Элементы функциональной электроники

Оптопары и оптоэлектронные микросхемы

Основные понятия и определения

Оптрон – оптоэлектронный прибор, в котором в едином конструктиве выполнены источник излучения, приемник излучения, оптический канал связи между источником и приемником. Принцип действия оптронов основан на преобразовании электрической энергии в световую, передаче световой энергии по каналу связи, и преобразовании световой энергии в электрическую.

Оптоэлектронная интегральная схема – микросхема, состоящая из одной или нескольких оптопар и согласующих или усилительных каскадов.

В общем случае структуру оптической интегральной схемы можно представить, как показано на рис. (). Каждый из компонентов ОптИС можно описать системой физических параметров (например, площадь перехода, концентрация примесей в фотодиоде, неравномерность поверхностной концентрации примесей) или системой электрических параметров. С точки зрения объяснения физических основ фотоэффекта удобнее использовать физические параметры. Для разработчика аппаратуры наиболее актуальным является описание через электрические параметры (семейство ВАХ, КПД, потери преобразования, длина волны и ширина спектра излучения, и т.п.) Основными компонентами ОптИС являются:

- Входное согласующее устройство. Основное назначение – преобразование параметров внешнего управляющего сигнала для обеспечения требуемого электрического режима источника излучения. В частном случае может отсутствовать.

- Источник излучения. Преобразует электрический сигнал в оптический. Основные требования к источнику можно сформулировать следующим образом:

1. Высокая эффективность преобразования энергии электрического тока в энергию излучения.

2. Преимущественная направленность излучения

3. Высокое быстродействие

4. Узкий спектр излучения

5. Простота управления

6. Линейность преобразования

7. Спектральное согласование с каналом связи и с приемником излучения.

8. Высокая технологичность

9. Когерентность излучения

Источники излучения могут быть реализованы следующим образом:

1. Миниатюрные лампы накаливания, миниатюрные неон-аргоновые газоразрядные лампы. Достоинства такого решения – низкая чувствительность к импульсным помехам и кратковременным перегрузкам, простота управления, высокая надежность, высокая долговечность, оптическая совместимость с фоторезисторами. Недостатки – высокая потребляемая мощность, плохая совместимость с интегральной технологией, большие габариты, невысокое быстродействие. Область применения оптопар с такими источниками – ключи для управления нагрузками средней и большой мощности.

2. Порошковые электролюминесцентные ячейки. Принцип действия основан на электролюминесценции зерен сульфида цинка, активированных присадками (марганцем, медью, и др.). В зависимости от присадки можно получить различный цвет свечения. Оптимальный электрический режим для порошковых люминофоров лежит в области напряжений 200 – 300 В и частот до 1 кГц. Основное достоинство таких ячеек – конструктивно-технологическая совместимость с фоторезисторами. Недостатки – сложное управление, небольшой срок службы (порядка 2000 ч), низкая эффективность преобразования.

3. Полупроводниковый светоизлучающий диод. Светодиод – наиболее универсальный и широко применяемый источник излучения. Основные достоинства: высокая эффективность преобразования, узкий спектр излучения, высокая направленность излучения, высокое быстродействие. Принцип действия светодиода основан на инжекционной люминесценции.

Механизм инжекционной люминесценции состоит в инжекции неосновных носителей в базу светодиода, излучательной рекомбинации носителей заряда и выводе излучения из области генерации. «Полезная» составляющая тока инжекции - это ток электронов, инжектируемых p-n переходом. Кроме тока инжекции электронов имеет ток инжекции дырок, ток безызлучательной рекомбинации, туннельный ток, ток поверхностных утечек. При выводе излучения из области генерации имеют место потери на самопоглощение, потери на внутреннее отражение, потери на торцевое излучение.

Основными характеристиками излучения светодиодов являются: ватт-амперная характеристика – зависимость мощности излучения от прямого тока, максимум спектрального распеределения. Мощность излучения при непрерывном действии обычно составляет 0.1 – 1 мВт при токе 1 – 20 мА. Длина волны излучения обычно лежит в пределах 0.5 – 1 мкм.

