El principio de funcionamiento de los dispositivos optoelectrónicos. Propiedades de los instrumentos de medida eléctricos y sus campos de aplicación. Dispositivos optoelectrónicos. Clasificación y tipos Dispositivos semiconductores optoelectrónicos Optoacopladores de diodos emisores de luz

Optoelectrónica - el campo de la electrónica, donde se utilizan ondas electromagnéticas del rango óptico (10 nm - 1 mm) como portadores de información.

El amplio desarrollo del rango óptico está determinado por una serie de ventajas fundamentales de las ondas de luz en comparación con las ondas de radio:

1) una gran capacidad de información de la comunicación óptica, que se debe a la muy alta frecuencia de las ondas de luz. Entonces, en la parte visible del espectro f ~ (101 ... 1015) Hz para la transmisión de una imagen de televisión convencional, se requiere una banda de frecuencia f = 6 MHz, por lo tanto, se pueden colocar hasta varios cientos de canales de televisión en Bandas VHF y decimétricas. En el rango óptico, este número se eleva a cientos de millones o más;

2) alta directividad de la radiación debido a la pequeña proporción. longitudes de onda a las dimensiones de la apertura del emisor;

4) alta densidad de registro de información en dispositivos de almacenamiento óptico, lo que abre nuevas perspectivas para la construcción de computadoras de generaciones posteriores.

Para realizar estas ventajas, en primer lugar, se requieren dispositivos optoelectrónicos con buenas características. Los dispositivos optoelectrónicos son dispositivos en los que tienen lugar los principales procesos con la participación de fotones. Dependiendo de las características de los procesos en curso, todos los dispositivos optoelectrónicos se pueden dividir en tres grupos:

1) emisores de luz que convierten la energía eléctrica en radiación óptica (LED, láseres semiconductores, condensadores luminiscentes);

2) fotodetectores (fotodetectores) que convierten la radiación óptica en señales de información eléctrica (fotorresistores, fotodiodos, fototransistores, etc.);

3) convertidores solares que convierten la radiación óptica en energía eléctrica (baterías solares, dispositivos fotovoltaicos).

Además de estos dispositivos, en diversos campos de la ciencia y la tecnología, los pares optoelectrónicos son ampliamente utilizados: dispositivos semiconductores que consisten en elementos emisores de luz y fotodetectores, entre los cuales existe una comunicación óptica a través de un canal óptico que proporciona aislamiento eléctrico entre la entrada y la salida. (conversión secuencial de corriente a luz). corriente "). El emisor de luz, el fotodetector y el canal óptico, que implementa el aislamiento galvánico entre la entrada y la salida, se combinan estructuralmente en una carcasa.

Para su uso en varios dispositivos electrónicos, se utilizan circuitos integrados optoelectrónicos: microcircuitos integrados en los que se lleva a cabo una comunicación óptica entre nodos o componentes individuales para aislarlos entre sí (aislamiento galvánico).

Optoelectrónica- esta es una rama de la electrónica, asociada principalmente al estudio de los efectos de la interacción entre ondas electromagnéticas del rango óptico y electrones de la materia (principalmente sólidos) y que cubre los problemas de creación de dispositivos optoelectrónicos (principalmente por métodos de tecnología microelectrónica), en el que estos efectos se utilizan para la generación, transmisión, procesamiento, almacenamiento y visualización de información.

Según esta definición, la optoelectrónica como dirección científica y técnica se caracteriza por tres rasgos distintivos.

1. La base física de la optoelectrónica está formada por fenómenos, métodos, medios para los cuales la combinación y continuidad de los procesos ópticos y electrónicos son fundamentales.

2. La base técnica de la optoelectrónica está determinada por los conceptos constructivos y tecnológicos de la microelectrónica moderna: miniaturización de elementos; desarrollo preferido de estructuras de plano sólido; integración de elementos y funciones; centrarse en materiales ultrapuros especiales; aplicación de métodos de procesamiento grupal de productos.

3. El propósito funcional de la optoelectrónica es resolver las siguientes tareas: generación, transferencia, transformación, almacenamiento y visualización de información.

Para resolver los problemas anteriores, los dispositivos optoelectrónicos utilizan señales de información en formas ópticas y eléctricas, pero las señales ópticas son decisivas; esto es precisamente lo que se logra con lo cualitativamente nuevo que distingue a la optoelectrónica.

Optoelectrónico son llamados accesorios sensibles a la radiación electromagnética en las regiones visible, infrarroja y ultravioleta, así como los dispositivos que producen o utilizan dicha radiación.

En un dispositivo optoelectrónico particular, la presencia de los tres componentes de la definición anterior es obligatoria, pero las características distintivas enumeradas pueden incorporarse en mayor o menor medida. Esto permite separar dispositivos optoelectrónicos y fotoelectrónicos (tubos fotomultiplicadores, dispositivos de haz de electrones).

