устройства функциональной электроники

2)Интегрально – оптические датчики, использующие в качестве сенсора планарный световод.

3)Оптоволоконные датчики.

4)Датчики с сенсором в виде излучателя или фотоприемника. Варианты датчиков с открытым каналом приведены на рис.9.47. Эти

датчики удобны для контроля числа и положения объектов, состояние их поверхности, считывание дискретной информации с перфокарт, измерения скорости вращения, фиксации наличия жидкости и т.д. Конструктивно удобны отражательные оптопары (рис.9.47,б). Одностороннее расположение относительно контролируемого объекта позволяет встраивать их в любое оборудование. Наличие растра на движущемся объекте позволяет преобразовывать механическое перемещение в частоту сигнала. Такие оптопары используются для анализа газовой и жидкой среды – определяется процентное содержание в воздухе той или иной примеси. Принципы действия оптоэлектронного газоанализатора основан на избирательности спектральной характеристики поглощения излучения молекулярных примесей. В приборе используются два излучателя: измерительный с длиной волны λизм, соответствующий максимальному поглощению, и опорный с длиной волны λоп в “прозрачной” части спектра. Сопоставление сигнала фотоприемника от этих двух излучателей при известной длине оптического пути и коэффициента поглощения позволяет определить содержание данной примеси в газе или жидкости. На этом же принципе построены и влагомеры, приборы для определения содержания солей в нефти, содержание кислорода в крови.

Интегрально-оптические датчики в качестве сенсора используют плоский световол на диэлектрической подложке. С одного конца световода размещается лазер или светодиод, с другой – p-i-n-фотодиод. В основу Действия таких датчиков положено нарушение условия полного внутреннего отражения для распространяющихся лучей и как следствие – изменение интенсивности света на выходе. Используются два механизма нарушения условия полного внутреннего отражения – размещение промежуточной среды поверх световода или изменение её показателя преломления под влиянием внешнего фактора и действия электро–магнитооптических эффектов. В качестве промежуточной среды может использоваться сам анализируемый материал (рис.9.48). Можно изменять площадь оптического контакта промежуточного элемента со световодом под влиянием внешнего фактора – давления, усилия, перемещения и т.д.

Волоконно-оптические датчики предполагают расположение чувствительного элемента в разрыве волоконно-оптической линии связи (ВОЛС). Датчик типа жидкости показан на рис.9.49. Другие датчики изображены на рисунке 9.50 – это датчики давления, силы, массы. Датчики температуры основаны на свойстве кварцполимерных оптических волокон резко менять светопропускание в диапазоне температур от -10 до -40 0С.

122

Волокна на основе халькогенидных стекол в середине светятся под действием инфракрасного излучения, нейтронов, гамма-квантов.

Волоконно-оптические датчики с фазовой модуляцией используют интерферометр Маха-Цендера, в котором используется сравнение двух световых потоков, полученных расщеплением первичного излучения. Одно плечо – опорное, другое подвержено действию внешнего фактора. Реализуются датчики электрического поля, магнитного поля, температуры.

В поляризационных волоконно-оптических датчиках изменяется положение в пространстве плоскости поляризации световой волны под действием электрического или магнитного поля. Реализуется датчики тока в проводах. Разработаны датчики скорости газов и жидкости в трубопроводах, датчики ускорения.

9.9. Солнечные элементы

Солнце имеет непрерывный спектр излучения, пересекаемый в некоторых местах темными линиями поглощения, влиянием которых можно пренебречь. Распределение энергии в солнечном спектре (по длине волны) неравномерно, при λ = (0,3-1,1) мкм мощность солнечного излучения в космосе составляет 1000 Вт/м2. Проходя толщу атмосферы, излучение уменьшается из-за поглощения озоном, кислородом, углекислым газом, аммиаком. При λ = (0,3-0,6) мкм поглощается 10% мощности излучения, λ = (0,6-1,1) мкм – 20%, λ = (1,1-5) мкм – до 40%. Поглощение зависит от местоположения светоприёмника на поверхности земли.

Солнечный элемент (СЭ) представляет собой p-n-переход с большой площадью (рис.9.51). Верхние электроды должны быть прозрачными. Полупроводник должен хорошо поглощать солнечную энергию, не отражать

ее. Коэффициент поглощения α определяется условием уменьшения энергии света в е раз на расстоянии 1/α:

Ni = N0 exp(− α l) ,

где Ni - плотность потока, прошедшего на расстоянии l, N0 –

плотность потока на поверхности полупроводника. Коэффициент α зависит от длины волны (рис.9.52). Показатель поглощения

k = α4πλ .

