Современные элементы электронных и оптоэлектронных приборов. Оптоэлектронные приборы введение оптоэлектронные приборы это

Рис. 2.17. Схема и модуляционная характеристика электрооптического модулятора

Все многообразие оптоэлектронных элементов подразделяют на следующие группы изделий: источники и приемники излучения, индикаторы, элементы оптики и световоды, а также оптические среды, позволяющие создавать элементы управления, отображения и запоминания информации. Известно, что любая систематизация не может быть исчерпывающей, но, как верно отметил наш соотечественник, открывший в 1869 г. периодический закон химических элементов, Дмитрий Иванович Менделеев (1834-1907), наука начинается там, где появляется счет, т.е. оценка, сравнение, классификация, выявление закономерностей, определение критериев, общих признаков. Учитывая это, прежде чем приступить к описанию конкретных элементов, следует хотя бы в общих чертах дать отличительную характеристику оптоэлектронных изделий.

Как было сказано выше, главным отличительным признаком оптоэлектроники является связь с информацией. К примеру, если в какой-то установке для закалки стальных валов используется лазерное излучение, то вряд ли закономерно относить эту установку к оптоэлектронным устройствам (хотя сам источник лазерного излучения имеет на это право).

Было также отмечено, что к оптоэлектронным относят обычно твердотельные элементы (в Московском энергетическом институте издано учебное пособие по курсу «Оптоэлектроника» под названием «Приборы и устройства полупроводниковой оптоэлектроники»). Но это правило не очень жесткое, так как в отдельных изданиях по оптоэлектронике подробно рассматривается работа фотоумножителей и электронно-лучевых трубок (они относятся к типу электровакуумных приборов), газовых лазеров и других устройств, которые не являются твердотельными. Однако в полиграфии упомянутые устройства широко используют наравне с твердотельными (в том числе и полупроводниковыми), решая схожие задачи, поэтому в данном случае они имеют полное право на рассмотрение.

Следует упомянуть еще о трех отличительных чертах, которые, по мнению известного специалиста в области оптоэлектроники Юрия Романовича Носова, характеризуют ее как научно-техническое направление.

Физическую основу оптоэлектроники составляют явления, методы, средства, для которых принципиальны сочетание и неразрывность оптических и электронных процессов. В широком смысле оптоэлектронное устройство определяется как прибор, чувствительный к электромагнитному излучению в видимой, инфракрасной (ИК) или ультрафиолетовой (УФ) областях, или прибор, излучающий и преобразующий некогерентное или когерентное излучение в этих же спектральных областях.

Техническую основу оптоэлектроники определяют конструктивно-технологические концепции современной микроэлектроники: миниатюризация элементов; предпочтительное развитие твердотельных плоскостных конструкций; интеграция элементов и функций.

Функциональное назначение оптоэлектроники состоит в решении задач информатики: генерации (формировании) информации путем преобразования различных внешних воздействий в соответствующие электрические и оптические сигналы; переносе информации; переработке (преобразовании) информации по заданному алгоритму; хранении информации, включающем такие процессы, как запись, собственно хранение, неразрушающее считывание, стирание; отображение информации, т.е. преобразование выходных сигналов информационной системы к воспринимаемому человеком виду.

В отличие от рассмотренных выше фотоприемников, как бы точечного типа (или дискретных, от discrete - рассматривать отдельно, расчлененно), существуют фотоприемники, которые способны воспринимать все изображение целиком, со всеми его перепадами яркостей (или светлот), цветов, полутонов. К таким приемникам относится большой класс приборов, разработанных для телевидения, но представляющих интерес в данном случае как естественный (и исторический) мостик между вакуумными приборами (типа ФЭУ) и твердотельными матричными приемниками (типа приборов с зарядовой связью). В телевидении эти приборы называют передающими трубками.

Идея создания передающей трубки с фотопроводящей мишенью принадлежит нашему соотечественнику, электротехнику Александру Алексеевичу Чернышеву (1882-1940), который высказал ее в 1925 г. Однако первые эксплуатационные образцы таких трубок появились лишь в 1950 г., после того как были разработаны полупроводниковые слои, меняющие свою электропроводность под действием света . Примером такой передающей трубки является видикон (рис. 2.3
).

