Принцип действия оптоэлектронных приборов. Свойства электроизмерительных приборов и области их применения. Оптоэлектронные приборы. Классификация и типы Оптоэлектронные полупроводниковые приборы светоизлучающий диод оптопары

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

Оптоэлектроника – это раздел электроники, связанный главным образом с изучением эффектов взаимодействия между электромагнитными волнами оптического диапазона и электро­нами вещества (преимущественно твердых тел) и охватываю­щий проблемы создания оптоэлектронных приборов (в основ­ном методами микроэлектронной технологии), в которых эти эффекты используются для генерации, передачи, обработки, хранения и отображения информации.

Согласно этому определению оптоэлектронику как научно-техническое направление характеризуют три отличительные черты.

1. Физическую основу оптоэлектроники составляют явления, методы, средства, для которых принципиальны сочетание и неразрывность оптических и электронных процессов.

2. Техническую основу оптоэлектроники определяют конст­руктивно-технологические концепции современной микроэлек­троники: миниатюризация элементов; предпочтительное разви­тие твердотельных плоскостных конструкций; интеграция эле­ментов и функций; ориентация на специальные сверхчистые материалы; применение методов групповой обработки изделий.

3. Функциональное назначение оптоэлектроники состоит в решении следующих задач: генерации, переносе, преобразо­вании, хранении и отображении информации.

Для решения перечисленных задач в оптоэлектронных при­борах используются информацион­ные сигналы в оптической и электрической формах, но определяющими являются оптиче­ские сигналы – именно этим достигается то качественно новое, что отличает оптоэлектронику.

Оптоэлектронными называют приборы , чув­ствительные к электромагнитному излучению в видимой, инфракрасной и ультрафиолетовой областях, а также при­боры, производящие или использующие такое излучение.

В конкретном оптоэлектронном приборе наличие всех трех составляющих данного выше определения является обяза­тельным, но перечисленные отличительные признаки могут быть воплощены в большей или меньшей степени. Это по­зволяет разделить опто- и фотоэлектронные приборы (фото­электронные умножители, электроннолучевые приборы).

На рис. 2.1 представлена классификация оптоэлектронных при­боров и указаны физические эффекты, лежащие в основе их работы.

На практике широко используются источники излуче­ния (излучатели), приемники излучения (фотоприемни­ки) и оптроны (оптопары).

Излучатель – источник, световой поток или яркость которого является функцией электрического сигнала, поступающего на его вход.

Из источников излучения нашли широкое применение светодиоды и лазеры, а из приемников – фоторезисторы, фотодиоды, фототранзисторы и фототиристоры. Широко используются оптроны, в которых применя­ются пары светодиод–фотодиод, светодиод–фототранзистор, светодиод–фототиристор.

По виду используемого излучателя выделяют приборы ко­герентной (с лазерами) и некогерентной (со светоизлучающими диодами) оптоэлектроники.

Как отдельные приборы, так и сложные оптоэлектронные системы создаются из отдельных элементов. Основными оптоэлектронными элементами являются:

· источники когерентного оптического излучения (полупро­водниковый лазер);

· источники некогерентного оптического излучения (светоизлучающий диод);

· активные и пассивные оптические среды;

· приемники оптического излучения (фотодиод);

· оптические элементы (линза);

· волоконно-оптические элементы (волоконно-оптический жгут);

· интегрально-оптические элементы (интегрально-оптическое зеркало).

Как видно из обобщенной структурной схемы оптоэлектронного прибора (ОЭП), приведенной на рис. 2.2, наряду с фо­топриемниками и излучателями важным компонентом ОЭП яв­ляются входные и выходные согласующие электрические схемы, предназначенные для формирования и обработки оптического сигнала. Особенностью этих достаточно сложных, в основном интегральных, схем является компенсация потерь энергии при преобразованиях «электричество – свет» и «свет – электри­чество», а также обеспечение высокой стабильности и устой­чивости работы ОЭП при воздействии внешних факторов.

