6.7.2 Контрольні запитання

1. Які особливості ІМС як нового типу електронних приладів?

2. Як класифікують ІМС за функціональним призначенням і технологією виготовлення?

3. Розшифруйте систему умовних позначень ІМС.

4. Чому в АІС використовують генератори стабільного струму та схеми зсуву рівнів напруг?

5. Чому диференціальні підсилювачі в інтегральному виконанні знаходять широке використання?

6. Як визначається коефіцієнт пригнічення синфазної завади?

7. Які параметри має ідеальний ОП?

8. Поясніть принцип віртуального замикання. Коли можливо його використовувати?

9. Накресліть схему неінвертуального вмикання ОП. Як визначається коефіцієнт підсилення?

10. Накресліть схему інвертуального вмикання ОП. Як визначається коефіцієнт підсилення?

11. Охарактеризуйте функціонально- вузловий метод проектування.

1

2

2.Які вимоги висувають ОП в імпульсному режимі?

Розділ 7. Оптоелектронні напівпровідникові прилади

7.1 Особливості оптоелектроніки

Оптоелектронні напівпровідникові прилади (ОЕНП) - це дискретні та інтегральні компоненти сучасних ЕС, які випромінюють або перетворюють електромагнітне випромінювання, чутливі до цього випромінювання у видиій, інфрачервоній та ультрафіолетовій областях спектра. Вони об’єднують такі типи напівпровідникових приладів: напівпровідникові випромінювачі, приймачі випромінювання, оптрони (оптопари), оптоелектронні ІМС.

Розвиток та впровадження ОЕНП пов’язані з досягненнями оптоелектроніки - одного з напрямів функціональної електроніки, яка обєднує нетрадиційні напрями подальшого вдосконалення систем передачі, перетворення та відображення інформації.

В оптоелектронних пристроях та системах сумісно з традиційними електричними процесами використовуються неелектричні – оптичні ефекти. В результаті реалізується не тільки технологічна інтеграція, яка характерна для напівпровідникових та гібридних мікросхем, а і функціональна , тобто в одному функціональному пристрої використовуються кілька явищ.

Матеріальна база оптоелектроніки значно багатша і різноманітніша за матеріальну базу електроніки. Основними складовими електроніки є напівпровідники, р-п‑переходи, МДН-структури, контакти метал – напівпровідник. Оптоелектронні пристрої будують з використанням значно ширшого набору матеріалів, таких як напівпровідники, сегнетоелектрики, феромагнетики, п’єзоелектрики, леговане та халкогенідне стекла, деякі органічні матеріали (сахароза, желатин та ін.).

Оптоелектронні пристрої – твердотілі; це дозволяє для їх виготовлення використовувати методи й обладнання сучасної інтегральної технології.

Основними структурними елементами оптоелектроніки є джерела світла, фотоприймачі, індикатори, лінії зв’язку, оптрони, які використовують в оптоелектронних системах оптичної пам’яті, передачі інформації тощо.

Функції керування та перетворення в оптоелектронній системі поряд з електронними процесами виконує світловий промінь. У традиційній електронній системі носії інформації – електрони та керувальне середовище – електричне поле мають однакову природу, що зумовлює низький захист системи від завад. В оптоелектроніці цього недоліку немає, бо носіями інформації є електрично нейтральні фотони. Оскільки між фотонами, які не створюють ні електричних, ні магнітних полів, та електронними структурами немає взаємодії, то немає і взаємних паразитних впливів між елементами та з’єднаннями оптоелектронної системи і подальше підвищення ступеня інтеграції, щільності пакування елементів та швидкодії системи не обмежується. Світловий промінь також забезпечує однонаправленість потоку інформації, якщо немає зворотної реакції фотоприймача на джерело, передачу одночасно багатьох оптичних сигналів без взаємодії, ідеальну гальванічну (за постійним струмом) розв’язку між каскадами. Перетворення електричних сигналів в оптичні і навпаки дозволяють узгоджувати високоомні кола з низькоомними, високовольтні з низьковольтними.Стійкість до перенавантажень оптичного каналу зв’язку в 10⁶…10⁹  разів перевищує рівень робочих сигналів електронної системи, що характериризує її високу надійність. Все це вигідно відрізняє оптичний зв’язок від гальванічного.

