Общие сведения о компонентах оптоэлектроники

Оптоэлектронными приборами называют устройства, излучающие и преобразующие излучение в инфракрасной, видимой или ультрафиолетовой областях спектра или использующие для своей работы электромагнитные излучения, частоты которых находятся в этих областях. В настоящее время к оптоэлектронным приборам относят полупроводниковые приборы и микросхемы, выполняющие функции устройств оптической переработки информации, устройства отображения информации, сканисторы – устройства развертки изображений, единичные преобразователи электрических сигналов в оптические и наоборот – фотоизлучатели (светодиоды и лазеры) и фотоприемники (фоторезисторы, фотодиоды, фототранзисторы и фототиристоры), а также оптроны.

Оптронами называют приборы, в которых имеются и источники, и приемники излучения, конструктивно объединенные и помещенные в один корпус. Широко используются оптроны, в которых применяются пары светодиод – фотодиод, светодиод – фототранзитор, светодиод – фототиристор.

Устройства оптоэлектроники имеют ряд достоинств. В них обеспечивается практически полная гальваническая развязка между входной и выходной цепями. Отсутствует обратное влияние приемника сигнала на его источник. Легко согласуются между собой электрические цепи с разными входными и выходными импедансами. Оптоэлектронные устройства имеют широкую полосу пропускания и преобразования сигналов, большое быстродействие и высокую информационную емкость оптических каналов связи. На оптические цепи не влияют всевозможные помехи, вызванные электрическими и магнитными полями.

Рис.5.7. Симисторный регулятор мощности с широким диапазоном регулировки и встроенным подавлением помех

В устройствах оптоэлектроники передача информации от источника оптического излучения к приемнику осуществляется через светопроводящую среду (воздух, вакуум) или специальные световоды (оптические волокна или планарные волноводы), выполняющие роль проводника оптического излучения. По существу, световоды в световодных системах являются эквивалентами электрических проводов в электронных системах. Световодные линии передачи информации характеризуются большой пропускной способностью, т.е. возможностью совмещать в одном световоде большое количество каналов связи при очень высокой скорости передачи информации, достигающей десятков гигабит в секунду. Несколько каналов информации можно объединить в одном световоде, так как оптическое излучение легко разделяется по длинам волн.

Светодиоды

Светодиод представляет собой излучающий p-n переход, свечение в котором возникает вследствие рекомбинации носителей заряда (электронов и дырок). Оно наблюдается при смещении перехода в прямом направлении.

Условное графическое обозначение и схема включения диода изображены на рис.6.1. Ограничивающий резистор R задает величину тока через светодиод.

Рис.6.1. Схема включения светодиода

Рис.6.2. Внешний вид светодиода

Цвет излучения светодиодов определяется материалом, из которого они изготовлены. Наиболее часто встречаются светодиоды красного, зеленого, желтого, оранжевого свечения. Помимо светодиодов, дающих видимое свечение, выпускаются светодиоды инфракрасного излучения (ИК), изготовляемые преимущественно из арсенида галлия. Они применяются в фотореле, различных датчиках и входят в состав некоторых оптронов. Все пульты дистанционного управления бытовой техники работают на ИК светодиодах. Преимущество этих приборов заключается в том, что на них не влияет свет видимой части спектра, источником которого является солнце и осветительные приборы.

Существуют светодиоды переменного цвета свечения с двумя светоизлучающими переходами, цвет свечения зависит от соотношения токов через переходы. Существуют комбинированные приборы, в одном корпусе которых конструктивно совмещены два и более светодиода разных цветов.

Светодиоды характеризуются следующими параметрами.

- сила света, измеряемая в канделах и указываемая для определенного значения прямого тока. У светодиодов сила света обычно составляет десятые доли или единицы милликандел. На рис.6.3 показана зависимость силы света от тока для светоизлучающего диода типа АЛС316А;

Рис.6.3. Зависимость силы света от тока

- яркость, равная отношению силы света к площади светящейся поверхности. Она составляет десятки – сотни кандел на квадратный сантиметр;

- постоянное прямое напряжение (2 -3 В);

- цвет свечения и длина волны, соответствующие максимальному световому потоку;

- максимальный допустимый прямой ток. Обычно он составляет десятки миллиампер;

- максимально допустимое постоянное обратное напряжение (единицы вольт);

- диапазон температур окружающей среды.

Важной характеристикой является диаграмма направленности излучения, которая определяется конструкцией диода, в частности, наличием линзы.

Светодиоды являются основой более сложных приборов.

Линейная светодиодная шкала представляет собой интегральную микросхему, состоящую из последовательно размещенных светодиодных структур (сегментов), число которых может быть от 5 до 100. Такие линейные шкалы могут заменять щитовые измерительные приборы и служат для отображения непрерывно изменяющейся информации. На рис.6.4 показан линейный индикатор фирмы «Microbus», предназначенный для индикации температуры.

