устройства функциональной электроники-1

способные менять свою ориентацию в электрическом поле. К жидким кристаллам относят сложные составы, кратко называемые МББА, ЭББА. Достоинством жидких кристаллов является их способность изменять оптические свойства при малых напряжениях ((1,5-5)В), низкая потребляемая мощность (единица мкВт/см2). Недостатки – низкое быстродействие. Жидкокристаллические индикаторы могут работать на просвет или на отражение (рис. 9.3). при отсутствии напряжения на электродах ориентация длинных молекул произвольная. При подаче напряжения на электроды молекулы ориентируются по полю и создают видимые знаки. Цветные изображения получают использованием светофильтров, красителей, добавляемых в жидкость. Прозрачные электроды выполняются в виде сегментов. Выпускаются многоразрядные ЖКИ (ЦИЖ – 2,6,9, ИЖКЦ2 – 4/3, 4/5, ИЖЦ11 – 6/7), шкальные (ИЖТ1 – 19,26,28,40), мнемонические (ИЖКС – 1,8…11…), матричные (ИЖВ1 – 30/5х8; ИЖВ1 – 43х12, ИЖЦ71 – 64х64).

Электрохромные индикаторы используют способность некоторых веществ изменять цвет под действием электрического поля (электрохромизм).

Стеклянная пластина

Аноды

101

Рис.9.3

Конструкции таких индикаторов представлены на рис. 9.4. Пленки WO3 толщиной 1 мкм обладает способностью под действием напряжения по – разному пропускать свет. Электролит – смесь H2SO4, органического спирта, пигмента (TiO2). Толщина электролита – несколько мм. Изображение формируется подачей напряжения на проводящие электроды. При подаче напряжения WO3 приобретает голубой цвет. Цвет сохраняется десятки часов после снятия напряжения. Окрашенная пленка имеет определенный электрический потенциал, т.е. индикатор обладает оптической и электрической памятью. Обесцвечивание осуществляется подачей напряжения противоположной полярности. Используются электрохромные индикаторы на основе виологенов. В этом случае происходит реакция окисления и восстановления виологенов при подаче напряжения на электроды. Проводящие электроды выполняются из SnO2, твердый электролит – это LiF, MgF2.

Электроды

Прокладка

Электроды

102

9.2. Оптопары

Источник света и фотоприемник, связанные между собой оптической средой, называется оптопарой, которая обладает следующими особенностями:

1)имеет почти идеальную гальваническую развязку между входом и выходом;

2)имеет широкую полосу пропускания

Вкачестве источника света используются лампы накаливания, светодиоды, ЭЛИ, лазеры. В качестве фотоприемников используются фоторезисторы, фотодиоды, фототранзисторы, фотоварикапы, фотооднопереходные транзисторы, фототиристоры, фотодинисторы. Оптической средой служит воздух, стеклянный или полимерный световод. Так как схемотехнические возможности оптопар определяются видом фотоприемника, то название оптопар определяется типом фотоприемника. Основные виды оптопар представлены на рис. 9.5. Наиболее распространенной является диодная оптопара.

Одна из конструкций диодной оптопары показана на рис. 9.6, а её эквивалентная схема – на рис. 9.7. Здесь R1, C1, R2 – параметры светодиода, C2, R3 – параметры световода, R4, R5, C3 – параметры фотодиода.

Фотоприемник и излучатель должны быть согласованы по спектральным характеристикам. На рис. 9.8 показаны спектральные характеристики светодиода из GaAs и фотоприемника из Si, I – интенсивность излучения, F – фотоЭДС

103

(относительные). В данном случае максимум спектра излучения светодиода соответствует максимальной чувствительности фотоприемника. Такое удачное сочетание наблюдается только в паре, изготовленной на основе Ga – AS – Si, что послужило широкому применению этих материалов в оптоэлектронных устройствах. Работает диодная оптопара следующим образом. При прохождении через светодиод прямого тока дырки инжектируются в базу n – типа, рекомбинируются, возникает рекомбинационное излучение, которое, пройдя световод, попадает на фотоприемник. Энергию фотонов поглощают как примесные атомы p+ - области, так с собственные, причем примесные атомы ионизированы уже за счет тепла, а поставщиком носителей заряда (дырок и электронов) является собственные атомы кремния. Дырки и электроны, образованные светом в поверхностном слое р+ - областью, для дырок она является отражающей и они накапливаются в i – области вблизи n+ - области, где постепенно рекомбинируются. Особенностью фотодиодов с i – областью является то, что через эту область, в которой создается сильное электрическое поле, носители переносятся быстрым дрейфом, а не медленной диффузией, т.е. растет быстродействие фотоприемника.

