Princíp činnosti optoelektronických zariadení. Vlastnosti elektrických meracích prístrojov a ich oblasti použitia. Optoelektronické zariadenia. Klasifikácia a typy Optoelektronické polovodičové zariadenia Optočleny s diódami vyžarujúcimi svetlo

Optoelektronika - oblasť elektroniky, kde sa ako nosiče informácií používajú elektromagnetické vlny optického rozsahu (10nm - 1mm).

Široký rozvoj optického rozsahu je určený radom základných výhod svetelných vĺn v porovnaní s rádiovými vlnami:

1) veľká informačná kapacita optickej komunikácie, ktorá je spôsobená veľmi vysokou frekvenciou svetelných vĺn. Takže vo viditeľnej časti spektra f ~ (101 ... 1015) Hz na prenos konvenčného televízneho obrazu je potrebné frekvenčné pásmo f = 6 MHz, preto je možné do neho umiestniť až niekoľko stoviek televíznych kanálov VKV a decimetrové pásma. V optickom rozsahu toto číslo stúpa na stovky miliónov alebo viac;

2) vysoká smerovosť žiarenia vďaka malému pomeru. vlnové dĺžky do rozmerov otvoru emitora;

4) vysoká hustota záznamu informácií v optických pamäťových zariadeniach, čo otvára nové perspektívy pre stavbu počítačov nasledujúcich generácií.

Na realizáciu týchto výhod sú predovšetkým potrebné optoelektronické zariadenia s dobrými vlastnosťami. Optoelektronické zariadenia sú zariadenia, v ktorých prebiehajú hlavné procesy za účasti fotónov. V závislosti od charakteristík prebiehajúcich procesov je možné všetky optoelektronické zariadenia rozdeliť do troch skupín:

1) svetelné žiariče, ktoré premieňajú elektrickú energiu na optické žiarenie (LED diódy, polovodičové lasery, luminiscenčné kondenzátory);

2) fotodetektory (fotodetektory), ktoré prevádzajú optické žiarenie na elektrické informačné signály (fotorezistory, fotodiódy, fototranzistory atď.);

3) solárne konvertory, ktoré premieňajú optické žiarenie na elektrickú energiu (solárne batérie, fotovoltaické zariadenia).

Okrem týchto zariadení sú v rôznych oblastiach vedy a techniky široko používané optoelektronické páry - polovodičové zariadenia pozostávajúce zo svetelných a fotodetekčných prvkov, medzi ktorými je optické spojenie cez optický kanál, ktorý zaisťuje elektrickú izoláciu medzi vstupom a výstup (sekvenčná konverzia prúdu na svetlo). prúd “). Svetelný žiarič, fotodetektor a optický kanál realizujúci galvanickú izoláciu medzi vstupom a výstupom sú konštrukčne kombinované v jednom kryte.

Na použitie v rôznych elektronických zariadeniach sa používajú optoelektronické integrované obvody - integrované mikroobvody, v ktorých sa uskutočňuje optická komunikácia medzi jednotlivými uzlami alebo komponentmi, aby sa navzájom izolovali (galvanické oddelenie).

Optoelektronika- je to odvetvie elektroniky, spojené hlavne so štúdiom účinkov interakcie medzi elektromagnetickými vlnami optického rozsahu a elektrónmi hmoty (hlavne tuhých látok) a pokrývajúce problémy vytvárania optoelektronických zariadení (hlavne metódami mikroelektronickej technológie), pri ktorých sa tieto efekty používajú na generovanie, prenos, spracovanie, uchovávanie a zobrazovanie informácií.

Podľa tejto definície sa optoelektronika ako vedecký a technický smer vyznačuje tromi charakteristickými črtami.

1. Fyzický základ optoelektroniky tvoria javy, metódy, prostriedky, pre ktoré je kombinácia a kontinuita optických a elektronických procesov zásadná.

2. Technický základ optoelektroniky je určený konštrukčnými a technologickými konceptmi modernej mikroelektroniky: miniaturizácia prvkov; výhodný vývoj štruktúr pevných rovín; integrácia prvkov a funkcií; zamerajte sa na špeciálne ultračisté materiály; aplikácia metód skupinového spracovania výrobkov.

3. Funkčným účelom optoelektroniky je vyriešiť nasledujúce úlohy: generovanie, prenos, transformácia, ukladanie a zobrazovanie informácií.

Na vyriešenie vyššie uvedených problémov sa v optoelektronických zariadeniach používajú informačné signály v optických a elektrických formách, ale rozhodujúce sú optické signály - to je presne to, čo sa dosiahne kvalitatívne nové, čo rozlišuje optoelektroniku.

Optoelektronický sa volajú spotrebičov citlivé na elektromagnetické žiarenie vo viditeľných, infračervených a ultrafialových oblastiach, ako aj zariadenia, ktoré takéto žiarenie produkujú alebo používajú.

