Принцип дії оптоелектронних приладів. Властивості приладів і області їх застосування. Оптоелектронні прилади. Класифікація та типи Оптоелектронні напівпровідникові прилади світловипромінювальних діод оптопари

оптоелектроніка -область електроніки, де в якості носіїв інформації використовуються електро-магнітні хвилі оптичного діапазону (10Нм - 1мм).

Широке освоєння оптичного діапазону визначається ряд принципових переваг світлових хвиль в порівнянні з радіохвилями:

1) великої інформаційної ємністю оптичного зв'язку, що обумовлено дуже високою частотою світлових хвиль. Так в видимій ділянці спектра f ~ (101 ... 1015) Гц для передачі звичайного телевізійного зображення необхідна смуга частот f = 6 мГц, тому в УКХ і дециметровому діапазонах можна розмістити до кількох сотень телевізійних каналів. В оптичному діапазоні це число зростає до сотень мільйонів і більше;

2) високою спрямованістю випромінювання через малого отнош. довжини хвилі до розмірів апертури випромінювача;

4) високою щільністю запису інформації в оптичних запам'ятовуючих пристроях, що відкриває нові перспективи для побудови ЕОМ наступних поколінь.

Для реалізації цих переваг необхідні перш за все оптоелектронні прилади, що мають хороші характеристики. Оптоелектронні прилади - це пристрої, в яких основні процеси відбуваються за участю фотонів. Залежно від особливостей процесів, що протікають все оптоелектронні прилади можна розділити на три групи:

1) светоізлучателей, що перетворюють електричну енергію в оптичне випромінювання (світлодіоди, напівпровідникові лазери, люмінесцентні конденсатори);

2) фотоприемники (фотодетектори), які перетворять оптичне випромінювання в електричні інформаційні сигнали (фоторезистори, фотодіоди, фототранзистори і т.д.);

3) сонячні перетворювачі, які перетворюють оптичне випромінювання в електричну енергію (сонячні батареї, фотовольтіческіе прилади).

Крім зазначених приладів, в різних областях науки і техніки широко використовуються оптоелектронні пари - напівпровідникові прилади, що складаються з светоизлучающего і фотоприймального елементів, між якими існує оптична зв'язок за посередництвом оптичного каналу, що забезпечує електричну ізоляцію між входом і виходом (послідовного перетворення «ток-світло- струм"). Світловипромінювач, фотоприймач і оптичний канал, який реалізує гальванічну розв'язку між входом і виходом, конструктивно об'єднані в одному корпусі.

Для застосування в різних електронних пристроях служать оптоелектронні інтегральні схеми - інтегральні мікросхеми, в яких здійснюється оптична зв'язок між окремими вузлами або компонентами з метою ізоляції їх один від одного (гальванічної розв'язки).

оптоелектроніка- це розділ електроніки, пов'язаний головним чином з вивченням ефектів взаємодії між електромагнітними хвилями оптичного діапазону і електронами речовини (переважно твердих тіл) і охоплює проблеми створення оптоелектронних приладів (в основному методами мікроелектронної технології), в яких ці ефекти використовуються для генерації, передачі, обробки , зберігання та відображення інформації.

Згідно з цим визначенням оптоелектроніку як науково-технічний напрямок характеризують три відмітні риси.

1. Фізичну основу оптоелектроніки складають явища, методи, засоби, для яких принципові поєднання і нерозривність оптичних та електронних процесів.

2. Технічну основу оптоелектроніки визначають конструктивно-технологічні концепції сучасної мікроелектроніки: мініатюризація елементів; переважне розвиток твердотільних площинних конструкцій; інтеграція елементів і функцій; орієнтація на спеціальні надчисті матеріали; застосування методів груповий обробки виробів.

3. Функціональне призначення оптоелектроніки полягає у вирішенні наступних завдань: створення, перенесення, перетворення, зберігання і відображенні інформації.

Для вирішення перерахованих завдань в оптоелектронних приладах використовуються інформаційні сигнали в оптичній і електричної формах, але визначальними є оптичні сигнали - саме цим досягається те якісно нове, що відрізняє оптоелектроніку.

оптоелектронниминазивають прилади, Чутливі до електромагнітного випромінювання у видимій, інфрачервоній і ультрафіолетовій областях, а також прилади, що виробляють або використовують таке випромінювання.