Геометрия и материал световода определяют сопротивление и емкость R3, C2. При уменьшении толщины световода уменьшается сопротивление R3 и увеличивается емкость С2. Однако и увеличение h не желательно, т.к. при этом возникают потери света за счет его поглощения в материале световода. Материалы световода, светодиода и фотодиода должны иметь одинаковые коэффициенты преломления света для уменьшения отражения излучения от границ раздела сред излучатель – световод и световод – фотоприемник. В реальности коэффициенты преломления света материалов отличаются друг от друга. Для уменьшения коэффициента отражения применяются

просветляющие покрытия с коэффициентом преломления nn = nmne ,

где nm и ne - коэффициенты преломления света излучателя и

световода, например, и толщиной d, удовлетворяющей условию nnd = λ4 (2m + 1) ,

где λ - длина волны света, m - целое число.

Материал световода должен обладать высоким удельным сопротивлением и низкой диэлектрической проницаемостью.

Важным также является согласование материалов оптопары по коэффициенту линейного расширения.

Параметры оптопар как элементов схем определяются ВАХ светодиодов и фотодиодов. ВАХ арсенид – галлиевого светодиода показа на рис. 9.9. При эксплуатации светодиодов его нужно включать в прямом направлении в режиме питания от источника тока с большим внутренним сопротивлением, т.к. в противном случае при U>1,4 В небольшое увеличение напряжения ведет к резкому возрастанию тока, что может привести к

104

перегреву светодиода и выходу его из строя. Таким образом, последовательно со светодиодом нужно включать резистор, если схема питается от источника напряжения (с малым внутренним сопротивлением). Если в схеме возможна подача на светодиод большого обратного напряжения, для предохранения его от пробоя последовательно с ним необходимо включать обычный диод с большим пробивным напряжением.

Быстродействие светоизлучающего диода (СИД) определяется инерционностью процессов излучения при подаче прямоугольных импульсов прямого тока. Время переключения tпер складывается из времени включения tвк и времени выключения tвыкл. Инерционность СИД определяется процессом перезаряда барьерной емкости p – n – перехода и процессом накопления и рассасывания неосновных носителей заряда в базе СИД. Важной особенностью СИД является присущая им деградация – постепенное уменьшение мощности излучения при длительном протекании тока. Деградацию связывают с ростом концентрации безизлучательной рекомбинации за счет перемещения в электрическом поле неконтролируемых атомов и примеси. У некоторых СИД срок службы менее 103 часов.

В фотодиоде при его освещении происходит образование фотоносителей, влияющих на его ВАХ. Фотодиод может работать без внешнего напряжения (фотогальванический режим) и при обратном внешнем напряжении (фотодиодный режим) – рис. 9.10. Фотогальванический режим соответствует случаю, когда диод работает генератором фото – ЭДС , причем

U= Iô 0 RH , где RH - сопротивление нагрузки.

Вобщем случае при любой полярности напряжения источника ток

U

фотодиода описывается выражением IÔÄ = IÔ (Ô) + I0 (eϕ Ò − 1) , где Ф – световой поток,

φТ – тепловой потенциал,

I0 – тепловой ток p-n- перехода.

Семейство ВАХ фотодиода показано на рис. 9.11. Область I -нерабочая область фотодиода (ФД), здесь к р-n-переход прикладывается прямое напряжение, прямой ток через ФД намного больше фототока. Область III – это фотодиодная область работы ФД. К p-n-переходу прикладывается обратное напряжение. Фототок практически не зависит от обратного напряжения. Фототок практически не зависит от обратного напряжения и сопротивления нагрузки Rн, он зависит от светового потока, т.е. ФД является источником тока. В области III показана ВАХ сопротивление нагрузки Rн . Напряжение на ФД

Как видно, с увеличением светового потока Ф Iф растет. При этом при Rн=const статическое сопротивление ФД падает, хотя динамическое

105

Быстродействие ФД в фотогальваническом режиме определяется процессами генерации носителей заряда в p+-области, а также скоростью накопления и рассасывания избыточных носителей заряда в i-области и процессами их диффузии. Выпускаются диодные оптопары АОД-101 и АОД-

111: Uвх < 2 В, Iвх < 10 мА, Uобр=-6 В. Оптопара АОД-111 работает на отражение света.

9.3. Инжекционные лазеры

Лазер – устройство, генерирующее оптическое когерентное излучение как вынужденное и стимулированное. Различаются лазеры газовые, твердотельные, инжекционные полупроводниковые, а также полупроводниковые с электронным возбуждением. Параметры лазеров:

Интенсивность излучения, мощность излучения – Pизл .

