Az optoelektronikai eszközök működési elve. Az elektromos mérőműszerek tulajdonságai és alkalmazási területei. Optoelektronikai eszközök. Osztályozás és típusok Optoelektronikai félvezető eszközök Fénykibocsátó dióda optocsatolók

Optoelektronika - az elektronika területe, ahol az optikai tartomány (10nm - 1mm) elektromágneses hullámait használják információhordozóként.

Az optikai tartomány széles körű fejlődését a fényhullámok számos alapvető előnye határozza meg a rádióhullámokhoz képest:

1) az optikai kommunikáció nagy információs kapacitása, ami a fényhullámok nagyon magas frekvenciájának köszönhető. Tehát az f ~ (101 ... 1015) Hz spektrum látható részén a hagyományos televíziós kép átviteléhez f = 6 MHz frekvenciasáv szükséges, ezért akár több száz televíziós csatorna is elhelyezhető. VHF és deciméter sávok. Az optikai tartományban ez a szám százmilliókra vagy még többre emelkedik;

2) a sugárzás nagy irányíthatósága a kis arány miatt. hullámhosszak az emitter apertúra méreteihez képest;

4) az információrögzítés nagy sűrűsége az optikai tárolóeszközökben, ami új távlatokat nyit a következő generációk számítógépeinek építése előtt.

Ezen előnyök megvalósításához mindenekelőtt jó tulajdonságokkal rendelkező optoelektronikai eszközökre van szükség. Az optoelektronikai eszközök olyan eszközök, amelyekben a fő folyamatok fotonok részvételével zajlanak. A folyamatban lévő folyamatok jellemzőitől függően minden optoelektronikai eszköz három csoportra osztható:

1) fénysugárzók, amelyek az elektromos energiát optikai sugárzássá alakítják (LED-ek, félvezető lézerek, lumineszcens kondenzátorok);

2) fotodetektorok (fotodetektorok), amelyek az optikai sugárzást elektromos információs jelekké alakítják (fotoellenállások, fotodiódák, fototranzisztorok stb.);

3) szoláris átalakítók, amelyek az optikai sugárzást elektromos energiává alakítják (napelemek, fotovoltaikus eszközök).

Ezen eszközökön kívül a tudomány és a technológia különböző területein széles körben alkalmazzák az optoelektronikai párokat - fénykibocsátó és fényvevő elemekből álló félvezető eszközöket, amelyek között optikai csatornán keresztül optikai kapcsolat van, amely elektromos leválasztást biztosít a bemeneti és a fényvételi elemek között. kimenet (szekvenciális áram-fény konverzió). áram"). A fénykibocsátó, a fotodetektor és az optikai csatorna, amely megvalósítja a bemenet és a kimenet közötti galvanikus leválasztást, szerkezetileg egy házban van kombinálva.

Különféle elektronikus eszközökben való használatra optoelektronikai integrált áramköröket használnak - olyan integrált mikroáramköröket, amelyekben optikai kommunikációt folytatnak az egyes csomópontok vagy alkatrészek között, hogy elkülönítsék őket egymástól (galvanikus leválasztás).

Optoelektronika- ez az elektronika egyik ága, amely főként az optikai tartományban lévő elektromágneses hullámok és az anyag elektronjai (főleg szilárd anyagok) közötti kölcsönhatás hatásainak vizsgálatával kapcsolatos, és az optoelektronikai eszközök létrehozásának problémáit fedi le (főleg mikroelektronikai technológiai módszerekkel), amelyekben ezeket a hatásokat információ generálására, továbbítására, feldolgozására, tárolására és megjelenítésére használják.

E meghatározás szerint az optoelektronikát, mint tudományos és műszaki irányt három megkülönböztető jegy jellemzi.

1. Az optoelektronika fizikai alapjait olyan jelenségek, módszerek, eszközök alkotják, amelyeknél alapvető az optikai és elektronikus folyamatok kombinációja és folytonossága.

2. Az optoelektronika műszaki alapjait a modern mikroelektronika konstruktív és technológiai koncepciói határozzák meg: az elemek miniatürizálása; szilárd sík szerkezetek előnyös fejlesztése; elemek és funkciók integrálása; összpontosítani a speciális ultratiszta anyagokra; termékek csoportos feldolgozásának módszereinek alkalmazása.

3. Az optoelektronika funkcionális célja a következő feladatok megoldása: információk generálása, átvitele, átalakítása, tárolása és megjelenítése.

A fenti problémák megoldására az optoelektronikai eszközökben optikai és elektromos formájú információs jeleket alkalmaznak, de az optikai jelek a döntőek - ez az, ami minőségileg újdonságként különbözteti meg az optoelektronikát.

Optoelektronikus hívják készülékekérzékenyek az elektromágneses sugárzásra a látható, infravörös és ultraibolya tartományban, valamint az ilyen sugárzást kibocsátó vagy használó eszközök.