Многоэлементные фотодиодные приемники предназначены для преобразования двухмерной (распределенной по площади) оптической информации от изображения в одномерную временную последовательность электрических сигналов. Они выпускаются в виде линеек и матриц. В линейках фотодиоды расположены в ряд (строку, линию) с равномерным небольшим шагом, а матричные представляют собой набор таких линеек. Параметры некоторых многоэлементных твердотельных фотодиодов (Multi-Element Monolithic Type Photodiodes), выпускаемых японской фирмой Hamamatsu Photonics K.K. (Solid State Division), приведены а табл. 2.7 .

Таблица 2.7.

Параметры некоторых многоэлементных фотодиодов

Шифр прибора	Число элементов	Размеры элемента, мм	Область спектральной чувствительности, мкм	Основная область применения
S1651	2ґ2	0,30ґ0,60	0,40–1,06	Дисководы оптических дисков
S1671	2ґ2	1,70ґ2,80	0,40–1,06	Датчики позиционирования
S2311	35...46	4,40ґ0,94	0,19–1,10	Многоканальные спектрофотометры, анализаторы цвета, оптического спектра
S2312	35...46	4,40ґ0,94	0,19–1,00
S2313	35...46	4,40ґ0,94	0,19–1,05

Развертка изображения осуществляется последовательным считыванием сигналов каждого из фотодиодов линейки, а в матричном варианте - путем поочередного опроса каждой линейки (и каждого фотодиода в линейке). В линейке одни электроды, например аноды фотодиодов, объединены в одну шину (рис. 2.5), а другие, в данном случае - катоды, выведены на коммутатор (например, на транзисторных ключах). Коммутатор подключает каждый фотодиод к измерительной цепи, которая в простейшем случае может включать в себя источник питания и сопротивление нагрузки. В электронике режим последовательного опроса состояний большого числа элементов и передачи их на один вход называется мультиплексным (а устройство, организующее такой опрос, - мультиплексором ) .

В матричном варианте фотодиоды подключаются одним электродом к горизонтальной шине (те же аноды), а другим - к вертикальной (катоды). Шины, в свою очередь, также подключены к коммутаторам (мультиплексорам), которые, как и в случае с линейкой, включают последовательно каждый из фотодиодов в измерительную цепь. В результате организованного мультиплексирования последовательное подключение вертикальных шин образует развертку по строке (линии, ряду), а переход с одного горизонтального ряда на следующий - развертку по кадру. Так, на выходе схемы образуется последовательность импульсов (видеосигнал), амплитуда которых соответствует освещенности того или иного элемента матрицы.

Фотодиодные линейки и матрицы используются в современных спектрофотометрах, сканерах и других устройствах ввода оптической информации.

Перечисленные в начале данной главы характерные черты оптоэлектронных приборов и устройств позволяют обрисовать признаки отличия оптоэлектронных источников излучения. К таким общим чертам, как миниатюрность элементов и, в большинстве случаев, твердотельность, конструктивность изготовления по плоскостным технологиям (присущую интегральным микросхемам), можно добавить, исходя из информационной составляющей определения оптоэлектроники, управляемость и связанные с этим узконаправленность и быстродействие. Более детально эти признаки будут раскрыты при дальнейшем рассмотрении, но исходя даже из знакомства с предыдущим материалом можно сказать, что такими характеристиками могут обладать полупроводниковые излучатели.

В основе работы источников излучения оптического диапазона лежит одно из следующих физических явлений: тепловое излучение, разряд в газовой среде, люминесценция, индуцированное излучение. Действие излучающих диодов основано на явлении люминесценции , а точнее - электролюминесценции . Для возникновения люминесценции в полупроводнике необходимо привести его в возбужденное состояние с помощью каких-либо внешних источников энергии. При воздействии электрического поля или тока возникает электролюминесценция.

