6.2. Напівпровідникові оптоелектронні пристрої

В оптоелектронних пристроях обробка, запам'ятовування та зберігання інформації здійснюється на основі сумісного використання електричних та оптичних явищ.

Сучасні мікроелектронні вироби на базі ІМС мають малу потужність вихідних сигналів і низьку міцність ізоляції. Напруга живлення більшості ІМС лежить в межах 5-15 В. Тому спряження таких виробів з силовими традиційними елемента­ми (реле, електродвигунами, електронагрівачами та іншими) вимагає не тільки підсилення сигналу, але й гальванічного розв'язку низьковольтних мікроелектронних кіл від кіл з промисловою напругою. Застосування оптичного каналу дозволяє забезпечити надійну електричну ізоляцію між системами низької та високої напруги.

Елементну базу оптоелектроніки представляють:

• оптовипромінювачі - перетворювачі електричної енергії у світлову;

• фотоприймачі - перетворювачі світлової енергії в електричну;

• оптоелектронні прилади - прилади для забезпечення електричної ізоляції при передачі енергії та інформації по світловому каналу;

• світловоди.

Розглянемо найбільш поширені у промисловій електроніці напівпровідникові джерела та приймачі світлового випромінювання.

Напівпровідниковим випромінювачем світла є випромінювальний світлодіод. Світлодіоди - це напівпровідникові діоди, які випромінюють кванти світла внаслідок рекомбінації носіїв зарядів у зоні р - n-переходу під час протікання струму в прямому напрямку. Світлодіоди бувають точкові та сегментні і широко використо­вуються в знакоцифрових та інших індикаторах. Світлодіоди випускають у вигляді окремих елементів або матричних груп для індикації інформації у вигляді літер, цифр та різних символів.

До фотоприймачів відносяться фотодіоди, фототранзистори, фототиристори та інші прилади.

Фотодіод — напівпровідниковий фотоелектричний прилад з внутрішнім фотоефектом, який має один р - п-перехід і два виводи. Фотодіоди можуть працювати в режимі фотогенератора або в режимі фотоперетворювача. На рис. 4.4, а показані ВАХ фотодіода, а на рис. 6.4, б - схема з'єднань, яка забезпечує його роботу в режимі фотоперетворювача.

Коли фотодіод не освітлено, його ВАХ проходить через точки С-O-F на рис. 6.4, а і має вигляд ВАХ звичайного діода. В освітленому стані ВАХ фотодіода змінюється і проходить через точки F-А-В-Н. Точка А відповідає режиму холостого ходу фотогенератора (I = 0, U = т_и • ОА), а точка В - режиму короткого замикання генератора (U = 0, I_k = т_и • ОВ). ЕРС фотогенератора досягає звичайно 0,5÷0,6 В, а струм короткого замикання не перевищує 0,5 ÷ 1 мА. Тому потужність, яку можна отримати від фотодіода - долі мілівата.

Для збільшення потужності в колі навантаження R використовують схему з зовнішнім джерелом ЕРС Е (рис. 6.4, б). Якщо світлодіод неосвітлений, він працює в точці С перетину зворотної вітки ВАХ і лінії навантаження CD. В темноті діод має великий зворотній опір і спад напруги на ньому набагато більший від спаду напруги на резисторі R, U'_фд >> U'_R = R*І. Після освітлення фотодіода його зворотний опір зменшується і він працює в точці G, де напруга на ньому U''_фд >> U''_R. Напруга U''_R набагато більша від напруг, можливих на ділянці АВ, а струм — трохи більший від струму короткого замикання фотогенератора.

Рис. 6.4 Фотодіод

Фотодіоди можуть застосовуватись як і фоторезистори для вимірювань або індикації наявності світлового потоку. В режимі фотогенератора вони використовуються як сонячні батереї.

У фототранзисторі без виводу бази у зовнішнє коло струм І₆ = 0 відповідно (5.1) струм колектора

У фототранзисторі зворотний струм І_кз є функцією світлового потоку Ф. При освітленні бази або області колекторного переходу струм не основних носіїв заряду І_кз збільшується, відповідно у  +1 раз збільшується струм колектора І_k. Тому потужність сигналу в фототранзисторі може бути значно більшою, ніж у фотодіоді при однаковому рівні напруги джерела живлення. Позначення фототранзистора на електричних схемах показано на рис. 6.5, а.

Позначення фототиристора показано на рис. 6.5, б. Збільшення світлового потоку стимулює відкривання тиристора при відсутності керуючого електрода.

Оптопара (рис. 6.5, в) має у своєму складі випромінювач (світлодіод) та фотоприймач (фотодіод, фототранзистор або фототиристор), між якими ввімкнено оптичний канал для передачі світла від випромінювача до приймача. В оптопарах повністю відсутній електричний та магнітний зв'язок між випромінювачем та приймачем. Електрична міцність матеріалів, з яких виготовляють оптопари, дозволяє передавати сигнали при різності потенціалів між випромінювачем та фотоприймачем у декілька тисяч вольт.

Рис. 6.5 Оптоприлади

Недоліком діодної оптопари є малий коефіцієнт передачі струму. При викорис­танні фототранзистора можна отримати підсилення струму. Загальним недоліком оптопар є нелінійність залежності вихідного сигналу від вхідного.

Передача інформації від випромінювача до фотоприймача може відбуватися по світловодах: гнучких шлангах у складі відбивальної оболонки та серцевини з органічного або неорганічного скла. Передача інформації по світловодах забезпечує повну захищеність від електромеханічних завад.