Egy adott optoelektronikai eszközben a fenti meghatározás mindhárom összetevőjének megléte kötelező, de a felsorolt megkülönböztető jellemzők kisebb-nagyobb mértékben megtestesülhetnek. Ez lehetővé teszi az optoelektronikai és a fotoelektronikai eszközök (fotosokszorozó csövek, elektronsugaras eszközök) elkülönítését.

ábrán. A 2.1 bemutatja az optoelektronikai eszközök osztályozását, és jelzi a működésük alapjául szolgáló fizikai hatásokat.

A gyakorlatban széles körben használják források sugárzás(sugárzók), vevőkészülékek sugárzás(fénydetektorok) és optocsatolók(optocsatolók).

Kibocsátó- olyan forrás, amelynek fényárama vagy fényereje a bemenetére érkező elektromos jel függvénye.

Sugárforrásokból széles körben használják a LED-eket és a lézereket, a vevőkből pedig - fotoellenállásokat, fotodiódákat, fototranzisztorokat és fototirisztorokat. Széles körben használják az optocsatolókat, amelyekben LED-fotodióda, LED-fototranzisztor, LED-fototirisztor párokat használnak.

A használt emitter típusa szerint az eszközöket megkülönböztetik összefüggő(lézerekkel) és összefüggéstelen(fénykibocsátó diódákkal) optoelektronika.

Mind az egyedi eszközök, mind a komplex optoelektronikai rendszerek külön elemekből jönnek létre. A fő optoelektronikai elemek a következők:

· Koherens optikai sugárzás forrásai (félvezető lézer);

· Inkoherens optikai sugárzás forrásai (light-emitting dióda);

· Aktív és passzív optikai adathordozók;

· Optikai sugárzás vevői (fotodióda);

· Optikai elemek (lencse);

· Száloptikai elemek (száloptikai köteg);

· Integrált optikai elemek (integrált optikai tükör).

ábrán látható egy optoelektronikai eszköz (OED) általánosított blokkdiagramjából. A 2.2, a fotodetektorok és emitterek mellett az optikai jelek létrehozására és feldolgozására szolgáló bemeneti és kimeneti illesztő elektromos áramkörök az OES fontos összetevői. Ezeknek a meglehetősen összetett, főként integrált áramköröknek az egyik jellemzője az energiaveszteségek kompenzálása az "elektromos - fény" és a "fény - elektromosság" átalakítások során, valamint az OES magas stabilitásának és stabilitásának biztosítása külső tényezők hatására.

A funkcionalitás szempontjából az optoelektronikai eszközök osztályában a miniatűr sugárforrások, valamint az egy- és többelemes sugárvevők mellett a következő eszközöket kell megkülönböztetni.

Az optoelektronikai eszközt optoelektronikai eszköznek nevezzük, amelyben a bemeneten lévő emitter és a kimeneten lévő fotodetektor szerkezetileg egy közös házban van összekapcsolva, optikailag és elektromosan kölcsönhatásba lépve egymással.

Az optocsatolókat széles körben használják a mikroelektronikai és elektromos berendezésekben az információs jelek átvitelének elektromos leválasztására, a nagyáramú és nagyfeszültségű áramkörök érintésmentes kapcsolására, valamint hangolható fotodetektorok létrehozására a vezérlő és szabályozó eszközökben.

Optoelektronikus érzékelők- olyan eszközök, amelyek a külső fizikai hatásokat: hőmérséklet, nyomás, páratartalom, gyorsulás, mágneses mező és mások - elektromos jelekké alakítják. Ezeknek az eszközöknek a működése különböző elveken alapul. Az érzékelők közé tartoznak a képérzékelők és a nyitott optikai csatornával rendelkező optocsatolók. Ennek az iránynak a különösen intenzív fejlesztése a száloptikai érzékelők megjelenésével függ össze, amelyeknél külső hatások megváltoztatják a szál mentén terjedő optikai jel jellemzőit.

Száloptikai kommunikációs vonalak (FOCL)- flexibilis optikai fényvezetőt (kábel formájában) tartalmazó eszközök és rendszerek, amelyek egyik (adó) végén egy emitterrel, a másik (vevő) végén fotodetektorral vannak összekapcsolva.

A FOCL fizikai alapját az optikai jelek optikai szálon történő terjedésének folyamatai, valamint az adóban és a vevőben előforduló fénygenerációs és fotoelektromos jelenségek határozzák meg.

Mutatók- elektromosan vezérelt eszközök vizuális megjelenítő rendszerekhez. Széles körben használják őket, kezdve az elektronikus óráktól és a mikroszámítógépektől, az eredményjelző tábláktól és a műszertábláktól kezdve az „ember-számítógép” rendszer kijelzőjéig. Az indikátor típusú eszközök fizikai alapját a különböző típusú elektrolumineszcencia (aktív fényraszteres készülékeknél) és elektrooptikai jelenségek (passzív fényvisszaverő raszteres készülékeknél) alkotják.

A nem koherens optoelektronikai termékek osztályozásának megfelelően az OED-ket felosztják: az optoelektronikai jelátalakítás típusa szerint (az "elektromosság - fény" konverzió elve a kibocsátó eszközökben valósul meg), az integráció szintje, a funkcionális alkalmazás és a tervezés. A kiválasztott OED-csoportok mindegyike a jövőben láthatóan új műszerekkel és eszközökkel fog feltöltődni.

