19. Оптоэлектроника. Источники оптического излучения

Оптоэлектроника- это раздел электроники, где в качестве носителя информации используются электромагнитные волны оптического диапазона. Длина волн оптического диапазона лежит в диапазоне от 10нм до 1мм.

В устройствах оптоэлектроники передача информации от управляемого источника света к фотоприёмнику осуществляется через светопроводящую среду или световоды, выполняющие роль проводника оптического излучения.

Источники оптического излучения преобразуют электрическую энергию в энергию оптического излучения с определённой длиной волны или в узком диапазоне длин волн. В основе работы управляемых источников оптического излучения лежит одно из следующих физических явлений: температурное свечение, газоразрядное излучение, электролюминесценция, индуцированное излучение. Источники излучения бывают когерентными и некогерентными. Некогерентными источниками излучения являются: лампы накаливания, газоразрядные лампы, электролюминесцентные элементы, инжекционные светодиоды. Когерентными источниками излучения являются лазеры.

Основные параметры следующие:

• сила света Iv- световой поток, приходящийся на единицу телесного угла в заданном направлении, выражается в канделах (КД);

• яркость L - величина, равная отношению силы света к площади светящейся поверхности. Измеряется в канделах на квадратный метр (сантиметр) при заданном значении тока через диод;

• постоянное прямое напряжение на диоде;

• максимально допустимый постоянный ток диода. Определяет максимальную яркость излучения;

• максимально допустимое обратное постоянное напряжение на диоде Uобр.макс.

Основными характеристиками являются: вольт-амперная, яркостная и спектральная.

Рис.53. Вольт-амперная (а), яркостная (б), спектральная (в) характеристики светодиода

• Вольт-амперная характеристика характеризуется относительно малым предельно-допустимым обратным напряжением, что объясняется относительно малой толщиной p-n перехода.

• Яркостная характеристика L = f(I_пр) - это зависимость яркости свечения от прямого тока через диод. В начале и в конце характеристика имеет нелинейность.

• Спектральная характеристика - это зависимость мощности излучения от длины волны излучаемого света.

20. Фотоэлектрические приёмники излучения

Фотоприёмники-это оптоэлектронные приборы, предназначенные для преобразования энергии оптического излучения в электрическую. Для получения максимального преобразования оптического излучения в электрический сигнал необходимо иметь согласованные спектральные характеристики фотоизлучателей и фотоприёмников.

Работа фотоприёмников основана на одном из видов электрических явлений:

• внутренний фотоэффект;

• изменение электропроводности при его освещении;

• внешний фотоэффект-испускание веществом электронов под действием света;

• фотоэффект в запирающем слое-возникновение ЭДС на границе двух материалов под воздействием света.

• Все фотоприёмники можно подразделить на две группы:

• с внешним фотоэффектом и

• с внутренним фотоэффектом.

• Приборы в внешним фотоэффектом.

• К приборам с внешним фотоэффектом относятся вакуумные и газоразрядные фотоэлементы (ФЭ) и фотоэлектронные умножители (ФЭУ)

• Ф отоэлемент (ФЭ) – это электровакуумный или газоразрядный диод, в стеклянном баллоне которого установлены фо­токатод и фотоанод (рис. 96.).

• Ф

  Рис.56. Фотоэлемент

  отокатод представляет собой слой, покрывающий внутреннюю поверхность колбы, выполненный из полупроводникового материала, чувстви­тельного к внешнему излу­чению. Анод выполнен в виде кольца или рамки и размещен внутри колбы. ФЭ разделяются на вакуумные и газоразрядные.

• При отсутствии излучения анодный ток равен нулю. При освеще­нии фотокатода возникает фотоэмиссия и в цепи анода протекает ток.

• Фотоэлементы используются в первичных преобразователях ин­формации.

• Фотоэлектронный умножитель представляет собой электрова­куумный прибор, преобразующий энергию электромагнитного излуче­ния в электрические сигналы с использованием вторичной электронной эмиссии. Состоит из стеклянного баллона, внутри которого располо­жены ускоряющие электроды, умножительные электроды и анод. При освещении фотокатода возникает электронный поток, который фокуси­руется и направляется на умножительные электроды, где за счет вто­ричной эмиссии он усиливается и попадает на анод.

• Приборы, использующие внешний фотоэффект имеют большие размеры, высокую стоимость, трудно сопрягаются с электронными схемами и поэтому в настоящее время применяются редко

Приборы с внутренним фотоэффектом. К приборам с внутренним фотоэффектом относятся фоторезисторы, фотодиоды, фототранзисторы и фототиристоры. При внутреннем фотоэффекте происходит возбуждение электронов вещества, они переходят на более высокий энергетический уровень, что приводит к изменению концентрации свободных носителей заряда и электрических свойств вещества.

• Ф оторезистор представляет собой полупроводниковый прибор, сопротивление которого зависит от освещенности. На рис.57. показана конструкция фоторезистора и зависимость его сопротивления от свето­вого потока. Эта зависимость нелинейная. Фоторезисторы имеют высо­кую инерционность и многие из них не способны работать на частотах более 100Гц.

• Фотодиод представляет собой полупроводниковый прибор с p-n переходом, в котором используется внутренний фотоэффект. Устройство фотодиода аналогично устройству обычного плоскостного диода. Отличие состоит в том, что его p-n переход с одной стороны обращен к стеклянному окну, через которое поступает свет, и защищён от воздействия света с другой стороны (рис.59,а.).

• Р ис.59. Конструкция (а), условное обозначение (б) и вольт-амперная характеристика (в) фотодиода

Фототранзисторы.

Фототранзистором называется прибор с двумя p-n переходами, управляемый оптическим излучением. Фототранзисторы, как и обычные транзисторы, могут быть p-n-p и n-p-n типа. Конструктивно фоторезистор выполнен так, что световой поток облучает область базы.

Фототиристор - это четырёхслойная полупроводниковая структура управляемая световым потоком подобно тому, как триодные тиристоры управляются напряжением, подаваемый на управляющий электрод. На рис.62. приведена структурная схема фототиристора (а) и его вольт-амперная характеристика (б).

Рис.62. Структурная схема фототиристора (а) и его вольт-амперная характеристика (б)

Световой сигнал попадая на базовые области, вызывают генерацию неравновесных носителей и меняет напряжение включения фототиристора. Чем больше световой поток, тем при меньшем напряжении включается фототиристор (рис.62б). Достоинствами фототиристоров являются: малое потребление мощности во включенном состоянии, отсутствие искрения, малые размеры.

Фототиристоры применяются в качестве бесконтактных ключей, управляемых световым сигналом.