ОУвРТ.Мальцев / Лекции взятые из интернета и сделаные студентами / 14_Саргсян С.А

Лекция 14

Фоторезисторы

Представляет собой тонкую полоску полупроводника с омическими контактами на концах (рис. 1).

Рис. 1

Принцип его действия основан на эффекте фотопроводимости. Его основные параметры:

• фоточувствительность ;

• коэффициент внутреннего усиления фототока ;

• обнаружительная способность .

Специфическими параметрами являются:

• сопротивления темновом и засвеченном состояниях, их отношение ;

• постоянная времени релаксации наведенной фотопроводимости.

Считается, что излучение полностью поглощается в ФР и его квантовая эффективность h=1.

Учитывая, что фототок , где – напряжение, приложенное к ФР, и , где - плотность потока квантов. Получим:

;

;

;

P_изл – мощность излучения, попавшего на ФР;

V=ldW – объем полупроводника;

– время пролета электрона через ФР.

Значения всех параметров тем выше, чем больше произведение , т.е. для ФР предпочтительнее полупроводники с высшими значениями подвижности и времени жизни носителей заряда.

Из уравнений видно, что , т.е. выгодно уменьшать объем полупроводника и причем по размеру W.

Внутренний коэффициент усиления , но он не растет бесконечно, т.к. при высоких значениях в полупроводнике образуется пространственный заряд. Предельное значение лежит в диапазоне 10⁶…10⁷.

Максимальная рабочая температура ФР в дальней ИК-области

где в ЭВ, в мкм.

С₁=400…800, С₂=500…1000 – константы, зависящие от материала.

Важным значением для ФР является величина добротности.

, где - время релаксации (спада) фотопроводимости после прекращения излучения, С₃ – константа, зависящая от способа задания .

Классическими материалами для изготовления ФР являются CdS и CdSe. Для них значения . Инерционность переключения порядка 0,8с, а при пониженных температурах доходит до нескольких секунд.

ФР обладают весьма малой обнаружительной способностью перед ФД, поэтому в интегральной оптоэлектронике не используется.

Солнечные фотопреобразователи. (СФП)

СФП представляют собой полупроводниковые ФД, оптимизированные для прямого преобразования излучения Солнца в электрическую энергию. СФП работают только в фотовентильном режиме, функционально выступая в качестве электрических батарей или других источников питания.

Основными параметрами СФП являются:

1. максимальная отдаваемая в нагрузку электрическую мощность ;

2. КПД , , где - интегральная мощность солнечного излучения на элементе; - плотность интегральной мощности солнечного излучения; A – площадь фоточувствительной поверхности;

3. ЭДС разомкнутой цепи, U_xx;

4. ток короткого замыкания (максимальный фототок), I_кз;

5. последовательное сопротивление R_посл;

6. коэффициент формы , характеризующий отклонение вида функции от идеального прямоугольника;

7. максимальная степень концентрации излучения, при которой элемент сохраняет эффективность преобразования , где - плотность мощности сконцентрированного солнечного излучения.

Уровень шумов, емкость, постоянная времени релаксации и др. для СФП несущественны.

Солнечное излучение лежит достаточно в широком оптическом диапазоне 0,22…3мкм и имеет максимум излучения при мкм.

В гелиоэнергетике приняты следующие условные обозначения различных солнечных воздействий:

1. АМ0 – в космосе;

2. АМ1 – на поверхности Земли, когда Солнце находится в зените;

3. АМ2, АМ1.5 – на поверхности Земли, когда Солнце находится под углом 30⁰ и 45⁰ к горизонту.

Принято, что режим АМ характеризуется потоком 0,1 Вт/см², что

приблизительно реально имеет место вблизи экватора. При АМ2 поток излучения близок к 0,075…0,08 Вт/см².

Если взять мВ/см², то теоретическое предельное значение для кремниевого фотопреобразователя при .

Типичной, «классической» структурой СФП является кремниевый монокристаллический n⁺-p-фотодиод.

Имеется ряд конструктивно-технологических направлений в разработке СФП:

1. кремниевые монокристаллические СФП.

Доминирующее направление в производстве СФП. При хорошо отработанной технологии и высокой надежности обеспечивают КПД до 20%.

2. арсенид-галиевые СФП. Арсенид галлия имеет ряд достоинств, по

сравнению с кремнием: оптимальное значение ширины запрещенной зоны , соответствующее предельному значению КПД; большое значение U_xx на 1 элемент (до 1 В) при прямой солнечной засветке; большее, чем у кремния, значение коэффициента формы (; меньшая глубина поглощения (отсюда меньшая толщина активной пленки); более высокая предельная температура до 300⁰; КПД этих СФП достигают 25%.