V konkrétnom optoelektronickom zariadení je prítomnosť všetkých troch komponentov vyššie uvedenej definície povinná, ale uvedené charakteristické znaky môžu byť zahrnuté vo väčšej alebo menšej miere. To umožňuje oddeliť optoelektronické a fotoelektronické zariadenia (fotonásobiče, zariadenia s elektrónovým lúčom).

Na obr. 2.1 uvádza klasifikáciu optoelektronických zariadení a uvádza fyzikálne efekty, ktoré sú základom ich práce.

V praxi sú široko používané zdrojov žiarenie(žiariče), prijímače žiarenie(fotodetektory) a optočleny(optočleny).

Vysielač- zdroj, ktorého svetelný tok alebo jas je funkciou elektrického signálu prichádzajúceho na jeho vstup.

Zo zdrojov žiarenia sa široko používajú LED a lasery a z prijímačov - fotorezistory, fotodiódy, fototranzistory a fototyristory. Široko sa používajú optočleny, v ktorých sa používajú páry LED-fotodióda, LED-fototranzistor, LED-fototyristor.

Podľa typu použitého žiariča sa zariadenia rozlišujú koherentný(s lasermi) a nesúvislý(so svetelnými diódami) optoelektronika.

Jednotlivé zariadenia aj komplexné optoelektronické systémy sú vytvorené z oddelených prvkov. Hlavnými optoelektronickými prvkami sú:

· Zdroje koherentného optického žiarenia (polovodičový laser);

· Zdroje nekoherentného optického žiarenia (dióda vyžarujúca svetlo);

· Aktívne a pasívne optické médiá;

· Prijímače optického žiarenia (fotodióda);

· Optické prvky (šošovka);

· Prvky z optických vlákien (zväzok z optických vlákien);

· Integrované optické prvky (integrované optické zrkadlo).

Ako je zrejmé z generalizovaného blokového diagramu optoelektronického zariadenia (OED) zobrazeného na obr. 2.2, spolu s fotodetektormi a žiaričmi, sú dôležitou súčasťou OES zodpovedajúce vstupné a výstupné elektrické obvody určené na vytváranie a spracovanie optického signálu. Charakteristikou týchto pomerne zložitých, hlavne integrovaných obvodov je kompenzácia energetických strát počas premeny „elektrina - svetlo“ a „svetlo - elektrina“, ako aj zaistenie vysokej stability a stability OES pod vplyvom vonkajších faktorov.

Pokiaľ ide o funkčnosť, v triede optoelektronických zariadení by sa okrem miniatúrnych zdrojov žiarenia a jedno- a viacprvkových prijímačov žiarenia mali rozlišovať tieto zariadenia.

Optoelektronické zariadenie sa nazýva optoelektronické zariadenie, v ktorom sú žiarič na vstupe a fotodetektor na výstupe štrukturálne kombinované v spoločnom kryte, pričom navzájom pôsobia opticky a elektricky.

Optočleny sa široko používajú v mikroelektronických a elektrických zariadeniach na zabezpečenie elektrickej izolácie pri prenose informačných signálov, bezkontaktnom spínaní vysokonapäťových a vysokonapäťových obvodov a na vytváranie laditeľných fotodetektorov v riadiacich a regulačných zariadeniach.

Optoelektronické snímače- zariadenia, ktoré prevádzajú vonkajšie fyzikálne vplyvy: teplotu, tlak, vlhkosť, zrýchlenie, magnetické pole a ďalšie - na elektrické signály. Prevádzka týchto zariadení je založená na rôznych princípoch. Senzory zahŕňajú obrazové snímače a optočleny s otvoreným optickým kanálom. Zvlášť intenzívny vývoj tohto smeru je spojený s výskytom senzorov z optických vlákien, v ktorých vonkajšie vplyvy menia vlastnosti optického signálu šíriaceho sa pozdĺž vlákna.

Komunikačné linky s optickými vláknami (FOCL)- zariadenia a systémy obsahujúce flexibilný svetlovod (vo forme kábla) z optických vlákien spojený s emitorom na jednom (vysielacom) konci a s fotodetektorom na druhom (prijímajúcom).

Fyzikálny základ FOCL je určený procesmi šírenia optických signálov pozdĺž svetlovodu, ako aj generovaním svetla a fotoelektrickými javmi v vysielači a prijímači.

Indikátory- elektricky ovládané zariadenia pre vizuálne zobrazovacie systémy. Sú široko používané, od elektronických hodín a mikrokalkulačiek, tabúľ s výsledkami a prístrojových panelov a končia displejmi v systéme „človek-počítač“. Fyzický základ zariadení indikátorového typu tvoria rôzne typy elektroluminiscencie (pre zariadenia s aktívnym svetelným rastrom) a elektrooptické javy (pre zariadenia s pasívnym rastrom odrážajúcim svetlo).

V súlade s klasifikáciou nekoherentných optoelektronických výrobkov sú OED rozdelené podľa typu konverzie optoelektronického signálu (princíp konverzie „elektrina - svetlo“ je implementovaný v emisných zariadeniach), úrovne integrácie, funkčnej aplikácie a konštrukcie. Každá z vybraných skupín OED bude podľa všetkého v budúcnosti doplnená o nové zariadenia a zariadenia.