Soroljuk fel az optoelektronikai eszközök fő előnyeit:

Az optikai csatorna nagy sávszélessége. Az oszcillációs frekvencia három-öt nagyságrenddel magasabb, mint az elsajátított rádiótechnikai tartományban. Ez azt jelenti, hogy az optikai információátviteli csatorna áteresztőképessége is ugyanekkora mértékben növekszik.

Ideális elektromos leválasztás a bemenet és a kimenet között. Az elektromosan semleges fotonok információhordozóként való felhasználása meghatározza az optikai kommunikáció érintésmentességét. Innen következik a bemenet és a kimenet ideális elektromos leválasztása; az információáramlás egyirányúsága és a vevőtől a forrás felé adott kölcsönös válasz hiánya; az optikai kommunikációs csatornák zajtűrése; az optikai kommunikációs csatornán keresztül történő információtovábbítás titkossága.

Hátrányokként az OES következő jellemzőit lehet megkülönböztetni:

Alacsony hatékonyság. Az E (megvilágítás)> L (fényerő) és L> E formátumú konverziók hatékonysága a legjobb modern eszközökben (lézerek, LED-ek, p-i-n fotodiódák) általában nem haladja meg a 10 ... 20%-ot. Ezért, ha az ilyen átalakításokat egy eszközben csak kétszer hajtják végre (a bemeneten és a kimeneten), mint például az optocsatolókban vagy a száloptikai kommunikációs vonalakban (FOCL), akkor a teljes hatékonyság néhány százalékra csökken. Az információs jelek egyik formából a másikba konvertálásának minden további lépése a hatékonyság egy nagyságrenddel vagy még nagyobb mértékben csökkenéséhez vezet. A hatékonyság alacsony értéke az energiafogyasztás növekedését okozza, ami elfogadhatatlan a tápegységek korlátozott képességei miatt; bonyolítja a miniatürizálást, mivel gyakorlatilag lehetetlen eltávolítani a felszabaduló hőt; csökkenti a legtöbb optoelektronikai eszköz hatékonyságát és megbízhatóságát.

Az optoelektronikai eszközökben és rendszerekben használt eltérő anyagok jelenléte meghatározza: az eszköz alacsony általános hatékonyságát a szerkezetek passzív tartományaiban történő sugárzás elnyelése, az optikai határokon való visszaverődés és szóródás miatt; a megbízhatóság csökkenése az anyagok tágulási hőmérsékleti együtthatóinak különbsége miatt; az eszköz teljes tömítésének összetettsége; technológiai összetettség és magas költségek.

Az optoelektronikai eszközök olyan eszközök, amelyek érzékenyek az elektromágneses sugárzásra a látható, infravörös és ultraibolya tartományban, valamint olyan eszközök, amelyek ilyen sugárzást termelnek vagy használnak.

A látható, infravörös és ultraibolya tartományban lévő sugárzás a spektrum optikai tartománya. A megadott tartomány általában 1 hosszúságú elektromágneses hullámokat tartalmaz nm 1-ig mm, ami körülbelül 0,5 10 12 közötti frekvenciáknak felel meg Hz 5 10 17-ig Hz... Néha szűkebb frekvenciatartományról beszélnek - 10-től nm 0,1-ig mm(~ 5 · 10 12 ... 5 · 10 16 Hz). A látható tartomány a 0,38 μm és 0,78 μm közötti hullámhosszoknak felel meg (a frekvencia körülbelül 10 15 Hz).

A gyakorlatban széles körben alkalmazzák a sugárforrásokat (kibocsátókat), a sugárvevőket (fotodetektorokat) és az optocsatolókat (optocsatolókat).

Az optocsatoló olyan eszköz, amely sugárforrást és vevőt is tartalmaz, szerkezetileg kombinálva és egy házban elhelyezve.

Sugárforrásokból széles körben használják a LED-eket és a lézereket, a vevőkből pedig - fotoellenállásokat, fotodiódákat, fototranzisztorokat és fototirisztorokat.

Széles körben használják az optocsatolókat, amelyekben LED-fotodióda, LED-fototranzisztor, LED-fototirisztor párokat használnak.

Az optoelektronikai eszközök fő előnyei:

· Az optikai információátviteli csatornák nagy információs kapacitása, ami a felhasznált frekvenciák magas értékeinek a következménye;

· A sugárforrás és a vevő teljes galvanikus leválasztása;

· A sugárvevő befolyásának hiánya a forrásra (egyirányú információáramlás);

· Optikai jelek zavartűrése elektromágneses mezőkkel szemben (nagy zajtűrés).

Kibocsátó dióda (LED)

A látható hullámhossz-tartományban működő emittáló diódát gyakran fénykibocsátó diódának vagy LED-nek nevezik.

Vegye figyelembe a kibocsátó diódák eszközét, jellemzőit, paramétereit és jelölési rendszerét.