3. солнечные элементы на аморфном кремнии. Отличие состоит в технологии нанесения. Использование процесса гидрогенизации – заполнения «оборванных» свободных связей атомов кремния водородом – обеспечивает повышенную фоточувствительность и долговременную стабильность свойств изготавливаемых СФП на аморфном кремнии.

Оптопары.

Оптопарой называется оптоэлектрический прибор, в котором конструктивно объединены в общем корпусе излучатель и фотоприемник, взаимодействующие между собой оптически и электрически.

Различают следующие разновидности оптопар:

Сх. 1 - для электрической развязки схемы

Сх. 2 - оптрон с оптическим входом и выходом

Сх. 3 - регенеративный оптрон

И – излучатель; ФП – фотоприемник; УС – устройство связи, включающее схемы питания И и ФП.

Сх. 2 представляет собой преобразователь световых сигналов: усиление (ослабление) интенсивности света, преобразование спектра или направления поляризации, преобразование некогерентного излучения в когерентное. Если элементы И и ФП многоэлементные, то схема может выполнять функцию преобразования изображений.

Сх. 3 используется при частичной или полной регенерации (восстановление) входного сигнала за счет энергии обратной связи. В таком оптроне может реализовываться любые комбинации видов входных и выходных сигналов (электрических и оптических).

Важным элементом оптопары является оптический канал, различают три его разновидности:

1. простой световод, предназначенный для передачи энергии на ФП. Чаще всего он выполняется в виде прозрачной иммерсионной среды.

2. открытый оптический канал – между И и ФП имеется зазор извне.

3. управляемый оптический канал. Иммерсионная среда выполняется из материала, светопропускание которого изменяется при внешних воздействиях (электромагнитное поле).

В математической модели оптрона используются следующие параметры:

S_u Вт/А – эффективность излучения, определяемая видом выбранного излучения , режимом его возбуждения, температурой;

S_ф А/Вт – чувствительность ФП, зависящая от внутреннего усиления этого прибора;

К_опт - передаточная функция оптического канала, определяющаяся условиями ввода-вывода излучения, поглощением в среде, геометрическими факторами;

К_ус - передаточная характеристика электрического устройства связи;

При расчете линейного режима (малый сигнал) работы оптрона используется дифференцированные значения перечисленных коэффициентов.

Расчет режима переключения (большой сигнал) требует знания их интегральных значений.

Оптопары получили широкое промышленное распространение благодаря тому, что для их успешного функционирования высокий КПД не является обязательным, а также из-за многочисленных принципиальных достоинств этих приборов, таких как: идеальная электрическая развязка, высокое напряжение изоляции, однонаправленность распространения информации, широкополосность.

Диодные и транзисторные оптопары применяются главным образом в цепях передачи цифровых информационных сигналов. Критерием качества служит параметр K_i/t_зд (t_зд – время задержки распространения сигнала). По этому параметру диодные оптопары значительно опережают транзисторные. Предельные значения . Этим и обусловлено доминирование диодных оптопар в ЭВМ и цифровой обработке информации. Но диодные оптопары имеют низкий коэффициент передачи тока () и требуют обязательного усиления выходного сигнала.

Важной разновидностью диодных оптопар являются дифференциальные оптопары, у них отсутствует внутренне ЭДС и достаточно мал уровень собственных шумов. В таких оптопарах выходное сопротивление при изменении режима выходной цепи может изменяться в 10⁷…10⁸ раз. Это и обусловливает удобство и незаменимость резисторных оптопар в аналоговых устройствах, но их недостатком является низкое быстродействие (0,01…1 с) и сильная температурная нестабильность параметров. Это ограничивает применение резистивных оптопар.

На базе оптопар разработаны оптоэлектронные коммутаторы силовой нагрузки – микросхемы или устройства, выполняющие функции реле переменного и постоянного тока. В них чаще всего используется тиристорные оптопары.

Интегральная оптика.(ИО)

Физическую основу ИО составляют волновые процессы плоских оптических волноводах, поскольку активные элементы ИО геометрически подобны волноводам, и в определенном смысле считают, что вся схема состоит из волноводов.

Количественным критерием, по которому пленочный элемент относится к сфере интегральной оптики, является соизмеримость толщины пленки и длины волны излучения.

Как правило, конструктивно-технологические особенности связаны с расположением пленочных элементов в одной плоскости – отсюда название «планарная оптика», где широко используются процессы планарной технологии: эпитаксия, диффузия, ионно-лучевая обработка, фотолитография.

Модельная абстракция ИО - светопровода представлена в виде 3-х слойной структуры, в которой все среды бесконечны в направлениях X и Y. Для распространения излучения в среде волновода необходимо выполнение условия n₁>n₂, n₃. Волновод предполагается ассиметричным, т.е. (n₁- n₃)/( n₁- n₂)>>1.