En la Fig. 2.1 presenta la clasificación de los dispositivos optoelectrónicos e indica los efectos físicos que subyacen a su trabajo.

En la práctica, se utilizan ampliamente fuentes radiación(emisores), receptores radiación(fotodetectores) y optoacopladores(optoacopladores).

Emisor- una fuente cuyo flujo luminoso o brillo es función de la señal eléctrica que llega a su entrada.

De fuentes de radiación, los LED y láseres se utilizan ampliamente, y de los receptores: fotorresistores, fotodiodos, fototransistores y fototistores. Los optoacopladores se utilizan ampliamente, en los que se utilizan pares de fotodiodo LED, fototransistor LED, fototiristor LED.

Por el tipo de emisor utilizado, los dispositivos se distinguen coherente(con láser) y incoherente(con diodos emisores de luz) optoelectrónica.

Tanto los dispositivos individuales como los sistemas optoelectrónicos complejos se crean a partir de elementos separados. Los principales elementos optoelectrónicos son:

· Fuentes de radiación óptica coherente (láser semiconductor);

· Fuentes de radiación óptica incoherente (diodo emisor de luz);

· Medios ópticos activos y pasivos;

· Receptores de radiación óptica (fotodiodo);

· Elementos ópticos (lente);

· Elementos de fibra óptica (haz de fibra óptica);

· Elementos ópticos integrados (espejo óptico integrado).

Como puede verse en el diagrama de bloques generalizado de un dispositivo optoelectrónico (OED) que se muestra en la Fig. 2.2, junto con los fotodetectores y emisores, un componente importante del OES son los circuitos eléctricos de adaptación de entrada y salida diseñados para la formación y procesamiento de una señal óptica. Una característica de estos circuitos bastante complejos, principalmente integrados, es la compensación de las pérdidas de energía durante las conversiones "electricidad - luz" y "luz - electricidad", así como asegurar una alta estabilidad y estabilidad del OES bajo la influencia de factores externos.

En términos de funcionalidad, en la clase de dispositivos optoelectrónicos, además de las fuentes de radiación en miniatura y los receptores de radiación de uno y varios elementos, se deben distinguir los siguientes dispositivos.

Un optoacoplador es un dispositivo optoelectrónico en el que un emisor en la entrada y un fotodetector en la salida se combinan estructuralmente en una carcasa común, interactuando entre sí óptica y eléctricamente.

Los optoacopladores se utilizan ampliamente en equipos microelectrónicos y eléctricos para proporcionar aislamiento eléctrico en la transmisión de señales de información, conmutación sin contacto de circuitos de alta corriente y alta tensión y para crear fotodetectores sintonizables en dispositivos de control y regulación.

Sensores optoelectrónicos- dispositivos que convierten influencias físicas externas: temperatura, presión, humedad, aceleración, campo magnético y otros - en señales eléctricas. El funcionamiento de estos dispositivos se basa en diferentes principios. Los sensores incluyen sensores de imagen y optoacopladores con un canal óptico abierto. El desarrollo especialmente intensivo de esta dirección está asociado con la aparición de sensores de fibra óptica, en los que las influencias externas cambian las características de la señal óptica que se propaga a lo largo de la fibra.

Líneas de comunicación de fibra óptica (FOCL)- dispositivos y sistemas que contienen una guía de luz de fibra óptica flexible (en forma de cable), acoplada con un emisor en un extremo (transmisor) y con un fotodetector en el otro (recepción).

La base física de FOCL está determinada por los procesos de propagación de señales ópticas a lo largo de una guía de luz de fibra, así como por los fenómenos fotoeléctricos y de generación de luz en el emisor y el receptor.

Indicadores- dispositivos controlados eléctricamente para sistemas de visualización visual. Son ampliamente utilizados, que van desde relojes electrónicos y microcalculadoras, marcadores y paneles de instrumentos y terminan con pantallas en el sistema "hombre-computadora". La base física de los dispositivos de tipo indicador está formada por diferentes tipos de electroluminiscencia (para dispositivos con un ráster luminoso activo) y fenómenos electroópticos (para dispositivos con un ráster pasivo reflectante de luz).

De acuerdo con la clasificación de productos optoelectrónicos no coherentes, los DEO se dividen según el tipo de conversión de señal optoelectrónica (el principio de conversión "electricidad - luz" se implementa en los dispositivos emisores), el nivel de integración, la aplicación funcional y el diseño. Cada uno de los grupos OED seleccionados, aparentemente, se repondrá en el futuro con nuevos dispositivos y dispositivos.

