Разновидности оптоэлектронных приборов

История создания светоизлучающего диода (СИД) - первого твердотельного источника света начинается с исследований советского ученого О. Лосева в 1923 г. "Эффект Лосева" ("Lossev light") составил базу для создания светодиода. Практическая раз-работка СИД, как и многих других полупроводниковых прибо-ров, стала возможной после изобретения транзистора, появления микроэлектронных технологий и синтеза высокочистых полупро-водников. СИД принципиально отличается от других электрон-ных приборов, поскольку в нем осуществляется преобразование электрического тока в световое излучение. Благодаря этому свой-ству СИД можно отнести к первому оптоэлектронному прибору.

Первые светодиоды на основе GaAs инфракрасного диапазона были получены в 1955 г., а в 1962 г. разработаны СИД на GaP, излучающие красный свет. Первоначально светодиоды рас-сматривали в качестве точечных источников света. Однако полу-проводниковая технология вновь оказала революционизирующее значение.

В истории появления и развития индикаторов, позволяющих отображать информацию в зрительно воспринимаемых об-разах прослеживается несколько периодов. В конце 1950-х гг. использовали так называемые цифровые газоразрядные (неоно-вые) индикаторы. Индикатор представлял собой стеклянный ва-куумный баллон с набором из десяти (0 - 9) проволочных цифр с ярким, но неустойчивым свечением. В 1967 г. были получены многоэлементные СИД-индикаторы красного цвета на основе полупроводникового раствора GaAs. К 1968 г. их стали приме-нять в качестве индикаторов практически во всей электронной аппаратуре - бытовой, промышленной, вычислительной и др. За-тем удалось получить оранжевый, желтый и зеленый цвета. В 1968 г. фирма Hewlet-Packard объявила о создании первой ком-мерческой матрицы светоизлучающих диодов.

Важным направлением являются жидкокристаллические (ЖК) индикаторы. Жидкие кристаллы на основе органических соединений были открыты еще в 1889 г. В 1930-х гг. были разра-ботаны основы теории и обнаружены многие интересные свойст-ва природных жидких кристаллов. Практического применения они не находили, т. к. были химически загрязнены. Жидкокри-сталлические свойства в них проявлялись нестабильно. В середи-не 1960-х гг. благодаря появлению микроэлектронной технологии получения сверхчистых материалов ЖК-индикаторы (ЖКИ) ста-ли быстро развиваться. К концу 1960-х гг. жидкокристаллические индикаторы (ЖКИ) нашли широкое применение в радиоэлектро-нике и вычислительной технике, приборостроении, химии, био-логии и медицине. Основные достоинства ЖКИ - малая потреб-ляемой мощности и относительно большая площадь экрана. Чуть позже были синтезированы цветные ЖКИ.

В 1970-е гг. были созданы различные усовершенствован-ные вакуумные и газоразрядные индикаторы. Первыми среди них были плазменные панели - универсальные индикаторы, удобные для применения в общественных местах. Вакуумные люминес-центные индикаторы (ВЛИ) имели низкую стоимость. Они нашли широкое применение, прежде всего, в настольных калькуляторах и мини - ЭВМ. В начале 1970-х гг. появились жидкокристалличе-ские плоские экраны, прочно вошедшие в бытовую технику. Со второй половины 1980-х гг. ЖКИ стали доминировать: из каждых десяти индикаторов, изготавливаемых в мире, восемь - девять приходилось на долю ЖКИ.

Усовершенствованные в это время СИД-индикаторы бы-ли миниатюрными, дешевыми, совместимыми с ИС и обладали высокой яркостью излучения. Благодаря этому, светодиодные матрицы, экраны и табло стали широко применяться в самой раз-нообразной аппаратуре промышленного, бытового и военного назначения, в частности, на вокзалах, в аэропортах, светофорах и т.п. Светодиодные индикаторы знакомы каждому по радиоэлек-тронной аппаратуре, часам и пр.

В 1961 г. был изобретен принципиально новый прибор, конструктивно объединивший в едином корпусе излучатель и фотоприемник, между которыми была прямая оптическая связь. Он был назван оптроном (optical-electronic device). Сначала оп-троны не находили промышленного применения из-за отсутст-вия необходимой элементной базы. Их промышленное производ-ство и продажа начались в 1970 г., что подтвердило становление оптоэлектроники в качестве самостоятельного направления элек-троники. Сочетая в себе функции элемента связи и гальваниче-ской развязки, оптрон обладал высокой электрической изоляци-ей и помехозащищенностью. Эти достоинства были достигнуты благодаря использованию оптической, а не электрической связи. Миниатюрность, долговечность, совместимость с микроэлектронной элементной базой обеспечили оптронам широкое при-менение в вычислительной технике, автоматике, связи, радиотех-нике, медицинской электронике, приборостроении и роботизиро-ванных системах.

Наряду с развитием светоизлучающих электронных приборов совершенствовались фоточувствительные электронные приборы, называемые многоэлементными фотоприемниками. Первые из них были построены на фоторезисторах и фотодиодах. Сигнал, формируемый в одном элементе, был пропорционален локальной освещенности данного фоторезистора или фотодиода. Основные трудности были связаны со сканированием со-вокупности всех сигналов на выход прибора, что резко ограничи-вало количество элементов на одном кристалле. Эта проблема была решена благодаря появлению приборов с зарядовой связью (ПЗС).

Отличительной особенностью ПЗС является интегрирование всех функций многоэлементных фотоприемников, как приборов, преобразующих изображение из оптической формы в электронную. Они сочетают возможности фотоприемника с механизмом встроенного электронного самосканирования, что и обеспечивает преобразование изображения в видеосигнал, в том числе и "цветной".

Среди многочисленных изобретений В. Зворыкина был прибор, в основе которого лежала идея передачи заряда, анало-гичная современным ПЗС. Это устройство было предложено им в 1930-х гг., но реального применения тогда не получило в силу отсутствия теоретических и технологических основ. ПЗС были изобретены в 1969 г. Б. Бойлом и Дж. Е. Смитом, сотрудниками Bell Laboratories и стали новыми полупроводниковыми прибора-ми с оптоэлектронными функциями. ПЗС сразу стали называть «электронным зрением», поскольку они воспринимали световую картину и преобразовывали ее в специальные электрические сиг-налы, передающие изображение на телевизионный экран. В ближайшие пять-десять лет эти оптоэлектронные приборы пре-вратились в один из важнейших классов изделий микроэлектроники. Через несколько лет после изобретения ПЗС начался их промышленный выпуск. Первые сообщения о телевизионных ка-мерах на ПЗС появились в 1974 г. Фоточувствительные ПЗС (ФПЗС) стали основой телевизионных передающих камер и сис-тем технического зрения промышленных роботов нового поколе-ния. В ведущих странах мира, включая СССР, появилась доста-точно широкая номенклатура линейных и матричных ПЗС и из-делий на их основе. Это были бытовые видеокамеры для приема черно - белых и цветных изображений, сканеры, считыватели штриховых кодов, малогабаритные системы наблюдения и охра-ны.

В 1970-е гг. в СССР и США продолжались работы по многоэлементным фотодиодным приемникам, в которых считы-вание осуществлялось с помощью дешифраторов, построенных на МОП транзисторах. Эти приборы пока не могли составить конкуренцию ПЗС, однако они явились прообразом современных КМОП фотодиодных БИС, позволявших реализовать однокри-стальные цифровые камеры и системы технического зрения.