Отсюда видно, что при использовании Si можно использовать для преобразования большую часть солнечного спектра, т.е. 74% энергии внеатмосферного солнечного излучения , для GaAs – 63%. Толщина солнечного элемента для Si должна быть не менее 250 мкм, а для GaAs – (2-5) мкм.

Коэффициент отражения практически не зависит от степени легирования полупроводника примесями в области длин волн (0,3-1,1) мкм, однако он резко возрастает в длинноволновой области спектра.

124

В n-области (рис.9.51) генерируются пары электрон-дырка. Ионизиру-

125

ются атомы собственного полупроводника. Эти пары диффундируют к p- области и разделяются ею. Дырки захватываются p-областью, а электроны накапливаются в близи p-n-перехода и рекомбинируют. Чем сильнее световой поток, тем большая мощность выделяется в нагрузке (см. рис.9.11) Для оценки качества СЭ используется понятие эффективного квантового выхода.

числом пар электрон-дырка, создаваемых внутри полупроводника каждым поглощенным квантом;

γ – эффективность собирания носителей показывающая, какая часть из общего количества пар участвует в создании тока короткого замыкания. Для современных СЭ из Si Uxx=0,6 В, Iкз=45 мА/см2. При Rн оптимальном Uн=0,42 В, Iн=33 мА/см2.

ВАХ СЭ зависит также от толщины и степени легирования общих областей p-n-перехода, от формы и места расположения токосъемных контактов. Обычно Nq=(1020-1021) см-3, Nа=(1016-1017) см-3. Внешняя поверхность покрывается контактной сеткой, занимающей (5-7) % площади, на тыльной стороне – сплошной проводящий слой. Обычно Lp=(0,2-0,6) мкм, Ln=(100-200) мкм. У серийных СЭ p-n-переход залегает на глубине (0,3-0,6) мкм. Сетка из Al, покрытого Ti, Pd, Ag, Ni, Sn, Pb. Ширина проводников сетки (50-100) мкм.

Максимум к.п.д. η зависит от ширины запрещенной зоны полупроводника (рис.9.53), η максимален у полупроводников с ΔE=(1,1- 1,6)эВ. Наибольшее распространение получил Si, т.к. у СЭ из него достаточно высокий η (18-19)%. Развитие высокоэффективных СЭ из Si происходит путем снижения глубины залегания p-n-перехода от (7-10) мкм у первых образцов до (0,1-0,015) мкм у современных СЭ. Для увеличения площади используются ребристые структуры (рис.9.54). В этом случае падают потери на отражение до 10%, а если нанести просветляющее покрытие из Ta2O5 – до 2%. Обычно H = 100 мкм, а = 8 мкм. При этом η=13% (в космосе).

Разработаны СЭ на аморфном Si (α-Si), который получают разложением соединений Si в высокочастотном разряде в вакууме. Улучшение свойств α-Si достигается введением (5-50)% атомарного H2. Получается сплав Si с H2 (Si:H – гидрогенезированный Si). Солнечное излучение поглощается на глубине (1,5-2) мкм. При изготовлении таких СЭ уменьшается потребление Si в (50-100) раз. Но из-за малой Lp η не получается высоким (сильна рекомбинация). Самый высокий η=(3-7)%, Uxx=0,8 В.

126

Использование электрических полей позволяет получить Uxx=1,1 В, Iкз=20 мА/см2, η=10%.

Разработаны С на основе пленок соединений АlllВV – GdS, CuS-CdS. На подогретую стеклянную подложку с прозрачным токопроводящим покрытием из SnO2, In2O3 наносят слой CdS и создают гетеропереход CuSCdS, далее наносят контактную пленку. Толщина CdS – (2-40) мкм, толщина CuS (50-150) мкм. СЭ имеют Uxx=0,58 В, Iкз=25 мА/см2, η=(4-7)%.

УСЭ p-ZnTe-n-CdSe, p-ZnTe-n-CdTe, pCdTe –n-CdS, p-CdTe-n-ZnSe, p- Cdte-nCdZnS и других η очень низок.