Enumeremos las principales ventajas de los dispositivos optoelectrónicos:

Alto ancho de banda del canal óptico. La frecuencia de oscilación es de tres a cinco órdenes de magnitud más alta que en el rango de ingeniería de radio masterizado. Esto significa que el rendimiento del canal de transmisión de información óptica también aumenta en el mismo factor.

Aislamiento eléctrico ideal entre entrada y salida. El uso de fotones eléctricamente neutros como portadores de información determina la falta de contacto de la comunicación óptica. De aquí se sigue el aislamiento eléctrico ideal de la entrada y la salida; unidireccionalidad del flujo de información y ausencia de una respuesta recíproca del receptor a la fuente; inmunidad al ruido de los canales de comunicación óptica; secreto de la transmisión de información a través de un canal de comunicación óptica.

Como desventajas, se pueden distinguir las siguientes características del OES:

Baja eficiencia. La eficiencia de las conversiones de la forma E (iluminación)> L (brillo) y L> E en los mejores dispositivos modernos (láseres, LED, fotodiodos p-i-n), por regla general, no supera el 10 ... 20%. Por lo tanto, si tales conversiones se llevan a cabo en un dispositivo solo dos veces (en la entrada y en la salida), como, por ejemplo, en optoacopladores o líneas de comunicación de fibra óptica (FOCL), entonces la eficiencia general cae a un pequeño porcentaje. La introducción de cada acto adicional de convertir señales de información de una forma a otra conduce a una disminución de la eficiencia en un orden de magnitud o más. Un valor bajo de eficiencia provoca un aumento en el consumo de energía, lo cual es inaceptable debido a las capacidades limitadas de las fuentes de alimentación; complica la miniaturización, ya que es prácticamente imposible eliminar el calor liberado; reduce la eficiencia y confiabilidad de la mayoría de los dispositivos optoelectrónicos.

La presencia de materiales diferentes utilizados en dispositivos y sistemas optoelectrónicos determina: baja eficiencia general del dispositivo debido a la absorción de radiación en las regiones pasivas de las estructuras, reflexión y dispersión en los límites ópticos; disminución de la confiabilidad debido a la diferencia en los coeficientes de temperatura de expansión de los materiales; la complejidad del sellado general del dispositivo; complejidad tecnológica y alto costo.

Los dispositivos optoelectrónicos son dispositivos sensibles a la radiación electromagnética en las regiones visible, infrarroja y ultravioleta, así como dispositivos que producen o utilizan dicha radiación.

La radiación en las regiones visible, infrarroja y ultravioleta se refiere al rango óptico del espectro. Por lo general, el rango especificado incluye ondas electromagnéticas con una longitud de 1 Nuevo Méjico hasta 1 mm, que corresponde a frecuencias de aproximadamente 0,5 10 12 Hz hasta 5 10 17 Hz... A veces hablan de un rango de frecuencia más estrecho, de 10 Nuevo Méjico hasta 0,1 mm(~ 5 · 10 12 ... 5 · 10 16 Hz). El rango visible corresponde a longitudes de onda de 0,38 μm a 0,78 μm (frecuencia de aproximadamente 10 15 Hz).

En la práctica, las fuentes de radiación (emisores), los receptores de radiación (fotodetectores) y los optoacopladores (optoacopladores) se utilizan ampliamente.

Un optoacoplador es un dispositivo que contiene tanto una fuente como un receptor de radiación, combinados estructuralmente y colocados en una carcasa.

De fuentes de radiación, los LED y láseres se utilizan ampliamente, y de los receptores: fotorresistores, fotodiodos, fototransistores y fototiristores.

Los optoacopladores se utilizan ampliamente, en los que se utilizan pares de fotodiodo LED, fototransistor LED, fototiristor LED.

Las principales ventajas de los dispositivos optoelectrónicos:

· Alta capacidad de información de los canales ópticos de transmisión de información, que es consecuencia de los altos valores de las frecuencias utilizadas;

· Aislamiento galvánico completo de la fuente y el receptor de radiación;

· Falta de influencia del receptor de radiación sobre la fuente (flujo de información unidireccional);

· Inmunidad de señales ópticas a campos electromagnéticos (alta inmunidad al ruido).

Diodo emisor (LED)

Un diodo emisor que opera en el rango de longitud de onda visible a menudo se denomina diodo emisor de luz o LED.

Considere el dispositivo, las características, los parámetros y el sistema de designación de los diodos emisores.

Dispositivo. Una representación esquemática de la estructura del diodo emisor se muestra en la Fig. 6.1, a, y su designación gráfica convencional está en la Fig. 6.2, b.