У конкретному оптоелектронному приладі наявність всіх трьох складових даного вище визначення є обов'язковим, але перераховані відмітні ознаки можуть бути втілені в більшій чи меншій мірі. Це дозволяє розділити опто-та фотоелектронні прилади (фотоелектронні помножувачі, електроннопроменеві прилади).

На рис. 2.1 подано класифікацію оптоелектронних приладів і вказані фізичні ефекти, що лежать в основі їх роботи.

На практиці широко використовуються джерела випромінювання(Випромінювачі), приймачі випромінювання(Фотоприемники) і оптрони(Оптопари).

випромінювач- джерело, світловий потік або яскравість якого є функцією електричного сигналу, що надходить на його вхід.

З джерел випромінювання знайшли широке застосування світлодіоди і лазери, а з приймачів - фоторезистори, фотодіоди, фототранзистори і фототиристори. Широко використовуються оптрони, в яких застосовуються пари світлодіод-фотодіод, світлодіод-фототранзистор, світлодіод-фототиристор.

По виду використовуваного випромінювача виділяють прилади когерентної(З лазерами) і некогерентного(Зі світловипромінюючих діодів) оптоелектроніки.

Як окремі прилади, так і складні оптоелектронні системи створюються з окремих елементів. Основними оптоелектронними елементами є:

· Джерела когерентного оптичного випромінювання (напівпровідниковий лазер);

· Джерела некогерентного оптичного випромінювання (світловипромінювальних діод);

· Активні і пасивні оптичні середовища;

· Приймачі оптичного випромінювання (фотодіод);

· Оптичні елементи (лінза);

· Волоконно-оптичні елементи (волоконно-оптичний джгут);

· Інтегрально-оптичні елементи (інтегрально-оптичне дзеркало).

Як видно з узагальненої структурної схеми оптоелектронного приладу (ОЕП), наведеної на рис. 2.2, поряд з фотоприймачами і випромінювачами важливим компонентом ОЕП є вхідні і вихідні погоджують електричні схеми, призначені для формування і обробки оптичного сигналу. Особливістю цих досить складних, в основному інтегральних, схем є компенсація втрат енергії при перетвореннях «електрику - світло» і «світло - електрика», а також забезпечення високої стабільності і стійкості роботи ОЕП при впливі зовнішніх факторів.

За функціональним призначенням в класі оптоелектронних приладів, крім мініатюрних джерел випромінювання і одно- та багатоелементних приймачів випромінювання, слід виділити наступні прилади.

Оптопарою називають оптоелектронний прилад, в якому конструктивно об'єднані в загальному корпусі випромінювач на вході і фотоприймач на виході, які взаємодіють один з одним оптично і електрично.

Оптопари широко використовуються в мікроелектронної і електротехнічної апаратури для забезпечення електричної розв'язки при передачі інформаційних сигналів, безконтактної комутації сільноточних і високовольтних ланцюгів і створення перебудовуються фотоприймачів в пристроях контролю та регулювання.

оптоелектронні датчики- прилади, що перетворюють зовнішні фізичні впливи: температуру, тиск, вологість, прискорення, магнітне поле та інші, - в електричні сигнали. Дія цих приладів заснована на різних принципах. До датчиків належать формувачі сигналів зображення і оптопари з відкритим оптичним каналом. Особливо інтенсивний розвиток цього напрямку пов'язане з появою волоконно-оптичних датчиків, в яких зовнішні впливи змінюють характеристики оптичного сигналу, що поширюється по волокну.

Волоконно-оптичні лінії зв'язку (ВОЛЗ)- пристрої та системи, що містять гнучкий волоконно-оптичний світловод (у вигляді кабелю), зчленований з випромінювачем на одному (передавальному) кінці і з фотоприймачем на іншому (приймальному).

Фізичну основу ВОЛЗ визначають процеси поширення оптичних сигналів по волоконному световоду, а також светогенераціонние і фотоелектричні явища в випромінювачі і приймачі.

індикатори- електрично керовані прилади для систем візуального відображення інформації. Вони знаходять широке застосування, починаючи від електронного годинника і мікро-калькуляторів, табло та приладових щитів і закінчуючи дисплеями в системі «людина - ЕОМ». Фізичну основу приладів індикаторного типу складають різні види електролюмінесценції (для приладів з активним світловим растром) і електрооптичні явища (для приладів з пасивним светоотражающим растром).