Сила света I∂ .

Ток накачки Iнак.

Длина волны λmax, соответствующая максимальной интенсивности

излучения.

Ширина спектральной полосы Δλ, определяемый по 50%-му уровню спада интенсивности излучения.

Угол излучения α, определяемый по 50%-му уровню спада интенсивности излучения в пространстве.

Время нарастания и время спада импульса излучения при

скачкообразном импульсе тока, tн и tсп .

 Время задержки импульса излучения tз (по уровню 0,1 и 0,9 фронта и спада).

107

Постоянная времени релаксации излучения τрел, определяемая по измерению интенсивности изменения в е раз.

Uпр, Iпр .

Размеры излучающего окна.

Рабочие температуры.

Долговечность, определяемая по 50%-му спаду интенсивности излучения (или 10%му);

Внутренние и внешние квантовые выходы ηint, ηext .

КПД;

 Пороговый ток Iпор .

Наибольший КПД имеют инжекционные лазеры (до 20 %, газовые -0,1 %, твердотельные – 2%).

Инжекционный лазер – полупроводниковый p-n-переход, в котором генерация излучения связана с инжекцией носителей заряда при протекании прямого тока (как в СИД), но который имеет дополнительные особенности.

Любой лазер должен иметь:

Активную среду, в инжекционном - это прямозонные вырожденные полупроводники А3В5 и их твердые растворы.

Механизм накачки: в инжекционном лазере – это инжекция, этот механизм создает так называемый инверсную населенность энергетических уровней; в инжекционном лазере рекомбинационные уровни должны быть заняты носителями, при определенных условиях они рекомбинируют с излучением квантов света.

Наличие положительной обратной связи, т.е. часть света должна возвращаться в кристалл, чтобы способствовать излучению света; для этого служат оптические резонаторы в виде специально обработанных граней p-n- перехода, одна из граней не обрабатывается и из нее выходит свет.

Конструкция простейшего инжекционного лазера приведена на рис.

9.12.Три боковые грани служат зеркалами оптического резонатора, они обработаны под углом. Четвертая грань вертикальная, через нее излучается свет.

Генерация света в лазере зависит от величины прямого тока. При

увеличении Iпр образующиеся при рекомбинации носителей фотоны имеют различную энергию и произвольное направление распространения. Среди фотонов есть и такие, которые распространяются в плоскости p-n-перехода. Отражаясь от зеркал, он создают вынужденное излучение. Количество таких

фотонов увеличивается с ростом Iпр. Когда Iпр достигнет пороговой величины Iпор , выполняются условии инверсии населенности и излучение переходит в новое качество – длина волны у всех фотонов становится одинаковой . Это показано на рис.9.13. Излучение становится когерентным (одной частоты, одной длины волны). В GaAs основной тип излучения связан с переходом

108

электронов с донорного уровня на акцепторный, причем источником излучения служит прилегающая к p-n-переходу p-область, т.к. диффузионная длина электронов больше диффузионной длины дырок. Изменение температур меняет λ0, т.к. меняется показатель преломления материала, размеры резонатора. Пороговый ток также зависит от температуры (рис 9.14.). Гетерогенный лазер имеет меньше Iпор. Структура гетерогенного лазера приведена на рис 9.15.

Инжекционные лазеры имеют Iпор=(10-80) мА, Uпр =(1,5-3) В, λmax=(0,8-

Низкая долговечность лазеров связана с деградацией-увеличением концентрации безизлучательных центров в активной области за счет внедрения неконтролируемых примесей и образования новых дефектов, роста поверхностной рекомбинации.

9.4. Лазерное обрамление (сопутствующее оборудование)

Лазерное обрамление – это модуляторы света, дефлекторы. Модуляция излучения – это изменение одного или нескольких параметров излучения по заданному закону передаваемой информации. Можно менять интенсивность

измерения, длину волны λ, фазу волны φ, плоскость поляризации (ее угол поворота).

Модулятор – устройство для изменения по заданному закону интенсивности излучения, длины волны, фазы, угла поворота плоскости поляризации.

Дефлектор – устройство для изменения по заданному закону во времени положения луча лазера в пространстве.

Пространственно-временные модуляторы ПВМ объединяют функции модулятора и дефлектора.

Оптические модуляторы строятся на основе использования электрооптических или магнитооптических эффектов. Электрооптический эффект связан с изменением показателя преломления света материала под действием электрического поля. Используются эффекты Поккельса и Керра. Эффект Поккельса – изменение показателя преломления света по закону:

, где n0 – n при Е=0; rn - постоянная Поккельса. При этом фазовый сдвиг

109