- Оптический канал связи (иммерсионная среда) оптрона. Основные требования к иммерсионной среде:

1. Высокое значение показателя преломления

2. Высокое значение удельного сопротивления

3. Высокая теплостойкость

4. Хорошая адгезия к кристаллам кремния и арсенияда галлия

5. Эластичность – необходима вследствие рассогласования компонентов оптрона по коэффициентам термического расширения

6. Высокая повторяемость характеристик

В качестве материала иммерсионной среды используются полимерные оптические клеи. Они имеют высокую адгезию, сочетают механическую прочность и устойчивость к термоциклированию. Коэффициент преломления лежит в пределах от 1.4 до 1.8, удельное объемное сопротивление 10¹² – 10¹⁴ Ом∙см, диапазон температур -60 - +120 ⁰С.

- Приемник излучения. Преобразует оптический сингнал в электрический.

Принцип действия фотоприемников, используемых в оптронах, основан на внутреннем фотоэффекте – отрыве электронов от атомов под действием оптического излучения. Отрыв электрона оспровождается поглощением кванта света. Энергия кванта, равная h∙n, должна быть больше энергии связи электрона с ядром. Таким образом, существует нижняя спектральная граница чувствительности фотоприемника. Образование свободных носителей заряда в полупроводнике под действием излучения проявляется в виде двух эффектов: фотопроводимости – возрастании проводимости кристалла при засветке и фотогальванического – возникновении ЭДС при засветке кристалла.

Основными параметрами фотопориемников являются:

1. Спектральная плотность фоточувствительности

2. Вольтовая или токовая чувствительность

3. Динамический диапазон линейности чувствительности

4. Собственные шумы

5. Быстродействие

В зависимости от используемого эффекта примники реализуются как фотодиоды, фототранзисторы, фоторезисторы.

Принцип работы фоторезисторов основан на эффекте фотопроводимости. Для них характерно следующее сочетание параметров:

1. Высокая равномерность чувствительности в широком диапазоне длин волн.

2. Относительно невысокая токовая чувствительность

3. Относительно хорошая линейность

4. Высокий уровень шумов

5. Невысокое быстродействие. Время переключения обычно не менее нескольких мс.

6. Фоторезисторы относительно легко реализуеются по тонкопленочной технологии.

Принцип работы фотодиодов и фототранзисторов основан на фотоэлектрическом эффекте. Транзиторы позволяются реализовать усиление принятого сигнала до 1000 раз. Фотодиоды описываются семейством ВАХ (рис. ()). Для них характерно следующее сочетание параметров:

1. Высокая спектральная неравномерность чувствительности

2. Высокая токовая чувствительность

3. Высокая нелинейность

4. Низкий уровень шумов

5. Высокое быстродействие – время переключения может достигать долей мкс.

6. Реализуются методами полупроводниковой технологии.

- Выходное согласующее устройство. Преобразует параметры сигнала для обеспеченипя требуемого режима приемника излучения. В частном случае может отсутствовать.

Таким образом, применение оптронов обусловлено следующими преимуществами:

1. Возможность обеспечения идеальной гальванической развязки в широкой полосе частот вплоть до постоянного тока

2. Возможность реализации бесконтактного управления различными объектами

3. Возможность снижения влияния побочных отражений в высокочастотных каналах передачи данных

4. Возможность управления путем воздейтсвия неэлектрического сигнала на оптический канал

Недостатки, характерные для оптронов:

5. Значительная потребляемая мощность и относительно невысокий КПД

6. Повышенная чувствительность к гамма-излучению

7. Повышенная чувствительность электрических характеристик к изменению температуры

8. Высокий уровень собственных шумов.

По области применения ОптИС можно разделить на следующие классы:

1. Одно- и многоканальные транзисторные оптопары. Характеризуются следующими параметрами:
- Время спада и нарастания фронта импульса до 0.4 мкс
- Коэффициент передачи по току от 0.4 до 20
- Входной ток от 1 до 100 мА

2. Быстродействующие логические ключи
- Скорость передачи до 10 MBd
- Входной ток до 1 мкА

3. Оптотиристоры
- Входной ток до 60 мА
- Выходной ток до 20 А
- Выходное напряжение до 600 В
- Напряжение изоляции до 15 кВ

4. Оптореле
- Входной ток до 5 мА
- Ток коммутации до 1А
- Напряжение коммутации до 350 В
- Состояния нормально замкнутое и нормально разомкнутое

5. Драйверы для управления высокомощными транзисторами
Предназначены для формирования управляющих импульсов для управления силовыми транзисторами с током коллектора до 150 А.