По функциональному назначению в классе оптоэлектронных приборов, кроме миниатюрных источников излучения и одно- и многоэлементных приемников излучения, следует выделить следующие приборы.

Оптопарой называют оптоэлектронный прибор, в котором конструктивно объединены в общем корпусе излучатель на входе и фотоприемник на выходе, взаимодейст­вующие друг с другом оптически и электрически.

Оптопары широко используются в микроэлектронной и элек­тротехнической аппаратуре для обеспечения электрической развязки при передаче информационных сигналов, бесконтакт­ной коммутации сильноточных и высоковольтных цепей и соз­дания перестраиваемых фотоприемников в устройствах кон­троля и регулирования.

Оптоэлектронные датчики – приборы, преобразующие внешние физические воздействия: температуру, давление, влажность, ускорение, магнитное поле и другие, – в электри­ческие сигналы. Действие этих приборов основано на различных принципах. К датчикам относятся формирователи сигналов изо­бражения и оптопары с открытым оптическим каналом. Осо­бенно интенсивное развитие этого направления связано с по­явлением волоконно-оптических датчиков, в которых внешние воздействия изменяют характеристики оптического сигнала, распространяюще­гося по волокну.

Волоконно-оптические линии связи (ВОЛС) – устройства и системы, содержащие гибкий волоконно-оптический световод (в виде кабеля), сочлененный с излучателем на одном (пере­дающем) конце и с фотоприемником на другом (приемном).

Физическую основу ВОЛС определяют процессы распро­странения оптических сигналов по волоконному световоду, а также светогенерационные и фотоэлектрические явления в из­лучателе и приемнике.

Индикаторы – электрически управляемые приборы для систем визуального отображения информации. Они находят широчайшее применение, начиная от электронных часов и микро-калькуляторов, табло и приборных щитов и кончая дисплеями в системе «человек – ЭВМ». Физическую основу приборов ин­дикаторного типа составляют разные виды электролюминес­ценции (для приборов с активным светящимся растром) и электрооптические явления (для приборов с пассивным светоотражающим растром).

В соответствии с классификацией изделий некогерентной оптоэлектроники ОЭП разделяются: по виду оптоэлектронного пре­образования сигналов (принцип преобразования «электричест­во – свет» реализуется в излучающих приборах), уровню интегра­ции, функциональному применению и конструктивному исполне­нию. Каждая из выделенных групп ОЭП, по-видимому, будет в дальнейшем пополняться новыми приборами и устройствами.

Перечислим основные достоинства оптоэлектронных приборов:

Высокая пропускная способность оптического канала. Частота колебаний на три-пять порядков выше, чем в осво­енном радиотехническом диапазоне. Это значит, что во столько же раз возрастает и пропускная способность оптического ка­нала передачи информации.

Идеальная электрическая развязка входа и выхода. Ис­пользование в качестве носителя информации электрически нейтральных фотонов обусловливает бесконтактность оптиче­ской связи. Отсюда следуют идеальная электрическая развязка входа и выхода; однонаправленность потока информации и отсутствие обратной реакции приемника на источник; помехо­защищенность оптических каналов связи; скрытность передачи информации по оптическому каналу связи.

Как недостатки можно выделить следующие особенности ОЭП:

Малый коэффициент полезного действия. Коэффициент полезного действия преобразований вида E (освещенность) > L (яркость) и L > E в лучших современных приборах (лазеры, светодиоды, p-i-n фо­тодиоды), как правило, не превышает 10...20%. Поэтому если в устройстве осуществляются такие преобразования лишь два­жды (на входе и на выходе), как, например, в оптопарах или волоконно-оптических линиях связи (ВОЛС), то общий КПД падает до единиц процентов. Введение каждого дополнитель­ного акта преобразования информационных сигналов из одной формы в другую ведет к уменьшению КПД еще на порядок или более. Малое значение КПД вызывает рост энергопотребления, что недопустимо из-за ограниченных возможностей источников питания; затрудняет миниатюризацию, поскольку практически не удается отвести выделяющуюся теплоту; снижает эффек­тивность и надежность большинства оптоэлекронных приборов.