Eszköz. Az emittáló dióda felépítésének vázlatos ábrázolása az ábrán látható. 6.1, a, és hagyományos grafikus jelölése a 6. ábrán látható. 6.2, b.

Sugárzás akkor keletkezik, amikor a dióda előremenő árama az elektronok és lyukak rekombinációja eredményeként folyik a tartományban. p-n-átmenet és a meghatározott területtel szomszédos területeken. A rekombináció során fotonok bocsátanak ki.

Jellemzők és paraméterek... Látható tartományban működő kibocsátó diódákhoz (0,38-0,78 hullámhossz) mikron, gyakorisága körülbelül 10 15 Hz), a következő jellemzőket széles körben használják:

A sugárzás fényességének függése L dióda áramtól én(fényerő jellemző);

fényerősség-függőség I v dióda áramtól én.

Rizs. 6.1. Fénykibocsátó dióda szerkezet ( a)

és annak grafikus képe ( b)

Az AL102A típusú fénykibocsátó dióda fényerő-karakterisztikáját a ábra mutatja. 6.2. Ennek a diódának a világító színe vörös.

Rizs. 6.2. LED fényerő jellemző

Az AL316A típusú fénykibocsátó dióda fényerősségének áramtól való függésének grafikonja az ábrán látható. 6.3. A ragyogás színe vörös.

Rizs. 6.3. Fényerősség kontra LED áram

A nem látható tartományban működő emittáló diódákhoz olyan jellemzőket használnak, amelyek tükrözik a sugárzási teljesítmény függőségét R dióda áramtól én... Az infravörös tartományban működő AL119A típusú emittáló dióda sugárzási teljesítményének áramtól való függésének grafikonjának lehetséges pozícióinak zónája (hullámhossz: 0,93 ... 0,96 mikron) ábrán látható. 6.4.

Adjunk meg néhány paramétert az AL119A diódához:

A sugárzási impulzus felfutási ideje - nem több, mint 1000 NS;

A sugárzási impulzus lecsengési ideje - nem több, mint 1500 NS;

Állandó előremenő feszültség at én=300 mA- nem több, mint 3 V;

Állandó legnagyobb megengedett előremenő áram at t<+85°C – 200 mA;

· Környezeti hőmérséklet –60… + 85 °С.

Rizs. 6.4. A sugárzási teljesítmény függése a LED áramától

A hatásfok lehetséges értékeivel kapcsolatban megjegyezzük, hogy a ZL115A, AL115A típusú kibocsátó diódák infravörös tartományban működnek (hullámhossz 0,95). mikron, a spektrum szélessége legfeljebb 0,05 mikron), hatásfoka legalább 10%.

Jelölési rendszer. A fénykibocsátó diódák jelölési rendszere két vagy három betű és három szám használatát foglalja magában, például AL316 vagy AL331. Az első betű az anyagot, a második (vagy a második és a harmadik) a kialakítást jelöli: L - egyetlen LED, LS - LED-ek sora vagy mátrixa. Az ezt követő számok (és néha betűk) jelzik a fejlesztési számot.

Fotoellenállás

A fotoellenállás olyan félvezető ellenállás, amelynek ellenállása érzékeny az elektromágneses sugárzásra a spektrum optikai tartományában. A fotoellenállás felépítésének sematikus ábrázolása az ábrán látható. 6,5, aábrán látható feltételes grafikus képe. 6,5, b.

A félvezetőre beeső fotonáram párok megjelenését okozza elektron-lyuk vezetőképesség növelése (ellenállás csökkenése). Ezt a jelenséget belső fotoelektromos hatásnak (fotovezetési effektus) nevezik. A fotoellenállásokat gyakran áramfüggőség jellemzi én a megvilágítástól E adott feszültségen az ellenálláson. Ez az ún lux-amper jellemző (6.6. ábra).

Rizs. 6.5. Szerkezet ( a) és sematikus jelölés ( b) fotoellenállás

Rizs. 6.6. Az FSK-G7 fotoellenállás Lux-amper jellemzője

A fotoellenállások következő paramétereit gyakran használják:

Névleges sötét (fényáram hiányában) ellenállás (FSK-G7 esetén ez az ellenállás 5 MOhm);

· Integrált érzékenység (az érzékenységet akkor határozzák meg, amikor a fotoellenállást összetett spektrális összetételű fénnyel világítják meg).

Az integrált érzékenységet (áram érzékenysége a fényáramra) S a következő kifejezés határozza meg:

ahol i f- az úgynevezett fotoáram (a megvilágítás alatti és a megvilágítás nélküli áram közötti különbség);

F- fényáramlás.

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

Fotodióda

Eszköz és alapvető fizikai folyamatok. A fotodióda egyszerűsített felépítése az ábrán látható. 6,7, aábrán látható feltételes grafikus képe. 6,7, b.

Rizs. 6.7. A fotodióda felépítése (a) és jelölése (b).

A fotodiódákban végbemenő fizikai folyamatok fordítottak a LED-ekben végbemenő folyamatokkal. A fotodiódában a fő fizikai jelenség a párok létrehozása elektron-lyuk valaminek a területén p-n-átmenet és a szomszédos területeken sugárzás hatására.

