Le principe de fonctionnement des appareils optoélectroniques. Propriétés des instruments de mesure électriques et leurs domaines d'application. Appareils optoélectroniques. Classification et types Dispositifs optoélectroniques à semi-conducteurs Optocoupleurs à diodes électroluminescentes

Optoélectronique - le domaine de l'électronique, où les ondes électromagnétiques de la gamme optique (10 nm - 1 mm) sont utilisées comme supports d'information.

Le large développement de la gamme optique est déterminé par un certain nombre d'avantages fondamentaux des ondes lumineuses par rapport aux ondes radio :

1) une grande capacité d'information de la communication optique, qui est due à la très haute fréquence des ondes lumineuses. Ainsi, dans la partie visible du spectre f ~ (101 ... 1015) Hz pour la transmission d'une image de télévision conventionnelle, une bande de fréquence f = 6 MHz est nécessaire, par conséquent, jusqu'à plusieurs centaines de chaînes de télévision peuvent être placées dans Bandes VHF et décimétriques. Dans la gamme optique, ce nombre s'élève à des centaines de millions ou plus ;

2) haute directivité du rayonnement en raison du faible rapport. longueurs d'onde aux dimensions de l'ouverture de l'émetteur ;

4) une forte densité d'enregistrement d'informations dans des dispositifs de stockage optique, ce qui ouvre de nouvelles perspectives pour la construction d'ordinateurs des générations suivantes.

Pour réaliser ces avantages, tout d'abord, des dispositifs optoélectroniques avec de bonnes caractéristiques sont nécessaires. Les dispositifs optoélectroniques sont des dispositifs dans lesquels les principaux processus se déroulent avec la participation de photons. Selon les caractéristiques des processus en cours, tous les dispositifs optoélectroniques peuvent être divisés en trois groupes :

1) émetteurs de lumière qui convertissent l'énergie électrique en rayonnement optique (LED, lasers à semi-conducteurs, condensateurs luminescents) ;

2) photodétecteurs (photodétecteurs) qui convertissent le rayonnement optique en signaux d'information électriques (photorésistances, photodiodes, phototransistors, etc.);

3) convertisseurs solaires qui convertissent le rayonnement optique en énergie électrique (batteries solaires, dispositifs photovoltaïques).

En plus de ces dispositifs, dans divers domaines de la science et de la technologie, des paires optoélectroniques sont largement utilisées - des dispositifs à semi-conducteurs constitués d'éléments électroluminescents et photodétecteurs, entre lesquels il existe une communication optique via un canal optique qui assure une isolation électrique entre l'entrée et la sortie (conversion séquentielle courant-lumière). courant"). L'émetteur de lumière, le photodétecteur et le canal optique, qui met en œuvre l'isolation galvanique entre l'entrée et la sortie, sont structurellement combinés dans un seul boîtier.

Pour une utilisation dans divers dispositifs électroniques, des circuits intégrés optoélectroniques sont utilisés - des microcircuits intégrés dans lesquels une communication optique est réalisée entre des nœuds ou des composants individuels afin de les isoler les uns des autres (isolation galvanique).

Optoélectronique- il s'agit d'une branche de l'électronique, associée principalement à l'étude des effets d'interaction entre les ondes électromagnétiques du domaine optique et les électrons de la matière (essentiellement des solides) et couvrant les problèmes de création de dispositifs optoélectroniques (principalement par des méthodes de technologie microélectronique), dans lequel ces effets sont utilisés pour la génération, la transmission, le traitement, le stockage et l'affichage d'informations.

Selon cette définition, l'optoélectronique en tant que direction scientifique et technique se caractérise par trois traits distinctifs.

1. La base physique de l'optoélectronique est constituée de phénomènes, de méthodes, de moyens pour lesquels la combinaison et la continuité des processus optiques et électroniques sont fondamentales.

2. La base technique de l'optoélectronique est déterminée par les concepts constructifs et technologiques de la microélectronique moderne : miniaturisation des éléments ; développement privilégié de structures planes solides; intégration d'éléments et de fonctions; se concentrer sur des matériaux ultrapurs spéciaux; application de méthodes de traitement groupé des produits.

3. L'objectif fonctionnel de l'optoélectronique est de résoudre les tâches suivantes : génération, transfert, transformation, stockage et affichage d'informations.

Pour résoudre les problèmes ci-dessus, les dispositifs optoélectroniques utilisent des signaux d'information sous des formes optiques et électriques, mais les signaux optiques sont décisifs - c'est précisément ce qui est obtenu, cette qualité qualitativement nouvelle qui distingue l'optoélectronique.

Optoélectronique sont appelés appareils électroménagers sensibles aux rayonnements électromagnétiques dans les régions visible, infrarouge et ultraviolette, ainsi que les dispositifs qui produisent ou utilisent de tels rayonnements.

