Оптрони та їх застосування

Введення

Історія

Ідея створення та застосування оптронів відноситься до 1955 р., коли в роботі Loebner EE "Optoelectronic devices network" була запропонована ціла серія приладів з оптичними та електричними зв'язками між елементами, що дозволяло здійснювати посилення і спектральне перетворення світлових сигналів, створювати прилади з двома стійкими станами - бістабільні оптрони, оптоелектронні пристрої накопичення і зберігання інформації логічні схеми, регістри зсуву. Там же був запропонований і термін "оптрон", утворений як скорочення від англійського "optical-electronic device".

Описані в цій роботі оптрони, відмінно ілюструючи принципи, виявилися непридатними для промислової реалізації, так як грунтувалися на недосконалою елементарної базі - неефективних і інерційних порошкових електролюмінесцентних конденсаторах (випромінювач) і фоторезисторах (приймач). Недосконалі були і найважливіші експлуатаційні характеристики приладів: низькотемпературна і тимчасова стабільність параметрів, недостатня стійкість до механічних впливів. Тому. на перших порах оптрон залишався лише цікавим науковим досягненням не знаходять застосування в техніці.

Лише в середині 60-х років розвитку напівпровідникових світловипромінюючих діодів і технологічно досконалих високоефективних швидкодіючих кремнієвих фотоприймачів з р - n-переходами (фотодіоди та фототранзистори) почала створюватися елементарна база сучасної оптронів техніки. До початку 70-х років виробництво оптронів в провідних країнах світу перетворилося на важливу і швидко розвивається галузь електронної техніки, успішно доповнює традиційну мікроелектроніку.

Основні визначення

Оптронами називають такі оптоелектронні прилади, в яких є джерело і приймач випромінювання (светоізлучатель і фотоприймач) з тим чи іншим видом оптичної та електричного зв'язку між ними, конструктивно пов'язані один з одним.

Принцип дії оптронів будь-якого виду заснований на наступному. У випромінювачі енергія електричного сигналу перетвориться на світлову, в фотоприймачі, навпаки, світловий сигнал викликає електричний відгук.

Практично поширення одержали лише оптрони, у яких є прямий оптичний зв'язок від випромінювача до фотоприймача і, як правило, виключені всі види електричного зв'язку між цими елементами.

За ступенем складності структурної схеми серед виробів оптронів техніки виділяють дві групи приладів. Оптопара (кажуть також "елементарний оптрон") являє собою оптоелектронний напівпровідниковий прилад, що складається з випромінюючого і фотоприймального елементів, між якими є оптична зв'язок, що забезпечує електричну ізоляцію між входом і виходом. Оптоелектронна інтегральна мікросхема представляє собою мікросхему, що складається з однієї або декількох оптопар і електрично з'єднаних з ними одного або декількох узгоджуючих або підсилювальних пристроїв.

Таким чином, в електронній ланцюга такий прилад виконує функцію елемента зв'язку, в якому в той же час здійснена електрична (гальванічна) розв'язка входу і виходу.

Відмінні особливості оптронів

Переваги цих приладів базуються на загальному оптоелектронному принципі використання електрично нейтральних фотонів для переносу інформації. Основні з них такі:

• можливість забезпечення ідеальної електричної (гальванічної) розв'язки між входом і виходом; для оптронів не існує будь-яких принципових фізичних або конструктивних обмежень по досягненню як завгодно високих напруг і опорів розв'язки і як завгодно малої прохідний ємності;
• можливість реалізації безконтактного оптичного управління електронними об'єктами і зумовлені цим різноманітність і гнучкість конструкторських рішень керуючих ланцюгів;
• односпрямованість розповсюдження інформації по оптичному каналу, відсутність зворотної реакції приймача на випромінювач;
• широка частотна смуга пропущення оптрона, відсутність обмеження з боку низьких частот (що властиво імпульсним трансформаторам); можливість передачі по оптронів ланцюга, як імпульсного сигналу, так і постійної складової;
• можливість управління вихідним сигналом оптрона шляхом впливу (в тому числі і неелектричного) на матеріал оптичного каналу і що випливає звідси можливість створення різноманітних датчиків, а також різноманітних приладів для передачі інформації;
• можливість створення функціональних мікроелектронних пристроїв з фотоприймачами, характеристики яких при висвітленні змінюються за складним заданому закону;
• несприйнятливість оптичних каналів зв'язку до впливу електромагнітних полів, що у випадку "довгих" оптронів (з протяжним волоконно-оптичним світловодом між випромінювачем і приймачем) обумовлює їх захищеність від перешкод і витоку інформації, а також виключає взаємні наведення;
• фізична і конструктивно-технологічна сумісність з іншими напівпровідниковими і мікроелектронних приладів.

Оптрон притаманні і певні недоліки:

• значна споживана потужність, обумовлена ​​необхідністю подвійного перетворення енергії (електрика - світло - електрика) і невисокими ККД цих переходів;
• підвищена чутливість параметрів і характеристик до впливу підвищеної температури і проникаючою ядерної радіації;
• більш-менш помітна тимчасова деградація (погіршення) параметрів;
• відносно високий рівень власних шумів, обумовлений, як і два попередніх нестачі, особливостями фізики світлодіодів;
• складність реалізації зворотних зв'язків, викликана електричної роз'єднаністю вхідний і вихідний ланцюгів;
• конструктивно-технологічне недосконалість, пов'язане з використанням гібридної непланарной технології, (з необхідністю об'єднання в одному приладі декількох - окремих кристалів з різних напівпровідників, що розташовуються в різних площинах).

Перераховані недоліки оптронів у міру вдосконалення матеріалів, технології, схемотехніки частково усуваються, але, тим не менш, ще тривалий час будуть носити достатньо принциповий характер. Проте їх гідності настільки високі, що забезпечують впевнену позаконкурентних оптронів серед інших приладів мікроелектроніки.

