Оптоэлектронные приборы
Оптоэлектроника – область электроники, занимающаяся вопросами преобразования оптических сигналов в электрические и наоборот. Оптоэлектроника (ОЭ), возникла на стыке трех наук – физики твёрдого тела, оптики и электроники. Элементную базу ОЭ составляют: источники света, оптические среды (световоды) и фотоприемники.
1.6.1 Световоды
Световоды – пучки тончайших нитей из прозрачного стекла, по которым свет распространяется в результате многократного внутреннего отражения от стенок. Через стекловолокно толщиной примерно нескольких микрон может быть передано более ста оптических сигналов с незначительными потерями. Если волокна изготовлены с примесью определенных химических элементов, то они могут усиливать световой сигнал.
1.6.2 Источники света (ИС)
Принцип действия ИС основан на использовании индуцированного излучения и электролюминесценции.
Индуцированное излучение осуществляется под действием внешних фотонов. Излучатели, работающие на этом принципе, – лазеры (аббревиатура от слов: light amplification by stimulated emission of radiation – усиление света за счёт индуцированного излучения).
В основе работы светодиода лежит излучательная рекомбинация в p-n- переходе. При прямом смещении инжектированные неосновные носители вблизи перехода рекомбинируют в базе с основными. При этом излучаются кванты света. Излучение может быть в инфракрасной, видимой и ультрафиолетовой частях спектра.
Используются плоская и полусферическая конструкции .
Плоская конструкция наиболее простая. Рабочая поверхность большая (несколько мм2), но мала эффективность. Используется в матричных устройствах с большой плотностью упаковки.
Полусферическая конструкция по технологии сложней, но выигрывает в эффективности. Это делает её более предпочтительной.
1.6.3 Фотоприёмники
В фотоприемнике или фотоэлектрическом приборе происходит преобразование лучистой энергии в электрическую.
Строится на трех основных фотоэлектрических явлениях:
а) внутренний фотоэффект – изменение электропроводности проводника при его освещении за счёт увеличения концентрации носителей тока (фоторезистор);
б) фотоэффект в запирающем слое – возникновение ЭДС на границе двух материалов под воздействием света (фотодиод, фототранзистор);
в) внешний фотоэффект – испускание электронов веществом под действием света – фотоэлектронная эмиссия (фотоэлемент, фотоэлектронный умножитель).
Рассмотрим фотодиод – фотоэлектронный прибор, в основу работы которого положен фотоэффект в запирающем слое, возникает ЭДС в p-n переходе под действием светового потока.
Имеет структуру обычного p-n перехода. Изготавливается из германия или кремния, чаще кремния, так как он имеет более высокий коэффициент преобразования. При облучении происходит ионизация атомов исходного вещества в p-n переходе. Увеличивается собственная электропроводность, т.е. количество пар электронов и дырок.
Фотодиод может включаться без и с внешним источником:
а) без внешнего источника – называется вентильным или фотогенераторным режимом;
б) при наличии внешнего источника питания Евн – фотодиодным или фотопреобразовательным режимом.
Вольт-амперная характеристика I=f(U)|Ф= const приведена на рисунке 1.21).Здесь в IV квадранте отражен генераторный режим:
1) при I = 0 (режим холостого хода) U = jф – фотоэдс;
2) при U = 0 (режим короткого замыкания) течет ток Iкз;
3) при RH ¹ 0 ток I = jф / RH.
В III квадранте отражен фотодиодный режим. При Ф = 0 характеристика совпадает с обратной ветвью выпрямительного диода (темновой режим). С увеличением Ф увеличивается фототок IФ. Общий ток Iобщ равен сумме обратного тока и фототока Iобщ=I0+IФ.
В I квадранте – при Ф = 0 ВАХ как у выпрямительного диода.
При Ф > 0 Iпр >> IФ и IФ не отличить на фоне Iпр. Поэтому фотодиод в прямом включении не используется. Так как IФ и Iобр соизмеримы, фотодиод включается в обратном направлении.
Фотодиоды применяются для регистрации слабых низкочастотных световых сигналов, при преобразовании световой энергии в электрическую (солнечные батареи, источники питания), автоматике, фотометрии, при контроле наличия источников излучения и др.
1.6.4 Оптроны
Элементарный оптрон – пара с фотонной связью
Оптрон - это активный элемент, сочетающий источник света и согласованный с ним фотоприемник, в котором внешний электрический сигнал преобразуется в оптический, усиливается, затем снова преобразуется в электрический, либо наоборот, но обязательно коэффициент усиления должен быть больше единицы.
Основное достоинство – возможность разделения входной и выходной цепей, т.е. имеет место гальваническая или оптическая развязка.
Оптроны подразделяются на два вида:
а) оптрон с внешней фотонной связью и внутренней электрической;
б) оптрон с внутренней фотонной связью и с внешней электрической. Оптроны используются для преобразования, усиления, генерирования, формирования электрического сигнала и т.д.
В основном в качестве источника света в оптронах используется светодиод инжекционный. Спектр излучения зависит от материала изготовления и различается типом фотоприемника.