Відповідно до класифікації виробів некогерентного оптоелектроніки ОЕП поділяються: по виду оптоелектронного перетворення сигналів (принцип перетворення «електрику - світло» реалізується в випромінюючих приладах), рівню інтеграції, функціональному застосуванню і конструктивним виконанням. Кожна з виділених груп ОЕП, мабуть, буде в подальшому поповнюватися новими приладами та пристроями.

Перелічимо основні переваги оптоелектронних приладів:

Висока пропускна здатність оптичного каналу. Частота коливань на три-п'ять порядків вище, ніж в освоєному радіотехнічному діапазоні. Це означає, що в стільки ж разів зростає і пропускна здатність оптичного каналу передачі інформації.

Ідеальна електрична розв'язка входу і виходу. Використання в якості носія інформації електрично нейтральних фотонів обумовлює безконтактність оптичного зв'язку. Звідси випливають ідеальна електрична розв'язка входу і виходу; односпрямованість потоку інформації і відсутність зворотної реакції приймача на джерело; перешкодозахищеність оптичних каналів зв'язку; скритність передачі інформації по оптичному каналу зв'язку.

Як недоліки можна виділити наступні особливості ОЕП:

Малий коефіцієнт корисної дії. Коефіцієнт корисної дії перетворень виду E (освітленість)> L (яскравість) і L> E в кращих сучасних приладах (лазери, світлодіоди, p-i-n фотодіоди), як правило, не перевищує 10 ... 20%. Тому якщо в пристрої здійснюються такі перетворення лише двічі (на вході і на виході), як, наприклад, в оптопарах або волоконно-оптичних лініях зв'язку (ВОЛЗ), то загальний ККД падає до одиниць відсотків. Введення кожного додаткового акту перетворення інформаційних сигналів з однієї форми в іншу веде до зменшення ККД ще на порядок або більше. Мале значення ККД викликає зростання енергоспоживання, що неприпустимо через обмежені можливості джерел живлення; ускладнює мініатюризацію, оскільки практично не вдається відвести виділяється теплоту; знижує ефективність і надійність більшості оптоелекронних приладів.

Наявність різнорідних матеріалів, що застосовуються в оптоелектронних приладах і системах, обумовлює: малий загальний ККД пристрою через поглинання випромінювання в пасивних областях структур, відображення і розсіювання на оптичних межах; зниження надійності через відмінності температурних коефіцієнтів розширення матеріалів; складність загальної герметизації пристрої; технологічну складність і високу вартість.

Оптоелектронними називають прилади, які чутливі до електромагнітного випромінювання у видимій, інфрачервоній і ультрафіолетовій областях, а також прилади, що виробляють або використовують таке випромінювання.

Випромінювання у видимій, інфрачервоній і ультрафіолетовій областях відносять до оптичного діапазону спектра. Зазвичай до зазначеного діапазону відносять електромагнітні хвилі з довжиною від 1 нмдо 1 мм, Що відповідає частотам приблизно від 0,5 × 10 12 Гцдо 5 · 10 17 Гц. Іноді говорять про більш вузькому діапазоні частот - від 10 нмдо 0,1 мм(~ 5 · 10 12 ... 5 · 10 16 Гц). Мабуть діапазону відповідають довжини хвиль від 0,38 мкм до 0,78 мкм (частота близько 10 15 Гц).

На практиці широко використовуються джерела випромінювання (випромінювачі), приймачі випромінювання (фотоприемники) і оптрони (оптопари).

Оптрон називають прилад, в якому є і джерело, і приймач випромінювання, конструктивно об'єднані і поміщені в один корпус.

З джерел випромінювання знайшли широке застосування світлодіоди і лазери, а з приймачів - фоторезистори, фотодіоди, фототранзистори і фототиристори.

Широко використовуються оптрони, в яких застосовуються пари світлодіод-фотодіод, світлодіод-фототранзистор, світлодіод-фототиристор.

Основні переваги оптоелектронних приладів:

· Висока інформаційна ємність оптичних каналів передачі інформації, що є наслідком великих значень використовуваних частот;

· Повна гальванічна розв'язка джерела і приймача випромінювання;

· Відсутність впливу приймача випромінювання на джерело (односпрямованість потоку інформації);

· Несприйнятливість оптичних сигналів до електромагнітних полів (висока перешкодозахищеність).

Випромінюючий діод (світлодіод)

Випромінюючий діод, що працює у видимому діапазоні хвиль, часто називають светоизлучающим, або світлодіодом.

Розглянемо пристрій, характеристики, параметри і систему позначень випромінюючих діодів.

