Главная | Обратная связь

ОПИСАНИЕ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЙ УСТАНОВКИ

ВВЕДЕНИЕ. Оптрон - оптоэлектронный прибор, состоящий из источника излучения и фотоприемника, объединенных электрическими и оптическими связями и конструктивно связанных друг с другом.

В оптронах любого вида энергия электрического сигнала преобразуется в оптическую в излучателе, оптическая в электрическую – в фотоприемнике, распространяясь внутри оптрона по оптическому каналу. Электрический сигнал на излучатель, как и оптический на фотоприемник, может поступать извне или от соседнего элемента, осуществляя прямую или обратную, положительную или отрицательную связь. На рис. 1 представлены оптроны с прямой электрической (а), прямой оптиче-

ской (б), обратной электрической и прямой оптической связями (в). Здесь ИЗЛ – излучатель, ФПР- фотоприемник, УС – усилитель.

 

Рис. 1

 

В зависимости от типа фотоприемного устройства и конструктивных особенностей прибора в целом оптроны делятся на:

а) оптопары (элементарные оптроны): диодные, транзисторные, тиристорные, резисторные;

б) оптоэлектронные интегральные микросхемы: переключательные, релейные, линейчатые, функциональные;

в) специальные: с гибким световодом, с открытым оптическим каналом, с управляляемым оптическим каналом.

Оптический канал имеет вид прозрачной иммерсионной среды: воздуха, стекла, пластмассы, клея, эпоксидной смолы, силиконовой резины, отрезка волоконно - оптического световода. При наличии доступа извне в оптический канал оптрон называется открытым (рис. 2а, ОТР - отражатель). В оптроне с управляемым каналом (рис. 2, б) оптический канал является управляемой оптической средой (УОС), изготавливается из электрооптического или магнитооптического материала, изменяющего светопропускание при внешних воздействиях.

Рис. 2

 

Излучателем в оптроне может быть миниатюрная лампа накаливания или неоновая лампа, электролюминесцентная ячейка, светоизлучающий или лазерный диод. Наилучшими характеристиками обладают излучающий и лазерный диоды из-за сравнительно высокого КПД преобразования электрической энергии в оптическую, более узкого, чем у миниатюрных ламп накаливания или электролюминесцентных ячеек, спектра излучения, высокого быстродействия, малого значения питающих напряжений и токов, простоты модуляции излучения, технологической совместимости с изделиями микроэлектроники. Но лазерный диод имеет ограниченное применение из-за сложности изготовления и высокой стоимости.

Действие излучающего диода основано на спонтанной люминесценции и включает в себя:

а) инжекцию неосновных носителей заряда в базу диода при его прямом смещении;

б) эффективную излучательную рекомбинацию инжектированных носителей заряда при межзонных переходах в прямозонных полупроводниках или в изоэлектронных экситонных ловушках в непрямозонных полупроводниках;

в) вывод излучения из области генерации.

Эти процессы более эффективны в излучающих диодах на гетеропереходах - контактах полупроводников различного химического состава и разной шириной запрещенной зоны: GaAl _1-x As_х /GaAsили GaAs_1-x P_х / GaAs , что связано со следующими явлениями в них: а) односторонней инжекцией носителей заряда из широкозонного эмиттера в узкозонную базу и возможностью локализации избыточных носителей заряда в базе; б) различием оптических свойств эмиттера и базы диода, что позволяет выводить излучение из широкозонного эмиттера -“окна”- практически без поглощения.

В излучателях на основе GaAsс эпитаксиальным осаждением слоятрехкомпонентного твердого раствора GaAs _1-x P_х длина волны l, эффективность (усиление G) и быстродействие (ширина частотной полосы В) зависят от молярной доли х элемента. При х= 0,3 произведение GВ = max, а l = 0,700 мкм. При этом падение прямого напряжения на гетеропереходе почти такое же, как и у «стандартных» светодиодов красного свечения, что удобно для применения в цифровой технике.

Значительно различаются требования к виду оптического окна излучателя оптрона и «стандартного» светодиода. Светодиоды изготавливают с кольцевой излучающей областью вокруг расположенной в центре контактной площадки, чтобы получить высокий коэффициент отношения площади видимой излучающей области к фактической. У оптрона излучающая область уменьшается до предельного значения, определяемого минимальной плотностью тока, а контактная площадка смещается от центра. Это создает минимальное затенение излучающей области, уменьшает краевые потери тока и излучения, обеспечивает неизменные условия связи излучающей области излучателя с чувствительной областью фотоприемника независимо от точности их совмещения и разброса величины зазора (длины оптического канала).

