Оптоелектронні інтегральні мікросхеми

 

Оптоелектроніка - один з найбільш розвинених напрямів у функціональній мікроелектроніці, оскільки оптичні і фотоелектричні явища досить добре вивчені, а технічні засоби, засновані на цих явищах, тривалий час використовуються в електроніці (фотоелементи, фотоелектронні помножувачі, фотодіоди, фототранзистори і ін.). Проте оптоелектроніка як самостійний науково-технічний напрям виникла порівняно недавно, а її досягнення нерозривно пов'язані з розвитком сучасної мікроелектроніки.

Спочатку оптоелектроніка вважалася порівняно вузькою галуззю електроніки, що вивчає лише напівпровідникові світловипромінювачі і фотоприймачі. Проте останнім часом поняття «оптоелектроніка» значно розширилося. Тепер в нього включають і такі недавно виниклі напрями, як лазерна техніка, волоконна оптика, голографія і ін. Відповідно до рекомендацій МЕК (Міжнародній електротехнічній комісії) оптоелектронний прилад визначається як прилад, чутливий до електромагнітного випромінювання у видимій, інфрачервоній або ультрафіолетовій областях; або прилад, що випромінюючий і перетворює некогерентне або когерентне випромінювання в цих же спектральних областях; або ж прилад, що використовує таке електромагнітне випромінювання для своєї роботи.

Оптоелектроніка заснована на електронно-оптичному принципі отримання, передачі, обробки і зберігання інформації, носієм якої є електрично нейтральний фотон. Поєднання в оптоелектронних функціональних пристроях двох способів обробки і передачі інформації - оптичного і електричного - дозволяє досягати величезної швидкодії, високої щільності розміщення інформації, що зберігається, створення високоефективних засобів відображення інформації. Дуже важливою перевагою елементів оптоелектроніки є те, що вони оптично зв'язані, а електрично ізольовані між собою. Це забезпечує надійне узгодження різних оптоелектронних ланцюгів, сприяє однонаправленості передачі інформації, перешкодостійкості каналів передачі сигналів. Виготовлення напівпровідникових елементів оптоелектроніки - оптронів - сумісно з інтегральною технологією, тому їх створення може бути включене в єдиний технологічний цикл виробництва інтегральних мікросхем.

 

Мал. 10.1. Структурна схема оптрона

 

Розглянемо основні технічні засоби оптоелектроніки.

Основним елементом оптоелектроніки, як вже наголошувалося вище, є оптрон. Простий оптрон є чотириполюсник (мал. 10.1), що складається з трьох елементів: джерела випромінювання (фотовипромінювача) 1, світлодіода 2 і приймача випромінювання (фотоприймача) 3, розміщених в герметичний світлонепроникний корпус.

Поєднання фотовипромінювача і фотоприймача в оптроні отримало назву оптоелектронної пари. Найбільш поширеними випромінювачами є світлодіоди, виконані на основі арсеніду галію, фосфіду галію, фосфіду кремнію, карбіду кремнію і ін. Вони мають високу швидкодію (близько 0,5 мкс), мініатюрні і достатньо надійні в роботі. По своїх спектральних характеристиках світлодіоди добре узгоджуються з фотоприймачами, виконаними на основі кремнію. Оскільки можливості схемотехніки оптрона визначаються головним чином характеристиками фотоприймача, цей елемент і дає назву оптрона в цілому. До основних різновидів оптронів відносяться: резистори (фотоприймачем служить фоторезистор); діодні (фотоприймач - фотодіод); транзисторні (фотоприймач - фототранзистор) і тиристори (фотоприймач - фототиристор).

Схематичне зображення вказаних оптронів показане на мал. 10.2, приклади конструктивного оформлення оптронів (дискретного і мікромініатюрного виконання) і їх цоколівки - на мал. 10.3.

 

Мал. 10.2. Схематичні зображення оптронів:

а - резистора; б - діодного; у - транзисторного; г - тиристора

 

Мал. 10-3. Приклад конструктивного оформлення і цоколівки оптронів:

а - дискретного виконання; б- мікровиконання

Мал. 10.4. Застосування оптронів:

а - як керовані резистори; 6 - в ключових схемах; в - в схемі оптичного зв'язку

 

Залежно від сукупності характеристик використовуваної оптронної пари оптрон може виконувати різні функції в електронних ланцюгах: перемикання, підсилення, узгодження, перетворення, індикація і ін.

Як приклади технічного використання оптронів на мал. 10.4 приведені деякі прості схеми, що дозволяють реалізувати специфічні властивості цих приладів. Наприклад, оптрон резистора, включений по схемі мал. 10.4, а, може бути використаний як керований резистивного дільника напруги. Під впливом вхідної напруги, змінюється прямий струм світлодіода і його випромінювання. Відповідно змінюється і опір фоторезистора, а отже, і розподіл напруги джерела на фоторезисторі і вихідному (навантаженні) резисторі.

Подібний керований резистор може бути використаний в різних електронних схемах, наприклад, для дистанційного керування коефіцієнтом підсилення в підсилювачах. Зазвичай для цієї мети застосовуються ручні регулятори, що є винесеними з пристрою регуляторами потенціометрів підсилення. Проте такі регулятори не дають добрих результатів при використанні їх в апаратурі високого класу для дистанційного керування на значній відстані, оскільки в сполучних проводах навіть при ретельному їх екрануванні можливі значні наведення змінних електромагнітних полів, що приводять до появи фону. Для повного усунення наведень необхідно розділити ланцюг сигналу від ланцюга управління. Це завдання і вирішується за допомогою дільника напруги на оптронному керованому резисторі.

На мал. 10.4, б показана проста схема включення діодного оптрона. Ця схема може працювати в ключовому (імпульсному) режимі і при цьому створювати на виході імпульсну напругу, що перевищує по своїй амплітуді рівень вхідних імпульсів. Напруга на виході, що є частиною щодо високої напруги джерела живлення, залежить від струму фотодіода. Величина струму фотодіода, у свою чергу, управляється світловим потоком світлодіода, який змінюється (модулюється) за законом зміни імпульсного вхідного сигналу. При цьому амплітуда вхідних імпульсів, що впливають на світлодіод, може бути значно менше, ніж напруга. Аналогічним способом можуть бути побудовані ключові схеми на транзисторних і тиристорах оптронах, виступаючих як аналоги таких широко поширених електронних елементів, як імпульсні трансформатори, перемикачі, роз'єми і т.п.

Принципова можливість здійснення оптичного зв'язку за допомогою оптронів ілюструється на мал. 10.4, в. У пристрої такої лінії зв'язку, що передає, головний елемент - випромінювач світла (світлодіод, лазер), в приймальному - фотоприймач (фотодіод, фототранзистор). Зв'язок між передавачем і приймачем здійснюється за допомогою спеціального світловода - волоконно-оптичного кабелю, що забезпечує перешкодостійкість і надійність зв'язку. Широкополосність такого оптичного каналу величезна (по одній лінії зв'язку може бути одночасно передані 10¹⁰ телефонних розмов або 10⁶ телепередач). Подібні лінії зв'язку можуть бути використані в обчислювальній техніці для передачі величезних масивів інформації, що обробляється в різних блоках ЕОМ.

 

Контрольні запитання:

1. Що таке оптоелектроніка?

2. На чому заснована оптоелектроніка?

3. Що собою являє оптоелектронна пара?

4. Які існують способи застосування оптоелектроніки?