Наличие разнородных материалов, применяемых в оптоэлектронных приборах и системах, обусловливает: малый об­щий КПД устройства из-за поглощения излучения в пассивных областях структур, отражения и рассеяния на оптических гра­ницах; снижение надежности из-за различия температурных коэффициентов расширения материалов; сложность общей герметизации устройства; технологическую сложность и высокую стоимость.

Оптоэлектронными называют приборы, которые чувствительны к электромагнитному излучению в видимой, инфракрасной и ультрафиолетовой областях, а также приборы, производящие или использующие такое излучение.

Излучение в видимой, инфракрасной и ультрафиолетовой областях относят к оптическому диапазону спектра. Обычно к указанному диапазону относят электромагнитные волны с длиной от 1 нм до 1 мм , что соответствует частотам примерно от 0,5·10 12 Гц до 5·10 17 Гц . Иногда говорят о более узком диапазоне частот – от 10 нм до 0,1 мм (~5·10 12 …5·10 16 Гц ). Видимому диапазону соответствуют длины волн от 0,38 мкм до 0,78 мкм (частота около 10 15 Гц ).

На практике широко используются источники излучения (излучатели), приемники излучения (фотоприемники) и оптроны (оптопары).

Оптроном называют прибор, в котором имеется и источник, и приемник излучения, конструктивно объединенные и помещенные в один корпус.

Из источников излучения нашли широкое применение светодиоды и лазеры, а из приемников – фоторезисторы, фотодиоды, фототранзисторы и фототиристоры.

Широко используются оптроны, в которых применяются пары светодиод-фотодиод, светодиод-фототранзистор, светодиод-фототиристор.

Основные достоинства оптоэлектронных приборов:

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

· полная гальваническая развязка источника и приемника излучения;

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

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

Излучающий диод (светодиод)

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

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

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

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

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

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

зависимость силы света I v от тока диода i .

Рис. 6.1. Структура светоизлучающего диода (а )

и его графическое изображение (б )

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

Рис. 6.2. Яркостная характеристика светодиода

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

Рис. 6.3. Зависимость силы света от тока светодиода

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

Приведем для диода АЛ119А его некоторые параметры:

· время нарастания импульса излучения – не более 1000 нс ;

· время спада импульса излучения – не более 1500 нс ;

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

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

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

Рис. 6.4 . Зависимость мощности излучения от тока светодиода

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

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

Фоторезистор

Фоторезистором называют полупроводниковый резистор, сопротивление которого чувствительно к электромагнитному излучению в оптическом диапазоне спектра. Схематическое изображение структуры фоторезистора приведено на рис. 6.5,а , а его условное графическое изображение – на рис. 6.5,б .

Поток фотонов, падающих на полупроводник, вызывает появление пар электрон-дырка , увеличивающих проводимость (уменьшающих сопротивление). Это явление называют внутренним фотоэффектом (эффектом фотопроводимости). Фоторезисторы часто характеризуются зависимостью тока i от освещенности Е при заданном напряжении на резисторе. Это так называемая люкс-амперная характеристика (рис. 6.6).

Рис. 6.5. Структура (а ) и схематическое обозначение (б ) фоторезистора

Рис. 6.6. Люкс-амперная характеристика фоторезистора ФСК-Г7

Часто используют следующие параметры фоторезисторов:

· номинальное темновое (при отсутствии светового потока) сопротивление (для ФСК-Г7 это сопротивление равно 5 МОм );

· интегральную чувствительность (чувствительность, определяемая при освещении фоторезистора светом сложного спектрального состава).

Интегральная чувствительность (токовая чувствительность к световому потоку) S определяется выражением:

где i ф – так называемый фототок (разность между током при освещении и током при отсутствии освещения);

Ф – световой поток.

Для фоторезистора ФСК-Г7 S =0,7 А/лм .

Фотодиод

Устройство и основные физические процессы. Упрощенная структура фотодиода приведена на рис. 6.7,а , а его условное графическое изображение – на рис. 6.7,б .