La radiación surge cuando la corriente directa del diodo fluye como resultado de la recombinación de electrones y huecos en la región. p-n-transición y en áreas adyacentes a la zona especificada. Al recombinarse, se emiten fotones.

Características y parámetros... Para diodos emisores que funcionan en el rango visible (longitud de onda de 0,38 a 0,78 micrón, la frecuencia es de aproximadamente 10 15 Hz), las siguientes características se utilizan ampliamente:

La dependencia del brillo de la radiación. L de la corriente del diodo I(característica de brillo);

dependencia de la intensidad luminosa Yo v de la corriente del diodo I.

Arroz. 6.1. Estructura de diodo emisor de luz ( a)

y su imagen gráfica ( B)

La característica de brillo para un diodo emisor de luz del tipo AL102A se muestra en la Fig. 6.2. El color de brillo de este diodo es rojo.

Arroz. 6.2. Característica de brillo LED

El gráfico de la dependencia de la intensidad luminosa de la corriente para un diodo emisor de luz del tipo AL316A se muestra en la Fig. 6.3. El color del resplandor es rojo.

Arroz. 6.3. Intensidad luminosa frente a corriente LED

Para los diodos emisores que no operan en el rango visible, use características que reflejen la dependencia de la potencia de radiación. R de la corriente del diodo I... La zona de posibles posiciones del gráfico de la dependencia de la potencia de radiación de la corriente para un diodo emisor del tipo AL119A, operando en el rango infrarrojo (longitud de onda 0.93 ... 0.96 micrón) se muestra en la Fig. 6.4.

Demos algunos parámetros para el diodo AL119A:

El tiempo de subida del pulso de radiación: no más de 1000 NS;

Tiempo de caída del pulso de radiación: no más de 1500 NS;

Voltaje directo constante en I=300 mamá- no más de 3 V;

Corriente directa máxima admisible constante en t<+85°C – 200 mamá;

· Temperatura ambiente –60… + 85 ° С.

Arroz. 6.4. Dependencia de la potencia de radiación de la corriente LED

Para obtener información sobre posibles valores de la eficiencia, observamos que los diodos emisores de los tipos ZL115A, AL115A, que operan en el rango de infrarrojos (longitud de onda 0.95 micrón, ancho del espectro no más de 0.05 micrón), tener una eficiencia de al menos el 10%.

Sistema de notación. El sistema de designación utilizado para los diodos emisores de luz implica el uso de dos o tres letras y tres números, por ejemplo, AL316 o AL331. La primera letra indica el material, la segunda (o la segunda y la tercera) - el diseño: L - un solo LED, LS - una fila o matriz de LED. Los números posteriores (y algunas veces letras) indican el número de desarrollo.

Fotorresistencia

Un fotorresistor es un resistor semiconductor cuya resistencia es sensible a la radiación electromagnética en el rango óptico del espectro. Una representación esquemática de la estructura del fotorresistor se muestra en la Fig. 6,5, a, y su imagen gráfica convencional se muestra en la Fig. 6,5, B.

El flujo de fotones que inciden en un semiconductor provoca la aparición de pares agujero de electrones aumento de la conductividad (disminución de la resistencia). Este fenómeno se denomina efecto fotoeléctrico intrínseco (efecto de fotoconducción). Los fotorresistores a menudo se caracterizan por una dependencia actual I de la iluminación mi a un voltaje dado a través de la resistencia. Este es el llamado lux-amperio característica (fig. 6.6).

Arroz. 6.5. Estructura ( a) y notación esquemática ( B) fotorresistencia

Arroz. 6.6. Característica lux-amperio del fotorresistor FSK-G7

Los siguientes parámetros de fotorresistores se utilizan a menudo:

Resistencia nominal en oscuridad (en ausencia de flujo luminoso) (para FSK-G7 esta resistencia es 5 MOhm);

· Sensibilidad integral (sensibilidad determinada cuando el fotorresistor se ilumina con luz de composición espectral compleja).

La sensibilidad integral (sensibilidad de la corriente al flujo luminoso) S está determinada por la expresión:

dónde si- la llamada fotocorriente (la diferencia entre la corriente bajo iluminación y la corriente en ausencia de iluminación);

F- flujo de luz.

Para fotorresistencia FSK-G7 S=0,7 A / lm.

Fotodiodo

Dispositivo y procesos físicos básicos. La estructura simplificada del fotodiodo se muestra en la Fig. 6,7, a, y su imagen gráfica convencional se muestra en la Fig. 6,7, B.

Arroz. 6.7. Estructura (a) y designación (b) del fotodiodo

Los procesos físicos que ocurren en los fotodiodos son inversos a los procesos que ocurren en los LED. El principal fenómeno físico en un fotodiodo es la generación de pares. agujero de electrones en el área de p-n-unión y en las áreas adyacentes bajo la influencia de la radiación.