Рис.6.4. Линейный светодиодный индикатор

Цифро-буквенный светодиодный индикатор также сделан в виде интегральной микросхемы из нескольких светодиодных структур, расположенных так, чтобы при соответствующих комбинациях светящихся сегментов получалось изображение буквы или цифры. Одноразрядные индикаторы позволяют воспроизвести одну цифру от 0 до 9 или некоторые буквы. Многоразрядные индикаторы воспроизводят одновременно несколько знаков. У большинства индикаторов сегменты имеют вид полосок (обычно 7 для каждого разряда).

Рис.6.5. Семисегментный светодиодный индикатор

Выпускаются также матричные индикаторы, имеющие различное количество точечных светодиодных элементов, из которых синтезируются любые знаки. Выпускаются многоэлементные блоки, содержащие сотни тысяч светодиодов для получения сложных изображений. На таком принципе создаются плоские экраны телевизионных приемников больших размеров.

Рис.6.6. Матричный светодиодный индикатор

6.3. Фоторезисторы

Фоторезистор представляет собой полупроводниковый резистор, сопротивление которого изменяется под действием излучения.

Рис.6.7. Схема включения фоторезистора

Схема включения фоторезистора приведена на рис.6.7. Полярность источника питания не играет роли.

Если облучения нет, фоторезистор имеет некоторое большое сопротивление R_Т, называемое темновым. Оно является одним из параметров фоторезистора и составляет 10⁴ – 10⁷ Ом. Соответствующий ток через фоторезистор называют темновым током. При действии излучения на фоторезистор его сопротивление уменьшается.

Фоторезисторы характеризуются удельной чувствительностью S, т.е. интегральной чувствительностью (отношение фототока к вызвавшему его потоку белого света) S=I/(ФU), где Ф – световой поток.

Обычно удельная чувствительность составляет несколько сотен или тысяч микроампер на вольт-люмен.

Фоторезисторы имеют линейную вольт-амперную и нелинейную энергетическую характеристику (рис.6.8). К параметрам фоторезисторов относятся также максимальное допустимое напряжение (до 600В), кратность изменения сопротивления, температурный коэффициент фототока.

Рис.6.8. ВАХ(а) и энергетическая (б) характеристика фоторезистора

К недостаткам фоторезисторов следует отнести значительную зависимость сопротивления от температуры, большую инерционность и значительный уровень собственных шумов.

Фотодиоды

Фотодиоды представляют собой полупроводниковые диоды, в которых используется зависимость обратного тока от светового потока. Такой режим работы называется фотодиодным (рис.6.9). Вольт-амперные характеристики для фотодиодного режима приведены на рис.6.10.

Рис.6.9. Схема включения фотодиода для работы в фотодиодном режиме

Рис.6.10. Вольт-амперные характеристики фотодиода для фотодиодного режима

Если светового потока нет, то через фотодиод протекает начальный ток I₀, который называют темновым. Под действием светового потока ток в диоде возрастает и характеристика располагается выше. Чем больше световой поток, тем больше ток. Повышение обратного напряжения на диоде незначительно увеличивает ток. При некотором напряжении возникает электрический пробой (штриховые участки характеристик). Энергетические характеристики фотодиода линейны и мало зависят от напряжения (рис.6.11).

Интегральная чувствительность фотодиода обычно составляет десятки миллиампер на люмен. Инерционность фотодиодов невелика, они могут работать на частотах до сотен мегагерц.

Рис.6.11. Энергетические характеристики фотодиода

Фотодиоды, работающие в режиме фотогенератора (фотогальванический режим), служат для преобразования энергии излучения в электрическую энергию. По существу, они представляют собой фотодиоды, работающие без источника внешнего напряжения и создающие собственную ЭДС под действие излучения. Схема включения диода в фотогенераторном режиме и зависимость фото-ЭДС от светового потока приведены на рис.6.12, 6.13.

Рис.6.12. Схема включения диода в фотогенераторном режиме

Рис.6.13. Зависимость фото-ЭДС от светового потока

При облучении фотодиода на его выводах возникает разность потенциалов, которую называют фото-ЭДС. С увеличением светового потока фото-ЭДС растет по нелинейному закону, ее значение может достигать нескольких десятых долей вольта.

В настоящее время важное значение имеют кремниевые фотоэлементы, используемые в качестве солнечных преобразователей. Они преобразуют энергию солнечных лучей в электрическую, и ЭДС их достигает 0.5 В. Из таких элементов путем последовательного и параллельного соединения создаются солнечные батареи, которые обладают сравнительно высоким КПД (до 20%) и могут развивать мощность до нескольких киловатт. Пока энергия, вырабатываемая солнечными элементами, примерно в 50 раз дороже энергии, получаемой из угля, нефти или урана. Ожидается, что эта величина будет снижаться.

Солнечные батареи из кремниевых фотодиодов – это основные источники питания на искусственных спутниках Земли, космических кораблях, автоматических метеостанциях и др. В южных странах солнечные батареи повсеместно используются для генерации электроэнергии для бытовых нужд. Практическое применение солнечных батарей непрерывно расширяется.