Пристрій. Схематичне зображення структури випромінює діода представлено на рис. 6.1, а, а його умовне графічне позначення - на рис. 6.2, б.

Випромінювання виникає при протіканні прямого струму діода в результаті рекомбінації електронів і дірок в області p-n-переходу і в областях, що примикають до зазначеної області. При рекомбінації випромінюються фотони.

Характеристики та параметри. Для випромінюючих діодів, що працюють у видимому діапазоні (довжина хвиль від 0,38 до 0,78 мкм, Частота близько 10 15 Гц), Широко використовуються такі характеристики:

· Залежність яскравості випромінювання Lвід струму діода i(Яркостная характеристика);

залежність сили світла I vвід струму діода i.

Мал. 6.1. Структура светоизлучающего діода ( а)

і його графічне зображення ( б)

Яскравості характеристика для светоизлучающего діода типу АЛ102 представлена на рис. 6.2. Колір світіння цього діода - червоний.

Мал. 6.2. Яскравості характеристика світлодіода

Графік залежності сили світла від струму для светоизлучающего діода типу АЛ316А представлений на рис. 6.3. Колір світіння - червоний.

Мал. 6.3. Залежність сили світла від струму світлодіода

Для випромінюючих діодів, які працюють не в видимому діапазоні, використовують показники, що відображають залежність потужності випромінювання Рвід струму діода i. Зона можливих положень графіка залежності потужності випромінювання від струму для випромінює діода типу АЛ119А, що працює в інфрачервоному діапазоні (довжина хвилі 0,93 ... 0,96 мкм), Представлена на рис. 6.4.

Наведемо для діода АЛ119А його деякі параметри:

· Час наростання імпульсу випромінювання - не більше 1000 нс;

· Час спаду імпульсу випромінювання - не більше 1500 нс;

· Постійне пряме напруга при i=300 мА- не більше 3 В;

· Постійний максимально допустимий прямий струм при t<+85°C – 200 мА;

· Температура навколишнього середовища -60 ... + 85 ° С.

Мал. 6.4. Залежність потужності випромінювання від струму світлодіода

Для інформації про можливих значеннях коефіцієнта корисної дії відзначимо, що випромінюють діоди типу ЗЛ115А, АЛ115А, що працюють в інфрачервоному діапазоні (довжина хвилі 0,95 мкм, Ширина спектра не більше 0,05 мкм), Мають коефіцієнт корисної дії не менше 10%.

Система позначень. Використовувана система позначень світловипромінювальних діодів передбачає застосування двох або трьох букв і трьох цифр, наприклад АЛ316 або АЛ331. Перша літера вказує на матеріал, друга (або друга і третя) - на конструктивне виконання: Л - одиничний світлодіод, ЛС - ряд або матриця світлодіодів. Наступні цифри (а іноді букви) позначають номер розробки.

фоторезистор

Фоторезистором називають напівпровідниковий резистор, опір якого чутливо до електромагнітного випромінювання в оптичному діапазоні спектра. Схематичне зображення структури фоторезистора наведено на рис. 6.5, а, А його умовне графічне зображення - на рис. 6.5, б.

Потік фотонів, що падають на напівпровідник, викликає поява пар електрон-дірка, Збільшують провідність (зменшують опір). Це явище називають внутрішнім фотоефектом (ефектом фотопровідності). Фоторезистори часто характеризуються залежністю струму iвід освітленості Епри заданій напрузі на резисторі. Це так звана люкс-ампернахарактеристика (рис. 6.6).

Мал. 6.5. структура ( а) І схематичне позначення ( б) фоторезистора

Мал. 6.6. Люкс-амперна характеристика фоторезистора ФСК-Г7

Часто використовують такі параметри фоторезисторів:

· Номінальне темновое (при відсутності світлового потоку) опір (для ФСК-Г7 це опір дорівнює 5 МОм);

· Інтегральну чутливість (чутливість, яка визначається при освітленні фоторезистора світлом складного спектрального складу).

Інтегральна чутливість (струмовий чутливість до світлового потоку) S визначається виразом:

де i ф- так званий фототок (різниця між струмом при освітленні і струмом при відсутності освітлення);

Ф- світловий потік.

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

фотодіод

Пристрій і основні фізичні процеси. Спрощена структура фотодіода приведена на рис. 6.7, а, А його умовне графічне зображення - на рис. 6.7, б.