Párok generálása elektron-lyuk a dióda fordított áramának növekedéséhez vezet fordított feszültség jelenlétében és feszültség megjelenéséhez u ak az anód és a katód között szakadás esetén. És u ak> 0 (a lyukak az anódhoz, az elektronok a katódhoz jutnak elektromos tér hatására p-n-átmenet).

Jellemzők és paraméterek. A fotodiódákat célszerű a különböző fényáramoknak megfelelő volt-amper jellemzők családjával jellemezni (a fényáramot lumenben mérik, lm) vagy eltérő megvilágítás (a megvilágítást luxban mérik, rendben).

A fotodióda áram-feszültség karakterisztikája (CVC) az ábrán látható. 6.8.

Rizs. 6.8. A fotodióda áram-feszültség jellemzői

Legyen a fényáram először nulla, majd a fotodióda CVC-je valójában megismétli a hagyományos dióda CVC-jét. Ha a fényáram nem nulla, akkor a fotonok behatolnak a tartományba p-n-átmenet, párok keletkezését okozza elektron-lyuk... Elektromos tér hatására p-n- Az átmenet során az áramhordozók az elektródákhoz költöznek (lyukak - a réteg elektródájához p, elektronok - a réteg elektródájához n). Ennek eredményeként az elektródák között feszültség keletkezik, amely a fényáram növekedésével növekszik. Pozitív anód-katód feszültség esetén a dióda árama negatív is lehet (a karakterisztika negyedik negyede). Ebben az esetben a készülék nem fogyaszt, hanem termel energiát.

A gyakorlatban a fotodiódákat mind az úgynevezett fotogenerátor üzemmódban (fotovoltaikus üzemmód, szelep üzemmód), mind az úgynevezett fotokonverter üzemmódban (fotodióda üzemmód) használják.

Fotogenerátor üzemmódban a napelemek működnek, a fényt elektromos árammá alakítva. Jelenleg a napelemek hatásfoka eléri a 20%-ot. Eddig a napelemekből nyert energia körülbelül 50-szer drágább, mint a szénből, olajból vagy uránból nyert energia.

A fotokonverter üzemmód a harmadik negyedben lévő I - V karakterisztikának felel meg. Ebben az üzemmódban a fotodióda energiát fogyaszt ( u· én> 0) az áramkörben szükségszerűen jelen lévő külső feszültségforrástól (6.9. ábra). Ennek az üzemmódnak a grafikus elemzése a terhelési vonal használatával történik, mint a hagyományos diódák esetében. Ebben az esetben a jellemzőket általában az első kvadránsban ábrázolják (6.10. ábra).

Rizs. 6.9 ábra. 6.10

A fotodiódák gyorsabbak, mint a fotoellenállások. 10 7 – 10 10 frekvencián működnek Hz... A fotodiódát gyakran használják az optocsatolókban LED-fotodióda... Ebben az esetben a fotodióda különböző jellemzői megfelelnek a LED különböző áramainak (amely különböző fényáramokat hoz létre).

Optocsatoló (optocsatoló)

Az optocsatoló olyan félvezető eszköz, amely egy házban egy sugárforrást és egy sugárvevőt tartalmaz, és optikailag, elektromosan és mindkét csatlakozással egyidejűleg kapcsolódik egymáshoz. Nagyon elterjedtek az optocsatolók, amelyekben sugárzásérzékelőként fotoellenállást, fotodiódát, fototranzisztort és fototirisztort használnak.

Az ellenállásos optocsatolókban a kimeneti ellenállás a bemeneti áramkör üzemmódjának megváltoztatásakor 10 7 ... 10 8-szoros tényezővel változhat. Ezenkívül a fotoellenállás áram-feszültség karakterisztikáját nagy linearitás és szimmetria jellemzi, ami meghatározza az ellenállásos optocsatolók széleskörű alkalmazhatóságát az analóg eszközökben. Az ellenállásos optocsatolók hátránya az alacsony sebesség - 0,01 ... 1 val vel.

A digitális információs jelek továbbítására szolgáló áramkörökben elsősorban dióda és tranzisztor optocsatolókat, a tirisztoros optocsatolókat pedig nagyfeszültségű nagyáramú áramkörök optikai kapcsolására használják. A tirisztoros és tranzisztoros optocsatolók sebességét kapcsolási idők jellemzik, amelyek gyakran 5...50 tartományba esnek. μs.

Tekintsük részletesebben a LED-fotodióda optocsatolót (6.11. ábra, a). Az emittáló diódát (balra) előre, a fotodiódát pedig előre (fotogenerátor üzemmód) vagy hátrafelé (fotokonverter üzemmód) kell bekapcsolni. Az optocsatoló diódáinak áramainak és feszültségeinek irányait a ábra mutatja. 6.11, b.

Rizs. 6.11. Optocsatoló áramkör (a) és a benne lévő áramok és feszültségek iránya (b)

Az áram függőségét fogjuk ábrázolni kilépekáramból én be nál nél ki= 0 az AOD107A optocsatoló esetében (6.12. ábra). A megadott optocsatolót úgy tervezték, hogy fotogenerátoros és fotokonverziós módban is működjön.