Generando pares agujero de electrones conduce a un aumento de la corriente inversa del diodo en presencia de un voltaje inverso y a la aparición de un voltaje tú ak entre el ánodo y el cátodo cuando hay circuito abierto. es más tú ak> 0 (los agujeros van al ánodo y los electrones al cátodo bajo la acción de un campo eléctrico p-n-transición).

Características y parámetros. Es conveniente caracterizar los fotodiodos por una familia de características de voltios-amperios correspondientes a diferentes flujos luminosos (el flujo luminoso se mide en lúmenes, lm) o iluminación diferente (la iluminación se mide en lux, OK).

Las características de corriente-voltaje (CVC) del fotodiodo se muestran en la Fig. 6.8.

Arroz. 6.8. Características de corriente-voltaje del fotodiodo.

Deje que el flujo luminoso sea cero al principio, luego el CVC del fotodiodo realmente repite el CVC de un diodo convencional. Si el flujo luminoso no es cero, entonces los fotones que penetran en la región p-n– transición, provocar la generación de pares agujero de electrones... Bajo la influencia de un campo eléctrico. p-n– transición, los portadores de corriente se mueven a los electrodos (agujeros - al electrodo de la capa pag, electrones - al electrodo de la capa norte). Como resultado, surge un voltaje entre los electrodos, que aumenta con un aumento del flujo luminoso. Con un voltaje ánodo-cátodo positivo, la corriente del diodo puede ser negativa (cuarto cuadrante de la característica). En este caso, el dispositivo no consume, sino que genera energía.

En la práctica, los fotodiodos se utilizan tanto en el llamado modo fotogenerador (modo fotovoltaico, modo válvula) como en el llamado modo fotoconvertidor (modo fotodiodo).

En el modo fotogenerador, las células solares funcionan y convierten la luz en electricidad. Actualmente, la eficiencia de las células solares alcanza el 20%. Hasta ahora, la energía obtenida de las células solares es aproximadamente 50 veces más cara que la energía obtenida del carbón, el petróleo o el uranio.

El modo del fotoconvertidor corresponde a la característica IV en el tercer cuadrante. En este modo, el fotodiodo consume energía ( tu· I> 0) de alguna fuente de voltaje externa requerida en el circuito (Fig. 6.9). Se realiza un análisis gráfico de este modo utilizando la línea de carga como para un diodo convencional. En este caso, las características se suelen representar de forma convencional en el primer cuadrante (fig. 6.10).

Arroz. 6,9 Fig. 6,10

Los fotodiodos son más rápidos que los fotorresistores. Operan a frecuencias de 10 7 a 10 10 Hz... El fotodiodo se usa a menudo en optoacopladores Fotodiodo LED... En este caso, diferentes características del fotodiodo corresponden a diferentes corrientes del LED (que crea diferentes flujos luminosos).

Optoacoplador (optoacoplador)

Un optoacoplador es un dispositivo semiconductor que contiene una fuente de radiación y un receptor de radiación, combinados en una carcasa y conectados entre sí óptica, eléctrica y simultáneamente por ambas conexiones. Los optoacopladores están muy extendidos, en los que un fotorresistor, fotodiodo, fototransistor y fototiristor se utilizan como detector de radiación.

En los optoacopladores de resistencia, la resistencia de salida al cambiar el modo del circuito de entrada puede cambiar en un factor de 10 7 ... 10 8 veces. Además, la característica corriente-voltaje del fotoresistor se caracteriza por una alta linealidad y simetría, lo que determina la amplia aplicabilidad de los optoacopladores resistivos en dispositivos analógicos. La desventaja de los optoacopladores de resistencia es la baja velocidad: 0.01 ... 1 con.

En los circuitos para transmitir señales de información digital, se utilizan principalmente optoacopladores de diodos y transistores, y los optoacopladores de tiristores se utilizan para la conmutación óptica de circuitos de alta tensión y alta corriente. La velocidad de los optoacopladores de tiristores y transistores se caracteriza por el tiempo de conmutación, que a menudo se encuentra en el rango de 5 ... 50 μs.

Consideremos con más detalle el optoacoplador de fotodiodo LED (Fig. 6.11, a). El diodo emisor (izquierda) debe encenderse hacia adelante y el fotodiodo hacia adelante (modo fotogenerador) o hacia atrás (modo fotoconvertidor). Las direcciones de las corrientes y voltajes de los diodos optoacopladores se muestran en la Fig. 6.11, B.

Arroz. 6.11. Circuito optoacoplador (a) y la dirección de las corrientes y voltajes en él (b)

Representaremos la dependencia de la corriente. yo fuera de la corriente yo en a estás fuera= 0 para el optoacoplador AOD107A (Fig. 6.12). El optoacoplador especificado está diseñado para funcionar en los modos fotogenerador y fotoconversión.