Узагальнена структурна схема

Як елемент зв'язку оптрон характеризується коефіцієнтом передачі К _i, визначеним ставленням вихідного і вхідного сигналів, і максимальною швидкістю передачі інформації F. Практично замість F вимірюють тривалості наростання і спаду переданих імпульсів t _{нар (сп)} або граничну частоту. Можливості оптрона як елемента гальванічної розв'язки характеризуються максимальною напругою і опором розв'язки U _разв і R _разв та прохідної ємністю C _разв.

У структурній схемі на рис. 1 вхідний пристрій служить для оптимізації робочого режиму випромінювача (наприклад, зміщення світлодіода на лінійний ділянку ват-амперної характеристики) та перетворення (посилення) зовнішнього сигналу. Вхідний блок повинен володіти високим ККД перетворення, високою швидкодією, широким динамічним діапазоном допустимих вхідних струмів (для лінійних систем), малим значенням "порогового" вхідного струму, при якому забезпечується надійна передача інформації по ланцюгу.

Рис 1. Узагальнена структурна схема оптрона

Призначення оптичного середовища - передача енергії оптичного сигналу від випромінювача до фотоприймача, а також у багатьох випадках забезпечення механічної цілісності конструкції.

Принципова можливість керування оптичними властивостями середовища, наприклад, за допомогою використання електрооптичних або магнітооптичних ефектів, відображена введенням в схему пристрою керування, В цьому випадку ми отримуємо оптрон з керованим оптичним каналом, функціонально відрізняється від "звичайного" Оптрон: зміна вихідного сигналу може здійснюватися як за входу, так і по ланцюгу управління.

У фотоприймачі відбувається "відновлення" інформаційного сигналу з оптичного в електричний; при цьому прагнуть мати високу чутливість і високу швидкодію.

Нарешті, вихідна пристрій покликаний перетворити сигнал фотоприймача в стандартну форму, зручну для впливу на наступні за Оптрон каскади. Практично обов'язковою функцією вихідного пристрою є посилення сигналу, так як втрати після подвійного перетворення дуже значні. Нерідко функцію посилення виконує і сам фотоприймач (наприклад, фототранзистор).

Загальна структурна схема рис. 1 реалізується в кожному конкретному приладі лише частиною блоків. Відповідно до цього виділяють три основні групи приладів оптронів техніки; раніше названі оптопари (елементарні оптрони), які використовують блоки светоізлучатель - оптична середу - фотоприймач; оптоелектронні (оптронні) мікросхеми (оптопари з додаванням вихідного, а іноді і вхідного пристрою); спеціальні види оптронів - прилади, функціонально і конструктивно істотно відрізняються від елементарних оптронів та оптоелектронних ІС.

Реальний оптрон може бути влаштований і складніше, ніж схема на рис. 1, кожен із зазначених блоків може включати в себе не один, а кілька однакових або подібних один одному елементів, пов'язаних електрично і оптично, проте це не змінює істотно основ фізики та електроніки оптрона.

Застосування

Як елементи гальванічної розв'язки оптрони застосовуються: для зв'язку блоків апаратури, між якими є значна різниця потенціалів; для захисту вхідних ланцюгів вимірювальних пристроїв від перешкод і наведень і т.д.

Інша найважливіша сфера застосування оптронів - оптичне, безконтактне управління потужнострумових і високовольтними ланцюгами. Запуск потужних тиристорів, триаків, сімісторов, управління електромеханічними релейними пристроями.

Специфічну групу керуючих оптронів складають резисторні оптрони, призначені для слабкострумових схем комутації в складних пристроях візуального відображення інформації, виконаних на електролюмінесцентних (порошкових) індикаторах, мнемосхемах, екранах.

Створення "довгих" оптронів (приладів з протяжним гнучким волоконно-оптичним світловодом) відкрило зовсім новий напрямок застосування виробів оптронів техніки - зв'язок на коротких відстанях.

Різні оптрони (діодні, резисторні, транзисторні) знаходять застосування і в суто радіотехнічних схемах модуляції, автоматичного регулювання посилення та ін Вплив по оптичному каналу використовується тут для виведення схеми в оптимальний робочий режим, для безконтактної перебудови режиму і т. п.

Можливість зміни властивостей оптичного каналу при різних зовнішніх впливах на нього дозволяє створити цілу серію оптронні датчиків: такі датчики вологості і загазованості, датчика наявності в обсязі тієї чи іншої рідини, датчики чистоти обробки поверхні предмета, швидкості його переміщення і т. п.

Досить специфічним є використання оптронів в енергетичних цілях, тобто робота діодного оптрона в фотовентільном режимі. В такому режимі фотодіод генерує електричну потужність в навантаження і оптрон до певної міри подібний малопотужного вторинному джерела живлення, повністю розв'язані від первинної ланцюга.

Створення оптронів з фоторезисторами, властивості яких при висвітленні змінюються по заданому складного законом, дозволяє моделювати математичні функції, є кроком на шляху створення функціональної оптоелектроніки.

Універсальність оптронів як елементів гальванічної розв'язки і безконтактного управління, різноманітність і унікальність багатьох інших функцій є причиною того, що сферами застосування цих приладів стали обчислювальна техніка, автоматика, зв'язкова і радіотехнічна апаратура, автоматизовані системи управління, вимірювальна техніка, системи контролю і регулювання, медична електроніка , пристрої візуального відображення інформації.

Фізичні основи оптронів техніки

Елементна база та пристрій оптронів

Елементну основу оптронів складають фотоприймачі і випромінювачі, а також оптична середу між ними. До всіх цих елементів пред'являються такі загальні вимоги, як малі габарити і маса, висока довговічність і надійність, стійкість до механічних і кліматичних впливів, технологічність, низька вартість. Бажано також щоб елементи пройшли досить широку і тривалу промислову апробацію.