Rizs. 6.12. Az AOD107A optocsatoló átviteli karakterisztikája

Az optoelektronika a tudomány és a technológia egyik ága, amelyben az információ generálásának, feldolgozásának, memorizálásának és tárolásának kérdéseit vizsgálják az elektromos és optikai technológiák együttes alkalmazása alapján. Az optoelektronikai eszközök működésük során az optikai tartományban elektromágneses sugárzást használnak fel.

A modern mikroelektronika nem oldotta meg az elektronikus berendezések általános mikrominiatürizálásának problémáját. Az olyan hagyományos elemek, mint a transzformátorok, leválasztható érintkezők, nagy kapacitású kondenzátorok, nagy méreteik miatt nem illeszkednek jól az integrált alkatrészekhez. Különösen nehéz az elektromos szigetelés biztosítása két rendszer csatlakoztatásakor: nagyfeszültségű és kisfeszültségű. Ez a probléma különösen akkor merül fel, amikor vezérlőberendezéseket hoznak létre nagy elektromos teljesítményű nagyfeszültségű berendezésekhez. Itt jön a segítség az optoelektronika. Az optikai kommunikációs csatorna használata lehetővé teszi bármely rendszer megbízható elektromos leválasztását, a terjedelmes reaktív és érintkező alkatrészek kiküszöbölését, valamint a berendezések működésének megbízhatóságának növelését.

Az optoelektronika elemi alapja:

1) optosugárzók – elektromos energia fénnyé alakítói;

2) fotoelektromos sugárzás vevők (fotodetektorok) - fényenergia átalakítói elektromos energiává;

3) elektromos leválasztásra szolgáló eszközök az energia és az információ fénycsatornán keresztül történő átvitele során - optoelektronikai eszközök (optocsatolók);

4) fényvezetők.

Szűkítsük meg magunkat az ipari elektronikában leggyakrabban használt félvezető optocsatolók, inkoherens sugárzás források vagy vevők figyelembevételére.

A félvezető fénykibocsátó egy fénykibocsátó dióda. Ismeretes, hogy a hordozók rekombinációja során, azaz amikor egy elektron visszatér a vezetési sávból a vegyértéksávba, egy energiakvantum bocsát ki. A legintenzívebb rekombináció az átmenet közelében megy végbe, amikor a többségi hordozók leküzdik a potenciális gátat és rekombinálódnak. Fénykibocsátó diódák létrehozásához olyan összetett félvezető anyagokat használnak, amelyekben az optikai (vagy infravörös) tartományban energiakvantumot bocsátanak ki, például gallium-foszfidot, gallium-arzenidet vagy szilícium-karbidot. Sugárzás akkor következik be, amikor az áramot előrefelé haladják át a készüléken. Az eszköz kialakítása biztosítja a fény áteresztését a csomópontból anélkül, hogy jelentős veszteséget okozna a félvezető vastagságában. A fénykibocsátó diódák CVC-je hasonló a hagyományos szilícium- és germániumdiódákéhoz.

A fénykibocsátó diódákat különálló elemekként vagy csoportokként (mátrixokként) állítják elő, hogy az információkat betűk, számok és különféle szimbólumok formájában jelenítsék meg. Ezek is az optocsatolók részét képezik. Az ábrákon a fénykibocsátó dióda jelölése látható. 1.20, a.

Rizs. 1.20. A fénykibocsátó dióda (a), fotodióda (b), fototranzisztor (c), fototirisztor (d) és dióda optocsatoló (e) vázlatos jelölései

A fotodetektorok közé tartoznak a fotodiódák, fototranzisztorok, fototirisztorok és egyéb eszközök. Az 1.1. §-ban szóba került a hőgeneráció jelensége, vagyis az elektron átmenete a vegyértéksávból a vezetési sávba melegítés hatására. Hasonló átmenet történhet, ha a félvezető réteget fény éri. A kisebbségi hordozók számának növekedése következtében az anyag vezetőképessége megnő (fényvezetőképesség megjelenése). Ha a csomópontot fénnyel sugározzuk be, a kisebbségi hordozók árama növekszik, azaz ennek a csomópontnak a fordított árama növekszik: hol van a fényáram.

Ez az alapja a fotodióda működésének, amelyre a terhelési ellenálláson keresztül a fordított feszültségforrás csatlakozik. A Ф növekedésével a feszültségesés növekszik és nő. ...

A fototranzisztor munkája is a fotovezetésen alapul. A külső áramkörhöz (azaz at) báziskimenet nélküli tranzisztorban az (1.4) szerinti áramerősség kerül meghatározásra.

A bázis vagy a kollektor csatlakozási tartomány besugárzásakor a kisebbségi vivőáram arányosan változik. Az OE-vel rendelkező tranzisztorban az áram többszörösére erősödik, ezért a jelteljesítmény nagyobb lehet, mint a fotodiódában, az E tápegység azonos feszültségszintjénél. A fototranzisztor megnevezése a diagramon látható Ábra. 1,20, c.