История создания излучающих диодов ведется от упомянутого в первой главе «свечения Лосева». В 1923 г. О.В. Лосев, исследуя точечно-контактные карбидокремниевые детекторы, обнаружил, что при пропускании через них электрического тока может возникнуть зеленовато-голубое свечение . Практического применения тогда этот эффект не получил, но в 1955 г. ученые обнаружили инфракрасное излучение при пропускании тока через диод на кристалле арсенида галлия (GaAs). В 1962 г. другой полупроводник (на основе фосфида галлия) засветился красным светом. Эти две даты и определяют время рождения светодиодов.

Возбужденные электроны (а возбуждаются они электрическим полем), переходя из зоны проводимости в валентную зону, испускают кванты энергии. Согласно зависимости, связывающей энергию и частоту излучаемых колебаний (произведение энергии [эВ] на длину волны [мкм] равно числу 1,23), для излучения в видимом и ближнем инфракрасном диапазонах спектра требуется энергия 1-3 эВ . Именно в этих пределах находится энергия, необходимая для преодоления запрещенной зоны у кремния (Si), арсенида галлия (GaAs) и фосфида галлия (GaP): 1,12; 1,4; 2,27 эВ.

Создавая полупроводниковые материалы, с помощью тех или иных примесей (в строго определенных пропорциях) ученые и технологи научились получать полупроводниковые источники, излучающие в диапазоне от инфракрасного до голубого (наиболее сложно реализуемого, особенно по мощности, излучения). Параметры некоторых светодиодов на основе различных полупроводников приведены в табл. 2.9 .

Таблица 2.9.

Параметры различных по цвету свечения излучающих диодов

Цвет свечения	Длина волны, мкм	Материал полупроводника	Напряжение питания, В (при 10 мА)	Мощность излучения, мкВт (при токе 10 мА)
Зеленый	0,565	Ga–P	2.2–2,4	1,5–8,0
Желтый	0,583	Ga–P–As	2,0–2.2	3,0–8,0
Оранжвый	0,635	Ga–P–As	2,0–2.2	5,0–10,0
Kрасный	0,655	Ga–As–P	1,6–1,8	1,0–2,0
ИK	0,900	Ga–As	1,3–1,5	100,0–500,0

Характеристики, представленные в табл. 2.9, иллюстрируются на рис. 2.7
(на графике вольт-амперных характеристик выделена область, определяемая напряжениями питания в достаточно узком диапазоне 1,2-2,5 В, и следует заметить, что у большинства светодиодов уровни предельных обратных напряжений также невелики - в пределах 2,5-5 В, поэтому в цепь питания светодиода необходимо, как правило, включать ограничительное сопротивление). Графики спектральных характеристик свидетельствуют о достаточно узких полосах излучения светодиодов (во второй графе табл. 2.9 указаны значения длин волн максимумов излучения), имеющих ширину (на уровне 0,5 от максимального излучения) в несколько десятков нанометров.

Важной характеристикой любого излучателя является направленность излучения. Пространственное распределение излучения характеризуется фотометрическим телом излучателя, а в случае его симметрии - диаграммой направленности. На рис. 2.7 приведено несколько типовых диаграмм, характерных для излучателей разных видов (ненаправленные характерны для ламп накаливания, луч - для лазеров). Диаграммы со слабовыраженной направленностью характерны для индикаторных светодиодов в пластмассовых корпусах (для них важен сам факт свечения или тушения), а для излучающих диодов, используемых в датчиках или записывающих устройствах, характерны направленные и остронаправленные диаграммы излучения.

Поскольку рабочее питание на излучающие диоды подается в прямом направлении (свечение возникает при положительном потенциале на анодном выводе диода), для работы на переменном токе выпускаются диодные сборки, в которых (см. рис. 2.7) два диода включены встречно-параллельно. В этом варианте каждый диод работает только полпериода синусоидального цикла. При этом важно не забыть, что ограничительное сопротивление в цепи питания диода не должно допустить повышенных обратных напряжений на запертом диоде.

Выпускаются также диодные сборки (см. рис. 2.7), дающие световой поток с изменяемым цветом свечения. В таких сборках объединяются два диода с разным цветом свечения (как правило, зеленый и красный), что позволяет излучать не только тот или иной основной цвет, но и промежуточные (например, желто-зеленый, желтый, оранжевый). Пока не созданы диоды с интенсивным свечением синего цвета, равным по яркости зеленому и красному, иначе на таких диодных сборках можно было бы создавать полноцветные светодиодные табло и экраны ().