Из-за спонтанной (самопроизвольной) излучательной рекомбинации носителей заряда в излучающих диодах акты излучения нескоррелированны (независимы) во времени и пространстве, поэтому выходное излучение некогерентно, хотя и занимает более узкий спектральный диапазон, чем тепловое излучение. При комнатных температурах ширина полосы излучающего диода, определяемая на половине ее высоты (рис. 3), порядка l ~100 … 500 Å.

Ф Оптическое излучение в оптроне принима-

Ф₀ ется фотоприемником с внутренним фотоэф-

фектом. Внутренний фотоэффект наиболее зна-

Ф₀/2 чителен в полупроводниках и заключается в пе-

реходах носителей заряда при воздействии оп-

оптического излучения в более высокие энерге-

тические состояния, вызывая изменения элект-

l₀ l ропроводности полупроводника либо появле-

Dl ние в нем фото-ЭДС. В качестве фотоприемни-

ка может использоваться фоторезистор, но до-

Рис. 3 минирующим для оптронов является использо-

вание ЭДС - эффекта в неоднородных полупроводниках: кремниевых p-n- и p-i-n- диодах, фототранзисторах, фототиристорах с коэффициентом преломления, близким к полупроводниковому материалу излучателя. При этом условии осуществляется полное оптическое согласование генераторного и приемного блоков оптрона.

Фотодиоды являются хорошими приемниками излучения, однако для получения сигналов требуемого уровня необходимо использовать дополнительные усилители. Усилители можно разместить вне корпуса оптрона, но при этом увеличивается число модулей в системе и ухудшаются параметры (шумы, быстродействие). Поэтому усилительные элементы помещают внутрь корпуса оптрона одним из двух способов: гибридным, допускающим раздельную оптимизацию фотодиода и усилителя фототока, но сравнительно дорогим, и интегральным, более дешевым, но дающим худшие параметры. При интегральном способе возможно использование фототранзистора, в котором приемником излучения является переход коллектор – база (рис. 4, а), либо использование фотодиода, фототок которого усиливается транзистором, размещенным отдельно на том же кристалле (рис. 4, б). Фототранзистор проще реализовать, но он имеет неудовлетворительную линейность и невысокую скорость срабатывания по сравнению с комбинацией фотодиод – транзистор на одном кристалле.

I_к I_к I_ф+ I_к

U_к U_к U_к

I_ф I_ф

 

а) б)

 

Рис. 4

 

 

Наибольшее распространение получили оптроны с прямой оптической связью (рис.1, б), называемые оптопарами. Оптопары имеют практически полную электрическую развязку входных и выходных цепей, хорошую изоляцию (высокое напряжение пробоя), однонаправленность потока информации по оптическому каналу, широкополосность, технологическую и эксплуатационную совместимость с изделиями микроэлектроники.

Обозначение оптопар содержит 7 позиций: первая цифра или буква - материал излучателя, вторая буква “О” - оптрон, третья - вид фотоприемника, далее трехзначный порядковый номер изделия. Седьмая - буква, определяющая группу (А, В, С, Д). Например: АОД101А, АОТ110А, АО4103В - соответственно диодная, транзисторная и тиристорная оптопары с излучателем на GaAs или GaAl_1-x As_х.

Рассмотрим физические процессы в диодной оптопаре, работающей в генераторном (фотовольтаическом или вентильном) режиме. Излучателем в ней обычно служит инфракрасный излучающий диод на GaAl_1-x As_х с максимумом спектральной линии на длине волны ~ 1 мкм, а фотоприемником – кремниевый фотодиод. При облучении оптронного диода светом такой длины волны в нем возникает генерация пар носителей заряда – электронов и дырок, пропорциональная силе света, а значит, входному току. Свободные электроны и дырки разделяются электрическим полем перехода и заряжают р-область положительно, а n-область отрицательно. На выходных выводах оптопары появляется фото-ЭДС, которая в реальных приборах не превышает 0,7 - 0,8 В. При работе оптопары в фотодиодном режиме на фотодиод подается обратное напряжение более 0,5 В, а генерированные излучением электроны и дырки увеличивают обратный ток фотодиода. Значение обратного фототока практически линейно возрастает с увеличением силы света (входного тока) излучающего диода.