Функціонально (як елемент схеми) оптрон характеризується в першу чергу тим, який вид фотоприймача в ньому використовується.

Успішне використання фотоприймача в оптроні визначається виконанням таких основних вимог: ефективність перетворення енергії квантів випромінювання в енергію рухомих електричних; наявність і ефективність внутрішнього вбудованого підсилення; висока швидкодія; широта функціональних можливостей.

В оптронах використовуються фотоприймачі різних структур, чутливі у видимій та ближній інфрачервоній області, так як саме в цьому діапазоні спектра можуть інтенсивні джерела випромінювання і можлива робота фотоприймачів без охолодження.

Найбільш універсальними є фотоприймачі з р - n-переходами (діоди, транзистори і т, п.), в переважній більшості випадків вони виготовляються на основі кремнію і область їх максимальної спектральної чутливості знаходиться поблизу l = 0,7 ... 0,9 мкм .

Численні вимоги пред'являються і до випромінювачів оптронів. Основні з них: спектральне узгодження з обраним фотоприймачем; висока ефективність перетворення енергії електричного струму в енергію випромінювання; переважна спрямованість випромінювання; висока швидкодія; простота і зручність порушення та модуляції випромінювання.

Для використання в оптронах придатні і доступні кілька різновидів випромінювачів:

• Мініатюрні лампочки розжарювання.
• Неонові лампочки, в яких використовується світіння електричного розряду газової суміші неон-аргон.
  Цим видам випромінювачів властиві невисока світловіддача, низька стійкість до механічних впливів, обмежена довговічність, великі габарити, повна несумісність з інтегральною технологією. Тим не менш, в окремих видах оптронів вони можуть знаходити застосування.
• Порошкова Електролюмінесцентна осередок використовує як світиться тіла дрібнокристалічні зерна сульфіду цинку (активованого міддю, марганцем або іншими присадками), зважені в полімеризується діелектрику. При додатку досить високих напруг змінного струму йде процес предпробойного люмінесценції.
• Тонкоплівкові електролюмінесцентні осередки. Світіння тут пов'язано з порушенням атомів марганцю "гарячими" електронами.

І порошкові, і плівкові електролюмінесцентні осередки мають невисоку ефективність перетворення електричної енергії в світлову, низьку довговічність (особливо - тонкоплівкові), складні в управлінні (наприклад, оптимальний режим для порошкових люмінофорів ~ 220 В при f = 400 ... 800Гц). Основна перевага цих випромінювачів - конструктивно-технологічна сумісність з фоторезисторами, можливість створення на цій основі багатофункціональних, багатоелементних оптронні структур.

Основним найбільш універсальним видом випромінювача, використовуваним в оптронів, є напівпровідниковий інжекційні светоизлучающий діод - світлодіод. Це обумовлено наступними його перевагами: високе значення ККД перетворення електричної енергії в оптичну; вузький спектр випромінювання (квазімонохроматічность); широта спектрального діапазону, що перекривається різними світлодіодами; спрямованість випромінювання; високу швидкодію; малі значення живлячих напруг і струмів; сумісність з транзисторами і інтегральними схемами; простота модуляції потужності випромінювання шляхом зміни прямого струму; можливість роботи, як в імпульсному, так і в безперервному режимі; лінійність ват-амперної характеристики в більш-менш широкому діапазоні вхідних струмів; висока надійність і довговічність; малі габарити; технологічна сумісність з виробами мікроелектроніки.

Загальні вимоги, що пред'являються до оптичної імерсійної середовищі оптрона, наступні: високе значення показника заломлення n _їм; високе значення питомого опору r _їм; висока критична напруженість поля Е _{їм кр,} достатня теплостійкість Dq _{їм раб;} хороша адгезія з кристалами кремнію і арсеніду галію; еластичність (це необхідно, тому що не вдається забезпечити узгодження елементів оптрона за коефіцієнтами термічного розширення); механічна міцність, так як імерсійна середу в оптопаре виконує не тільки светопередающіе, але і конструкційні функції; технологічність (зручність використання, відтворюваність властивостей, дешевизна і т. п .).

Основним видом імерсійної середовища, використовуваної в оптронів, є полімерні оптичні клеї. Для них типово n _їм = 1,4 ... 1,6, r _їм> 10 ¹² ... 10 ^{14 ом} см, Е _{їм кр} = 80 кВ / мм, Dq _{їм раб} = - 60 ... 120 C. Клеї мають гарну адгезію до кремнію і арсеніду галію, поєднують високу механічну міцність і стійкість до термоциклювання. Використовуються також незатвердевающіе вазелиноподобное і каучукоподобное оптичні середовища.

Фізика перетворення енергії в діодному оптроні

Розгляд процесів перетворення енергії в оптроні вимагає враховувати квантову природу світла. Відомо, що електромагнітне випромінювання може бути представлено у вигляді потоку частинок - квантів (фотонів), енергія. кожного з яких визначається співвідношенням:

E _ф = hn = hc / n l (2.1)

де h - постійна Планка;
с - швидкість світла у вакуумі;
n - показник заломлення напівпровідника;
n, l - частота коливань і довжина хвилі оптичного випромінювання.

Якщо щільність потоку квантів (тобто число квантів, що пролітають через одиницю площі в одиницю часу) дорівнює N _ф, то повна питома потужність випромінювання складе:

P _ф = N _ф * E _ф (2.2)

і, як видно з (2.1), при заданому N _ф вона тим більше, чим коротше довжина хвилі випромінювання. Оскільки на практиці заданої буває P _ф (енергетична опромінення фотоприймача), то представляється корисним наступне співвідношення

N _ф = P _ф / E _ф = 5 * 10 ¹⁵ l P _ф (2.3)

де N _ф, см ^-2 с ^-1; l, мкм; P _ф, мВт / см.