Рис. 6.7. Структура (а) и обозначение (б) фотодиода

Физические процессы, протекающие в фотодиодах, носят обратный характер по отношению к процессам, протекающим в светодиодах. Основным физическим явлением в фотодиоде является генерация пар электрон-дырка в области p-n -перехода и в прилегающих к нему областях под действием излучения.

Генерация пар электрон-дырка приводит к увеличению обратного тока диода при наличии обратного напряжения и к появлению напряжения u ак между анодом и катодом при разомкнутой цепи. Причем u ак >0 (дырки переходят к аноду, а электроны – к катоду под действием электрического поля p-n -перехода).

Характеристики и параметры. Фотодиоды удобно характеризовать семейством вольт-амперных характеристик, соответствующих различным световым потокам (световой поток измеряется в люменах, лм ) или различным освещенностям (освещенность измеряется в люксах, лк ).

Вольт-амперные характеристики (ВАХ) фотодиода представлена на рис. 6.8.

Рис. 6.8. Вольт-амперные характеристики фотодиода

Пусть вначале световой поток равен нулю, тогда ВАХ фотодиода фактически повторяет ВАХ обычного диода. Если световой поток не равен нулю, то фотоны, проникая в область p-n– перехода, вызывают генерацию пар электрон-дырка . Под действием электрического поля p-n– перехода носители тока движутся к электродам (дырки – к электроду слоя p , электроны – к электроду слоя n ). В результате между электродами возникает напряжение, которое возрастает при увеличении светового потока. При положительном напряжении анод-катод ток диода может быть отрицательным (четвертый квадрант характеристики). При этом прибор не потребляет, а вырабатывает энергию.

На практике фотодиоды используют и в так называемом режиме фотогенератора (фотогальванический режим, вентильный режим), и в так называемом режиме фотопреобразователя (фотодиодный режим).

В режиме фотогенератора работают солнечные элементы, преобразующие свет в электроэнергию. В настоящее время коэффициент полезного действия солнечных элементов достигает 20 %. Пока энергия, полученная от солнечных элементов, примерно в 50 раз дороже энергии, получаемой из угля, нефти или урана.

Режим фотопреобразователя соответствует ВАХ в третьем квадранте. В этом режиме фотодиод потребляет энергию (u · i > 0) от некоторого обязательно имеющегося в цепи внешнего источника напряжения (рис. 6.9). Графический анализ этого режима выполняется при использовании линии нагрузки, как и для обычного диода. При этом характеристики обычно условно изображаются в первом квадранте (рис. 6.10).

Рис. 6.9 Рис. 6.10

Фотодиоды являются более быстродействующими приборами по сравнению с фоторезисторами. Они работают на частотах 10 7 –10 10 Гц . Фотодиод часто используют в оптопарах светодиод-фотодиод . В этом случае различные характеристики фотодиода соответствуют различным токам светодиода (который при этом создает различные световые потоки).

Оптрон (оптопара)

Оптрон – полупроводниковый прибор, содержащий источник излучения и приемник излучения, объединенных в одном корпусе и связанные между собой оптически, электрически и одновременно обеими связями. Очень широко распространены оптроны, у которых в качестве приемника излучения используются фоторезистор, фотодиод, фототранзистор и фототиристор.

В резисторных оптронах выходное сопротивление при изменении режима входной цепи может изменяться в 10 7 …10 8 раз. Кроме того, вольт-амперная характеристика фоторезистора отличается высокой линейностью и симметричностью, что обусловливает широкую применимость резистивных оптопар в аналоговых устройствах. Недостатком резисторных оптронов является низкое быстродействие – 0,01…1 с .

В цепях передачи цифровых информационных сигналов применяются главным образом диодные и транзисторные оптроны, а для оптической коммутации высоковольтных сильноточных цепей – тиристорные оптроны. Быстродействие тиристорных и транзисторных оптронов характеризуется временем переключения, которое часто лежит в диапазоне 5…50 мкс .