Мал. 6.7. Структура (а) і позначення (б) фотодіода

Фізичні процеси, що протікають в фотодиодах, носять зворотний характер по відношенню до процесів, що протікають в світлодіодах. Основним фізичним явищем в фотодіоді є генерація пар електрон-діркав області p-n-переходу і в прилеглих до нього областях під дією випромінювання.

генерація пар електрон-діркапризводить до збільшення зворотного струму діода при наявності зворотного напруги і до появи напруги u акміж анодом і катодом при розімкнутому ланцюзі. причому u ак> 0 (дірки переходять до анода, а електрони - до катода під дією електричного поля p-n-переходу).

Характеристики та параметри. Фотодіоди зручно характеризувати сімейством вольтамперних характеристик, що відповідають різним світловим потокам (світловий потік вимірюється в люменах, лм) Або різної освітленості (освітленість вимірюється в люксах, лк).

Вольт-амперні характеристики (ВАХ) фотодіода представлена на рис. 6.8.

Мал. 6.8. Вольт-амперні характеристики фотодіода

Нехай спочатку світловий потік дорівнює нулю, тоді ВАХ фотодіода фактично повторює ВАХ звичайного діода. Якщо світловий потік не дорівнює нулю, то фотони, проникаючи в область p-n-переходу, викликають генерацію пар електрон-дірка. Під дією електричного поля p-n-переходу носії струму рухаються до електродів (дірки - до електрода шару p, Електрони - до електрода шару n). В результаті між електродами виникає напруга, яке зростає при збільшенні світлового потоку. При позитивному напрузі анод-катод струм діода може бути негативним (четвертий квадрант характеристики). При цьому прилад не споживає, а виробляє енергію.

На практиці фотодіоди використовують і в так званому режимі фотогенератора (фотогальванічні режим, вентильний режим), і в так званому режимі фотоперетворювача (фотодіодний режим).

У режимі фотогенератора працюють сонячні елементи, що перетворюють світло в електроенергію. В даний час коефіцієнт корисної дії сонячних елементів досягає 20%. Поки енергія, отримана від сонячних елементів, приблизно в 50 разів дорожче енергії, одержуваної з вугілля, нафти або урану.

Режим фотоперетворювача відповідає ВАХ в третьому квадранті. В цьому режимі фотодіод споживає енергію ( u· i> 0) від деякого обов'язково наявного в ланцюзі зовнішнього джерела напруги (рис. 6.9). Графічний аналіз цього режиму виконується при використанні лінії навантаження, як і для звичайного діода. При цьому характеристики зазвичай умовно зображуються в першому квадраті (рис. 6.10).

Мал. 6.9 Рис. 6.10

Фотодіоди є більш швидкодіючими приладами в порівнянні з фоторезисторами. Вони працюють на частотах 10 7 -10 10 Гц. Фотодіод часто використовують в оптопарах світлодіод-фотодіод. У цьому випадку різні характеристики фотодіода відповідають різним струмів світлодіода (який при цьому створює різні світлові потоки).

Оптрон (оптопара)

Оптрон - напівпровідниковий прилад, що містить джерело випромінювання і приймач випромінювання, об'єднаних в одному корпусі і пов'язані між собою оптично, електрично і одночасно обома зв'язками. Дуже широко поширені оптрони, у яких в якості приймача випромінювання використовуються фоторезистор, фотодіод, фототранзистор і фототиристор.

У резисторних оптронах вихідний опір при зміні режиму вхідного ланцюга може змінюватися в 10 7 ... 10 8 разів. Крім того, вольт-амперна характеристика фоторезистора відрізняється високою лінійністю і симетричністю, що обумовлює широку застосовність резистивних оптопар в аналогових пристроях. Недоліком резисторних оптронов є низька швидкодія - 0,01 ... 1 з.

У ланцюгах передачі цифрових інформаційних сигналів застосовуються головним чином діодні і транзисторні оптрони, а для оптичної комутації високовольтних потужнострумових ланцюгів - тиристорні оптрони. Швидкодія тиристорних і транзисторних оптронов характеризується часом перемикання, яке часто лежить в діапазоні 5 ... 50 мкс.

Розглянемо докладніше оптопару світлодіод-фотодіод (рис. 6.11, а). Випромінюючий діод (ліворуч) повинен бути включений в прямому напрямку, а фотодіод - в прямому (режим фотогенератора) або зворотному напрямку (режим фотоперетворювача). Напрямки струмів і напруг діодів оптопари наведені на рис. 6.11, б.