Условие существования m направленных мод в плоском ассиметричном волноводе имеет вид:

,

где , m=0,1,2…- модовое число.

Отсюда условие отсечки, определяющее минимальную критическую

толщину волновода, каналирующего хотя бы одну TE₀ моду:

,

где - длина волны излучения в вакууме, - в волноводе.

В симметричной структуре (n₁- n₃= n₁- n₂) нулевая мода распространяется при любой толщине волновода n.

В частности, получим, что одномодовый режим имеет место при

.

Так реальные волноводы имеют ограниченную ширину d, необходимо выполнения условия . Если это соотношение не соблюдается, то волновод уже считается объемным, а не плоским.

Особенность ИО-устройств заключается в разнообразных проявлениях эффективности оптического туннелирования, суть которого состоит в том, что между двумя близко расположенными (но не соприкасающимися) волноводами может происходить когерентная перекачка энергии. Поле любой каналируемый моды не обрывается на границе сердечник-оболочка, а частично просачивается в оболочку. Такая же ситуация имеет место и при анализе плоских волноводов, при этом хвосты направляемых мод заходят и в подложку, и в окружающую среду или покрытие. Перекрытие «хвостов» мод близко расположенных волноводов и вызывает перекачку энергии из одного волновода в другой. Иными словами, волна, распространяющаяся по одному волноводу возбуждает соседний с ним волновод при расстоянии между ними меняя .

Эффективность связи 2-х ИО-элементов характеризуется коэффициентом связи (см^-1), или длиной связи L_св (протяженностью участка взаимодействия)

Для пары компланарных волноводов зависимость эффективности связи от геометрических факторов определяется выражением:

– коэффициент поглощения волны в подложке между волноводами.

Перекачка мощности волны из канала 1 в канал 2 определяется соотношением:

– коэффициент поглощения волны в материале волновода.

Реальные значения см^-1, это означает, что длина взаимодействия волноводов для обеспечения эффективной перекачки энергии должна составлять не менее нескольких миллиметров.

Приемлемый для ИО-элементов уровень потерь составляет 1…3 дБ/см, что при переходе и коэффициенту поглощения дает см^-1.

Характерная особенность планарных волноводов – преобразование релеевского рассеяния на шероховатостях поверхности над рассеянием, обусловленным объемными фазовыми флуктуациями (что характерно для ВОЛС). При этом , где - усредненная глубина шероховатостей.

Объемные потери для диэлектрических (стекло) волноводов пренебрежимо малы и учитываются только, если используется полупроводниковый материал. Потери излучения учитываются также при изогнутых с радиусом кривизны участков.

где В₁, В₂ – константы, зависящие от коэффициента поглощения материалов волновода.

Допустимы искривления . При более крутых изгибах потери оказываются неприемлемо высокими.

Устройства интегральной оптики: оптические коммутаторы, АЦП, анализаторы спектра радиосигналов, ИО-датчики.

Интерференционный волноводный модулятор – входной оптический поток разводится по двум идентичным каналам, разделенным в пространстве.

В модуляторе, при подаче управляющего сигнала U(t) изменяется показатель преломления, возникает фазовый сдвиг между волнами в двух каналах. На выходе интерференция этих волн преобразует фазовую модуляцию в модуляцию интенсивности суммарного потока. Это интерферометр Маха-Цандера, элемент широко распространенный в ИО.

В оптическом переключателе также используется электрооптический материал. При подаче на систему электродов сигнал, изменяется коэффициент связи каналов.

В анализаторе спектра радиолокационный сигнал возбуждает ПАВ, на которой дифрагирует распространяющийся по волноводу лазерный луч. При этом каждой частоте радиосигнала соответствуют определенные длины акустической волны и угол отклонения дифрагированного луча, и как следствие определенный элемент в линейке фотоприемников. Полоса частот анализируемых сигналов выше 1 Ггц.

Интегрально-оптический АЦП представляет собой решетку из N однотипных интерферометров Маха-Цандера, длины которых равны:

.

Фазы волны одного плеча относительно другого в каждом модуляторе изменяется на величину пропорциональную L_iU(t). Выходной сигнал каждого модулятора детектируется отдельно, и фотосигналы после деления сравниваются в N электронных компараторах с пороговым уровнем. Таким образом, входной сигнал U(t) преобразуется в цифровую форму, причем выход каждого модулятора дает один двоичный разряд.

При использовании оптических средств достигается резкое упрощение схемы и, как следствие, снижение потребляемой мощности и повышение быстродействия (спектр преобразуемого сигнала превышает 1ГГц).