Dans un dispositif optoélectronique particulier, la présence des trois composants de la définition ci-dessus est obligatoire, mais les caractéristiques distinctives énumérées peuvent être incarnées dans une mesure plus ou moins grande. Ceci permet de séparer les dispositifs optoélectroniques et photoélectroniques (tubes photomultiplicateurs, dispositifs à faisceau d'électrons).

En figue. 2.1 présente la classification des dispositifs optoélectroniques et indique les effets physiques qui sous-tendent leur travail.

Dans la pratique, sont largement utilisés sources radiation(émetteurs), récepteurs radiation(photodétecteurs) et optocoupleurs(optocoupleurs).

Émetteur- une source dont le flux lumineux ou la luminosité est fonction du signal électrique arrivant à son entrée.

À partir de sources de rayonnement, les LED et les lasers sont largement utilisés, et à partir de récepteurs - photorésistances, photodiodes, phototransistors et photothyristors. Les optocoupleurs sont largement utilisés, dans lesquels des paires de photodiode LED, phototransistor LED, photothyristor LED sont utilisées.

Par le type d'émetteur utilisé, on distingue les appareils cohérent(avec des lasers) et incohérent(avec diodes électroluminescentes) optoélectronique.

Les appareils individuels et les systèmes optoélectroniques complexes sont créés à partir d'éléments séparés. Les principaux éléments optoélectroniques sont :

· Sources de rayonnement optique cohérent (laser à semi-conducteur);

· Sources de rayonnement optique incohérent (diode électroluminescente);

· Médias optiques actifs et passifs ;

· Récepteurs de rayonnement optique (photodiode);

· Éléments optiques (lentille);

· Éléments à fibres optiques (faisceau de fibres optiques);

· Éléments optiques intégrés (miroir optique intégré).

Comme on peut le voir sur le schéma fonctionnel généralisé d'un dispositif optoélectronique (OED) illustré à la Fig. 2.2, avec les photodétecteurs et les émetteurs, les circuits électriques d'adaptation d'entrée et de sortie conçus pour la formation et le traitement d'un signal optique sont un élément important de l'OES. Une caractéristique de ces circuits assez complexes, principalement intégrés, est la compensation des pertes d'énergie lors des conversions "électricité - lumière" et "lumière - électricité", ainsi que la garantie d'une stabilité et d'une stabilité élevées de l'OES sous l'influence de facteurs externes.

En termes de fonctionnalité dans la classe des dispositifs optoélectroniques, en plus des sources de rayonnement miniatures et des récepteurs de rayonnement à un ou plusieurs éléments, les dispositifs suivants doivent être distingués.

Un dispositif optoélectronique est appelé dispositif optoélectronique, dans lequel l'émetteur à l'entrée et le photodétecteur à la sortie sont structurellement combinés dans un boîtier commun, interagissant l'un avec l'autre optiquement et électriquement.

Les optocoupleurs sont largement utilisés dans les équipements microélectroniques et électriques pour fournir une isolation électrique dans la transmission de signaux d'information, la commutation sans contact des circuits à courant élevé et haute tension, et pour créer des photodétecteurs accordables dans les dispositifs de contrôle et de régulation.

Capteurs optoélectroniques- dispositifs qui convertissent les influences physiques externes : température, pression, humidité, accélération, champ magnétique et autres - en signaux électriques. Le fonctionnement de ces appareils repose sur différents principes. Les capteurs comprennent des capteurs d'image et des optocoupleurs avec un chemin optique ouvert. Le développement particulièrement intensif de cette direction est associé à l'apparition de capteurs à fibre optique, dans lesquels des influences externes modifient les caractéristiques du signal optique se propageant le long de la fibre.

Lignes de communication à fibre optique (FOCL)- les dispositifs et systèmes contenant un guide de lumière flexible à fibre optique (sous forme de câble), couplé à l'émetteur à une extrémité (émission) et à un photodétecteur à l'autre (réception).

La base physique du FOCL est déterminée par les processus de propagation des signaux optiques le long d'une fibre optique, ainsi que par les phénomènes de génération de lumière et photoélectriques dans l'émetteur et le récepteur.

Indicateurs- dispositifs à commande électrique pour systèmes d'affichage visuel. Ils sont largement utilisés, allant des horloges électroniques et des micro-calculatrices, aux tableaux de bord et aux tableaux de bord et se terminant par des affichages dans le système « homme-ordinateur ». La base physique des dispositifs de type indicateur est constituée de différents types d'électroluminescence (pour les dispositifs avec une trame lumineuse active) et de phénomènes électro-optiques (pour les dispositifs avec une trame passive réfléchissant la lumière).

Conformément à la classification des produits optoélectroniques non cohérents, les OED sont répartis selon le type de conversion de signal optoélectronique (le principe de conversion « électricité - lumière » est mis en œuvre dans les dispositifs émetteurs), le niveau d'intégration, l'application fonctionnelle et la conception. Chacun des groupes OED sélectionnés, apparemment, sera à l'avenir reconstitué avec de nouveaux appareils et appareils.

