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 Е_вн – 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 = j_ф – фотоэдс;

2) при U = 0 (режим короткого замыкания) течет ток I_кз;

3) при R_H ¹ 0 ток I = j_ф / R_H.

В III квадранте отражен фотодиодный режим. При Ф = 0 характеристика совпадает с обратной ветвью выпрямительного диода (темновой режим). С увеличением Ф увеличивается фототок I_Ф. Общий ток I_общ равен сумме обратного тока и фототока I_общ=I₀+I_Ф.

В I квадранте – при Ф = 0 ВАХ как у выпрямительного диода.

При Ф > 0 I_{п р} >> I_Ф и I_Ф не отличить на фоне I_пр. Поэтому фотодиод в прямом включении не используется. Так как I_Ф и I_обр 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.