Рис. 2. Енергетична діаграма прямозоні напівпровідника (на прикладі потрійного з'єднання GaAsP)

Механізм інжекційній люмінесценції в світлодіоді складається з трьох основних процесів: випромінювальна (і безвипромінювальних) рекомбінація в напівпровідниках, інжекція надлишкових неосновних носіїв заряду в базу світлодіода і висновок випромінювання з області генерації.

Рекомбінація носіїв заряду в напівпровіднику визначається, перш за все, його зонної діаграмою, наявністю і природою домішок і дефектів, ступенем порушення рівноважного стану. Основні матеріали оптронні випромінювачів (GaAs і потрійні сполуки на його основі GaA1As і GaAsP) відносяться до прямозоні напівпровідників, тобто до таких, в яких дозволеними є прямі оптичні переходи зона-зона (рис. 2). Кожен акт рекомбінації носія заряду по цій схемі супроводжується випромінюванням кванта, довжина хвилі якого відповідно до закону збереження енергії визначається співвідношенням:

l _ізл [мкм] = 1,23 / E _ф [еB] (2.4)

Слід зазначити, Що є і конкуруючі Безвипромінювальні - механізми рекомбінації. До числа найважливіших з них відносяться:

1. Рекомбінація на глибоких центрах. Електрон може переходити в валентну зону не прямо, а через ті чи інші центри рекомбінації, що утворюють дозволені енергетичні рівні в забороненій зоні (рівень E _t на малюнку 2).
2. Оже-рекомбінація (або ударна). При дуже високих концентраціях вільних носіїв заряду в напівпровіднику зростає ймовірність зіткнення трьох тіл, енергія рекомбінує електронно-діркової пари при цьому тертій вільному носію у формі кінетичної енергії, яку він поступово розтрачує при зіткненнях з гратами.

Pіс. 3. Електрична (a) і оптична (b) моделі світлодіода. A - оптично "прозора" частина кристала; B - активна частина кристала; C - "непрозора" частина кристала; D - омические контакти; E - область об'ємного заряду

Відносна роль різних механізмів рекомбінації описується введенням поняття внутрішнього квантового виходу випромінювання h _int, що визначається ставленням ймовірності випромінювальної рекомбінації до повної (излучательной і безвипромінювальної) ймовірності рекомбінації (або, інакше, відношенням числа генерованих квантів до числа інжектованих за той же час неосновних носіїв заряду). Значення h _int є найважливішою характеристикою матеріалу, що використовується в світлодіоді; очевидно, що 0 h _int 100%.

Створення надлишкової концентрації вільних носіїв в активній (випромінюючої) області кристала світлодіода здійснюється шляхом інжекції їх р-n-переходом, зміщеним в прямому напрямку.

"Корисною" компонентної струму, що підтримує випромінювальну рекомбінацію в активній області діода, є струм електронів I _n (рис. 3, а), інжектіруемих р-n-переходом. К "марним" компонентів прямого струму відносяться:

1. Діркова складова I _p, обумовлена ​​інжекцією дірок в n-область і відбиває той факт, що р - n-переходів з односторонньою інжекцією не буває, Доля цього струму тим менше чим сильніше легована n-область у порівнянні з р-областю.
2. Ток рекомбінації (безвипромінювальної) в області об'ємного заряду р - n-переходу I _річок. В напівпровідниках з великою шириною забороненої зони при малих прямих зсувах частка цього струму може бути помітною.
3. Тунельний струм I _тун, обумовлений "просочуванням" носіїв заряду через потенційний бар'єр. Ток переноситься основними носіями і вкладу в випромінювальну рекомбінацію не дає. Тунельний струм тим більше, що вже р - n-перехід, він помітний при сильному ступені легування базової області і при великих прямих зсувах.
4. Ток поверхневих витоків I _пов, обумовлений відмінністю властивостей поверхні напівпровідника від властивостей об'єму і наявністю тих чи інших закорачивающие включень.

Ефективність р - n-переходу характеризується коефіцієнтом інжекції:

(2.5)

Очевидно, що межі можливого зміни g ті ж, що і у h _int, тобто 0 g 100%.

При виведенні випромінювання з області генерації мають місце такі види втрат енергії (рис. 3, б):

1. Втрати на самопоглинання (промені 1). Якщо довжина хвилі генеруються квантів в точності відповідає формулі (2.4), то вона збігається з "червоної кордоном" поглинання (див. нижче), і таке випромінювання швидко поглинається в товщі напівпровідника (самопоглинання). В дійсності, випромінювання в прямозоні напівпровідниках йде не за наведеною вище ідеальною, схемою. Тому довжина хвилі генеруються квантів дещо більше, ніж по (2.4):
2. Втрати на повне внутрішнє віддзеркалення (промені 2). Відомо, що при падінні променів світла на границю розділу оптично щільного середовища (напівпровідник) з оптично менш щільною (повітря) для частини цих променів виконується умова повного внутрішнього відображення такі промені, що відбилися всередину кристала, в кінцевому рахунку, втрачаються за рахунок самопоглинання.
3. Втрати на протилежне і торцеве випромінювання (промінь 3 і 4).

Кількісно ефективність виведення оптичної енергії з кристала характеризується коефіцієнтом виведення До _опт визначеним ставленням потужності випромінювання, що виходить в потрібному напрямку, до потужності випромінювання, що генерується всередині кристалу. Так само, як і для коефіцієнтів h _int і g, завжди виконується умова 0 До _опт 100%.
g. Інтегральним показником випромінювальної здатності світлодіода є величина зовнішнього квантового виходу h _ext. Зі сказаного ясно, що h _ext = h _int g До _опт.

Перейдемо до приймального блоку. Принцип дії використовуваних в оптронах фотпріемніков заснований на внутрішньому фотоефекті, що полягає у відриві електронів від атомів всередині тіла під дією електромагнітного (оптичного) випромінювання.