Listons les principaux avantages des dispositifs optoélectroniques :

Bande passante élevée du canal optique. La fréquence d'oscillation est de trois à cinq ordres de grandeur plus élevée que dans le domaine radiotechnique maîtrisé. Cela signifie que le débit du canal de transmission d'informations optique augmente également du même facteur.

Isolation électrique idéale entre l'entrée et la sortie. L'utilisation de photons électriquement neutres comme support d'information détermine l'absence de contact de la communication optique. De là découle l'isolation électrique idéale de l'entrée et de la sortie ; l'unidirectionnalité du flux d'informations et l'absence de réponse réciproque du récepteur à la source ; immunité au bruit des canaux de communication optiques; secret de la transmission d'informations via un canal de communication optique.

Comme inconvénients, les caractéristiques suivantes de l'OES peuvent être distinguées :

Faible efficacité. L'efficacité des conversions de la forme E (éclairage)> L (luminosité) et L> E dans les meilleurs appareils modernes (lasers, LED, photodiodes p-i-n), en règle générale, ne dépasse pas 10 ... 20%. Par conséquent, si de telles conversions ne sont effectuées dans l'appareil que deux fois (à l'entrée et à la sortie), comme, par exemple, dans les optocoupleurs ou les lignes de communication à fibre optique (FOCL), l'efficacité globale chute à quelques pour cent. L'introduction de chaque acte supplémentaire de conversion de signaux d'information d'une forme à une autre entraîne une diminution de l'efficacité d'un ordre de grandeur ou plus. Une valeur de rendement faible entraîne une augmentation de la consommation d'énergie, ce qui est inacceptable en raison des capacités limitées des alimentations électriques ; complique la miniaturisation, car il est pratiquement impossible d'évacuer la chaleur dégagée; réduit l'efficacité et la fiabilité de la plupart des dispositifs optoélectroniques.

La présence de matériaux différents utilisés dans les dispositifs et systèmes optoélectroniques entraîne : une faible efficacité globale du dispositif en raison de l'absorption du rayonnement dans les régions passives des structures, de la réflexion et de la diffusion aux frontières optiques ; diminution de la fiabilité due à la différence des coefficients de température de dilatation des matériaux; la complexité de l'étanchéité globale du dispositif ; complexité technologique et coût élevé.

Les dispositifs optoélectroniques sont des dispositifs sensibles aux rayonnements électromagnétiques dans les domaines visible, infrarouge et ultraviolet, ainsi que des dispositifs qui produisent ou utilisent de tels rayonnements.

Le rayonnement dans les régions visible, infrarouge et ultraviolette fait référence à la gamme optique du spectre. Habituellement, la plage spécifiée comprend des ondes électromagnétiques d'une longueur de 1 nm jusqu'à 1 mm, ce qui correspond à des fréquences d'environ 0,5 10 12 Hz jusqu'à 5 10 17 Hz... Parfois, ils parlent d'une gamme de fréquences plus étroite - de 10 nm jusqu'à 0,1 mm(~ 5 · 10 12 ... 5 · 10 16 Hz). Le domaine visible correspond aux longueurs d'onde de 0,38 m à 0,78 m (fréquence environ 10 15 Hz).

En pratique, les sources de rayonnement (émetteurs), les récepteurs de rayonnement (photodétecteurs) et les optocoupleurs (optocoupleurs) sont largement utilisés.

Un optocoupleur est un dispositif qui contient à la fois une source et un récepteur de rayonnement, structurellement combinés et placés dans un seul boîtier.

À partir de sources de rayonnement, les LED et les lasers sont largement utilisés, et à partir de récepteurs - photorésistances, photodiodes, phototransistors et photothyristors.

Les optocoupleurs sont largement utilisés, dans lesquels des paires de photodiode LED, phototransistor LED, photothyristor LED sont utilisées.

Les principaux avantages des dispositifs optoélectroniques :

· Capacité d'information élevée des canaux de transmission d'informations optiques, conséquence des valeurs élevées des fréquences utilisées ;

· Isolation galvanique complète de la source de rayonnement et du récepteur ;

· Absence d'influence du récepteur de rayonnement sur la source (flux d'information unidirectionnel);

· Immunité des signaux optiques aux champs électromagnétiques (immunité élevée au bruit).

Diode émettrice (DEL)

Une diode électroluminescente qui fonctionne dans la plage de longueur d'onde visible est souvent appelée diode électroluminescente ou LED.

Considérez le dispositif, les caractéristiques, les paramètres et le système de désignation des diodes émettrices.

Dispositif. Une représentation schématique de la structure de la diode émettrice est illustrée à la Fig. 6.1, a, et sa désignation graphique conventionnelle est dans la Fig. 6.2, b.

Le rayonnement se produit lorsque le courant direct de la diode circule à la suite de la recombinaison d'électrons et de trous dans la région p-n-transition et dans les zones adjacentes à la zone spécifiée. Lors de la recombinaison, des photons sont émis.

