logo
srs-ME_TK_EVC

Компоненты функциональной оптоэлектроники

В устройствах оптоэлектроники используют диапазон электро­магнитных волн в пределах 0,4... 1,6 мкм, где носителями информа­ции являются фотоны (динамические неоднородности оптической среды). К специфике фотонов относится двойственность их свойств. Волновые свойства проявляются в интерференции, а корпускулярные - в квантовом взаимодействии. Фотоны обладают нулевым заря­дом (электрически нейтральны), что позволяет осуществить передачу нескольких сигналов по одному каналу без взаимных помех при широ­кой полосе (гораздо шире диапазона традиционных радиоволн).

Оптический сигнал имеет достаточно большое количество сте­пеней свободы - длина волны, интенсивность, фаза, поляризация, направление распространения в трехмерном пространстве. Все они могут быть использованы для передачи и обработки информации.

В качестве источника световой энергии в оптоэлектронике ча­ще всего применяют светоизлучающие диоды (светодиоды) и полу­проводниковые лазеры.

Действие полупроводниковых излучателей света основано на излучательной рекомбинации подвижной пары «электрон-дырка», являющихся разноименными носителями заряда в кристалле полу­проводника. При возникновении излучательной рекомбинации про­исходит перераспределение энергии внутри полупроводника так, что излучается световой квант. Безизлучательная рекомбинация сопро­вождается выделением тепловой энергии. Излучательная рекомби­нация присуща таким сложным полупроводникам, как арсенид гал­лия GaAs, арсенид индия InAs, антимонид индия InSb. Наибольшую световую мощность позволяют получить светодиоды на GaAs (ши­рина запрещенной зоны около 1,5 эВ), в которые вводят примесные атомы Si и Ge.

В рабочем режиме на р-n-переход светодиода подают прямое смещение, вследствие чего электроны и дырки, инжектируемые в базовую область, рекомбинируют в ней с основными носителями зарядов, выделяя при этом кванты света.

Вольтамперная характеристика светодиода весьма близка к соответствующей зависимости обычного диода, но в степенном по­казателе экспоненты аналитической записи тока светодиода

присутствует коэффициент mг, который обусловлен механизмом рекомбинации и конструктивно-технологическими особенностями (для большинства светодиодов mr находится в пределах 1 ...2); фт - тепловой потенциал (при нормальной температуре составляет около 26 мВ).

Длина световой волны, излучаемой светодиодами на арсениде галлия GaAs , соответствует инфракрасному диапазону (0,9...1,4 мкм), у светодиодов на фосфиде галлия GaP - красному видимому свету (0,7 мкм), у светодиодов на карбиде кремния SiC - желтому (0,55 мкм). Включение и выключение светодиодов происходит за достаточно короткий промежуток времени (10-7...10-9с).

Действие фотоприемников основано на генерации электронно-дырочных пар, происходящей под влиянием квантов светового облучения.

У фотоприемных диодов фоточувствительный слой выпол­нен на р-n-переходе, включенном при обратном смещении (в запертом состоянии). Под воздействием квантов света в полупроводнике генерируются электронно-дырочные пары, которые захватываются сильным электрическим полем объемного заряда р-n-перехода и] образуют ток во внешней электрической цепи (рис. 20, а). При! отсутствии облучения через диод протекает темновой ток lT (обрат­ный ток р-n-перехода). Внешнее освещение увеличивает ток фото-диода за счет генерации электронно-дырочных пар (рис.20, б)

Рис. 20. Структура фотодиода (а) и его вольтамперные характеристики (б) при изменении светового потока Ф

В качестве фотоприемников могут быть также использованы фоторезисторы, фототранзисторы, фототиристоры.

Оптроном называется компонент РЭС, выполняющий задан­ные функции передачи информации (функции связи) и действие ко­торого основано на генерировании, распространении и детектирова­нии оптического сигнала, являющегося динамической неоднородно­стью. Оптрон состоит из светодиода, фотоприемника и оптической среды (световода), через которую осуществляется распространение оптическая сигнала. Генератором динамических неоднородностей (в виде фотонов) является светодиод. Управление осуществляют подачей электрических импульсов на генератор (или путем измене­ния геометрии световода).

Оптоэлектронная интегральная схема может состоять из од­ной или нескольких оптопар и электрически соединенных с ними од­ного или нескольких усилительных или согласующих устройств.

Электрически нейтральные фотоны, используемые для пере­носа информации, позволяют обеспечить электрическую развязку между входом и выходом оптрона (отсутствие между ними электрической связи по проводникам). К достоинствам относятся также: возможность бесконтактного управления цепями, однонаправлен­ность распространения информации, отсутствие обратной реакции приемника на генератор, широкая полоса пропускания по частоте, возможность управления выходным током оптрона с помощью воз­действия на его оптический канал связи, защищенность от влияния внешних электромагнитных полей и др.

Основной характеристикой оптрона является коэффициент передачи тока Кп = Iф /Iсд, где IФ- ток фотоприемника; Iсд - ток светоизлучателя. В светодиодном оптроне (рис. 21, б) обычно Кп < 1, поскольку отсутствует усиление, а квантовый выход светодиода не­велик. В резисторном оптроне (рис. 21, а) используют эффект фотопроводимости полупроводника (изменения электропроводности при освещении). Если в качестве фотоприемника используется би­полярный или полевой фототранзистор, то фототок значительно возрастает. Транзисторные оптроны (рис. 21, в) позволяют управлять коллекторным током как оптически, так и электрически по цепи базы, а транзистор может работать как в линейном, так и в ключевом режимах.

Тиристорные оптроны (рис. 21,г) предназначены для ком­ мутации электрических цепей (в том числе, сильных токов и высоких напряжений) в схемах управления, усилителях мощности, формиро­вателях импульсов и др.

Рис. 21. Условные обозначения оптронов: а - опторезистор; б- оптодиод; в - оптотранзистор; г – оптотиристор

Сильноточные ключи с гальванической развязкой между вы­водами управления и нагрузкой называют оптореле, которые экви­валентны электромагнитным реле с нормально разомкнутыми кон­тактами. Например, для некоторых оптореле напряжение изоляции между зажимами «вход-выход» и «выход-теплоотвод» составляет тысячи вольт при токе утечки в выключенном состоянии менее 1 мА. Ключевым элементом оптореле могут служить тиристор, симистор или полевой транзистор. Достоинствами оптореле являются малый ТОК управления, малое выходное остаточное напряжение, отсутст­вие электромеханических и электромагнитных помех, малые габа­ритные размеры и масса. На рис. 22 представлены типовые схе­мы включения оптореле типов КР249КН8 и 5П20.

Рис. 22. Типовые схемы включения оптореле типов КР249КН8 (а) и 5П20 (б)