A fototirisztor működési elve (a sematikus jelölést az 1.20. ábra mutatja, d) fénybesugárzásnak kitett áramerősség változására. Vezérlőelektróda hiányában a tirisztoráramot az (1.9)-ből kapott kifejezés írja le:

A fototirisztorban. A fényáram növekedésével az anódáram is növekszik. Ahogy az 1.7. pontban látható, ez növeli az együtthatókat, és amikor elérik, a tirisztor nyit. Így az áramerősség növekedése a fényáram növekedésével serkenti a tirisztor tüzelését. A nyitott tirisztor áram többszöröse lehet az értéknek.

Így a vezérelt félvezető eszközök (tranzisztor és tirnstor) terméksugárzást használhatnak vezérlőjelként.

A fototranzisztor fotodetektorként való felhasználásával áramerősítés érhető el. Az optocsatolók közös hátránya, hogy a kimenő jelnek a bemeneti jeltől való függése nemlinearitása az optocsatolók jellemzőinek nemlinearitása miatt.

Az információ továbbítása az emitterről a fotodetektorra fényvezetőkkel: rugalmas tömlők, amelyek fényvisszaverő héjból és szerves vagy szervetlen üvegből készült magból állnak. Az információ átvitele az optikai szálakon keresztül teljes immunitást biztosít az elektromágneses interferencia ellen.

Az optoelektronikai eszközöket egyre gyakrabban alkalmazzák az információs és energiaelektronikában, különféle információk továbbítására és megjelenítésére szolgáló eszközökben.

A modern tudomány aktívan fejlődik különböző irányokban, és arra törekszik, hogy lefedje az összes lehetséges potenciálisan hasznos tevékenységi területet. Mindezek közül ki kell emelni azokat az optoelektronikai eszközöket, amelyeket mind az adatátvitel, mind a tárolás vagy feldolgozás során használnak. Szinte mindenhol használják, ahol többé-kevésbé bonyolult technikát alkalmaznak.

Ami?

Az optoelektronikai eszközök, más néven optocsatolók, speciális félvezető típusú eszközök, amelyek képesek sugárzás küldésére és fogadására. Ezeket a szerkezeti elemeket fotodetektornak és fénykibocsátónak nevezik. Különféle lehetőségeik lehetnek az egymással való kommunikációra. Az ilyen termékek működési elve az elektromosság fénnyé való átalakításán, valamint ennek a reakciónak a fordítottján alapul. Ennek következtében az egyik eszköz egy bizonyos jelet tud küldeni, míg a másik fogadja és „dekódolja” azt. Az optoelektronikai eszközöket a következőkben használják:

berendezések kommunikációs egységei;
mérőeszközök bemeneti áramkörei;
nagyfeszültségű és nagyáramú áramkörök;
erős tirisztorok és triacok;
relé eszközök és így tovább.

Minden ilyen termék több alapvető csoportba sorolható az egyes összetevőiktől, kialakításuktól vagy egyéb tényezőktől függően. Erről bővebben alább.

Kibocsátó

Az optoelektronikai eszközök és eszközök jelátviteli rendszerekkel vannak felszerelve. Ezeket kibocsátóknak nevezik, és típustól függően a termékek a következőképpen oszlanak meg:

Lézer és LED-ek. Az ilyen elemek a legsokoldalúbbak közé tartoznak. Jellemzőjük a nagy hatásfok, a nagyon szűk sugárspektrum (ezt a paramétert kvázi-kromatikusnak is nevezik), a meglehetősen széles működési tartomány, a tiszta sugárzási irány fenntartása és a nagyon magas működési sebesség. Az ilyen emitterekkel rendelkező eszközök nagyon hosszú ideig és rendkívül megbízhatóan működnek, kis méretükben különböznek egymástól, és kiválóan mutatják magukat a mikroelektronikai modellek terén.
Elektrolumineszcens cellák. Egy ilyen tervezési elem nem mutat különösen magas konverziós minőségi paramétert, és nem működik túl sokáig. Ugyanakkor az eszközöket nagyon nehéz kezelni. Leginkább azonban fotoellenállásokhoz illenek, és többelemes, többfunkciós szerkezetek készítésére is alkalmasak. Mindazonáltal hiányosságaik miatt ma már meglehetősen ritkán használják az ilyen típusú emittereket, csak akkor, ha valóban nem lehet mellőzni.
Neon lámpák. Ezeknek a modelleknek a fénykibocsátása viszonylag alacsony, nem bírják jól a sérüléseket és nem tartanak sokáig. Nagy méretűek. Rendkívül ritkán használják, bizonyos típusú készülékekben.
Izzólámpák. Az ilyen emittereket csak az ellenállásos berendezésekben használják, és sehol máshol.

Ennek eredményeként a LED-es és lézeres modellek szinte minden tevékenységi területen optimálisak, és csak bizonyos területeken, ahol ez nem lehetséges, más lehetőségeket alkalmaznak.