Caractéristiques et paramètres... Pour diodes émettrices fonctionnant dans le visible (longueur d'onde de 0,38 à 0,78 micron, la fréquence est d'environ 10 15 Hz), les caractéristiques suivantes sont largement utilisées :

La dépendance de la luminosité du rayonnement L du courant de diode je(caractéristique de luminosité);

dépendance à l'intensité lumineuse je v du courant de diode je.

Riz. 6.1. Structure de diode électroluminescente ( une)

et son image graphique ( b)

La caractéristique de luminosité pour une diode électroluminescente de type AL102A est illustrée à la Fig. 6.2. La couleur de lueur de cette diode est rouge.

Riz. 6.2. caractéristique de luminosité LED

Le graphique de la dépendance de l'intensité lumineuse par rapport au courant pour une diode électroluminescente de type AL316A est illustré à la Fig. 6.3. La couleur de la lueur est rouge.

Riz. 6.3. Intensité lumineuse par rapport au courant LED

Pour les diodes émettrices qui ne fonctionnent pas dans le domaine visible, utilisez des caractéristiques qui reflètent la dépendance de la puissance de rayonnement R du courant de diode je... La zone des positions possibles du graphique de la dépendance de la puissance de rayonnement au courant pour une diode émettrice de type AL119A, fonctionnant dans le domaine infrarouge (longueur d'onde 0,93 ... 0,96 micron) est représenté sur la Fig. 6.4.

Donnons quelques paramètres pour la diode AL119A :

Le temps de montée de l'impulsion de rayonnement - pas plus de 1000 N.-É.;

Temps de décroissance des impulsions de rayonnement - pas plus de 1500 N.-É.;

Tension directe constante à je=300 mA- pas plus de 3 V;

Courant direct maximal constant admissible à t<+85°C – 200 mA;

· Température ambiante –60… + 85 ° .

Riz. 6.4. Dépendance de la puissance de rayonnement sur le courant LED

Pour information sur les valeurs possibles du rendement, on note que les diodes émettrices de type ZL115A, AL115A, fonctionnant dans le domaine infrarouge (longueur d'onde 0,95 micron, largeur du spectre pas plus de 0,05 micron), ont une efficacité d'au moins 10 %.

Système de notation. Le système de désignation utilisé pour les diodes électroluminescentes implique l'utilisation de deux ou trois lettres et trois chiffres, par exemple AL316 ou AL331. La première lettre indique le matériau, la deuxième (ou la deuxième et la troisième) - le design : L - une seule LED, LS - une rangée ou une matrice de LED. Les numéros suivants (et parfois des lettres) indiquent le numéro de développement.

Photorésistance

Une photorésistance est une résistance semi-conductrice dont la résistance est sensible au rayonnement électromagnétique dans la gamme optique du spectre. Une représentation schématique de la structure de la photorésistance est illustrée à la Fig. 6.5, une, et son image graphique conventionnelle est illustrée à la Fig. 6.5, b.

Le flux de photons incident sur un semi-conducteur provoque l'apparition de paires trou d'électron augmentation de la conductivité (diminution de la résistance). Ce phénomène est appelé effet photoélectrique intrinsèque (effet de photoconduction). Les photorésistances sont souvent caractérisées par une dépendance au courant je de l'éclairage Eà une tension donnée aux bornes de la résistance. C'est ce qu'on appelle lux-ampère caractéristique (fig. 6.6).

Riz. 6.5. Structure ( une) et la notation schématique ( b) photorésistance

Riz. 6.6. Caractéristique lux-ampère de la photorésistance FSK-G7

Les paramètres suivants des photorésistances sont souvent utilisés :

Résistance nominale à l'obscurité (en l'absence de flux lumineux) (pour FSK-G7 cette résistance est de 5 MOhm);

· Sensibilité intégrale (sensibilité déterminée lorsque la photorésistance est éclairée par une lumière de composition spectrale complexe).

La sensibilité intégrale (sensibilité du courant au flux lumineux) S est déterminée par l'expression :

où si- le courant dit photoélectrique (la différence entre le courant sous éclairement et le courant en l'absence d'éclairement) ;

F- flux lumineux.

Pour photorésistance FSK-G7 S=0,7 A/lm.

Photodiode

Appareil et processus physiques de base. La structure simplifiée de la photodiode est illustrée à la Fig. 6.7, une, et son image graphique conventionnelle est illustrée à la Fig. 6.7, b.

Riz. 6.7. Structure (a) et désignation (b) de la photodiode

Les processus physiques se produisant dans les photodiodes sont inverses aux processus se produisant dans les LED. Le principal phénomène physique dans une photodiode est la génération de paires trou d'électron dans le domaine de p-n-jonction et dans les zones adjacentes sous l'influence du rayonnement.