Vymenujme hlavné výhody optoelektronických zariadení:

Vysoká šírka pásma optického kanála. Frekvencia oscilácie je o tri až päť rádov vyššia ako v zvládnutom rádiotechnickom rozsahu. To znamená, že o rovnaký faktor sa zvyšuje aj priepustnosť kanála prenosu optických informácií.

Ideálna elektrická izolácia medzi vstupom a výstupom. Použitie elektricky neutrálnych fotónov ako nosiča informácií určuje bezkontaktnosť optickej komunikácie. Odtiaľto nasleduje ideálna elektrická izolácia vstupu a výstupu; jednosmernosť toku informácií a absencia recipročnej reakcie od príjemcu k zdroju; odolnosť voči šumu optických komunikačných kanálov; utajenie prenosu informácií cez optický komunikačný kanál.

Ako nevýhody je možné rozlíšiť nasledujúce vlastnosti OES:

Nízka účinnosť. Účinnosť prevodov tvaru E (osvetlenie)> L (jas) a L> E v najlepších moderných zariadeniach (lasery, LED diódy, fotodiódy p-i-n) spravidla nepresahuje 10 ... 20%. Ak sa teda také prevody vykonávajú v zariadení iba dvakrát (na vstupe a na výstupe), ako napríklad v optočlenoch alebo komunikačných linkách z optických vlákien (FOCL), potom celková účinnosť klesne na niekoľko percent. Zavedenie každého ďalšieho aktu prevodu informačných signálov z jednej formy do druhej vedie k zníženiu účinnosti rádovo alebo viac. Nízka hodnota účinnosti spôsobuje zvýšenie spotreby energie, čo je vzhľadom na obmedzené možnosti zdrojov energie neprijateľné; komplikuje miniaturizáciu, pretože je prakticky nemožné odstrániť uvoľnené teplo; znižuje účinnosť a spoľahlivosť väčšiny optoelektronických zariadení.

Prítomnosť odlišných materiálov používaných v optoelektronických zariadeniach a systémoch vedie k: nízkej celkovej účinnosti zariadenia v dôsledku absorpcie žiarenia v pasívnych oblastiach štruktúr, odrazu a rozptylu na optických hraniciach; zníženie spoľahlivosti v dôsledku rozdielu teplotných koeficientov rozťažnosti materiálov; zložitosť celkového utesnenia zariadenia; technologická náročnosť a vysoké náklady.

Optoelektronické zariadenia sú zariadenia citlivé na elektromagnetické žiarenie vo viditeľnej, infračervenej a ultrafialovej oblasti, ako aj zariadenia, ktoré takéto žiarenie produkujú alebo používajú.

Žiarenie vo viditeľných, infračervených a ultrafialových oblastiach sa vzťahuje na optický rozsah spektra. Špecifikovaný rozsah zvyčajne obsahuje elektromagnetické vlny s dĺžkou 1 nm až 1 mm, čo zodpovedá frekvenciám od asi 0,5 10 12 Hz až 5 10 17 Hz... Niekedy hovoria o užšom frekvenčnom rozsahu - od 10 nm až 0,1 mm(~ 5 · 10 12 ... 5 · 10 16 Hz). Viditeľný rozsah zodpovedá vlnovým dĺžkam od 0,38 μm do 0,78 μm (frekvencia asi 10 15 Hz).

V praxi sú široko používané zdroje žiarenia (žiariče), prijímače žiarenia (fotodetektory) a optočleny (optočleny).

Optočlen je zariadenie, v ktorom je zdroj aj prijímač žiarenia, štruktúrne kombinované a umiestnené v jednom kryte.

Zo zdrojov žiarenia sa široko používajú LED a lasery a z prijímačov - fotorezistory, fotodiódy, fototranzistory a fototyristory.

Široko sa používajú optočleny, v ktorých sa používajú páry LED-fotodióda, LED-fototranzistor, LED-fototyristor.

Hlavné výhody optoelektronických zariadení:

· Vysoká informačná kapacita kanálov optického prenosu informácií, čo je dôsledkom vysokých hodnôt použitých frekvencií;

· Úplná galvanická izolácia zdroja žiarenia a prijímača;

· Nedostatok vplyvu prijímača žiarenia na zdroj (jednosmerný tok informácií);

· Odolnosť optických signálov voči elektromagnetickým poliam (vysoká odolnosť proti šumu).

Vysielacia dióda (LED)

Vyžarujúca dióda, ktorá pracuje v rozsahu viditeľných vlnových dĺžok, sa často označuje ako svetelná dióda alebo LED.

Zvážte zariadenie, vlastnosti, parametre a systém označovania vyžarujúcich diód.

Zariadenie. Schematické znázornenie štruktúry emitujúcej diódy je znázornené na obr. 6.1, a, a jeho konvenčné grafické označenie je na obr. 6,2, b.