Мал. 6.11. Схема оптопари (а) і напрям струмів і напруг в ній (б)

Зобразимо залежність струму i вихвід струму i вхпри u вих= 0 для оптопари АОД107А (рис. 6.12). Зазначена оптопара призначена для роботи як в Фотогенераторний, так і в фотопреобразовательном режимі.

Мал. 6.12. Передатна характеристика оптопари АОД107А

Оптоелектроніка - це розділ наукн і техніки, в ротором вивчаються питання генерації, обробки, запам'ятовування та зберігання інформації на основі спільного використання електричних та оптичних івленій. Оптоелектронні прилади використовують при своїй роботі електромагнітне випромінювання оптичного діапазону.

Сучасна мікроелектроніка не вирішила проблему загальної микроминиатюризации електронної апаратури. Такі традиційні елементи, як трансформатори, рознімні контактні, конденсатори великої ємності погано поєднуються з інтегральними компонентами через великих габаритів. Особливі труднощі викликає забезпечення електричної ізоляції при зв'язку двох систем: високовольтної та низьковольтної. Зокрема, таке завдання виникає при створенні пристроїв управління високовольтними установками великий електроенергії. Тут на допомогу приходить оптоелектроніка. Застосування оптичного каналу зв'язку дозволяє забезпечити надійну електричну ізоляцію будь-яких систем, виключити громіздкі реактивні і контактні компоненти, підвищити надійність роботи обладнання.

Елементна база оптоелектроніки включає в себе:

1) оптоізлучателі - перетворювачі електричної енергії в світлову;

2) фотоелектричні приймачі випромінювання (фотоприемники) - перетворювачі світлової енергії в електричну;

3) прилади для електричної ізоляції при передачі енергії та інформації по світловому каналу - оптоелектронні прилади (оптопари);

4) світлопроводи.

Обмежимося розглядом найбільш часто застосовуються в промисловій електроніці напівпровідникових оптопар, джерел або приймачів некогерентного випромінювання.

Напівпровідникових випромінювачем світла є світловипромінювальних діод. Відомо, що при рекомбінації носіїв, т. Е. Повернення електрона із зони провідності в валентну зону, випромінюється квант енергії. Найбільш інтенсивно рекомбінація відбувається поблизу переходу, коли основні носії долають потенційний бар'єр і рекомбінують. Для створення світловипромінювальних діодів використовують складні напівпровідникові матеріали, у яких квант енергії випромінюється в оптичному (або інфрачервоному) діапазоні, наприклад фосфід галію, арсенід галію або карбід кремнію. Випромінювання відбувається при пропущенні через прилад струму в прямому напрямку. Конструкція приладу забезпечує передачу світла від переходу без значних втрат в товщі напівпровідника. ВАХ світлодіодів аналогічна характеристикам звичайних кремнієвих і германієвих діодів.

Світловипромінюючі діоди випускаються у вигляді окремих елементів або груп (матриць) для індикації інформації у вигляді букв, цифр і різних символів. Вони входять також до складу оптопар. Позначення светоизлучающего діода на схемах наведено на рис. 1.20, а.

Мал. 1.20. Схемні позначення светоизлучающего діода (а), фотодіода (б), фототранзистор (в), Фототиристори (г) і діодного оптрона (д)

До числа фотоприймачів відносяться фотодіоди, фототранзистори, фототиристори і інші прилади. У § 1.1 було згадано явище термогенерации, т. Е. Переходу електрона з валентної зони в зону провідності при нагріванні. Аналогічний перехід може відбутися, якщо на шар напівпровідника впливати світлом. В результаті збільшення числа неосновних носіїв збільшується провідність речовини (поява фотопроводимости). При опроміненні світлом переходу збільшується струм неосновних носіїв, т. Е. Збільшується зворотний струм цього переходу: де - світловий потік.

На цьому заснована робота фотодіода, до якого підключається джерело зворотного напруги через опір навантаження. При збільшенні Ф збільшується і зростає падіння напруги на навантаженні Позначення фотодіода на схемах наведено на рис. .

Робота фототранзистор також заснована на фотопровідності. У транзисторі без виведення бази в зовнішній ланцюг (т е. При) струм відповідно до (1.4) визначається

При опроміненні бази або області колекторного переходу змінюється струм неосновних носіїв пропорційно змінюється. У транзисторі з ОЕ ток посилюється в раз, тому потужність сигналу може бути вище, ніж в фотодіоді, при тому ж рівні напруг джерела живлення Е. Позначення фототранзистор наведено на схемі рис. 1.20, в.