Оптичний діапазон спектра електромагнітних хвиль характеризується довжинами хвиль від 1 мм до 1 нм (рис. 7.1). Він містить три піддіапазони – ультрафіолетовий УФ (УФ-А, УФ-В, УФ-С), видимий та інфрачервоний ІЧ (ІЧ-А, ІЧ-В, ІЧ-С). Ультрафіолетовий спектр випромінювання відповідає довжинам хвиль 1 нм ... 0,38 мкм, видимий – 0,38 ... 0,78 мкм, інфрачервоний – 0,78 мкм ... 1 мм. Робочим діапазоном напівпровідникових приладів є область довжин хвиль 0,2 ... 20 мкм. (рис.7.1).

Електромагнітне випромінювання оптичного діапазону розглядається двояко. Для однієї групи явищ – це хвильовий процес із частотою коливань ν або довжиною хвилі λ, а для другої – потік елементарних частинок, які називають фотонами, з енергією Е_ф (еВ):

Е_ф = hν = 1236/λ = 4.1·10^–15ν,

де h – стала Планка, Дж·с; ν – частота, Гц; с – швидкість світла, см·с^–1; λ – довжина хвилі, мкм.

Х арактер взаємодії оптичного випромінювання з напівпровідниками може бути різним. Він визначається властивостями матеріалу напівпровідника, довжиною хвилі оптичного випромінювання і відповідно енергією фотонів. Взаємодію між випромінюванням та речовиною, яка характеризується поглинанням фотонів, внаслідок чого виникають електричні явища, називають фотоелектричним ефектом (фотоефектом).

Виділяють дві групи оптоелектронних приладів.

Прилади першої групи сприймають променеву енергію і змінюють під її дією свої параметри; їх називають приймачами оптичного випромінювання.

Залежно від характеру взаємодії оптичного випромінювання з напівпровідником приймачі поділяють на теплові та фотоелектричні. У теплових приймачах енергія, яка поглинається речовиною під час опромінювання, збільшує теплову енергію кристала, внаслідок чого змінюються фізичні властивості кристала (наприклад, підвищується температура приладу). До таких приймачів належать болометри, терморезистори, піроелектричні приймачі, термоелементи.

У фотоелектричних приймачах поглинання оптичної енергії сприяє безпосередній генерації вільних носіїв заряду – електронів та дірок і (чи) переходу їх на більш високі рівні енергії (світлова генерація.

Напівпровідниковий прилад, чутливий до електромагнітного випромінювання у видимій, інфрачервоній і (чи) ультрафіолетовій ділянках спектра, називають фоточутливим напівпровідниковим приладом. Робота таких приймачів ґрунтується на внутрішньому фотоефекті – перерозподілі електронів у твердих тілах за енергетичними станами у результаті поглинання фотонів. Це сприяє утворенню нерівноважних носіїв заряду всередині напівпровідникової структури під дією оптичного випромінювання. Фоточутливий напівпровідниковий прилад, принцип дії якого ґрунтується на внутрішньому фотоефекті у напівпровіднику, називають фотоелектричним напівпровідниковим приймачем випромінювання. Його реакцією на оптичне випромінювання є поява фотосигналу, який форму­ється фотострумом І_ф – струмом створених нерівноважних носіїв заряду.

Іншу характерну групу оптоелектронних приладів складають випромінювачі світла (джерела світла). Вони перетворюють електричну енергію в енергію електромагнітного випромінювання у видимій, інфрачервоній та ультрафіолетовій областях спектра.

Переважна більшість напівпровідникових випромінювачів може випромінювати лише некогерентні коливання. До таких приладів належать напівпровідникові випромінювачі видимої частини спектра: світлодіоди, електролюмінесцентні індикатори, а також напівпровідникові випромінювачі інфрачервоної області спектра - інфрачервоні випромінювальні діоди . Нагадаємо, що когерентні електромагнітні хвилі характеризуються амплітудою, частотою, фазою, напрямом розповсюдження та полярізацією. Джерелом таких коливань є напівпровідникові лазери з різними видами збудження.

Оптичні випромінювання оцінюють фотометричними параметрами. Виділяють енергетичні та світлові фотометричні параметри. Ці параметри однакові за змістом, але характеризують випромінювання залежно від типу приймача.

Аналізуючи пристрої із фотометричними напівпровідниковими приймачами випромінювання, оптичне випромінювання розглядають як потік фотонів, який переносить енергію. При цьому випромінювання характеризують за допомогою енергетичних параметрів.

У системах відображення інформації приймачем випромінювання є людське око, а тому випромінювання оцінюють за допомогою світлових параметрів.

Випромінювач, який всю свою енергію віддає винятково у вигляді випромінювання з довжиною хвилі 0,555 мкм, має най­більшу яскравість і економічність з точки зору людського ока.

Практично джерела світла генерують випромінювання в діапазоні частот, а тому для визначення видності необхідно враховувати особливості випромінювачів.