Génération de paires trou d'électron conduit à une augmentation du courant inverse de la diode en présence d'une tension inverse et à l'apparition d'une tension euh entre l'anode et la cathode en circuit ouvert. de plus euh> 0 (les trous vont à l'anode, et les électrons à la cathode sous l'action d'un champ électrique p-n-transition).

Caractéristiques et paramètres. Il convient de caractériser les photodiodes par une famille de caractéristiques voltampères correspondant à différents flux lumineux (le flux lumineux se mesure en lumens, lm) ou un éclairage différent (l'éclairage est mesuré en lux, d'accord).

Les caractéristiques courant-tension (CVC) de la photodiode sont illustrées à la Fig. 6.8.

Riz. 6.8. Caractéristiques courant-tension de la photodiode

Soit le flux lumineux nul dans un premier temps, puis le CVC de la photodiode répète en fait le CVC d'une diode conventionnelle. Si le flux lumineux n'est pas nul, alors les photons pénétrant dans la région p-n- transition, provoquer la génération de paires trou d'électron... Sous l'influence d'un champ électrique p-n- transition, les porteurs de courant se déplacent vers les électrodes (trous - vers l'électrode de la couche p, électrons - à l'électrode de la couche m). En conséquence, une tension apparaît entre les électrodes, qui augmente avec une augmentation du flux lumineux. Avec une tension anode-cathode positive, le courant de diode peut être négatif (quatrième quadrant de la caractéristique). Dans ce cas, l'appareil ne consomme pas, mais génère de l'énergie.

En pratique, les photodiodes sont utilisées aussi bien en mode dit photogénérateur (mode photovoltaïque, mode vanne) qu'en mode dit photoconvertisseur (mode photodiode).

En mode photogénérateur, les cellules solaires fonctionnent, convertissant la lumière en électricité. Actuellement, le rendement des cellules solaires atteint 20%. Jusqu'à présent, l'énergie obtenue à partir des cellules solaires est environ 50 fois plus chère que l'énergie obtenue à partir du charbon, du pétrole ou de l'uranium.

Le mode du photoconvertisseur correspond à la caractéristique I - V dans le troisième quadrant. Dans ce mode, la photodiode consomme de l'énergie ( vous· je> 0) à partir d'une source de tension externe requise dans le circuit (Fig. 6.9). Une analyse graphique de ce mode est effectuée en utilisant la ligne de charge comme pour une diode classique. Dans ce cas, les caractéristiques sont généralement représentées de manière conventionnelle dans le premier quadrant (Fig. 6.10).

Riz. 6.9 Fig. 6.10

Les photodiodes sont plus rapides que les photorésistances. Ils fonctionnent à des fréquences de 10 7 –10 10 Hz... La photodiode est souvent utilisée dans les optocoupleurs LED-photodiode... Dans ce cas, différentes caractéristiques de la photodiode correspondent à différents courants de la LED (ce qui crée des flux lumineux différents).

Optocoupleur (optocoupleur)

Un optocoupleur est un dispositif semi-conducteur contenant une source de rayonnement et un récepteur de rayonnement, combinés dans un boîtier et connectés l'un à l'autre optiquement, électriquement et simultanément par les deux connexions. Les optocoupleurs sont très répandus, dans lesquels une photorésistance, une photodiode, un phototransistor et un photothyristor sont utilisés comme détecteur de rayonnement.

Dans les optocoupleurs à résistance, la résistance de sortie lors du changement de mode du circuit d'entrée peut changer d'un facteur de 10 7 ... 10 8 fois. De plus, la caractéristique courant-tension de la photorésistance est caractérisée par une linéarité et une symétrie élevées, ce qui détermine la large applicabilité des optocoupleurs résistifs dans les dispositifs analogiques. L'inconvénient des optocoupleurs à résistance est la faible vitesse - 0,01 ... 1 avec.

Dans les circuits de transmission de signaux d'informations numériques, des optocoupleurs à diodes et à transistors sont principalement utilisés, et des optocoupleurs à thyristors sont utilisés pour la commutation optique de circuits à haute tension et à courant élevé. La vitesse des optocoupleurs à thyristors et à transistors est caractérisée par le temps de commutation, qui se situe souvent dans la plage de 5 ... 50 s.

Considérons plus en détail l'optocoupleur LED-photodiode (Fig. 6.11, une). La diode émettrice (gauche) doit être allumée dans le sens direct et la photodiode dans le sens direct (mode photogénérateur) ou inverse (mode photoconvertisseur). Les directions des courants et des tensions des diodes optocoupleurs sont illustrées à la Fig. 6.11, b.

Riz. 6.11. Circuit optocoupleur (a) et sens des courants et des tensions qu'il contient (b)

Nous allons décrire la dépendance du courant je sors du courant je suis dansà tu es dehors= 0 pour l'optocoupleur AOD107A (Fig. 6.12). L'optocoupleur spécifié est conçu pour fonctionner à la fois en mode photogénérateur et photoconversion.