Оптопары характеризуются четырьмя группами параметров: входными, выходными, передаточными и параметрами гальванической развязки. Входные параметры определяются типом излучателя (для излучающих диодов это номинальные входные ток и напряжение, максимально допустимые входной постоянный и импульсный ток, входная емкость), выходные - типом фотоприемника (для диодных и транзисторных оптопар это максимально допустимые обратные выходные напряжение, ток и мощность, выходная емкость, для тиристорных - ток спрямления (постоянный ток излучателя, при котором включается тиристор), токи переключения, для резисторных - выходное сопротивление в “ темновом ” R_Т и засвеченном R_св состояниях и их отношение R_Т / R_св ~10⁵…10⁶).

Параметры гальванической развязки общие для всех видов оптопар: постоянное и пиковое напряжение (0,1-10 кВ), сопротивление изоляции (10⁸…10¹³Ом), проходная емкость (5 - 0,01 пФ). К передаточным параметрам относятся коэффициент передачи к_i =I_вых /I_вх , равный ~ 1% для диодных и ~ 50…1000 % для транзисторных оптопар, время задержки распространения сигнала t_зд, равное 10…100 нс для диодных и 1…10 мкс для транзисторных оптопар.

Свойства диодных оптопар описываются входной I_вх(U_вх) и выходной I_вых(U_вых) вольт-амперными характеристиками, передаточной характеристикой

I_вых (I_вх) в фотогенераторном и фотодиодном режимах. Входная характеристика I_вх(U_вх) оптопары аналогична прямой ветви вольт-амперной характеристики светоизлучающего диода, выходная I_вых(U_вых) – обратной ветви вольт-амперной характеристики фотодиода. В выходной характеристике обратный ток практически не зависит от напряжения, а при больших обратных смещениях возникает электрический пробой. Передаточная характеристика I_вых (I_вх) в фотодиодном режиме практически линейна в широком диапазоне входного тока, в фотогенераторном режиме - нелинейна: фото-ЭДС при увеличении входного тока стремится к насыщению и не может превышать контактной разности потенциалов на p-n-переходе, имеющей обычно порядок 0,5 – 0,8 В. Исследуемые в работе диодные оптопары работают в фотодиодном режиме.

В транзисторных оптопарах излучателями служат светоизлучающие диоды на GaAs или трехкомпонентных твердых растворах на основе GaAs с максимумом излучения на λ~1 мкм, фотоприемниками – фототранзисторы со структурой p-n-p на основе кремния, чувствительные к излучению λ~1 мкм. При отсутствии излучения в цепи коллектора фототранзистора, включенного по схеме с общим эмиттером, протекает темновой (обратный) ток, аналогичный току в обычных биполярных транзисторах. Темновой ток сильно зависит от температуры. Для его уменьшения между выводами базы и эмиттера фототранзистора включается внешний резистор с большим сопротивлением ~ 0,1 – 1,0 МОм. При облучении в базовой области генерируются пары носителей заряда электрон-дырка. Электроны вытягиваются из базы в сторону положительно заряженного коллектора, а дырки остаются в базе и создают положительный заряд. Это эквивалентно возникновению отпирающего тока базы транзистора, увеличивающего ток коллектора, что означает, что фототранзистор обладает внутренним усилением фототока. Из-за применения сходных излучателей входные характеристики транзисторных и диодных оптопар аналогичны, но выходные и передаточные существенно отличаются – у транзисторных оптопар они нелинейны тем больше, чем больше входной ток и чем выше усилительные свойства фототранзистора. У оптопар с составными фототранзисторами коэффициент передачи резко повышается, но при этом снижается быстродействие и температурная стабильность.

Диодные и транзисторные оптопары применяются в основном для гальванической развязки быстродействующих цифровых устройств; при этом критерием качества является параметр к_i /t_зд , который для диодных оптопар достигает величины 10⁷ с и значительно больше такового для транзисторных оптопар. Но диодные оптопары требуют обязательного усиления выходного сигнала, причем коллекторным током можно управлять как оптически (по цепи излучателя ), так и электрически

(по базовой цепи).