Fotódetektor

Az optoelektronikai eszközöket a szerkezet ezen részének típusa szerint is osztályozzák. Fogadóelemként különböző típusú termékek használhatók.

Fotó tirisztorok, tranzisztorok és diódák. Mindegyik olyan univerzális eszközhöz tartozik, amely nyitott típusú átmenettel működik. Leggyakrabban a tervezés szilícium alapú, és emiatt a termékek meglehetősen széles érzékenységet kapnak.
Fotoellenállások. Ez az egyetlen alternatíva, amelynek fő előnye a tulajdonságok igen összetett megváltoztatása. Segít mindenféle matematikai modell megvalósításában. Sajnos a fotoellenállások inerciálisak, ami jelentősen leszűkíti alkalmazási körüket.

A sugárvétel minden ilyen eszköz egyik legalapvetőbb eleme. Csak a fogadás után kezdődik a további feldolgozás, és ez lehetetlen lesz, ha a kapcsolat minősége nem elég magas. Ennek eredményeként nagy figyelmet fordítanak a fotodetektor kialakítására.

Optikai csatorna

A termékek tervezési sajátosságait jól mutatja az alkalmazott fotoelektronikai és optoelektronikai eszközök jelölési rendszere. Ez vonatkozik az adatátviteli csatornára is. Három fő lehetőség van:

Hosszúkás csatorna. Az ilyen modellben a fotodetektor meglehetősen jelentős távolságra van az optikai csatornától, és speciális fényvezetőt képez. Ezt a tervezési lehetőséget aktívan használják a számítógépes hálózatokban az aktív adatátvitelhez.
Zárt csatorna. Az ilyen típusú konstrukciók speciális védelmet használnak. Tökéletesen védi a csatornát a külső hatásoktól. A galvanikus szigetelőrendszer modelljeit használják. Ez egy meglehetősen új és ígéretes technológia, amelyet jelenleg folyamatosan fejlesztenek, és fokozatosan felváltják az elektromágneses reléket.
Csatorna megnyitása. Ez a kialakítás azt jelenti, hogy a fotodetektor és az emitter között légrés van. A modelleket diagnosztikai rendszerekben vagy különféle érzékelőkben használják.

Spektrális tartomány

E mutató szempontjából az optoelektronikai eszközök minden típusa két típusra osztható:

Közeli hatótávolság. A hullámhossz ebben az esetben 0,8-1,2 mikron között van. Leggyakrabban egy ilyen rendszert nyitott csatornát használó eszközökben használnak.
Távolság. Itt már 0,4-0,75 mikron a hullámhossz. A legtöbb más ilyen típusú termékben használják.

Tervezés

Ennél a mutatónál az optoelektronikai eszközök három csoportra oszthatók:

Különleges. Ide tartoznak a több emitterrel és fotodetektorral, jelenlét-, helyzet-, füstérzékelővel stb.
Integrál. Az ilyen modellekben speciális logikai áramkörök, komparátorok, erősítők és egyéb eszközök is használatosak. Többek között ezek kimenetei és bemenetei galvanikusan le vannak választva.
Alapvető. Ez a termékek legegyszerűbb változata, amelyben a vevő és az adó csak egy példányban van jelen. Lehetnek tirisztorok és tranzisztorok, diódák, rezisztívek és általában bármilyen más.

A készülékek mindhárom csoportot vagy külön-külön is használhatják. A szerkezeti elemek alapvető szerepet játszanak, és közvetlenül befolyásolják a termék funkcionalitását. Ugyanakkor a kifinomult berendezések adott esetben a legegyszerűbb, elemi fajtákat is használhatják. De ennek az ellenkezője is igaz.

Optoelektronikai eszközök és alkalmazásaik

Az eszközök használata szempontjából mindegyik 4 kategóriába sorolható:

Integrált áramkörök. Sokféle eszközben használják őket. Az elvet a különböző szerkezeti elemek között alkalmazzák, különálló, egymástól elkülönített részekkel. Ez megakadályozza, hogy az összetevők a fejlesztőtől eltérő módon kölcsönhatásba lépjenek egymással.
Szigetelés. Ebben az esetben speciális optikai ellenálláspárokat használnak, ezek diódája, tirisztor vagy tranzisztor típusa stb.
Átalakítás. Ez az egyik leggyakoribb használati eset. Ebben az áramot fénnyé alakítják, és így alkalmazzák. Egy egyszerű példa mindenféle lámpa.
Fordított transzformáció. Ez már egy teljesen ellentétes lehetőség, amelyben a fény alakul át árammá. Mindenféle vevőkészülék létrehozására szolgál.

Valójában nehéz elképzelni szinte minden olyan eszközt, amely árammal működik, és nem tartalmaz valamilyen optoelektronikai alkatrészt. Lehet, hogy kis számban bemutatják őket, de továbbra is jelen lesznek.

Eredmények

Minden optoelektronikai eszköz, tirisztor, dióda, félvezető eszköz különböző típusú berendezések szerkezeti eleme. Lehetővé teszik az ember számára, hogy fényt kapjon, információt továbbítson, feldolgozzon vagy akár tároljon is.