Arroz. 6.12. Característica de transferencia del optoacoplador AOD107A

La optoelectrónica es una rama de la ciencia y la tecnología, en la que se estudian los temas de generación, procesamiento, memorización y almacenamiento de información a partir del uso conjunto de tecnologías eléctricas y ópticas. Los dispositivos optoelectrónicos utilizan radiación electromagnética en el rango óptico durante su funcionamiento.

La microelectrónica moderna no ha resuelto el problema de la microminiaturización general de los equipos electrónicos. Elementos tradicionales como transformadores, contactos desmontables, condensadores grandes no encajan bien con componentes integrales debido a sus grandes dimensiones. Es especialmente difícil proporcionar aislamiento eléctrico cuando se conectan dos sistemas: alto voltaje y bajo voltaje. En particular, tal problema surge al crear dispositivos de control para instalaciones de alta tensión de gran potencia eléctrica. Aquí es donde la optoelectrónica viene al rescate. El uso de un canal de comunicación óptica permite asegurar un aislamiento eléctrico confiable de cualquier sistema, eliminar componentes voluminosos reactivos y de contacto y aumentar la confiabilidad del funcionamiento del equipo.

La base elemental de la optoelectrónica incluye:

1) optoemisores: convertidores de energía eléctrica en luz;

2) receptores de radiación fotoeléctrica (fotodetectores): convertidores de energía luminosa en energía eléctrica;

3) dispositivos para aislamiento eléctrico durante la transmisión de energía e información a través del canal de luz: dispositivos optoelectrónicos (optoacopladores);

4) guías de luz.

Limitémonos a considerar los optoacopladores semiconductores, fuentes o receptores de radiación incoherente más utilizados en electrónica industrial.

El emisor de luz semiconductor es un diodo emisor de luz. Se sabe que durante la recombinación de portadores, es decir, el retorno de un electrón de la banda de conducción a la banda de valencia, se emite un cuanto de energía. La recombinación más intensa ocurre cerca de la transición, cuando la mayoría de los portadores superan la barrera potencial y se recombinan. Para crear diodos emisores de luz, se utilizan materiales semiconductores complejos, en los que se emite una cantidad de energía en el rango óptico (o infrarrojo), por ejemplo, fosfuro de galio, arseniuro de galio o carburo de silicio. La radiación ocurre cuando una corriente pasa a través del dispositivo en la dirección de avance. El diseño del dispositivo asegura la transmisión de luz desde la unión sin pérdidas significativas en el grosor del semiconductor. El CVC de los diodos emisores de luz es similar al de los diodos convencionales de silicio y germanio.

Los diodos emisores de luz se producen como elementos o grupos separados (matrices) para mostrar información en forma de letras, números y varios símbolos. También forman parte de los optoacopladores. La designación del diodo emisor de luz en los diagramas se muestra en la Fig. 1.20, a.

Arroz. 1.20. Designaciones esquemáticas de un diodo emisor de luz (a), fotodiodo (b), fototransistor (c), fototiristor (d) y optoacoplador de diodo (e)

Los fotodetectores incluyen fotodiodos, fototransistores, fototiristores y otros dispositivos. En el § 1.1 se mencionó el fenómeno de la termogeneración, es decir, la transición de un electrón de la banda de valencia a la banda de conducción al calentarse. Puede ocurrir una transición similar si la capa semiconductora se expone a la luz. Como resultado de un aumento en el número de portadores minoritarios, la conductividad de la sustancia aumenta (la aparición de fotoconductividad). Cuando la unión se irradia con luz, la corriente de los portadores minoritarios aumenta, es decir, la corriente inversa de esta unión aumenta: donde está el flujo luminoso.

Esta es la base de la operación del fotodiodo, a la que se conecta la fuente de voltaje inverso a través de la resistencia de carga. Con un aumento en Ф, la caída de voltaje a través de la carga aumenta y aumenta.La designación del fotodiodo en los circuitos se muestra en la Fig. ...

El trabajo del fototransistor también se basa en la fotoconductividad. En un transistor sin una salida base a un circuito externo (es decir, en), se determina la corriente de acuerdo con (1.4)

Cuando se irradia la base o la región de unión del colector, la corriente de la portadora minoritaria cambia proporcionalmente. En un transistor con un OE, la corriente se amplifica varias veces, por lo tanto, la potencia de la señal puede ser mayor que en un fotodiodo, al mismo nivel de voltaje de la fuente de alimentación E. La designación del fototransistor se muestra en el diagrama en Higo. 1.20, c.