Рассмотрим подробнее оптопару светодиод-фотодиод (рис. 6.11,а ). Излучающий диод (слева) должен быть включен в прямом направлении, а фотодиод – в прямом (режим фотогенератора) или обратном направлении (режим фотопреобразователя). Направления токов и напряжений диодов оптопары приведены на рис. 6.11,б .

Рис. 6.11. Схема оптопары (а) и направление токов и напряжений в ней (б)

Изобразим зависимость тока i вых от тока i вх при u вых =0 для оптопары АОД107А (рис. 6.12). Указанная оптопара предназначена для работы как в фотогенераторном, так и в фотопреобразовательном режиме.

Рис. 6.12. Передаточная характеристика оптопары АОД107А

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

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

Элементная база оптоэлектроники включает в себя:

1) оптоизлучатели - преобразователи электрической энергии в световую;

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

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

4) световоды.

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

Современная наука активно развивается в самых разных направлениях, стремясь охватить все возможные потенциально полезные сферы деятельности. Среди всего этого следует выделить оптоэлектронные приборы, которые используются как в процессе передачи данных, так и их хранения или обработки. Они используются практически везде, где применяется более или менее сложная техника.

Что это такое?

Под оптоэлектронными приборами, которые также известны как оптроны, понимают специальные приборы полупроводникового типа, способные отправлять и принимать излучение. Эти элементы конструкции носят названия фотоприемника и светоизлучателя. Они могут иметь разные варианты связи между собой. Принцип функционирования подобных изделий основан на преобразовании электричества в свет, а также обратной этой реакции. Как следствие, одно устройство может отправлять определенный сигнал, а другое его принимает и «расшифровывает». Используются оптоэлектронные приборы в:

• блоках связи аппаратуры;
• входных цепях измеряющих устройств;
• высоковольтных и сильноточных цепях;
• мощных тиристорах и симисторах;
• релейных устройствах и так далее.

Все такие изделия могут быть классифицированы по нескольким базовым группам, в зависимости от их отдельных компонентов, конструкции или других факторов. Об этом ниже.

Излучатель

Оптоэлектронные приборы и устройства оснащаются системами передачи сигнала. Их называют излучателями и в зависимости от типа, изделия разделяются следующим образом:

• Лазерные и светодиоды. Такие элементы относятся к самым универсальными. Для них характерны высокие показатели коэффициента полезного действия, весьма узкий спектр луча (этот параметр также известен как квазихроматичность), достаточно широкий диапазон работы, поддержание четкого направления излучения и очень высокая скорость работы. Устройства с подобными излучателями работают очень долго и крайне надежно, отличаются небольшими размерами и отлично показывают себя в сфере микроэлектронных моделей.
• Электролюминесцентные ячейки. Такой элемент конструкции показывает не особо высокий параметр качества преобразования и работает не слишком долго. При этом, устройствами весьма тяжело управлять. Однако именно они лучше всего подходят для фоторезисторов и могут использоваться для создания многоэлементных, многофункциональных структур. Тем не менее в силу своих недостатков, сейчас излучатели такого типа используются достаточно редко, только тогда, когда без них действительно нельзя обойтись.
• Неоновые лампы. Отдача света этих моделей сравнительно невысока, а также они плохо выдерживают повреждения и работают недолго. Отличаются большими размерами. Используются крайне редко, в отдельных видах приборов.
• Ламы накаливания. Такие излучатели применяются только в резисторном оборудовании и больше нигде.

Как следствие, светодиодные и лазерные модели оптимально подходят практически для всех сфер деятельности и лишь в некоторых областях, где по-другому нельзя, применяются другие варианты.

Фотоприемник

Классификация оптоэлектронных приборов также производится и по типу этой части конструкции. В качестве принимающего элемента могут использоваться разные типы изделий.

• Фото- тиристоры, транзисторы и диоды. Все они относятся к универсальным устройствам, способным работать с переходом открытого типа. Чаще всего в основе конструкции лежит кремний и из-за этого изделия получают достаточно широкий спектр чувствительности.
• Фоторезисторы. Это единственный альтернативный вариант, главным преимуществом которого является изменение свойств очень сложным образом. Это помогает реализовывать всевозможные математические модели. К сожалению, именно фоторезисторы инерционны, что значительно сужает сферу их применения.