Строго говоря, под светом подразумевается видимое человеческим глазом излучение, поэтому и светодиодами следует называть диоды, излучающие в видимом диапазоне спектра. Однако физические параметры излучения прилегающей к видимой зоне инфракрасной области спектра мало чем (кроме частоты колебаний) отличаются от световых волн, поэтому термин «светодиод» часто применяют и к ИК-диодам, хотя термин «излучающий диод» в этом случае более точен.

Естественным развитием элементной базы класса излучающих диодов можно считать появление светодиодных сборок в виде цифровых, буквенно-цифровых и графических индикаторов, широко используемых в индикаторных панелях и табло. В этом назначении они используются и в полиграфии. Сведения об этих элементах можно найти в справочной литературе, например .

Для того чтобы высветить тот или иной символ, необходимо управлять свечением (или гашением) каждого элемента. С этой целью, как и в фотодиодных линейках и матрицах (см. п. 2.2.1), питание на отдельные элементы светодиодных линеек и матриц подается в мультиплексном режиме. При этом если в сборке общее число элементов равно m, то каждый из элементов работает как бы в мигающем режиме, зажигаясь на 1/m времени цикла обегания всех элементов. Если частота циклов мультиплексирования выше 10-15 Гц, то по закону Тальбота мигающие элементы кажутся светящимися постоянно, но с меньшей яркостью (яркость может быть повышена путем пропускания через светодиод большего тока).

Выпускаемые в различных исполнениях светодиодные линейки и матрицы (рис. 2.8) нашли применение в полиграфических сканирующих и записывающих устройствах. В сканерах они используются в качестве линейных осветителей (например, в ручном сканере, описываемом в гл. 4). В записывающих головках рекордеров, имиджсеттеров, цифровых печатных машин светодиодные линейки и матрицы осуществляют запись информации на светочувствительный материал - фотопленку, фоторезисторную пленку, электрографический цилиндр и т.п. ().

Особенностью этих элементов является необходимость синхронизации их работы с высокочастотным информационным сигналом (каждый импульс сигнала предназначается определенному светодиоду в линейке или матрице). Задача подключения в требуемый момент того или иного светодиода к источнику сигнала выполняется электронными коммутаторами, управляемыми по циклическим программам.

Особый класс излучающих диодов составляют так называемые лазерные диоды (полупроводниковые лазеры), но до их рассмотрения следует ознакомиться с особенностями лазерного излучения.

Основными отличительными чертами лазерного излучения являются монохроматичность, когерентность и лучевая направленность. Чтобы представить, насколько лазерное излучение «монохроматичнее» светодиодного (которое представляется тоже одноцветным), можно сопоставить степень монохроматичности того и другого вида источников, которая оценивается отношением ширины полосы спектра излучения к длине волны максимума спектральной характеристики. Для светодиодов степень монохроматичности оценивается величинами порядка 0,05 - 0,1, а для лазеров - менее 0,000001 . То есть длину волны лазерного излучения определяют с точностью до третьего-четвертого знака после запятой, иначе говоря, лазер излучает практически строго на одной длине волны.

Для завершения обзора элементной базы источников излучения следует сказать несколько слов об источниках свечения, которые, являясь излучателями, не предназначены для освещения объектов или засветки фоточувствительных материалов, а представляют собой светящиеся плоскости (матрицы, панели), используемые в качестве индикаторов, дисплеев, экранов для представления монохромного или цветного изображения. К таким источникам относятся газоразрядные индикаторы, плазменные и люминесцентные панели и экраны. Строго говоря, их уже сложно относить к элементной базе, но элементарные понятия об их принципе действия целесообразно изложить в данном разделе.

Плазменные панели

Разряд в газовой среде, используемый, как упоминалось выше, для накачки газовых лазеров, является физической основой работы плазменных панелей. Устройство простейшей плазменной панели иллюстрируется на рис. 2.11
.