Žiarenie vzniká vtedy, keď dopredný prúd diódy tečie v dôsledku rekombinácie elektrónov a dier v tejto oblasti. p-n-prechod a v oblastiach susediacich s uvedenou oblasťou. Pri rekombinácii sa emitujú fotóny.

Charakteristiky a parametre... Pre emitujúce diódy pracujúce vo viditeľnom rozsahu (vlnová dĺžka od 0,38 do 0,78 mikrónov, frekvencia je asi 10 15 Hz), sa široko používajú nasledujúce charakteristiky:

Závislosť jasu žiarenia L z diódového prúdu i(charakteristika jasu);

závislosť na svetelnej intenzite Ja v z diódového prúdu i.

Ryža. 6.1. Štruktúra diód vyžarujúcich svetlo ( a)

a jeho grafický obrázok ( b)

Jasová charakteristika pre svetlo emitujúcu diódu typu AL102A je znázornená na obr. 6.2. Žiarivá farba tejto diódy je červená.

Ryža. 6.2. Charakteristika jasu LED

Graf závislosti svetelnej intenzity od prúdu pre diódu vyžarujúcu svetlo typu AL316A je na obr. 6.3. Farba žiarenia je červená.

Ryža. 6.3. Intenzita svetla oproti prúdu LED

Na vyžarovanie diód, ktoré nepracujú vo viditeľnom rozsahu, použite charakteristiky, ktoré odrážajú závislosť výkonu žiarenia R. z diódového prúdu i... Zóna možných polôh grafu závislosti výkonu žiarenia na prúde pre emitujúcu diódu typu AL119A, pracujúcu v infračervenom rozsahu (vlnová dĺžka 0,93 ... 0,96 mikrónov) je znázornený na obr. 6.4.

Uveďme niekoľko parametrov pre diódu AL119A:

Doba nábehu radiačného impulzu - nie viac ako 1 000 NS;

Čas rozpadu radiačného impulzu - nie viac ako 1 500 NS;

Konštantné napätie vpred pri i=300 mA- nie viac ako 3 V.;

Konštantný maximálny prípustný prúd vpredu pri t<+85°C – 200 mA;

· Teplota okolia –60… + 85 ° С.

Ryža. 6.4. Závislosť výkonu žiarenia na prúde LED

Pre informácie o možných hodnotách účinnosti poznamenávame, že vyžarujúce diódy typov ZL115A, AL115A, pracujúce v infračervenom rozsahu (vlnová dĺžka 0,95 mikrónov, šírka spektra nie je väčšia ako 0,05 mikrónov), majú účinnosť najmenej 10%.

Notačný systém. Systém označovania používaný pre diódy vyžarujúce svetlo zahŕňa použitie dvoch alebo troch písmen a troch číslic, napríklad AL316 alebo AL331. Prvé písmeno označuje materiál, druhé (alebo druhé a tretie) - dizajn: L - jedna dióda LED, LS - rad alebo matica diód LED. Nasledujúce čísla (a niekedy aj písmená) označujú číslo vývoja.

Fotorezistor

Fotorezistor je polovodičový odpor, ktorého odpor je citlivý na elektromagnetické žiarenie v optickom rozsahu spektra. Schematické znázornenie štruktúry fotorezistora je znázornené na obr. 6,5, a a jeho konvenčný grafický obrázok je znázornený na obr. 6,5, b.

Tok fotónov dopadajúci na polovodič spôsobuje výskyt párov elektrónová diera zvýšenie vodivosti (zníženie odporu). Tento jav sa nazýva vnútorný fotoelektrický efekt (fotoelektrický efekt). Fotorezistory sú často charakterizované súčasnou závislosťou i z osvetlenia E pri danom napätí cez odpor. Ide o tzv lux-ampér charakteristika (obr. 6.6).

Ryža. 6.5. Štruktúra ( a) a schematický zápis ( b) fotorezistor

Ryža. 6.6. Luxampérová charakteristika fotorezistora FSK-G7

Často sa používajú nasledujúce parametre fotorezistorov:

Nominálny odpor proti tme (pri absencii svetelného toku) (pre FSK-G7 je tento odpor 5 MOhm);

· Integrálna citlivosť (citlivosť sa určuje, keď je fotorezistor osvetlený svetlom komplexného spektrálneho zloženia).

Integrálna citlivosť (aktuálna citlivosť na svetelný tok) S je určená výrazom:

kde ja f- takzvaný fotoprúd (rozdiel medzi prúdom pri osvetlení a prúdom pri absencii osvetlenia);

F- tok svetla.

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

Fotodióda

Zariadenie a základné fyzikálne procesy. Zjednodušená štruktúra fotodiódy je znázornená na obr. 6,7, a a jeho konvenčný grafický obrázok je znázornený na obr. 6,7, b.

Ryža. 6.7. Štruktúra (a) a označenie (b) fotodiódy

Fyzikálne procesy vo fotodiódach sú inverzné k procesom v diódach LED. Hlavným fyzikálnym javom vo fotodióde je generovanie párov elektrónová diera v oblasti p-n-prechod a v priľahlých oblastiach pod vplyvom žiarenia.