Кванти світла, поглинаючись в кристалі, можуть викликати відрив електронів від атомів, як самого напівпровідника, так і домішки. Відповідно до цього говорять про власний (беспримесном) і домішковому поглинанні (фотоефекті). Оскільки концентрація домішкових атомів мала, фотоелектричні ефекти, засновані на власному поглинанні, завжди істотніше, ніж засновані на домішковому. Всі використовувані в оптронах фотоприймачі "працюють" на беспримесном фотоефекті. Для того щоб квант світла викликав відрив електрона від атома, необхідне виконання очевидних енергетичних співвідношень:

E _ф1 = hn ₁ E _c - E _v (2.6)

E _ф2 = hn ₂ E _c - E _t (2.7)

Таким чином, власний фотоефект може мати місце лише при впливі на напівпровідник випромінювання з довжиною хвилі, меншою деякого значення l _гр:

l _гр = hc / (E _c - E _v) 1.23 / E _g (2.8)

Друге рівність в (2.8) справедливо, якщо l _гр виражено в мікрометрах, а ширина забороненої зони напівпровідника E _g - в електроновольтах. Величину l _гр називають довгохвильової або "червоної" кордоном спектральної чутливості матеріалу.

Інтенсивність протікання фотоефекту (в тій спектральній області, де він може існувати) залежить від квантового виходу, визначається відношенням числа генерованих пар електрон-дірка до числа поглинених фотонів. Аналіз експериментальних залежностей від показує, що в цікавій для оптронів спектральної області b = 1.

Освіта вільних носіїв заряду під дією опромінення проявляється в напівпровіднику у вигляді двох фотоелектричних ефектів: фотопровідності (зростання провідності зразка при засвіченні) і фотовольтаїчному (виникнення фото-ЕРС на р - n-перехід чи іншому вигляді потенційного бар'єру в напівпровіднику при висвітленні). Обидва ефекти використовуються в практиці конструювання фотоприймачів; для оптронів кращим і домінуючим є використання фото-ЕРС-ефекту.

Основні параметри та характеристики фотоприймачів (безвідносно до фізичної природи і конструкції цих приладів) можна поділити на кілька груп, К оптичним характеристикам відносяться площа фоточутливої ​​поверхні, матеріал, розміри і конфігурація оптичного вікна; максимальний і мінімальний рівні потужності випромінювання. До електрооптичним - фоточутливість, ступінь однорідності розподілу чутливості по фотоприймальний майданчику; спектральна щільність чутливості (залежність параметра, що характеризує чутливість, від довжини хвилі); власні шуми фотоприймача і їх залежність від рівня засвітки і діапазону робочих частот; дозволяє час (швидкодія); коефіцієнт якості (комбінований показник, що дозволяє зіставляти різні фотоприймачі один з одним); показник лінійності; динамічний діапазон. Як елемент електричного кола фотоприймач характеризується, перш за все, параметрами його еквівалентної схеми, вимогами до робочих режимам, наявністю (чи відсутністю) вбудованого механізму посилення, видом і формою вихідного сигналу. Інші характеристики: експлуатаційні, надежностние, габаритні, технологічні - нічого специфічно "фотоприймального" не містять.

В залежності від характеру вихідного сигналу (напруга, струм) говорять про вольтової або струмового фоточутливості приймача S, вимірюваних відповідно в В / Вт або А / Вт Лінійність (або нелінійність) фотоприймача визначається значенням показника ступеня n в рівнянні, що зв'язує вихідний сигнал з вхідним: U _вих (або I _вих) ~ P _ф. При n 1 фотоприймач лине; область значень P _ф (від P _{ф max} до P _{ф min),} в якій це виконується, визначає динамічний діапазон лінійності фотоприймача D, що виражається звичайно в децибелах: D = 10 lg (P _{ф max} / P _{ф min).}

Найважливішим параметром фотоприймача, що визначає поріг його чутливості, є питома обнаружительная здатність D, яка вимірюється в Вт ^-1 м Гц ^1/2. При відомому значенні D поріг чутливості (мінімальна фіксується потужність випромінювання) визначається як

P _{ф min} = / D (2.9)

де А - площа фоточутливої ​​майданчика; D f-діапазон робочих частот підсилювача фотосігналов. Іншими словами, параметр D грає роль коефіцієнта якості фотоприймача.

Рис. 4. Схеми вимірювання та сімейства вольт-амперних характеристик в фотодіодному (а) і фотовентільном (б) режимах роботи діода

У застосуванні до Оптрон не всі перераховані характеристики виявляються однаково важливими. Як правило, фотоприймачі в оптронах працюють при опроміненні, дуже далеких від порогових, тому використання параметрів P _{ф min} і D виявляється практично марним. Конструктивно фотоприймач в оптроні зазвичай, "втоплений" в іммерсійну. середовище, що сполучає його з випромінювачем, тому знання оптичних характеристик вхідного вікна втрачає сенс (як правило, спеціально такого вікна немає). Не дуже важливо знати і розподіл чутливості по фоточутливої ​​майданчику, так як інтерес представляють інтегральні ефекти.

Механізм роботи фотоприймачів, що базуються на фотовольтаїчному ефекті, розглянемо на прикладі планарно-епітаксійних фотодіодів з р-n-переходом і з р-in-структурою, в яких можна виділити n ⁺ - підкладку, базу n-або i-типу (слабка провідність n -типу) і тонкий р ^+-шар. При роботі в фотодіодному режимі (рис. 4, а) прикладена ззовні напруга змушує рухливі дірки і електрони йти від р - n (р - i)-переходу; при цьому картина розподілу поля в кристалі виявляється різко різною для двох розглянутих структур.

