Многоэлементные фотоприемники (матрицы фотоприемников).

Матрицы фотоприемников при небольших размерах (около 10 мм) содержат несколько тысяч элементов. Многоэлементные фотоприемники позволяют анализировать оптическое изображение, т.к. они реагируют не только на яркость, но и на пространственные характеристики объекта, т.е. позволяют создавать его зрительный образ. Фотоприемные матрицы могут быть построены на основе большого числа фоторезистивных, фотодиодных, фототранзисторных элементов. (Пример: матрица МФ-14 – 32х32=1024; МФ-16 – 16х16=256 элементов размером 0,1∙0,1мм каждый). Фотоприемные матрицы можно использовать в качестве позиционно-чувствительных датчиков (для определения координат изображения); как твердотельные аналоги вакуумных передающих телевизионных трубок.

5.4. Люминесцентные и фотохимические приемники

Люминесцентные приемники

Люминесцентные приемники излучения преобразуют излучение одного спектрального состава в излучение другого спектрального состава (например, ИК-изображения в видимое).

Фотохимические приемники

Фотохимические приемники – энергия падающего излучения вызывает различные химические превращения (Примеры: человеческий глаз, фотопленка).

Контрольные вопросы

1. Классификация приемников оптического излучения.

2. Тепловые приемники: принцип действия, классификация.

3. Термоэлементы, болометры.

4. Пироприемники.

5. Оптико-акустические приемники.

6. Люминесцентные, фотохимические приемники.

7. Фотоэлектрические приемники, работающие на внешнем фотоэффекте.

8. Принцип действия фотоэлементов.

9. Принцип действия фотоэлектронных умножителей.

10. Электронно-оптический преобразователь.

11. Фотоэлектрические приемники, работающие на внутреннем фотоэффекте.

12. Фоторезистор.

13. Фотогальванический элемент, работающий в фотовальтаическом режиме.

14. Фотогальванический элемент, работающий в фотодиодном режиме.

15. Конструкция и принцип работы p-i-n – фотодиода.

16. Конструкция и принцип работы ЛФД.

17. Гетерофотодиоды, биполярные фототранзисторы, фототиристоры.

18. Многоэлементные фотоприемные матрицы.

Лекция 6 компоненты оптоэлектронных приборов (часть 3)

6.1. Оптроны

Устройство и основные параметры оптронов

Оптрон - это прибор, содержащий источник и приемник излучения, которые оптически и конструктивно связаны друг с другом. Источниками света могут служить лампы накаливания, неоновые лампы, электролюминесцентные панели, однако в большинстве случаев ими являются светодиоды. В качестве приемника излучения используют фоторезисторы, фотодиоды, фототранзисторы и фототиристоры. Средой оптического канала, связывающего излучатель и приемник, могут служить воздух, стекло, пластмасса и другие прозрачные вещества.

Э лементарный оптрон, содержащий один источник и один приемник излучения, называют также оптопарой. Оптроны, объединенные в микросхему с одним или несколькими согласующими или усиливающими устройствами, образуют оптоэлектронную интегральную микросхему.

В оптронах происходит двойное преобразование энергии (рис. 6.1). Входной электрический сигнал (характеризующийся силой тока I₁ или напряжением u₁) преобразуется источником излучения 1 в световой (поток света Ф₁), который передается затем по оптическому каналу 2 к фотоприемнику 3. Фотоприемник осуществляет обратное превращение светового сигнала в электрический с параметрами I₂ и u₂. Среда оптического канала может быть управляемой (например, обладать электрооптическими свойствами), что отражено на рис. 6.1 введением в схему устройства управления 4, которое преобразует световой поток Ф₁ в поток Ф₂. Для согласования параметров оптронов с другими элементами электронных схем могут использоваться дополнительные входные и выходные устройства.

На рис. 6.1 фотоприемник и излучатель электрически не соединены друг с другом. Такие оптроны с успехом могут использоваться в качестве элементов гальванической развязки. Однако введение электрической, а также оптической обратной связи между компонентами оптрона способно существенно расширить его возможности. В этом случае он может быть использован как прибор, позволяющий генерировать и усиливать электрические и оптические сигналы, как запоминающее устройство и т. д.

Кроме указанных достоинств, оптрон характеризуется: высокой помехозащищенностью (поскольку его оптический канал невосприимчив к воздействию посторонних электромагнитных полей), а также однонаправленностью передачи оптического сигнала; широкой частотной полосой пропускания, в частности способностью преобразовывать и передавать не только импульсные сигналы, но и постоянную составляющую; совместимостью с другими изделиями полупроводниковой микроэлектроники.

Среди недостатков, присущих современным оптронам, необходимо, прежде всего, отметить их низкий КПД, что часто связано с большими потерями энергии при преобразовании электрического сигнала в оптический и обратно. Так же как и у других полупроводниковых приборов, параметры оптрона чувствительны к изменению температуры. От температуры, в частности, сильно зависит срок службы таких устройств, который и так во многих случаях оказывается недостаточно высоким даже при комнатной температуре. К недостаткам нужно отнести также относительно высокий уровень собственных шумов оптронов. Кроме того, оптроны изготавливают по гибридной технологии, при этом значительную сложность представляет точное совмещение разнородных элементов (излучатель и фотоприемник) в одном устройстве.

Перечисленные недостатки ограничивают область применения оптронов, однако по мере совершенствования материалов и технологии, решения ряда схемотехнических задач эти недостатки проявляются все в меньшей степени.

Суммарное быстродействие оптопары часто характеризуют временем переключения:

,

где t₁, t₂ - время соответственно нарастания и спада сигнала на выходе оптрона. Время переключения неодинаково у разных типов оптопар, оно зависит также от режимов их работы и может составлять от10^-9 до10^-1 с. Кроме времени переключения, быстродействие некоторых классов оптронов может быть задано граничной частотой f_гр. В зависимости от типа оптрона f_гр = 0,005…10 МГц.

Параметром, часто используемым на практике, является коэффициент передачи по току (статический):

.

В общем случае, особенно при высоких температурах, когда существен темновой ток I_т на выходе фотоприемника:

.

Для большинства типов оптопар k_I является паспортным параметром, причем он может составлять от 0,5% (диодные оптопары) до 1000% (транзисторные оптопары с составным фототранзистором).

Важными характеристиками оптопары являются параметры ее изоляции. Среди этих параметров - максимально допустимое напряжение между входом и выходом, сопротивление изоляции R_из и проходная емкость С_пр (емкость между входом и выходом оптопары). У большинства типов оптопар R_из может достигать 10^-12 Ом, что исключает обратную связь фотоприемника и излучателя по постоянному току. В то же время связь по переменному току может оказаться существенной. Действительно, скачок напряжения ΔU₂ на выходе оптопары (за время Δt) может привести к тому, что через излучатель оптопары пойдет емкостный ток, который может привести к заметному сигналу на выходе даже при малой проходной емкости:

.

В связи с этим для многих типов оптопар приобретает актуальность задача снижения С_пр (обычно С_пр имеет порядок 1 пФ), решение которой может быть связано, например, с увеличением длины оптического канала между излучателем и фотоприемником.