Generovanie párov elektrónová diera vedie k zvýšeniu spätného prúdu diódy za prítomnosti reverzného napätia a vzniku napätia u ak medzi anódou a katódou, keď je otvorený obvod. Navyše u ak> 0 (diery idú na anódu a elektróny na katódu pôsobením elektrického poľa p-n-prechod).

Charakteristiky a parametre. Je vhodné charakterizovať fotodiódy skupinou voltampérových charakteristík zodpovedajúcich rôznym svetelným tokom (svetelný tok sa meria v lúmenoch, lm) alebo odlišné osvetlenie (osvetlenie sa meria v luxoch, OK).

Charakteristiky prúdového napätia (CVC) fotodiódy sú znázornené na obr. 6.8.

Ryža. 6.8. Charakteristiky prúdového napätia fotodiódy

Nechajte svetelný tok najskôr nula, potom CVC fotodiódy v skutočnosti opakuje CVC konvenčnej diódy. Ak svetelný tok nie je nulový, potom fotóny prenikajúce do oblasti p-n– prechod, spôsobujú generovanie párov elektrónová diera... Pod vplyvom elektrického poľa p-n– prechod, nosiče prúdu sa pohybujú k elektródam (otvory - k elektróde vrstvy p, elektróny - na elektródu vrstvy n). Výsledkom je, že medzi elektródami vzniká napätie, ktoré sa zvyšuje so zvýšením svetelného toku. Pri kladnom napätí anóda-katóda môže byť prúd diódy záporný (štvrtý kvadrant charakteristiky). V tomto prípade zariadenie nespotrebováva, ale generuje energiu.

V praxi sa fotodiódy používajú ako v takzvanom fotogenerátorovom režime (fotovoltaický režim, ventilový režim), tak v takzvanom fotokonvertorovom režime (režim fotodiódy).

V režime fotogenerátora fungujú solárne články, ktoré premieňajú svetlo na elektrickú energiu. V súčasnosti dosahuje účinnosť solárnych článkov 20%. Energia získaná zo solárnych článkov je zatiaľ asi 50 -krát drahšia ako energia získavaná z uhlia, ropy alebo uránu.

Režim fotokonvertora zodpovedá charakteristike I - V v treťom kvadrante. V tomto režime fotodióda spotrebúva energiu ( u· i> 0) z niektorého požadovaného externého zdroja napätia v obvode (obr. 6.9). Grafická analýza tohto režimu sa vykonáva pomocou zaťažovacej čiary ako pre bežnú diódu. V tomto prípade sú charakteristiky obvykle konvenčne znázornené v prvom kvadrante (obr. 6.10).

Ryža. 6,9 Obr. 6.10

Fotodiódy sú rýchlejšie ako fotorezistory. Pracujú pri frekvenciách 10 7 - 10 10 Hz... Fotodióda sa často používa v optočlenoch LED-fotodióda... V tomto prípade rôzne charakteristiky fotodiódy zodpovedajú rôznym prúdom LED (čo vytvára rôzne svetelné toky).

Optočlen (optočlen)

Optočlen je polovodičové zariadenie obsahujúce zdroj žiarenia a prijímač žiarenia kombinované v jednom kryte a navzájom prepojené opticky, elektricky a súčasne oboma pripojeniami. Veľmi rozšírené sú optočleny, v ktorých sa ako detektor žiarenia používa fotorezistor, fotodióda, fototranzistor a fototyristor.

V odporových optočlenoch sa výstupný odpor pri zmene režimu vstupného obvodu môže zmeniť faktorom 10 7 ... 10 8 -krát. Charakteristiky prúdového napätia fotorezistora sa navyše vyznačujú vysokou linearitou a symetriou, čo určuje širokú použiteľnosť odporových optočlenov v analógových zariadeniach. Nevýhodou odporových optočlenov je nízka rýchlosť - 0,01 ... 1 s.

V obvodoch na prenos digitálnych informačných signálov sa používajú hlavne diódové a tranzistorové optočleny a tyristorové optočleny sa používajú na optické spínanie vysokonapäťových vysokonapäťových obvodov. Rýchlosť tyristorových a tranzistorových optočlenov je charakterizovaná časom spínania, ktorý často leží v rozmedzí 5 ... 50 μs.

Pozrime sa podrobnejšie na optočlen LED-fotodiódy (obr. 6.11, a). Vyžarujúca dióda (vľavo) musí byť zapnutá v smere dopredu a fotodióda v smere dopredu (režim fotogenerátora) alebo vzad (režim fotokonvertora). Smery prúdov a napätí diód optočlenu sú znázornené na obr. 6.11, b.

Ryža. 6.11. Obvod optočlenu (a) a smer prúdov a napätí v ňom (b)

Znázorníme závislosť prúdu ja von z prúdu ja v o si von= 0 pre optočlen AOD107A (obr. 6.12). Špecifikovaný optočlen je navrhnutý tak, aby pracoval v režimoch fotogenerátora aj fotokonverzie.