УСЭ из GaAs удалось получить η=(4-21)%, Uxx=0,8 В, рабочие температуры – до +140 0С.

Использование линз для увеличения плотности светового потока позволяет получить η до 35%. Но возникает проблема охлаждения СЭ. Простейшая конструкция СЭ приведена на рис.9.55. Очень высокое η (до 66%) достигнута у СЭ с переходом жидкость – полупроводник. В перспективе ожидается получение η до 90%.

127

9.10. Элементы твердотельного телевидения

Одним из важнейших направлений развития оптоэлектроники является создание телевизионных систем на базе интегральных схем, начиная от передающей камеры и кончая приемным экраном. Интегральные схемы как электронная составляющая телеприемников уже выпускаются промышленностью, в том числе и БИС. Плоские телеэкраны созданы на основе цветных матричных жидкокристаллических приборов. Большие успехи наблюдаются и в разработке формирователя сигналов изображения (ФСИ). Именно ФСИ в первую очередь определяют качество изображения. Они преобразуют изображение в адекватную ему последовательность электрических импульсов. Твердотельные ФСИ строятся на ПЗС, что уменьшает их габариты и вес, повышает надежность долговечность, снижает потребляемую мощность. ПЗС – элементы в ФСИ работают в трех режимах: восприятие изображения (преобразования светового потока в зарядовые пакеты), хранение зарядовых пакетов, передача (сканирование) зарядовых пакетов на выход ФСИ. В режиме восприятия изображения световой поток от объекта падает на поверхность ПЗС и вызывает генерацию электронно-дырочных пар в полупроводнике. В областях кристалла, соответствующих потенциальным ямам ПЗС, носители разделяются, в результате чего под электродами накапливается “картина” зарядовых пакетов, соответствующих воспринимаемому объекту.

Разрешающая способность ФСИ R определяется максимальным количеством линий на 1 мм, которое еще может быть воспринято раздельно,

,

где Lэ =3(L+l) – длина одного светочувствительного элемента для трехтактных ПЗС, L – длина электрода, l – длина зазора между электродами.

Широкое распространение получили две разновидности ФСИ на ПЗС: строчные (линейные) и матричные (плоскостные). Строчные ФСИ исполь-

128

зуются в телеграфии, матричные – в телевидении. Используется временное и пространственное разделение режимов восприятия и сканирования изображения. При временном разделении обе функции ФСИ выполняются одними и теми же элементами ПЗС за счет усложнения схем управления. Во время восприятия светового потока на соответствующих ПЗС устанавливается потенциал хранения (на каждом третьем электроде), обеспечивающий накопление фотогенерируемых носителей заряда. Все остальные электроды находятся над нулевым потенциалом. После восприятия оптической информации на электроды подается последовательность тактовых импульсов, обеспечивающая перемещение зарядовых пакетов к выходу.

129

При разделении обеих функций в пространстве формирователь должен включать в себя две области: светочувствительную и защищенную от света область хранения. В режиме сканирования информация из области хранения передается на выход.

Используется 4 способа организации матричных ФСИ: кадровая, строчная, строчно-кадровая и адресная. Эти организации отличаются способом считывания картины зарядовых пакетов.

ФСИ с кадровой организацией представлен на рис.9.56. Имеются 3 секции: фотоприемная (оптическая), секция хранения, секция считывания, состоящая из регистра сдвига и выходного считывающего элемента. Картина зарядов, накопленных в элементах фотоприемной секции, после окончания кадра с помощью последовательности тактовых импульсов сдвигается в секцию хранения. Оптическая секция готова к приему следующего кадра. В течение времени формирования следующего кадра информация из секции хранения построчно передается в сдвиговый регистр, откуда она поэлементно передается на выходной считывающий элемент. Тактовая частота в регистре

сдвига должна быть в r раз (r – количество элементов в одной строке) выше тактовой частоты в секции хранения, чтобы к моменту поступления в регистр следующей строки обеспечить передачу на выход всех зарядовых пакетов следующей строки. Передающая камера содержит по стандарту 256х320 светочувствительных элементов. Общее количество электродов достигает нескольких сотен тысяч.

Модификацией кадровой организации является случай, в котором оптическая секция и секция хранения как бы вложены друг в друга. Для улучшения качества изображения используются микропроцессоры.

130