Прием луча - это один из самых базовых элементов любого подобного устройства. Только после того как он сможет быть получен, начинается дальнейшая обработка, и она будет невозможна при недостаточно высоком качестве связи. Как следствие, конструкции фотоприемника уделяется огромное внимание.

Оптический канал

Особенности конструкции изделий может неплохо показать используемая система обозначений фотоэлектронных и оптоэлектронных приборов. В том числе это касается и канала передачи данных. Выделяют три основных их варианта:

• Удлиненный канал. Фотоприемник в такой модели отдален на достаточно серьезное расстояние от оптического канала, образуя специальный световод. Именно такой вариант конструкции активно применяется в компьютерных сетях для активной передачи данных.
• Закрытый канал. Такой тип конструкции использует специальную защиту. Она превосходно предохраняет канал от внешнего воздействия. Применяются модели для системы гальванической развязки. Это достаточно новая и перспективная технология, сейчас непрерывно совершенствующаяся и постепенно заменяющая собой электромагнитные реле.
• Открытый канал. Такая конструкция подразумевает наличие воздушного зазора между фотоприемником и излучателем. Используются модели в системах диагностики или разнообразных датчиках.

Спектральный диапазон

С точки зрения этого показателя, все виды оптоэлектронных приборов можно разделить на два вида:

• Ближний диапазон. Длина волны в данном случае колеблется в пределах 0,8-1,2 мкм. Чаще всего такая система применяется в устройствах, использующих открытый канал.
• Дальний диапазон. Тут длина волны уже 0,4-0,75 мкм. Применяется в большинстве видов остальных изделий такого типа.

Конструкция

По этому показателю оптоэлектронные приборы разделяются на три группы:

• Специальные. Сюда входят устройства оснащенными несколькими излучателями и фотоприемниками, датчиками присутствия, положения, задымленности и так далее.
• Интегральные. В таких моделях дополнительно используются специальные логические схемы, компараторы, усилители и другие устройства. Кроме всего прочего, выходы и входы у них гальванически развязаны.
• Элементарные. Это самый простой вариант изделий, в которых приемник и излучатель присутствуют только в одном экземпляре. Они могут быть как тиристорными, так и транзисторными, диодными, резистивными и вообще, любыми другими.

В приборах могут использоваться все три группы или каждая по отдельности. Конструктивные элементы играют существенную роль и напрямую воздействуют на функциональность изделия. В то же время сложное оборудование может использовать и самые простейшие, элементарные разновидности, если это будет целесообразно. Но верно и обратное.

Оптоэлектронные приборы и их применение

С точки зрения использования устройств все они могут разделяться на 4 категории:

• Интегральные схемы. Применяются в самых разных приборах. Используется принцип между разными элементами конструкции при помощи отдельных частей, которые изолированы друг от друга. Это не дает взаимодействовать компонентам никаким образом, кроме того, который был предусмотрен разработчиком.
• Изоляция. В этом случае используются специальные оптические резисторные пары, их диодные, тиристорные или транзисторные разновидности и так далее.
• Преобразование. Это один из самых распространенных вариантов использования. В нем ток трансформируется в свет и применяется именно таким образом. Простой пример - всевозможные лампы.
• Обратное преобразование. Это уже полностью противоположный вариант, в котором именно свет трансформируется в ток. Используются для создания всевозможных приемников.

Фактически, сложно представить себе практически любое устройство, работающее на электричестве и лишенное какого-то варианта оптоэлектронных компонентов. Они могут быть представлены в небольшом количестве, но все равно будут присутствовать.

Итоги

Все оптоэлектронные приборы, тиристоры, диоды, полупроводниковые приборы - это конструктивные элементы разных видов оборудования. Они позволяют человеку получать свет, передавать информацию, обрабатывать или даже хранить ее.