам. Вместе с тем оптоэлектронные изделиясущественно превосходятэлектромагнитные аналогипо надежности,долговечности, переходными частотным характеристикам. Управление компактнымии бытродействующими оптоэлектронными трансформаторами, переключателями, реле уверенно осуществляется с помощью интегральныхмикросхем цифровой техники безспециальныхсредств электрического согласования.

Пример замены импульсного трансформатора приведен на рис 4.5.

4.5. ЭНЕРГЕТИЧЕСКИЕ ФУНКЦИИ

Вэнергетическомрежиме оптроны используются вкачестве вторичныхисточниковЭДС итока. КПД оптронныхпреобразователейэнергии невелик. Однако возможность введениядополнительногоисточника напряжения или токав любуюцепь устройствабез гальванической связи спервичным источникомпитания 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.”- М.: Энергоатомиздат, 1984 г.