Ryža. 6.12. Prenosová charakteristika optočlena AOD107A

Optoelektronika je odvetvím vedy a techniky, v ktorom sa študuje problematika generovania, spracovania, zapamätávania a uchovávania informácií na základe spoločného používania elektrických a optických technológií. Optoelektronické zariadenia počas svojej činnosti používajú elektromagnetické žiarenie v optickom rozsahu.

Moderná mikroelektronika nevyriešila problém všeobecnej mikrominiaturizácie elektronických zariadení. Také tradičné prvky, ako sú transformátory, odpojiteľné kontakty, vysokokapacitné kondenzátory, sa kvôli svojim veľkým rozmerom nehodia k integrálnym komponentom. Je obzvlášť ťažké zabezpečiť elektrickú izoláciu pri spojení dvoch systémov: vysokého napätia a nízkeho napätia. Najmä takýto problém vzniká pri vytváraní riadiacich zariadení pre vysokonapäťové inštalácie veľkej elektrickej energie. Tu optoelektronika prichádza na pomoc. Použitie optického komunikačného kanála umožňuje zaistiť spoľahlivú elektrickú izoláciu akýchkoľvek systémov, eliminovať objemné reaktívne a kontaktné komponenty a zvýšiť spoľahlivosť prevádzky zariadenia.

Základná optoelektronika zahŕňa:

1) opto -žiariče - prevodníky elektrickej energie na svetlo;

2) prijímače fotoelektrického žiarenia (fotodetektory) - prevodníky svetelnej energie na elektrickú energiu;

3) zariadenia na elektrickú izoláciu počas prenosu energie a informácií svetelným kanálom - optoelektronické zariadenia (optočleny);

4) svetlovody.

Obmedzme sa na úvahu polovodičových optočlenov, zdrojov alebo prijímačov nesúdržného žiarenia, ktoré sa najčastejšie používajú v priemyselnej elektronike.

Polovodičový svetelný žiarič je svetlo emitujúca dióda. Je známe, že počas rekombinácie nosičov, tj. Návratu elektrónu z vodivého pásma do valenčného pásma, je emitované kvantum energie. K najintenzívnejšej rekombinácii dochádza v blízkosti prechodu, keď väčšinové nosiče prekonajú potenciálnu bariéru a rekombinujú. Na výrobu diód vyžarujúcich svetlo sa používajú komplexné polovodičové materiály, v ktorých je v optickom (alebo infračervenom) rozsahu emitované kvantum energie, napríklad fosfid gália, arzenid gália alebo karbid kremíka. K žiareniu dochádza vtedy, keď zariadením prechádza prúd vprednom smere. Konštrukcia zariadenia zaisťuje prenos svetla z križovatky bez výrazných strát v hrúbke polovodiča. CVC svetelných diód je podobné ako u bežných kremíkových a germániových diód.

Svetelné diódy sa vyrábajú ako samostatné prvky alebo skupiny (matice) na zobrazenie informácií vo forme písmen, číslic a rôznych symbolov. Sú tiež súčasťou optočlenov. Označenie diódy vyžarujúcej svetlo v diagramoch je znázornené na obr. 1,20, a.

Ryža. 1.20. Schematické označenia svetelnej diódy (a), fotodiódy (b), fototranzistoru (c), fototyristora (d) a diódového optočlena (e)

Medzi fotodetektory patria fotodiódy, fototranzistory, fotohyristory a ďalšie zariadenia. V § 1.1 bol spomenutý jav termogenerácie, to znamená prechod elektrónu z valenčného pásma do vodivého pásma pri zahrievaní. Podobný prechod môže nastať, ak je polovodičová vrstva vystavená svetlu. V dôsledku zvýšenia počtu menšinových nosičov sa zvyšuje vodivosť látky (vzhľad fotovodivosti). Keď je križovatka ožiarená svetlom, prúd menšinových nosičov sa zvyšuje, to znamená, že sa zvyšuje spätný prúd tohto spojenia: kde je svetelný tok.

Toto je základ činnosti fotodiódy, ku ktorej je prostredníctvom odporu záťaže pripojený zdroj reverzného napätia. S nárastom Ф sa pokles napätia na záťaži zvyšuje a zvyšuje. Označenie fotodiódy v obvodoch je znázornené na obr. ...

Práca fototranzistora je tiež založená na fotovodivosti. V tranzistore bez výstupu základne do externého obvodu (to znamená pri) sa určí prúd podľa (1.4)

Keď je ožiarená základňa alebo oblasť kolektorového spojenia, prúd menšinového nosiča sa proporcionálne zmení. V tranzistore s OE je prúd niekoľkonásobne zosilnený, preto môže byť výkon signálu vyšší ako vo fotodióde, na rovnakej úrovni napätia napájacieho zdroja E. Označenie fototranzistora je uvedené na diagrame v Obr. 1,20, c.