Світлове випромінювання, поглинаючись в базовій області діода, генерує електронно-діркові пари, які дифундують до р - n-переходу, розділяються їм і викликають появу додаткового струму в зовнішньому ланцюзі. В р - i - n-діодах цей поділ відбувається в поле i-o6лaсті і замість процесу дифузії має місце дрейф носіїв заряду під впливом електричного поля. Кожна генерована електронно-діркова пара, яка пройшла через р - n-перехід, викликає проходження у зовнішній ланцюга заряду, рівного заряду електрона. Чим більше опромінення діода, тим більше фотострум. Фотострум протікає і при зміщенні діода в прямому напрямі (рис. 4, а), однак вже при невеликих напругах він виявляється набагато менше прямого струму, тому його виділення виявляється скрутним.

Робочою областю вольт-амперних характеристик фотодіода є III квадрант на рис. 4, а; відповідно до цього як найважливішого параметра виступає струмова чутливість

(2.10)

Друге рівність в (2.10) отримано в припущенні лінійної залежності I _ф = f (P _ф), а третє - за умови нехтування темнова струмом (I _T << I _Ф), що для кремнієвих фотодіодів зазвичай виконується.

Якщо висвітлювати фотодіод без додатка до нього зовнішнього зміщення, то процес поділу генеруються електронів і дірок буде протікати завдяки дії власного вбудованого поля р - n-переходу. При цьому дірки будуть перетікати в р-область і частково компенсувати вбудоване поле р - n-переходу. Створюється деяке нове рівноважне (для даного значення: P _ф) стан, при якому на зовнішніх висновках діода виникає фото-ЕРС U _ф. Якщо замкнути освітлений фотодіод на деяку навантаження, то він буде віддавати в неї корисну електричну потужність Р _е.

Характеристичними точками вольт-амперних характеристик діода, працюючого в такому - фотовентільном - режимі, є ЕРС холостого ходу Uxx і струм короткого замикання I _кз (рис. 4, б).

Схематично фотодіод в вентильному режимі працює як своєрідний вторинне джерело живлення, тому його визначальним параметром є ККД перетворення світлової енергії в електричну:

ККД = P _е / AP _ф = aU _xx I _кз / A _pф (2.11)

В фотовентільном режимі діє важливий клас фотоелектричних приладів - сонячні батареї.

Параметри і характеристики оптопар і оптоелектронних інтегральних мікросхем

Класифікація параметрів виробів оптронів техніки

При класифікації виробів оптронів техніки враховується два моменти: тип фотоприймального пристрої та конструктивні особливості приладу в цілому.

Вибір першого класифікаційної ознаки обумовлений тим, що практично у всіх оптронів на вході поміщений світлодіод, і функціональні можливості приладу визначаються вихідними характеристиками фотоприймального пристрою.

В якості другого ознаки прийнято конструктивне виконання, яке визначає специфіку застосування оптрона.

Рис. 5. До визначення імпульсних параметрів оптопар

Використовуючи цей змішаний конструктивно-схемотехнічний принцип класифікації, логічно виділити три основні групи виробів оптронів техніки: оптопари (елементарні оптрони), оптоелектронні (оптронні) інтегральні мікросхеми і спеціальні види оптронів. До кожної з цих груп відноситься велике число видів приладів.

Для найбільш поширених оптопар використовуються такі скорочення: Д - діодна, Т - транзисторна, R - резисторні, У - тиристорна, Т ² - з складовим фототранзистором, ДТ - діод-транзисторна, 2Д (2Т) - діодна (транзисторна) диференціальна.

Система параметрів виробів оптронів техніки базується на системі параметрів оптопар, яка формується з чотирьох груп параметрів і режимів.

Перша група характеризує вхідний ланцюг оптопари (вхідні параметри), друга - її вихідний ланцюг (вихідні параметри), третя - об'єднує параметри, що характеризують ступінь впливу випромінювача на фотоприймач і пов'язані з цим особливості проходження сигналу через оптопару як елемент зв'язку (параметри передавальної характеристики), нарешті, четверта група об'єднує параметри гальванічної розв'язки, значення яких показують, наскільки наближається оптопара до ідеального елементу розв'язки. З чотирьох перерахованих груп визначальними, специфічно "Оптрон" є параметри передавальної характеристики і параметри гальванічної розв'язки.

Найважливішим параметром діодної і транзисторної оптопар є коефіцієнт передачі струму. Визначення імпульсних параметрів оптронів ясно з (рис. 5). Відліковими рівнями при вимірюванні параметрів t _{нар (сп),} t _зд, і t _{вкл (викл)} зазвичай служать рівні 0.1 і 0.9, повний час логічної затримки сигналу визначається за рівнем 0,5 амплітуди імпульсу.

Параметрами гальванічної розв'язки. Оптопар є: максимально допустиме пікове напруга між входом і виходом U _{разв п max;} максимально допустима напруга між входом і виходом U _{разв max;} опір гальванічної розв'язки R _разв; прохідна ємність C _разв; максимально допустима швидкість зміни напруги між входом в виходом (dU ^разв / dt) _max. Найважливішим є параметр U _{разв п max.} Саме він визначає електричну міцність оптопари і її можливості як елементу гальванічної розв'язки.

Розглянуті параметри оптопар повністю або з деякими змінами використовуються і для опису оптоелектронних інтегральних мікросхем.

Діодні оптопари

Рис. 6. Умовні позначення оптопар

Діодні оптопари (рис. 6, а) у великій мірі, ніж будь-які: інші прилади, характеризують рівень оптронів техніки. За величиною До _i можна судити про досягнуті ККД перетворення енергії в оптроні; значення часових параметрів дозволяють визначити граничні швидкості розповсюдження інформації. Підключення до діодної оптопаре тих чи інших підсилювальних елементів, дуже корисне і зручне, не може проте дати виграшу ні по енергетиці, ні по граничних частотах.