El principio de funcionamiento de un fototiristor (la designación esquemática se muestra en la Fig. 1.20, d) en un cambio en la corriente expuesta a la irradiación de luz. En ausencia de un electrodo de puerta, la corriente del tiristor se describe mediante la expresión obtenida de (1.9):

En el fototiristor. Con un aumento del flujo luminoso, también aumenta la corriente del ánodo. Como se muestra en el § 1.7, esto aumenta los coeficientes y, cuando se alcanza, el tiristor se abre. Por lo tanto, un aumento de la corriente con un aumento del flujo luminoso estimula el disparo del tiristor. La corriente del tiristor abierto puede ser muchas veces mayor que el valor.

Por tanto, los dispositivos semiconductores controlados (transistor y tirnsor) pueden utilizar la radiación del producto como señal de control.

Utilizando un fototransistor como fotodetector, se puede obtener una amplificación de corriente. Una desventaja común de los optoacopladores es la no linealidad de la dependencia de la señal de salida de la señal de entrada, debido a la no linealidad de las características de los optoacopladores.

La transferencia de información del emisor al fotodetector se puede realizar mediante guías de luz: mangueras flexibles formadas por una carcasa reflectante y un núcleo de vidrio orgánico o inorgánico. La transmisión de información a través de fibras ópticas asegura una total inmunidad a las interferencias electromagnéticas.

Los dispositivos optoelectrónicos se utilizan cada vez más en la electrónica de la información y la energía, en varios dispositivos para transmitir y mostrar información.

La ciencia moderna se está desarrollando activamente en varias direcciones, esforzándose por cubrir todas las posibles áreas de actividad potencialmente útiles. Entre todo esto, es necesario destacar los dispositivos optoelectrónicos que se utilizan tanto en el proceso de transmisión de datos como en su almacenamiento o procesamiento. Se utilizan en casi todos los lugares donde se utiliza una técnica más o menos compleja.

¿Lo que es?

Los dispositivos optoelectrónicos, también conocidos como optoacopladores, son dispositivos especiales de tipo semiconductor capaces de enviar y recibir radiación. Estos elementos estructurales se denominan fotodetectores y emisores de luz. Pueden tener diferentes opciones para comunicarse entre sí. El principio de funcionamiento de tales productos se basa en la conversión de electricidad en luz, así como en el reverso de esta reacción. Como resultado, un dispositivo puede enviar una determinada señal, mientras que el otro la recibe y la "descifra". Los dispositivos optoelectrónicos se utilizan en:

unidades de equipo de comunicación;
circuitos de entrada de dispositivos de medición;
circuitos de alta tensión y alta corriente;
tiristores y triacs potentes;
dispositivos de retransmisión y así sucesivamente.

Todos estos productos se pueden clasificar en varios grupos básicos, según sus componentes individuales, diseño u otros factores. Más sobre esto a continuación.

Emisor

Los dispositivos y dispositivos optoelectrónicos están equipados con sistemas de transmisión de señales. Se denominan emisores y, según el tipo, los productos se dividen de la siguiente manera:

Láser y LED. Estos elementos se encuentran entre los más versátiles. Se caracterizan por altas tasas de eficiencia, un espectro de haz muy estrecho (este parámetro también se conoce como cuasi-cromaticidad), un rango de operación bastante amplio, manteniendo una dirección clara de radiación y una velocidad de operación muy alta. Los dispositivos con tales emisores funcionan durante mucho tiempo y de manera extremadamente confiable, difieren en su pequeño tamaño y se muestran bien en el campo de los modelos microelectrónicos.
Células electroluminiscentes. Dicho elemento de diseño no muestra un parámetro de calidad de conversión particularmente alto y no funciona durante demasiado tiempo. Al mismo tiempo, los dispositivos son muy difíciles de administrar. Sin embargo, son los más adecuados para fotorresistores y se pueden utilizar para crear estructuras multifuncionales de elementos múltiples. Sin embargo, debido a sus deficiencias, ahora los emisores de este tipo se utilizan con bastante poca frecuencia, solo cuando realmente no se puede prescindir de ellos.
Lámparas de neón. La salida de luz de estos modelos es relativamente baja y tampoco resisten bien los daños y no duran mucho. Son de gran tamaño. Se utilizan muy raramente, en ciertos tipos de dispositivos.
Lámparas incandescentes. Dichos emisores se utilizan solo en equipos de resistencia y en ningún otro lugar.

Como resultado, los modelos LED y láser son óptimos para casi todas las áreas de actividad, y solo en algunas áreas donde es imposible hacer lo contrario, se utilizan otras opciones.

Fotodetector

Los dispositivos optoelectrónicos también se clasifican según el tipo de esta parte de la estructura. Se pueden utilizar diferentes tipos de productos como elemento receptor.