Между двумя стеклянными обкладками плазменной панели располагается перфорированная прокладка, плотно прилегающая к стеклам. По периферии этот «сэндвич» залит герметиком. Воздух из внутренней полости откачан, и она заполнена газом, способным светиться при наличии высокой (100 В и более) разницы потенциалов между электродами горизонтальной и вертикальной ориентации (верхние электроды прозрачны), нанесенными на поверхности стеклянных обкладок, обращенные друг к другу. Таким образом получается матрица, в которой можно засветить газовым разрядом любой элемент, подав на соответствующую пару электродов электрическое напряжение. Электрический разряд приводит газ (находящийся в соответствующем отверстии перфорированной прокладки) в состояние плазмы, что и позволяет индицировать на панели тот или иной элемент изображения.

Число элементов изображения на плазменной панели может достигать нескольких миллионов точек, поэтому такие панели дают возможность представлять изображение любой сложности. В полиграфии подобные дисплеи широко используются на пультах управления печатных, резальных и других машин. В настоящее время появляются полноцветные экраны, способные прийти на смену электронно-лучевым кинескопам компьютерных мониторов.

Люминесцентные экраны

В оптоэлектронных устройствах оптические информационные сигналы распространяются, как правило, в специальных средах - для защиты сигналов от помех, придачи им желательного направления распространения и, при необходимости, управления - например, в режиме «пропустить-отклонить». Часто оптическая среда подбирается специально - для осуществления того или иного физического эффекта. Поэтому в данном разделе рассматриваются оптические среды и различные физические эффекты и явления, реализуемые в этих средах. Для управления световым потоком используются различные оптические элементы: линзы, призмы, отражатели и дефлекторы (зеркала), фильтры, модуляторы, а также слои жидких кристаллов, тонкие магнитные пленки, меняющие свою прозрачность под действием магнитного поля и др. . Направление светового потока по криволинейной траектории осуществляется с помощью элементов волоконной оптики - световодов .

К оптически активным относятся среды и вещества, способные воздействовать на поляризованный свет. Оптическая активность бывает естественной (присущей самому веществу без посторонних воздействий) и искусственной (приобретаемой при воздействии извне). Прежде чем углубиться в эту область, необходимо остановиться на понятии поляризации света .

Поляризации света связана небольшая история . В 1808 г. молодой французский физик Этьен Луи Малюс зашел после работы в Люксембургский сад Парижа, недалеко от Сорбоннского университета, и присел на скамеечку отдохнуть напротив дворца Екатерины Медичи (приобретенного ею в свое время у графа Люксембургского, от которого и осталось название как сада, так и дворца). Лучи заходящего солнца играли на окнах прекрасного здания, и Малюс, с детства любивший рассматривать окружающее через различные стеклышки, достал из кармана кристаллик исландского шпата и взглянул через него на сверкающие стекла. Поворачивая кристаллик, Этьен заметил, что при определенных углах отражение солнечных лучей на окнах меркнет. На следующий день, придя в лабораторию, он уже более тщательно проверил этот эффект и убедился в его повторяемости. Так была открыта поляризация света.

Суть этого явления заключается в упорядоченности ориентации векторов напряженностей электрического (Е) и магнитного (Н) полей световой волны в плоскости, перпендикулярной световому лучу (рис. 2.15
).

Электромагнитная природа света отражается в колебаниях двух векторов (Е и Н) во взаимно перпендикулярных плоскостях, в направлении распространения светового луча (поскольку направление векторов Е и Н взаимно перпендикулярны, далее будет рассматриваться ориентация только вектора Е).

Если в излучении присутствуют колебания широкого оптического диапазона (например, в дневном свете), то такой свет не поляризован, так как ориентация вектора Е не упорядочена. При сложении гармонических колебаний результирующий вектор для любого момента времени равен сумме всех векторов, учитывающей их величины и направления в данный момент (см. на рис. 2.15 пример сложения четырех векторов: а + b + c + d = g). Поэтому сложение направленных в разные стороны векторов, меняющих к тому же свою величину с различными частотами, дает хаотическую ориентацию результирующего вектора Е.