Riz. 6.12. Caractéristique de transfert de l'optocoupleur AOD107A

L'optoélectronique est une branche de la science et de la technologie, dans laquelle les problèmes de génération, de traitement, de mémorisation et de stockage de l'information sont étudiés sur la base de l'utilisation conjointe des technologies électriques et optiques. Les dispositifs optoélectroniques utilisent un rayonnement électromagnétique dans le domaine optique pendant leur fonctionnement.

La microélectronique moderne n'a pas résolu le problème de la microminiaturisation générale des équipements électroniques. Des éléments traditionnels tels que les transformateurs, les contacts détachables, les condensateurs de grande capacité ne s'intègrent pas bien avec les composants intégrés en raison de leurs grandes dimensions. Des difficultés particulières sont causées par la fourniture d'une isolation électrique lors de la connexion de deux systèmes: haute tension et basse tension. En particulier, un tel problème se pose lors de la création de dispositifs de commande pour des installations haute tension de grande puissance électrique. C'est là que l'optoélectronique vient à la rescousse. L'utilisation d'un canal de communication optique permet d'assurer une isolation électrique fiable de tous les systèmes, d'éliminer les composants réactifs et de contact encombrants et d'augmenter la fiabilité du fonctionnement des équipements.

La base élémentaire de l'optoélectronique comprend :

1) opto-émetteurs - convertisseurs d'énergie électrique en lumière ;

2) récepteurs de rayonnement photoélectrique (photodétecteurs) - convertisseurs d'énergie lumineuse en énergie électrique;

3) dispositifs d'isolation électrique dans la transmission d'énergie et d'informations à travers le canal lumineux - dispositifs optoélectroniques (optocoupleurs);

4) guides de lumière.

Nous nous limiterons à considérer les optocoupleurs semi-conducteurs, sources ou récepteurs de rayonnement incohérent le plus souvent utilisés en électronique industrielle.

L'émetteur de lumière à semi-conducteur est une diode électroluminescente. On sait que lors de la recombinaison des porteurs, c'est-à-dire le retour d'un électron de la bande de conduction à la bande de valence, un quantum d'énergie est émis. La recombinaison la plus intense se produit près de la transition, lorsque les porteurs majoritaires franchissent la barrière de potentiel et se recombinent. Pour créer des diodes électroluminescentes, des matériaux semi-conducteurs complexes sont utilisés, dans lesquels un quantum d'énergie est émis dans le domaine optique (ou infrarouge), par exemple le phosphure de gallium, l'arséniure de gallium ou le carbure de silicium. Le rayonnement se produit lorsqu'un courant traverse l'appareil dans le sens direct. La conception du dispositif assure la transmission de la lumière depuis la jonction sans pertes importantes dans l'épaisseur du semi-conducteur. Le CVC des diodes électroluminescentes est similaire à celui des diodes classiques au silicium et au germanium.

Les diodes électroluminescentes sont produites sous forme d'éléments ou de groupes séparés (matrices) pour afficher des informations sous forme de lettres, de chiffres et de divers symboles. Ils font également partie des optocoupleurs. La désignation de la diode électroluminescente dans les schémas est illustrée à la Fig. 1.20, un.

Riz. 1.20. Désignations schématiques d'une diode électroluminescente (a), d'une photodiode (b), d'un phototransistor (c), d'un photothyristor (d) et d'un optocoupleur à diode (e)

Les photodétecteurs comprennent les photodiodes, les phototransistors, les photothyristors et d'autres dispositifs. Dans la section 1.1, le phénomène de thermogénération a été mentionné, c'est-à-dire la transition d'un électron de la bande de valence à la bande de conduction lors du chauffage. Une transition similaire peut se produire si la couche semi-conductrice est exposée à la lumière. À la suite d'une augmentation du nombre de porteurs minoritaires, la conductivité de la substance augmente (apparition de la photoconductivité). Lorsque la lumière de transition est irradiée, le courant des porteurs minoritaires augmente, c'est-à-dire que le courant inverse de cette transition augmente : où est le flux lumineux.

C'est la base du fonctionnement de la photodiode, à laquelle la source de tension inverse est connectée via la résistance de charge. Avec une augmentation de , la chute de tension aux bornes de la charge augmente et augmente. La désignation de la photodiode sur les circuits est illustrée à la Fig. ...

Le travail du phototransistor est également basé sur la photoconductivité. Dans un transistor sans sortie de la base vers un circuit externe (c'est-à-dire à), le courant conformément à (1.4) est déterminé

Lorsque la base ou la zone de jonction collecteur est irradiée, le courant porteur minoritaire change proportionnellement. Dans un transistor avec un OE, le courant est amplifié plusieurs fois, par conséquent, la puissance du signal peut être plus élevée que dans une photodiode, au même niveau de tension de l'alimentation E. La désignation du phototransistor est indiquée dans le diagramme dans Figure. 1.20, ch.