Princíp činnosti fototyristora (schematické označenie je znázornené na obr. 1.20, d) na zmene prúdu vystaveného svetelnému žiareniu. V neprítomnosti hradlovej elektródy je tyristorový prúd popísaný výrazom získaným z (1.9):

Vo fotohyristore. S nárastom svetelného toku sa zvyšuje aj anódový prúd. Ako je uvedené v § 1.7, koeficienty sa tým zvyšujú a po dosiahnutí sa tyristor otvorí. Zvýšenie prúdu so zvýšením svetelného toku teda stimuluje vypaľovanie tyristora. Prúd otvoreného tyristora môže byť mnohonásobne vyšší ako hodnota.

Riadené polovodičové zariadenia (tranzistor a tirnstor) teda môžu používať žiarenie produktu ako riadiaci signál.

Použitím fototranzistora ako fotodetektora je možné dosiahnuť zosilnenie prúdu. Bežnou nevýhodou optočlenov je nelinearita závislosti výstupného signálu od vstupného signálu v dôsledku nelinearity charakteristík optočlenov.

Prenos informácií z vysielača do fotodetektora sa môže vykonávať pomocou svetlovodov: flexibilných hadíc pozostávajúcich z reflexnej škrupiny a jadra z organického alebo anorganického skla. Prenos informácií optickými vláknami zaisťuje úplnú imunitu voči elektromagnetickému rušeniu.

Optoelektronické zariadenia sa stále viac používajú v informačnej a energetickej elektronike, v rôznych zariadeniach na prenos a zobrazovanie informácií.

Moderná veda sa aktívne rozvíja v rôznych smeroch a snaží sa pokryť všetky potenciálne potenciálne užitočné oblasti činnosti. Medzi tým všetkým je potrebné vyzdvihnúť optoelektronické zariadenia, ktoré sa používajú v procese prenosu údajov aj pri ich ukladaní alebo spracovaní. Používajú sa takmer všade, kde sa používa viac či menej zložitá technika.

Čo to je?

Optoelektronické zariadenia, tiež známe ako optočleny, sú špeciálne polovodičové zariadenia schopné vysielať a prijímať žiarenie. Tieto štruktúrne prvky sa nazývajú fotodetektor a svetelný žiarič. Môžu mať rôzne možnosti vzájomnej komunikácie. Princíp fungovania takýchto výrobkov je založený na premene elektriny na svetlo, ako aj na obrátení tejto reakcie. V dôsledku toho môže jedno zariadenie odoslať určitý signál, zatiaľ čo druhé ho prijme a „dešifruje“. Optoelektronické zariadenia sa používajú v:

komunikačné jednotky zariadení;
vstupné obvody meracích zariadení;
vysokonapäťové a silnoprúdové obvody;
silné tyristory a triaky;
reléové zariadenia a pod.

Všetky tieto výrobky je možné rozdeliť do niekoľkých základných skupín v závislosti od ich jednotlivých komponentov, dizajnu alebo iných faktorov. Viac o tomto nižšie.

Vysielač

Optoelektronické zariadenia a zariadenia sú vybavené systémami prenosu signálu. Hovorí sa im žiariče a v závislosti od typu sú výrobky rozdelené nasledovne:

Laser a LED diódy. Takéto prvky patria medzi najuniverzálnejšie. Vyznačujú sa vysokou mierou účinnosti, veľmi úzkym spektrom lúča (tento parameter je známy aj ako kvázi chromatickosť), pomerne širokým rozsahom prevádzky, udržiavaním jasného smeru žiarenia a veľmi vysokou rýchlosťou prevádzky. Zariadenia s takýmito žiaričmi fungujú veľmi dlho a mimoriadne spoľahlivo, líšia sa svojou malou veľkosťou a dobre sa ukazujú v oblasti mikroelektronických modelov.
Elektroluminiscenčné články. Takýto dizajnový prvok nevykazuje obzvlášť vysoký parameter kvality konverzie a nepracuje príliš dlho. Zariadenia sa zároveň veľmi ťažko spravujú. Sú však najvhodnejšie pre fotorezistory a dajú sa použiť na vytvorenie viacprvkových, multifunkčných štruktúr. Napriek tomu sa vzhľadom na svoje nedostatky teraz žiariče tohto typu používajú pomerne zriedka, iba vtedy, keď sa ich skutočne nemožno zbaviť.
Neónové žiarovky. Svetelný výkon týchto modelov je relatívne nízky a taktiež zle odolávajú poškodeniu a netrvajú dlho. Majú veľké rozmery. V určitých typoch zariadení sa používajú extrémne zriedkavo.
Žiarovky. Takéto žiariče sa používajú iba v odporových zariadeniach a nikde inde.

Výsledkom je, že LED a laserové modely sú optimálne pre takmer všetky oblasti činnosti a iba v niektorých oblastiach, kde nie je možné inak, sa používajú ďalšie možnosti.

Fotodetektor

Optoelektronické zariadenia sú tiež klasifikované podľa typu tejto časti konštrukcie. Ako prijímací prvok je možné použiť rôzne druhy výrobkov.