Даже если взять колебания одной частоты, но с непостоянными соотношениями по фазе, то и в этом случае свет не будет поляризован, так как меняющееся расхождение фаз даст неупорядоченную ориентацию результирующего вектора Е (см. на рис. 2.15 примеры сложения пар синусоид, сдвинутых по фазе на заданный угол). Только колебания постоянной частоты с неизменным фазовым сдвигом (а именно такие колебания называют когерентными) дают упорядоченность ориентации результирующего вектора Е.

Результирующий вектор любого направления можно разложить в прямоугольной системе координат на две составляющие - х и у. В общем случае синусоидальные колебания этих составляющих могут иметь фиксированное расхождение по фазе. При этом траектория движения конца результирующего вектора будет описываться (в плоскости, перпендикулярной направлению светового луча) уравнением эллипса. В случае расхождения фаз на 90° эллипс будет превращаться в круг, а при разности фаз 0 или 180° - вырождаться в прямую. Любой из этих (а также промежуточных) случаев свидетельствует об упорядоченной ориентации вектора Е и, следовательно, о том, что свет поляризован (т.е. направлен, от греч. polos - полюс, ось, направление).

В гл. 3 поляризаторами .

Если разместить параллельно на одной оптической оси друг за другом два поляризатора, развернув их кристаллические оси под прямым углом (второй кристалл в этом случае называется анализатором), то через такую сборку свет не пройдет: анализатор не пропустит световой поток, прошедший через поляризатор, в силу перпендикулярности его кристаллической структуры плоскости поляризации света. Но если разместить между этими пластинками электрооптический кристалл (например, кристалл ниобата лития), то получится управляемый оптический затвор: при подаче на кристалл напряжения он будет поворачивать плоскость поляризации света и тот пройдет через анализатор, в противном же случае затвор не пропустит свет (рис. 2.16
).

). Однако в реальности полоса пропускания ограничивается трудностями модуляции высокого напряжения и емкостью конденсатора, создаваемого обкладками кристалла. К тому же при малых расстояниях (d) между обкладками существует опасность пробоя этого промежутка высоким напряжением, прикладываемым к модулятору.

Акустооптические кристаллы

Наряду с электрооптическими модуляторами в полиграфических оптоэлектронных устройствах применяются также акустооптические модуляторы , в основу действия которых положен акустооптический эффект, возникающий в некоторых средах. Под действием акустической волны в такой оптической среде, например кристалле, происходят изменения показателя преломления, причем эти изменения распространяются в среде по мере прохождения в нем акустических волн, так что внутри кристалла образуется как бы дифракционная решетка, отклоняющая направление прохождения светового потока от нормального, когда акустическая волна отсутствует. Принцип действия акустооптического модулятора иллюстрируется на рис. 2.18
.

В этом устройстве применено два элемента, используемых в оптоэлектронике, - акустооптический кристалл и пьезокристалл. Переменное напряжение ультразвуковой частоты подается на пьезокристалл, механически соединенный с акустооптическим кристаллом. Согласно уравнению обратного пьезоэффекта электрические колебания вызывают в пьезокристалле механические вибрации с ультразвуковой частотой, которые физически передаются акустооптическому кристаллу. Волны ультразвуковых вибраций вызывают в акустооптическом кристалле неоднородности показателя преломления, попадая на которые луч дифрагирует (отражается) под углом Брэгга и не проходит по прямому направлению.

См. гл. 1) не находили практического применения. Жидким кристаллам, молекулы которых имеют продолговатую нитевидную форму, за что они получили название нематических (от греч. nema - нить), свойственна упорядоченность в расположении (укладке) молекул. Нитевидность (несколько нанометров в длину и несколько ангстрем в ширину) обусловлена цепочечной структурой молекул. Например, на рис. 2.19 приведена формула молекулы жидкого кристалла МВВА (метилоксибензилиден-бутиланилин) и некоторые виды укладки подобных молекул в жидком и жидкокристаллическом состояниях .