Транзисторні та тиристорні оптопари

Транзисторні оптопари (рис. 6, c) поряд своїх властивостей вигідно відрізняються від інших видів оптронів. Це перш за все схемотехнічна гнучкість, що виявляється в тому, що колекторним струмом можна управляти як по ланцюгу світлодіода (оптично), так і за базовою ланцюга (електрично), а також у тому, що вихідна ланцюг може працювати і в лінійному і в ключовому режимі. Механізм внутрішнього посилення забезпечує отримання більших значень коефіцієнта передачі струму До _i, так що наступні підсилювальні каскади не завжди необхідні. Важливо, що при цьому інерційність оптопари не дуже велика і для багатьох випадків цілком допустима. Вихідні струми фототранзисторів значно вище, ніж, наприклад, у фотодіодів, що робить їх придатними для комутації широкого круга електричних ланцюгів. Нарешті, слід відзначити, що все це досягається при відносній технологічній простоті транзисторних оптопар.

Тиристорні оптопари (рис. 6, b) найбільш перспективні для комутації потужнострумових високовольтних ланцюгів: по поєднанню потужності, коммутируемой в навантаженні, і швидкодії вони явно переважніше Т ^{2-оптопар.} Оптопари типу АОУ103 призначені для використання в якості безконтактних ключових елементів в різних радіоелектронних схемах: в ланцюгах управління, підсилювачах потужності, формувача імпульсів і т. п.

Резисторні оптопари

Резисторні оптопари (рис. 6, d) принципово відрізняються від усіх інших видів оптопар фізичними та конструктивно-технологічними особливостями, а також складом і значеннями параметрів.

В основі принципу дії фоторезистора лежить ефект фотопровідності, тобто зміни опору напівпровідника при висвітленні.

Диференціальні оптопари для передачі аналогового сигналу

Весь викладений вище матеріал стосується питань передачі цифрової інформації по гальванічно розв'язаної ланцюга. У всіх випадках, коли йшлося про лінійність, про аналогових сигналах, мова йшла про вид вихідної характеристики оптопари. У всіх випадках управління по каналу випромінювач - фотоприймач не описувалося лінійною залежністю. Важливу завдання є передача аналогової інформації за допомогою оптопари, тобто, забезпечення лінійності передавальної характеристики вхід - вихід [36]. Лише при наявності таких оптопар стає можливим безпосереднє поширення аналогової інформації з гальванічно розв'язаним ланцюгах без перетворення її до цифровій формі (послідовності імпульсів).

Зіставлення властивостей різних оптопар за параметрами, важливим з точки зору передачі аналогових сигналів призводить до висновку, що якщо це завдання і може бути вирішена, то тільки за допомогою діодних оптопар, що володіють хорошими частотними і шумовими характеристиками. Складність проблеми полягає насамперед у вузькому діапазоні лінійності передавальної характеристики і ступеня цієї лінійності у діодних оптопар.

Слід зазначити, що в створенні приладів з гальванічною розв'язкою, придатних для передачі аналогових сигналів, зроблені лише перші кроки, і можна очікувати подальшого прогресу.

Оптоелектронні мікросхеми та інші прилади оптронного типу

Оптоелектронні мікросхеми являють собою один з найбільш широко застосовуваних, що розвиваються, перспективних класів виробів оптронів техніки. Це обумовлено повною електричної та конструктивної сумісністю оптоелектронних мікросхем з традиційними мікросхемами, а також їх більш широкими в порівнянні з елементарними оптронами функціональними можливостями. Як і серед звичайних мікросхем, найбільш широке розповсюдження отримали перемикальні оптоелектронні мікросхеми.

Спеціальні види оптронів різко відрізняються від традиційних оптопар і оптоелектронних мікросхем. До них відносяться, перш за все, оптрони з відкритим оптичним каналом. У конструкції цих приладів між випромінювачем і фотоприймачем є повітряний зазор, так що, розміщуючи в нього ті чи інші механічні перешкоди, можна управляти світловим потоком і тим самим вихідним сигналом оптрона. Таким чином, оптрони з відкритим оптичним каналом виступають в якості оптоелектронних датчиків, що фіксують наявність (або відсутність) предметів, стан їх поверхні, швидкість переміщення або повороту і т. п.

Сфери застосування оптронів і оптронні мікросхем

Перспективні напрямки розвитку та застосування оптронів техніки в значній мірі визначилися. Оптрони та оптронні мікросхеми ефективно застосовуються для передачі інформації між пристроями, що не мають замкнутих електричних зв'язків. Традиційно сильними залишаються позиції оптоелектронних приладів в техніці отримання і відображення інформації. Самостійне значення в цьому напрямку мають оптронні датчики, призначені для контролю процесів і об'єктів, дуже різних за природою і призначення. Помітно прогресує функціональна оптронная мікросхемотехніка, орієнтована на виконання різноманітних операцій, пов'язаних з перетворенням, накопиченням і зберіганням інформації. Ефективною і корисною виявляється заміна громіздких, нетривких і нетехнологічних (з позицій мікроелектроніки) електромеханічних виробів (трансформаторів, потенціометрів, реле) оптоелектронним приладами та пристроями. Досить специфічним, але в багатьох випадках виправданим і корисним є використання оптронні елементів в енергетичних цілях.

Передача інформації

При передачі інформації оптрони використовуються як елементи зв'язку, і, як правило, не несуть самостійної функціонального навантаження. Їх застосування дозволяє здійснити досить ефективну гальванічну розв'язку пристроїв управління і навантаження (рис. 7), що діють в різних електричних умовах і режимах. З введенням оптронів різко підвищується завадостійкість каналів зв'язку; практично усуваються "паразитні" взаємодії по ланцюгах "землі" і харчування. Інтерес представляє також раціональне і надійне узгодження цифрових інтегральних пристроїв з різнорідної елементної базою (ТТЛ, ЕСЛ, И2Л, КМОП і т. п).

