1.10. ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЕ ОПТОЭЛЕКТРОННЫЕ ПРИБОРЫ

Оптоэлектроника — это раздел наукн и техники, в ротором изучаются вопросы генерации, обработки, запоминания и хранения информации на основе совместного использования электрических и оптических ивлений. Оптоэлектронные приборы используют при своей работе электромагнитное излучение оптического диапазона.

Современная микроэлектроника не решила проблему всеобщей микроминиатюризации электронной аппаратуры. Такие традиционные элементы, как трансформаторы, разъемные контакты, конденсаторы большой емкости плохо совмещаются с интегральными компонентами из-за больших габаритов. Особые трудности вызывает обеспечение электрической изоляции при связи двух систем: высоковольтной и низковольтной. В частности, такая задача возникает при создании устройств управления высоковольтными установками большой электроэнергии. Здесь на помощь приходит оптоэлектроника. Применение оптического канала связи позволяет обеспечить надежную электрическую изоляцию любых систем, исключить громоздкие реактивные и контактные компоненты, повысить надежность работы оборудования.

Элементная база оптоэлектроники включает в себя:

1) оптоизлучатели - преобразователи электрической энергии в световую;

2) фотоэлектрические приемники излучения (фотоприемники) — преобразователи световой энергии в электрическую;

3) приборы для электрической изоляции при передаче энергии и информации по световому каналу — оптоэлектронные приборы (оптопары);

4) световоды.

Ограничимся рассмотрением наиболее часто применяющихся в промышленной электронике полупроводниковых оптопар, источников или приемников некогерентного излучения.

Полупроводниковым излучателем света является светоизлучающий диод. Известно, что при рекомбинации носителей, т. е. возвращении электрона из зоны проводимости в валентную зону, излучается квант энергии. Наиболее интенсивно рекомбинация происходит вблизи перехода, когда основные носители преодолевают потенциальный барьер и рекомбинируют. Для создания светоизлучающих диодов используют сложные полупроводниковые материалы, у которых квант энергии излучается в оптическом (или инфракрасном) диапазоне, например фосфид галлия, арсенид галлия или карбид кремния. Излучение происходит при пропускании через прибор тока в прямом направлении. Конструкция прибора обеспечивает передачу света от перехода без значительных потерь в толще полупроводника. ВАХ светоизлучающих диодов аналогична характеристикам обычных кремниевых и германиевых диодов.

Светоизлучающие диоды выпускаются в виде отдельных элементов или групп (матриц) для индикации информации в виде букв, цифр и различных символов. Они входят также в состав оптопар. Обозначение светоизлучающего диода на схемах приведено на рис. 1.20, а.

Рис. 1.20. Схемные обозначения светоизлучающего диода (а), фотодиода (б), фототранзистора (в), фототиристора (г) и диодного оптрона (д)

К числу фотоприемников относятся фотодиоды, фототранзисторы, фототиристоры и другие приборы. В § 1.1 было упомянуто явление термогенерации, т. е. перехода электрона из валентной зоны в зону проводимости при нагреве. Аналогичный переход может произойти, если на слой полупроводника воздействовать светом. В результате увеличения числа неосновных носителей увеличивается проводимость вещества (появление фотопроводимости). При облучении светом перехода увеличивается ток неосновных носителей, т. е. увеличивается обратный ток этого перехода: где — световой поток.

На этом основана работа фотодиода, к которому подключается источник обратного напряжения через сопротивление нагрузки . При увеличении Ф увеличивается и растет падение напряжения на нагрузке Обозначение фотодиода на схемах приведено на рис. .

Работа фототранзистора также основана на фотопроводимости. В транзисторе без вывода базы во внешнюю цепь (т е. при ) ток в соответствии с (1.4) определяется

При облучении базы или области коллекторного перехода изменяется ток неосновных носителей пропорционально изменяется . В транзисторе с ОЭ ток усиливается в раз, поэтому мощность сигнала может быть выше, чем в фотодиоде, при том же уровне напряжений источника питания Е. Обозначение фототранзистора приведено на схеме рис. 1.20, в.

Принцип действия фототиристора (схемное обозначение приведено на рис. 1.20,г) на изменении тока воздействии светового облучения. При отсутствии управляющего электрода ток тиристора описывается выражением, получаемым из (1.9):

В фототиристоре . При увеличении светового потока растет и анодный ток . Как показано в § 1.7, при этом увеличиваются коэффициенты , а при достижении тиристор открывается. Таким образом, рост тока при увеличении светового потока стимулирует отпирание тиристора. Ток открытого тиристора может во много раз превышать значение .

Такпм образом, управляемые полупроводниковые приборы (транзистор и тирнстор) в качестве сигнала управления могут использовать товое излучение.

Оптопара состоит из излучателя (светодиод) и фотоприемника (фотодиод, фототранзистор или фототиристор), между ними включен оптический канал, передающий свет от излучателя к приемнику. Обозначение диодной оптопары, состоящей светодиода и фотодиода, приведено на рис. . В оптопарах полностью отсутствует электрическая и магнитная связь между излучателем и приемником. Электрическая прочность материалов, из которых изготавливают оптопары, позволяет передавать сигналы при разности потенциалов между излучателем и фотоприемником в несколько тысяч вольт. При этом полностью исключаются паразитные каналы передачи информации через собственные емкости, магнитное поле рассеяния и т. п. Недостатком диодной оптопары является малый коэффициент передачи по току .

При использовании в качестве фотоприемника фототранзистора может быть получено усиление тока. Общим недостатком оптопар является нелинейность зависимости выходного сигнала от входного, обусловленная нелинейностью характеристик оптопар.

Передача информации от излучателя к фотоприемнику может производиться с помощью световодов: гибких шлангов, состоящих из отражающей оболочки и сердцевины из органического или неорганического стекла. Передача информации по световодам обеспечивает полную защищенность от электромагнитных помех.

Оптоэлектронные приборы находят все более широкое применение в информационной и энергетической электронике, в различных устройствах для передачи и отображения информации.