Со временем были получены жидкие кристаллы, сохраняющие свои свойства в достаточном для практического использования диапазоне температур. А свойства ЖК таковы, что под действием даже слабого электрического поля в тонком (несколько микрометров) слое укладка и движение молекул изменяются, что сопровождается изменением его оптических параметров и проявлением некоторых токовых или полевых эффектов (не раскрывая сущности каждого, можно для сведения просто перечислить некоторые из используемых на практике эффектов: эффект динамического рассеяния, «твист»-эффект, эффект «гость-хозяин»).

В оптоэлектронике используется свойство жидких кристаллов изменять свою оптическую плотность под действием приложенной к электродам (между которыми находится слой ЖК) разницы потенциалов. Эта особенность ЖК нашла применение в широком спектре индикаторных приборов и экранов.

Сами по себе жидкие кристаллы не светятся, но если положить ЖК на светоотражающую подложку (или осветить на просвет), то контраст оптических плотностей двух состояний ЖК (под напряжением и без него) вполне достаточен для визуального различения. Главным недостатком ЖК в этом смысле является сравнительно (например, с кинескопами или плазменными панелями) небольшой угол наблюдения - лучше всего смотреть на ЖК-изображение по нормали, а при больших углах отклонения от нее изображение исчезает.

Этот недостаток становится менее ощутим при использовании свойства ЖК (например, с «твист»-эффектом) влиять на линейно поляризованный свет. Принцип действия «твист»-эффекта иллюстрируется на рис. 2.20
. На поверхности стеклянных обкладок, обращенных к ЖК, наносится ориентант (в виде прозрачной пленки), который укладывает прилегающие к нему молекулы в заданном направлении.

Если ориентация молекул ЖК у противоположных обкладок будет взаимно перпендикулярной благодаря соответствующим направлениям ориентирующих пленок, то укладка жидкого кристалл окажется «закрученной» (слово «твист» - англ. - означает поворот, скручивание) на 90°. Это происходит в силу способности молекул поддаваться даже слабым направляющим воздействиям - каждая молекула старается принять такое же направление, как и соседние.

При освещении жидкого кристалла линейно поляризованным светом, совпадающим по направлению поляризации с входным ориентантом, такая «закрутка» в укладке молекул приводит к повороту направления линейной поляризации светового потока, прошедшего через ЖК, на те же 90°. Если же приложить к электродам небольшое напряжение, то под действием электрического поля (более сильного, чем действие ориентанта) укладка молекул теряет скрученность и они выстраиваются по нормали к поверхности электродов. Новая укладка контрастно изменяет оптическую плотность электризованных участков и одновременно устраняет эффект поворота направления поляризации пропускаемого через ЖК линейно поляризованного света.

Оптики -

Принцип действия призмы (рис. 2.21
) основан на зависимости показателя преломления среды, через которую пропускается свет, от длины волны электромагнитных колебаний, проще говоря, цвета. Эта зависимость в первом приближении описывается формулой Коши (по имени французского математика Cauchy A.L. ). Зависимость эта нелинейная. Показатель преломления увеличивается с уменьшением длины волны. Это приводит к эффекту разложения белого цвета, пропускаемого через призму.

Призма усиливает различимость эффекта, так как лучи разных цветов, отклоняясь под разными углами, проходят к тому же разные расстояния, и на выходе из нее спектр оказывается более растянутым. Если за призмой установлена линейка фотоприемников (или белый экран), то это позволяет определять спектральный состав излучения. Примерные зависимости изменения показателя преломления от длины волны можно оценить по следующим данным :

Длина волны [нм], (цвет)	Стекло (кварц)	Исландский шпат
687 (красный)	1,541	1,653
656 (оранжевый)	1,542	1,655
589 (желтый)	1,544	1,658
527 (зеленый)	1,547	1,664
486 (голубой)	1,550	1,668
431 (сине-фиолетовый)	1,554	1,676
400 (фиолетовый)	1,558	1,683