Принцип дії Фототиристори (схемне позначення наведено на рис. 1.20, г) на зміну струму впливі світлового опромінення. При відсутності керуючого електрода струм тиристора описується виразом, що одержуються з (1.9):

У Фототиристори. При збільшенні світлового потоку зростає і анодний струм. Як показано в § 1.7, при цьому збільшуються коефіцієнти, а при досягненні тиристор відкривається. Таким чином, зростання струму при збільшенні світлового потоку стимулює відмикання тиристора. Струм відкритого тиристора може у багато разів перевищувати значення.

Такпм чином, керовані напівпровідникові прилади (транзистор і тірнстор) в якості сигналу управління можуть використовувати товое випромінювання.

При використанні в якості фотоприймача фототранзистор може бути отримано посилення струму. Загальним недоліком оптопар є нелінійність залежності вихідного сигналу від вхідного, обумовлена нелінійністю характеристик оптопар.

Передача інформації від випромінювача до фотоприймача може проводитися за допомогою світловодів: гнучких шлангів, що складаються з відбиває оболонки і серцевини з органічного або неорганічного скла. Передача інформації по световодам забезпечує повну захищеність від електромагнітних завад.

Оптоелектронні прилади знаходять все більш широке застосування в інформаційній та енергетичної електроніці, в різних пристроях для передачі і відображення інформації.

Сучасна наука активно розвивається в самих різних напрямках, прагнучи охопити всі можливі потенційно корисні сфери діяльності. Серед усього цього слід виділити оптоелектронні прилади, які використовуються як в процесі передачі даних, так і їх зберігання або обробки. Вони використовуються практично скрізь, де застосовується більш-менш складна техніка.

Що це таке?

Під оптоелектронними приладами, які також відомі як оптрони, розуміють спеціальні прилади напівпровідникового типу, здатні відправляти і приймати випромінювання. Ці елементи конструкції носять назви фотоприймача і светоізлучателя. Вони можуть мати різні варіанти зв'язку між собою. Принцип функціонування подібних виробів заснований на перетворенні електрики в світ, а також зворотної цієї реакції. Як наслідок, один пристрій може відправляти певний сигнал, а інша його приймає і «розшифровує». Використовуються оптоелектронні прилади:

блоках зв'язку апаратури;
вхідних ланцюгах вимірюють пристроїв;
високовольтних і потужнострумових ланцюгах;
потужних тиристорах і сімісторов;
релейних пристроях і так далі.

Всі такі вироби можуть бути класифіковані по декількох базових груп, в залежності від їх окремих компонентів, конструкції або інших чинників. Про це нижче.

випромінювач

Оптоелектронні прилади та пристрої оснащуються системами передачі сигналу. Їх називають випромінювачами і в залежності від типу, вироби поділяються наступним чином:

Лазерні і світлодіоди.Такі елементи належать до найбільш універсальними. Для них характерні високі показники коефіцієнта корисної дії, досить вузький спектр променя (цей параметр також відомий як квазіхроматічность), досить широкий діапазон роботи, підтримання чіткого напрямку випромінювання і дуже висока швидкість роботи. Пристрої з подібними випромінювачами працюють дуже довго і вкрай надійно, відрізняються невеликими розмірами і відмінно показують себе в сфері мікроелектронних моделей.
Електролюмінесцентні осередки.Такий елемент конструкції показує не особливо високий параметр якості перетворення і працює не дуже довго. При цьому, пристроями досить важко керувати. Однак саме вони найкраще підходять для фоторезисторів і можуть використовуватися для створення багатоелементних, багатофункціональних структур. Проте в силу своїх недоліків, зараз випромінювачі такого типу використовуються досить рідко, тільки тоді, коли без них дійсно не можна обійтися.
Неонові лампи.Віддача світла цих моделей порівняно невисока, а також вони погано витримують пошкодження і працюють недовго. Відрізняються великими розмірами. Використовуються вкрай рідко, в окремих видах приладів.
Лами розжарювання.Такі випромінювачі застосовуються тільки в резисторного обладнанні і більше ніде.

Як наслідок, світлодіодні і лазерні моделі оптимально підходять практично для всіх сфер діяльності і лише в деяких областях, де по-іншому не можна, застосовуються інші варіанти.

фотоприймач

Класифікація оптоелектронних приладів також проводиться і за типом цієї частини конструкції. В якості приймаючого елемента можуть використовуватися різні типи виробів.