Foto tiristores, transistores y diodos. Todos ellos pertenecen a dispositivos universales capaces de trabajar con una transición de tipo abierto. La mayoría de las veces, el diseño se basa en silicio y, debido a esto, los productos obtienen un rango de sensibilidad bastante amplio.
Fotorresistores. Esta es la única alternativa, cuya principal ventaja es cambiar las propiedades de una manera muy compleja. Esto ayuda a implementar todo tipo de modelos matemáticos. Desafortunadamente, son los fotorresistores los que son inerciales, lo que reduce significativamente el alcance de su aplicación.

La recepción del haz es uno de los elementos más básicos de cualquier dispositivo de este tipo. Solo después de que se puede recibir, comienza el procesamiento adicional, y será imposible si la calidad de la conexión no es lo suficientemente alta. Como resultado, se presta gran atención al diseño del fotodetector.

Canal óptico

Las características de diseño de los productos se pueden mostrar bien mediante el sistema de designación utilizado para dispositivos fotoelectrónicos y optoelectrónicos. Esto también se aplica al canal de transmisión de datos. Hay tres opciones principales:

Canal alargado. El fotodetector en tal modelo está ubicado a una distancia bastante significativa del canal óptico, formando una guía de luz especial. Es esta opción de diseño la que se utiliza activamente en las redes informáticas para la transmisión activa de datos.
Canal cerrado. Este tipo de construcción utiliza una protección especial. Protege perfectamente el canal de influencias externas. Se utilizan modelos para sistema de aislamiento galvánico. Esta es una tecnología bastante nueva y prometedora, que ahora se mejora continuamente y está reemplazando gradualmente a los relés electromagnéticos.
Canal abierto. Este diseño implica la presencia de un espacio de aire entre el fotodetector y el emisor. Los modelos se utilizan en sistemas de diagnóstico o en una variedad de sensores.

Rango espectral

En términos de este indicador, todos los tipos de dispositivos optoelectrónicos se pueden dividir en dos tipos:

Cerca del alcance. La longitud de onda en este caso oscila entre 0,8 y 1,2 micrones. Muy a menudo, este sistema se utiliza en dispositivos que utilizan un canal abierto.
Alcance lejano. Aquí la longitud de onda ya es de 0,4 a 0,75 micrones. Se utiliza en la mayoría de tipos de otros productos de este tipo.

Diseño

Según este indicador, los dispositivos optoelectrónicos se dividen en tres grupos:

Especial. Esto incluye dispositivos equipados con múltiples emisores y fotodetectores, sensores de presencia, posición, humo, etc.
Integral. En tales modelos, se utilizan adicionalmente circuitos lógicos especiales, comparadores, amplificadores y otros dispositivos. Entre otras cosas, sus salidas y entradas están aisladas galvánicamente.
Elemental. Esta es la versión más simple de productos en los que el receptor y el emisor están presentes en una sola copia. Pueden ser tanto tiristores como transistores, diodos, resistivos y, en general, cualesquiera otros.

Los dispositivos pueden utilizar los tres grupos o cada uno por separado. Los elementos estructurales juegan un papel fundamental y afectan directamente la funcionalidad del producto. Al mismo tiempo, los equipos sofisticados pueden utilizar las variedades elementales más simples, si corresponde. Pero lo contrario también es cierto.

Dispositivos optoelectrónicos y sus aplicaciones.

Desde el punto de vista del uso de dispositivos, todos se pueden dividir en 4 categorías:

Circuitos integrados. Se utilizan en una amplia variedad de dispositivos. El principio se utiliza entre diferentes elementos estructurales utilizando partes separadas que están aisladas entre sí. Esto evita que los componentes interactúen de otra manera que no sea la proporcionada por el desarrollador.
Aislamiento. En este caso, se utilizan pares de resistencias ópticas especiales, sus versiones de diodos, tiristores o transistores, etc.
Transformación. Este es uno de los casos de uso más comunes. En él, la corriente se transforma en luz y se aplica de esta forma. Un ejemplo sencillo es todo tipo de lámparas.
Transformación inversa. Esta ya es una opción completamente opuesta, en la que es la luz la que se transforma en corriente. Se utiliza para crear todo tipo de receptores.

De hecho, es difícil imaginar casi cualquier dispositivo que funcione con electricidad y carezca de algún tipo de componentes optoelectrónicos. Pueden presentarse en pequeñas cantidades, pero aún estarán presentes.

Resultados

Todos los dispositivos optoelectrónicos, tiristores, diodos, dispositivos semiconductores son elementos estructurales de diferentes tipos de equipos. Permiten a una persona recibir luz, transmitir información, procesarla o incluso almacenarla.