Le principe de fonctionnement d'un photothyristor (la désignation schématique est illustrée à la Fig. 1.20, d) lors d'une modification du courant exposé à l'irradiation lumineuse. En l'absence d'électrode de grille, le courant du thyristor est décrit par l'expression obtenue à partir de (1.9) :

Dans le photothyristor. Avec une augmentation du flux lumineux, le courant anodique augmente également. Comme indiqué au § 1.7, cela augmente les coefficients, et lorsqu'il est atteint, le thyristor s'ouvre. Ainsi, une augmentation du courant avec une augmentation du flux lumineux stimule la conduction du thyristor. Le courant du thyristor ouvert peut être plusieurs fois supérieur à la valeur.

Ainsi, les dispositifs semi-conducteurs contrôlés (transistor et tirnstor) peuvent utiliser le rayonnement du produit comme signal de contrôle.

En utilisant un phototransistor comme photodétecteur, une amplification de courant peut être obtenue. Un inconvénient commun des optocoupleurs est la non-linéarité de la dépendance du signal de sortie sur le signal d'entrée, en raison de la non-linéarité des caractéristiques des optocoupleurs.

La transmission des informations de l'émetteur au photodétecteur peut être réalisée à l'aide de guides de lumière : des tuyaux flexibles constitués d'une coque réfléchissante et d'une âme en verre organique ou inorganique. La transmission d'informations par fibres optiques assure une immunité totale contre les interférences électromagnétiques.

Les dispositifs optoélectroniques sont de plus en plus utilisés en électronique de l'information et de l'énergie, dans divers dispositifs de transmission et d'affichage d'informations.

La science moderne se développe activement dans diverses directions, s'efforçant de couvrir tous les domaines d'activité potentiellement utiles. Parmi tout cela, il faut souligner les dispositifs optoélectroniques qui sont utilisés à la fois dans le processus de transmission de données et leur stockage ou traitement. Ils sont utilisés presque partout où une technique plus ou moins complexe est utilisée.

Ce que c'est?

Les dispositifs optoélectroniques, également appelés optocoupleurs, sont des dispositifs spéciaux de type semi-conducteur capables d'envoyer et de recevoir des rayonnements. Ces éléments structurels sont appelés photodétecteur et émetteur de lumière. Ils peuvent avoir différentes options pour communiquer entre eux. Le principe de fonctionnement de tels produits repose sur la conversion de l'électricité en lumière, ainsi que sur l'inverse de cette réaction. En conséquence, un appareil peut envoyer un certain signal, tandis que l'autre le reçoit et le "décrypte". Les dispositifs optoélectroniques sont utilisés dans :

unités de communication d'équipements;
circuits d'entrée d'appareils de mesure;
circuits haute tension et haute intensité;
thyristors et triacs puissants;
dispositifs de relais et ainsi de suite.

Tous ces produits peuvent être classés en plusieurs groupes de base, en fonction de leurs composants individuels, de leur conception ou d'autres facteurs. Plus à ce sujet ci-dessous.

Émetteur

Les appareils et appareils optoélectroniques sont équipés de systèmes de transmission de signaux. Ils sont appelés émetteurs et, selon le type, les produits sont répartis comme suit :

Laser et LED. Ces éléments sont parmi les plus polyvalents. Ils se caractérisent par des taux d'efficacité élevés, un spectre de faisceau très étroit (ce paramètre est également appelé quasi-chromaticité), une plage de fonctionnement assez large, maintenant une direction de rayonnement claire et une vitesse de fonctionnement très élevée. Les appareils dotés de tels émetteurs fonctionnent très longtemps et de manière extrêmement fiable, se distinguent par leur petite taille et se montrent bien dans le domaine des modèles microélectroniques.
Cellules électroluminescentes. Un tel élément de conception ne présente pas un paramètre de qualité de conversion particulièrement élevé et ne fonctionne pas trop longtemps. En même temps, les appareils sont très difficiles à gérer. Cependant, ils conviennent mieux aux photorésistances et peuvent être utilisés pour créer des structures multi-éléments et multifonctionnelles. Néanmoins, en raison de leurs défauts, les émetteurs de ce type sont maintenant utilisés assez rarement, seulement lorsqu'on ne peut vraiment pas s'en passer.
Lampes au néon. Le rendement lumineux de ces modèles est relativement faible, et ils ne résistent pas non plus bien aux dommages et ne durent pas longtemps. Ils sont de grande taille. Ils sont utilisés extrêmement rarement, dans certains types d'appareils.
Lampes incandescentes. De tels émetteurs ne sont utilisés que dans les équipements de résistance et nulle part ailleurs.

En conséquence, les modèles LED et laser sont optimaux pour presque tous les domaines d'activité, et seulement dans certains domaines où il est impossible de faire autrement, d'autres options sont utilisées.