Фото- тиристори, транзистори і діоди.Всі вони відносяться до універсальних пристроїв, здатним працювати з переходом відкритого типу. Найчастіше в основі конструкції лежить кремній і через це вироби отримують досить широкий спектр чутливості.
Фоторезистори.Це єдиний альтернативний варіант, головною перевагою якого є зміна властивостей дуже складним чином. Це допомагає реалізовувати різноманітні математичні моделі. На жаль, саме фоторезистори інерційні, що значно звужує сферу їх застосування.

Прийом променя - це один з найбільш базових елементів будь-якого подібного пристрою. Тільки після того як він зможе бути отриманий, починається подальша обробка, і вона буде неможлива при недостатньо високій якості зв'язку. Як наслідок, конструкції фотоприймача держава приділяє величезну увагу.

оптичний канал

Особливості конструкції виробів може непогано показати використовувана система позначень фотоелектронних і оптоелектронних приладів. У тому числі це стосується і каналу передачі даних. Виділяють три основних їх варіанти:

Подовжений канал.Фотоприймач в такій моделі віддалений на досить серйозне відстань від оптичного каналу, утворюючи спеціальний світловод. Саме такий варіант конструкції активно застосовується в комп'ютерних мережах для активної передачі даних.
Приватний канал.Такий тип конструкції використовує спеціальний захист. Вона чудово охороняє канал від зовнішнього впливу. Застосовуються моделі для системи гальванічної розв'язки. Це досить нова і перспективна технологія, зараз безперервно удосконалюється і поступово замінює собою електромагнітні реле.
Відкритий канал.Така конструкція має на увазі наявність повітряного зазору між фотоприймачем і випромінювачем. Використовуються моделі в системах діагностики або різноманітних датчиках.

спектральний діапазон

З точки зору цього показника, всі види оптоелектронних приладів можна розділити на два види:

Близький діапазон.Довжина хвилі в даному випадку коливається в межах 0,8-1,2 мкм. Найчастіше така система застосовується в пристроях, що використовують відкритий канал.
Далекий діапазон.Тут довжина хвилі вже 0,4-0,75 мкм. Застосовується в більшості видів інших виробів такого типу.

конструкція

За цим показником оптоелектронні прилади поділяються на три групи:

Спеціальні.Сюди входять пристрої оснащеними декількома випромінювачами і фотоприймачами, датчиками присутності, положення, задимленості і так далі.
Інтегральні.У таких моделях додатково використовуються спеціальні логічні схеми, компаратори, підсилювачі та інші пристрої. Крім усього іншого, виходи і входи у них гальванічно розв'язані.
Елементарні.Це найпростіший варіант виробів, в яких приймач і випромінювач присутні тільки в одному екземплярі. Вони можуть бути як тиристорн, так і транзисторними, діодними, резистивним і взагалі, будь-якими іншими.

У приладах можуть використовуватися всі три групи або кожна окремо. Конструктивні елементи грають істотну роль і безпосередньо впливають на функціональність виробу. У той же час складне обладнання може використовувати і найпростіші, елементарні різновиди, якщо це буде доцільно. Але вірно і зворотне.

Оптоелектронні прилади та їх застосування

З точки зору використання пристроїв все вони можуть розділятися на 4 категорії:

Інтегральні схеми.Застосовуються в самих різних приладах. Використовується принцип між різними елементами конструкції за допомогою окремих частин, які ізольовані один від одного. Це не дає взаємодіяти компонентів ніяким чином, крім того, який був передбачений розробником.
Ізоляція.В цьому випадку використовуються спеціальні оптичні резисторні пари, їх діодні, тиристорні або транзисторні різновиди і так далі.
Перетворення.Це один з найпоширеніших варіантів використання. У ньому струм трансформується в світло і застосовується саме таким чином. Простий приклад - всілякі лампи.
Зворотне перетворення.Це вже повністю протилежний варіант, в якому саме світло трансформується в струм. Використовуються для створення всіляких приймачів.

Фактично, складно уявити собі практично будь-який пристрій, що працює на електриці і позбавлене якогось варіанту оптоелектронних компонентів. Вони можуть бути представлені в невеликій кількості, але все одно будуть присутні.

підсумки

Всі оптоелектронні прилади, тиристори, діоди, напівпровідникові прилади - це конструктивні елементи різних видів устаткування. Вони дозволяють людині отримувати світло, передавати інформацію, обробляти або навіть зберігати її.