Foto tyristory, tranzistory a diódy. Všetky patria k univerzálnym zariadeniam schopným pracovať s prechodom otvoreného typu. Dizajn je najčastejšie založený na kremíku a preto výrobky dostávajú pomerne široký rozsah citlivosti.
Fotorezistory. Toto je jediná alternatíva, ktorej hlavnou výhodou je zmena vlastností veľmi komplexným spôsobom. To pomáha implementovať všetky druhy matematických modelov. Žiaľ, práve zotrvačné sú fotorezistory, ktoré výrazne zužujú rozsah ich aplikácie.

Príjem lúča je jedným z najzákladnejších prvkov každého takéhoto zariadenia. Až po prijatí začne ďalšie spracovanie a bude nemožné, ak kvalita pripojenia nie je dostatočne vysoká. Výsledkom je, že návrhu fotodetektora je venovaná veľká pozornosť.

Optický kanál

Konštrukčné vlastnosti výrobkov je možné dobre ukázať na použitom systéme označení pre fotoelektronické a optoelektronické zariadenia. To platí aj pre kanál prenosu údajov. Existujú tri hlavné možnosti:

Predĺžený kanál. Fotodetektor v takom modeli je umiestnený v pomerne značnej vzdialenosti od optického kanála a tvorí špeciálny svetlovod. Práve táto možnosť návrhu sa aktívne používa v počítačových sieťach na aktívny prenos údajov.
Uzavretý kanál. Tento typ konštrukcie používa špeciálnu ochranu. Dokonale chráni kanál pred vonkajšími vplyvmi. Používajú sa modely pre galvanický izolačný systém. Ide o celkom novú a sľubnú technológiu, ktorá sa v súčasnosti neustále zdokonaľuje a postupne nahrádza elektromagnetické relé.
Otvorený kanál. Tento návrh predpokladá prítomnosť vzduchovej medzery medzi fotodetektorom a žiaričom. Modely sa používajú v diagnostických systémoch alebo v rôznych senzoroch.

Spektrálny rozsah

Pokiaľ ide o tento indikátor, všetky typy optoelektronických zariadení je možné rozdeliť do dvoch typov:

Blízky dosah. Vlnová dĺžka sa v tomto prípade pohybuje od 0,8 do 1,2 mikrónu. Tento systém sa najčastejšie používa v zariadeniach používajúcich otvorený kanál.
Ďaleký dosah. Vlnová dĺžka je tu už 0,4-0,75 mikrónu. Používa sa vo väčšine typov iných výrobkov tohto druhu.

Dizajn

Podľa tohto ukazovateľa sú optoelektronické zariadenia rozdelené do troch skupín:

Špeciálne. Patria sem zariadenia vybavené viacerými žiaričmi a fotodetektormi, snímačmi prítomnosti, polohy, dymu atď.
Integrálne. V takýchto modeloch sa dodatočne používajú špeciálne logické obvody, komparátory, zosilňovače a ďalšie zariadenia. Ich výstupy a vstupy sú okrem iného galvanicky izolované.
Elementárne. Toto je najjednoduchšia verzia produktov, v ktorých sú prijímač a vysielač prítomné iba v jednej kópii. Môžu to byť tyristorové aj tranzistorové, diódové, odporové a vo všeobecnosti akékoľvek iné.

Zariadenia môžu používať všetky tri skupiny alebo každú samostatne. Štrukturálne prvky zohrávajú zásadnú úlohu a priamo ovplyvňujú funkčnosť výrobku. V prípade potreby môže sofistikované zariadenie používať najjednoduchšie a najzákladnejšie odrody. Ale platí to aj naopak.

Optoelektronické zariadenia a ich aplikácie

Z hľadiska použitia zariadení je možné všetky rozdeliť do 4 kategórií:

Integrované obvody. Používajú sa v rôznych zariadeniach. Princíp sa používa medzi rôznymi konštrukčnými prvkami pomocou oddelených častí, ktoré sú od seba izolované. To zabraňuje súčinnosti komponentov akýmkoľvek iným spôsobom, než akým ich poskytuje vývojár.
Izolácia. V tomto prípade sa používajú špeciálne páry optických odporov, ich typy diód, tyristorov alebo tranzistorov atď.
Transformácia. Toto je jeden z najbežnejších prípadov použitia. V ňom sa prúd transformuje na svetlo a aplikuje sa týmto spôsobom. Jednoduchým príkladom sú všetky druhy žiaroviek.
Reverzná transformácia. Toto je už úplne opačná možnosť, v ktorej je svetlo transformované na prúd. Používa sa na vytváranie všetkých druhov prijímačov.

V skutočnosti je ťažké si predstaviť takmer každé zariadenie, ktoré beží na elektrinu a chýba mu nejaký druh optoelektronických komponentov. Môžu byť uvedené v malom počte, ale stále budú prítomné.

Výsledky

Všetky optoelektronické zariadenia, tyristory, diódy, polovodičové sú konštrukčné prvky rôznych typov zariadení. Umožňujú osobe prijímať svetlo, prenášať informácie, spracovávať ich alebo dokonca ukladať.