Одна или несколько оптопар и электрически соединенных с ними согласующих или усилительных устройств образуют оптоэлектронную интегральную микросхему. Базовая конструкция оптопары основана на использовании излучателя 1 и фотоприемника 2, кристаллы которых с помощью среды оптического канала 3 закрепляются соосно и взаимно параллельно (рис. 5, а-в). В оптоэлектронных микросхемах на общей керамической подложке находится необходимое количество бескорпусных оптопар и согласующих бескорпусных интегральных схем 4 (рис. 5, г).

Рис. 5

 

Одна из разновидностей диодных оптопар – дифференциальная содержит один излучатель и два фотодиода. Дифференциальная оптопара имеет одинаковые выходные характеристики обоих каналов, что позволяет использовать ее для неискаженной передачи аналоговых сигналов: по одному каналу идет передача сигнала, второй служит цепью отрицательной обратной связи, корректируя температурные, деградационные и другие изменения передаваемого сигнала.

В устройствах бесконтактного управления применяются транзисторные оптопары, для оптической коммутации высоковольтных сильноточных цепей - тиристорные, в линейных радиотехнических цепях - резисторные (оптически управляемые резисторы). Оптопары с открытым оптическим каналом и управляемым каналом относятся к специальным видам оптронов и используются в качестве сенсорных элементов - датчиков давления, температуры, влажности, электрического и магнитного полей, механических перемещений, вибраций и так далее.

Большие потенциальные возможности имеют оптроны с прямой электрической (рис. 1, б) и прямой оптической, обратной электрической ( рис. 1, в) связями. Но пока они не получили широкого применения из-за чрезвычайно низкого КПД двукратного преобразования энергии. Первый из них, являющийся оптроном с оптическими входом и выходом, представляет собой преобразователь оптических сигналов: сигналы усиливаются или ослабляются, изменяется их спектр, поляризация, некогерентное излучение преобразуется в когерентное, в случае многоэлементных фотоприемников одно изображение преобразуется в другое. Второй является регенеративным: при определенных условиях в нем может осуществляться частичная или полная регенерация (восстановление) входного сигнала за счет энергии обратной связи, в силу чего на вольт-амперной характеристике появляется один или несколько падающих участков. На дискретных регенеративных оптронах изготавливаются мультивибраторы, триггеры, блокинг - генераторы, на матричных - элементы накопления и хранения информации.

 

ОПИСАНИЕ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЙ УСТАНОВКИ

 

Установка для измерения характеристик оптопар выполнена в соответствии с электрической схемой, представленной на рис. 6. Она включает источник питания

на +10 В оптопар ОПТ 1 – ОПТ 3 . Сопротивление R14 выполняет роль нагревателя термостата, в который помещены оптопары. Температура нагрева термостата устанавливается сопротивлением R10 и составляет 60 ⁰С. Переключатель SA2 включает нагреватель R14 одновременно со светодиодами зеленого VD6 и желтого VD5 свечения. При достижении температуры 60 ⁰С входящий в схему установки и поддержания температуры транзистор VT3, выполняющий роль датчика температуры, закрывает транзистор VT1. При закрывании VT1 отключается питание нагревателя термостата и светодиод желтого свечения VD5 гаснет. При понижении температуры термостата устройство сравнения на микросхеме DA3 типа К157УД2 снова включает питание нагревателя термостата.

Установка позволяет снимать входную I_вх(U_вх) и передаточную I_вых(I_вх) характеристики оптопар при двух температурах – комнатной Т_к и при нагреве до Т_в = = 60 ⁰С. Миллиамперметром A1 на 0…1 мА измеряется входной ток оптопар, вольтметром V на 0…2 В – входное напряжение на них. Выходной ток оптопар усиливается усилителем на микросхеме DA4 типа КР1408УД1 и измеряется микроамперметром А2 в одном из двух диапазонов: 0…10 мкА или 0…100 мкА, переключающихся с помощью SA3. Исследуются диодные (ОПТ 1, ОПТ 2) и транзисторная (ОПТ 3) оптопары марок: ОПТ 1 – АОД129, ОПТ 2 –АОД130, ОПТ 3 – QTC4N35. Включение исследуемой оптопары осуществляется кнопочным переключателем SВ1.2 - SВ1.2.