6. Оптроны с открытым оптическим каналом
Предназначены для использования в качестве оптических датчиков.

7. Специализированные аналоговые оптроны
Этот класс ОптИс включает в себя:
- Конвертеры AC/DC с временем преобразования 700 нс, нелинейностью 0.15%, отношением сигнал/шум 70 дБ
- Изолирующие усилители с полосой пропускания до 100 кГц, нелинейностью 0.15%,
- Интерфейсы. Например, RS-232E

Приборы на объемных и поверхностных акустических волнах

Принцип работы акустоэлектрических преобразователей основан на пьезоэлектрическом эффекте – изменении размеров образца под действием электрического поля. Такие приборы содержат входной акустоэлектрический преобразователь, в котором электромагнитные колебания преобразуются в звуковые волны, звукопровод, выходной акустоэлектрический преобразователь. Звуковая волна может возбуждаться в объеме звукопровода – резонатор объемных акустических волн, при этом по образцу распространяются деформации сжатия – растяжения. Известны также устройства с возбуждением волн на поверхности раздела сред пьезоэлектрик-воздух – поверхностных акустических волн (ПАВ, SAW).

Основные достоинства устройств на акустоэлектрических преобразователях:

1. Малые габариты

2. Высокая стабильность характеристик

3. Технологичность, совместимость с микроэлектронной элементной базой

4. Низкая стоимость

5. Высокая повторяемость характеристик, не требуют настройки-регулировки.

Основные недостатки, которые ограничивают области применения, выражены в следующем:

1. Повышенная чувствительность к акустическим и механическим шумам

2. Узкая полоса частот, которая обычно не превышает октавы.

3. Большие потери преобразования

Использование ОАВ позволяет строить резонаторы, полосовые фильтры, линии задержки. В качестве материалов используются кварц, турмалин, сегнетова соль, танталат лития, и др. Простейшая ультразвуковая линия задержки (УЛЗ) представляет собой стержень звукопровода, на торцах которого размещены пьезоэлектрические преобразователи (рис. ()). Электрические колебания во входном преобразователе превращаются в акустические и излучаются в звукопровод. Через определенное время, определяемое скоростью звука, акустические колебания достигают выходного преобразователя и преобразуются в электрические колебания. Акустоэлектрический преобразователь может быть реализован, как показано на рис. (). Он представляет собой двухслойную структуру, состоящую из металлической пленки, осажденной на торце звукопровода, и напыленной на нее пленки сульфида кадмия (CdS).

Линии задержки и фильтры на ОАВ могут иметь полосу пропускания до 30% в диапазоне от нескольких кГц до 100 МГц. Время задержки лежит в пределах от долей микросекунд до десятков миллисекунд. Потери на пару преобразователей обычно составляют 10 – 20 дБ. Добротность резонаторов на сегнетокерамике может достигать 10∙10³. Добротность кварцевых резонаторов может достигать 3.8∙10⁶.

Использование ПАВ позволяет строить полосовые и режекторные фильтры, линии задержки. Возбуждение поверхностных волн производится системой встречно-штыревых преобразователей (ВШП), которые реализуются в виде напыленной или осажденной пленки металла (рис. ()). Вариация геометрии ВШП приводит к изменению условий распространения волн, что позволяет синтезировать фильтры по заданным частотным характеристикам. В качестве подложки используются кварц, ниобат лития.

Одним из факторов, существенно влияющим на характеристики высокочастотных устройств, является качество согласования с внешними цепями. При некачественном согласовании возникает эффект эха в линиях задержки, увеличиваются потери в фильтрах. Влияние согласования на характеристики фильтра и УЛЗ приведены на рис.().

Линии задержки на ПАВ позволяют реализовать задержку сигнала в пределах от 0.1 до 100 мкс. Фильтры на ПАВ применяются в диапазоне частот от 30 МГц до 3 ГГц. Ограничение нижней частоты обусловлено слишком большими габаритами, что делает более целесообразным применение фильтров на ОАВ. Ограничение верхней частоты обусловлено ограничением разрешающей способности фотолитографии. Полоса частот фильтров может лежать в пределах от долей процента до 100% (октава). Потери преобразования лежат в пределах от 10 дБ до 40 дБ.