Рис. 7. Схема міжблочний гальванічної розв'язки

Схема узгодження елемента транзисторно-транзисторної логіки (ТТЛ) з інтегральним пристроєм на МДП-транзисторах побудована на транзисторному оптроні (рис. 8). У конкретному варіанті: E ₁ = Е ₂ = 5 В, Е ₃ = 15 В, R ₁ = 820 Ом, R ₂ = 24 кОм - світлодіод Оптрон збуджується струмом (5 мА), достатнім для насичення транзистора і впевненого управління пристроєм на МДП -транзисторах.

Рис. 8. Схема сполучення ТТЛ і МДП елементів по оптичному каналу

Активно використовуються оптичні зв'язку в телефонних пристроях і системах. За допомогою оптронів технічно нескладними засобами вдається підключати до телефонних лініях мікроелектронні пристрої, призначені для виклику, індикації, контролю та інших цілей.

Введення оптичних зв'язків в електронну вимірювальну апаратуру, крім корисної у багатьох відношеннях гальванічної розв'язки досліджуваного об'єкта і вимірювального приладу, дозволяє також різко зменшити вплив перешкод, що діють по ланцюгах заземлення та харчування.

Значний інтерес представляють можливості і досвід використання оптоелектронних приладів і пристроїв в біомедичної апаратури. Оптрони дозволяють надійно ізолювати хворого від дії високих напруг, наявних, наприклад, в електрокардіографічних приладах.

Безконтактне управління потужними, високовольтними ланцюгами по оптичним каналам дуже зручно і безпечно в складних технічних режимах, характерних для багатьох пристроїв і комплексів промислової електроніки. У цій області сильні позиції тиристорних оптронів (рис. 9).

Рис. 9. Схема комутації навантаження змінного струму

Отримання і відображення інформації

Оптрони та оптронні мікросхеми займають міцні позиції в безконтактної дистанційної техніці оперативного отримання та точного відображення інформації про характеристики та властивості досить різних (за природою і призначенням) процесів і об'єктів. Унікальними можливостями в цьому плані мають оптрони з відкритими оптичними каналами. Серед них оптоелектронні переривники, що реагують на перетин оптичного каналу непрозорими об'єктами (рис. 10), і відбивні оптрони, у яких вплив светоізлучателей на фотоприймачі цілком пов'язане з відображенням випромінюваного потоку від зовнішніх об'єктів.

Рис. 10. Оптоелектронний датчик

Коло застосувань оптронів з відкритими оптичними каналами великий і різноманітний. Уже в 60-і роки оптрони подібного типу ефективно використовувалися для реєстрації предметів та об'єктів. При такій реєстрації, характерною в першу чергу для пристроїв автоматичного контролю і рахунки об'єктів, а також для виявлення та індикації різного роду дефектів і відмов, важливо чітко визначити місцезнаходження об'єкта або відобразити факт його існування. Функції реєстрації оптрони виконують надійно і оперативно.

Контроль електричних процесів

Потужність випромінювання, що генерується світлодіодом, і рівень фотоструму, що виникає в лінійних ланцюгах з фотоприймачами, прямо пропорційні струму електричної провідності випромінювача. Таким чином, по оптичним (безконтактним, дистанційним) каналах можна отримати цілком певну, інформацію про процеси в електричних ланцюгах, гальванічно пов'язаних з випромінювачем. Особливо ефективним виявляється використання светоізлучателей оптронів в якості датчиків електричних змін до потужнострумових, високовольтних ланцюгах. Чітка інформація про подібні зміни важлива для оперативної захисту джерел і споживачів енергії від електричних перевантажень.

Рис. 11. Стабілізатор напруги з контролюючим Оптрон

Оптрони успішно діють у високовольтних стабілізаторах напруги, де вони створюють оптичні канали негативних зворотних зв'язків. Розглянутий стабілізатор (рис. 11) відносяться до пристрою послідовного типу, причому регулюючим елементом є біполярний транзистор, а кремнієвий стабілітрон діє як джерело, опорного (еталонного) напруги. Порівнює елементом служить світлодіод.

Якщо вихідна напруга в схемі рис. 11 зростає, то збільшується і струм провідності світлодіода. Фототранзистор оптрона впливає на транзистор, пригнічуючи можливу нестабільність вихідної напруги.

Заміна електромеханічних виробів

У комплексі технічних рішень, орієнтованих на підвищення ефективності та якості пристроїв автоматики, радіотехніки, електрозв'язку, промислової і побутової електроніки, доцільною і корисним заходом є заміна електромеханічних виробів (трансформаторів, реле, потенціометрів, реостатів, кнопкових і клавішних перемикачів) більш компактними, довговічними, швидкодіючими аналогами. Провідна роль у цьому напрямку відводиться оптоелектронним приладів і пристроїв. Справа в тому, що дуже важливі технічні переваги трансформаторів і електромагнітних реле (гальванічна розв'язка ланцюгів управління і навантаження, впевнене функціонування в потужних, високовольтних, потужнострумових системах) властиві і Оптрон. Разом з тим оптоелектронні вироби істотно перевершують електромагнітні аналоги по надійності, довговічності, перехідним і частотним характеристикам. Управління компактними і швидкодіючими оптоелектронним трансформаторами, перемикачами, реле впевнено здійснюється за допомогою інтегральних мікросхем цифрової техніки без спеціальних засобів електричного узгодження.

Приклад заміни імпульсного трансформатора наведено на рис. 12.

Рис. 12. Схема оптоелектронного трансформатора

Енергетичні функції

В енергетичному режимі оптрони використовуються в якості вторинних джерел ЕРС і струму. ККД оптронні перетворювачів енергії невеликий. Однак можливість введення додаткового джерела напруги або струму в будь-яку ланцюг пристрою без гальванічного зв'язку з первинним джерелом живлення дає розробнику нову ступінь свободи, особливо корисну при вирішенні нестандартних технічних завдань.