Photodétecteur

Les dispositifs optoélectroniques sont également classés selon le type de cette partie de la structure. Différents types de produits peuvent être utilisés comme élément récepteur.

Photo thyristors, transistors et diodes. Tous sont des appareils universels capables de fonctionner avec une transition de type ouvert. Le plus souvent, la conception est basée sur le silicium et de ce fait, les produits reçoivent une plage de sensibilité assez large.
Photorésistances. C'est la seule alternative, dont le principal avantage est de modifier les propriétés de manière très complexe. Cela permet de mettre en œuvre toutes sortes de modèles mathématiques. Malheureusement, ce sont les photorésistances qui sont inertielles, ce qui réduit considérablement le champ de leur application.

La réception du faisceau est l'un des éléments les plus fondamentaux d'un tel dispositif. Ce n'est qu'une fois qu'il peut être reçu que le traitement ultérieur commence, et il sera impossible si la qualité de la connexion n'est pas suffisamment élevée. En conséquence, une grande attention est accordée à la conception du photodétecteur.

Canal optique

Les caractéristiques de conception des produits peuvent être bien illustrées par le système de désignation utilisé pour les dispositifs photoélectroniques et optoélectroniques. Ceci s'applique également au canal de transmission de données. Il existe trois options principales :

Canal allongé. Le photodétecteur dans un tel modèle est situé à une distance assez importante du canal optique, formant un guide de lumière spécial. C'est cette option de conception qui est activement utilisée dans les réseaux informatiques pour la transmission active de données.
Canal fermé. Ce type de construction utilise une protection spéciale. Il protège parfaitement le canal des influences extérieures. Des modèles pour système d'isolation galvanique sont utilisés. Il s'agit d'une technologie relativement nouvelle et prometteuse, qui est maintenant continuellement améliorée et remplace progressivement les relais électromagnétiques.
Canal ouvert. Cette conception implique la présence d'un entrefer entre le photodétecteur et l'émetteur. Les modèles sont utilisés dans des systèmes de diagnostic ou une variété de capteurs.

Gamme spectrale

En ce qui concerne cet indicateur, tous les types de dispositifs optoélectroniques peuvent être divisés en deux types :

Portée proche. La longueur d'onde dans ce cas est comprise entre 0,8 et 1,2 microns. Le plus souvent, un tel système est utilisé dans des appareils utilisant un canal ouvert.
Portée lointaine. Ici, la longueur d'onde est déjà de 0,4-0,75 microns. Il est utilisé dans la plupart des types d'autres produits de ce type.

Concevoir

Selon cet indicateur, les appareils optoélectroniques sont divisés en trois groupes:

Spécial. Cela inclut les appareils équipés de plusieurs émetteurs et photodétecteurs, de capteurs de présence, de position, de fumée, etc.
Intégral. Dans de tels modèles, des circuits logiques spéciaux, des comparateurs, des amplificateurs et d'autres dispositifs sont également utilisés. Entre autres, leurs sorties et entrées sont isolées galvaniquement.
Élémentaire. Il s'agit de la version la plus simple des produits dans laquelle le récepteur et l'émetteur sont présents en un seul exemplaire. Ils peuvent être à la fois thyristor et transistor, diode, résistif et, en général, tout autre.

Les appareils peuvent utiliser les trois groupes ou chacun séparément. Les éléments structurels jouent un rôle essentiel et affectent directement la fonctionnalité du produit. Dans le même temps, des équipements sophistiqués peuvent utiliser les variétés élémentaires les plus simples, le cas échéant. Mais le contraire est aussi vrai.

Dispositifs optoélectroniques et leurs applications

Du point de vue de l'utilisation des appareils, ils peuvent tous être divisés en 4 catégories :

Circuits intégrés. Ils sont utilisés dans une grande variété d'appareils. Le principe est utilisé entre différents éléments structurels en utilisant des pièces séparées qui sont isolées les unes des autres. Cela empêche les composants d'interagir d'une autre manière que celle fournie par le développeur.
Isolation. Dans ce cas, des paires de résistances optiques spéciales sont utilisées, leurs types de diodes, de thyristors ou de transistors, etc.
Transformation. C'est l'un des cas d'utilisation les plus courants. Dans celui-ci, le courant est transformé en lumière et est ainsi appliqué. Un exemple simple est toutes sortes de lampes.
Transformation inverse. C'est déjà une option complètement opposée, dans laquelle c'est la lumière qui se transforme en courant. Utilisé pour créer toutes sortes de récepteurs.

En fait, il est difficile d'imaginer presque n'importe quel appareil fonctionnant à l'électricité et dépourvu de composants optoélectroniques. Ils peuvent être présentés en petit nombre, mais seront toujours présents.

Résultats

Tous les dispositifs optoélectroniques, thyristors, diodes, dispositifs semi-conducteurs sont des éléments structurels de différents types d'équipements. Ils permettent à une personne de recevoir de la lumière, de transmettre des informations, de les traiter ou même de les stocker.