Другой принцип заложен в явлении спектрального разложения света на дифракционной решетке (см. рис. 2.21). Эффект дифракции света сказывается у краев экранов, малых отверстий, узких щелей, когда расстояния светлых промежутков становятся соизмеримы с длиной световой волны. В таких условиях лучи, касающиеся края препятствия, отклоняются от прямолинейной траектории падающего света, при этом синус угла отклонения прямо пропорционален и кратен длине волны (т.е. угол отклонения тем больше, чем больше длина волны). Вокруг малого единичного отверстия в результате дифракции наблюдаются дифракционные кольца чередующихся светлых и темных участков (в формулу входит показатель кратности или порядка явления k. Вокруг одиночной щели кольца преобразуются в полосы, затухающие по мере удаления от просвета (в обе стороны). Если такие щели расположены в ряд и близко друг к другу (размеры щелей и перегородок одного порядка малости), то образуется дифракционная решетка, за которой, при размещении там белого экрана, можно увидеть спектр падающего на решетку светового луча. Дифракционные решетки делают и на отражение - тогда на зеркальную поверхность наносят тонкие риски (до нескольких тысяч рисок на миллиметр).

Такие элементы разложения сложного света на составляющие цвета используются в современных спектрофотометрах, приборах калибровки мониторов, компьютерных системах управления цветом (color management systems - CMS). Другая задача различения сложной окраски - разделение на зональные составляющие для последующего полиграфического синтеза цвета (на базе триады голубой, пурпурной и желтой красок + черная) - цветоделение.

Цветоделение осуществляется, как правило, с помощью зональных светофильтров - красного (red - R), зеленого (green - G) и синего (blue - B), либо для этих целей применяют дихроичные зеркала. На рис. 2.22
приведены спектральные характеристики светофильтров R, G и B, рекомендуемые европейским (ФРГ) стандартом DIN 16 536, и примерные характеристики дихроичных зеркал .

Светофильтры пропускают свет только своей зоны спектра, задерживая световые потоки остальных цветовых оттенков, поэтому если взять, например, синий фильтр и посмотреть через него на отпечаток, сделанный желтой краской на белой бумаге (кстати, без фильтра желтое на белом различается с трудом), то глаз увидит черный отпечаток на фоне синего - лучи желтого цвета через синий фильтр не пройдут. Чем меньше будет желтого на отпечатке, тем менее черным покажется этот участок за синим фильтром. Этот эффект позволяет измерять оптические плотности основных красок полиграфической триады (голубой, пурпурной, желтой) на оттисках с помощью денситометров, в которых устанавливаются зональные фильтры: синий - для желтой краски, зеленый - для пурпурной, красный - для голубой (черная измеряется за визуальным фильтром, имеющим спектральную характеристику, близкую к характеристике человеческого зрения).

Дихроичные зеркала тоже не пропускают излучение одной из зон видимого спектра (поэтому их также называют дихроичными фильтрами), отражая эти лучи, как зеркало, - это придает им новое свойство в отличие от светофильтров, так как не прошедшие через зеркало лучи могут использоваться в другом измерительном канале, если они будут туда направлены. Поставив друг за другом два разных по характеристикам (см. рис. 2.22) зеркала, можно произвести деление светового потока на лучи красной, зеленой и синей зоны: первое зеркало отразит волны красной зоны и пропустит зеленые и синие, которые разделятся на втором зеркале - синие отразятся, а зеленые будут пропущены через него.

Как уже было сказано в начале этой главы , отличительной чертой оптоэлектроники является миниатюризация элементов, их интеграция с целью переработки больших объемов информации. Поэтому и те элементы традиционной оптики, которые были описаны выше, в приложении к оптоэлектронным приборам изготавливаются зачастую в совершенно специфическом виде, по технологиям, применяемым в производстве оптоэлектронных элементов. Например, зональные фильтры для матричного ПЗС могут представлять собой тонкую пленку, размещенную на поверхности матрицы, с нанесенными микроскопическими триадами цветов, в виде синих, зеленых и красных штришков или точек, каждая из которых предназначается для своей элементарной ПЗС-ячейки размером 5×5 мкм.

Сказав о пленочных светофильтрах, в заключение следует упомянуть о многослойных диэлектрических структурах, применяемых в системах оптической связи в случаях, когда из смешанного света с различными длинами волн необходимо выделить свет с одной определенной длиной волны . Такие структуры представляют собой многослойный «бутерброд» с чередованием тонких слоев диэлектриков двух типов с различными показателями преломления. Каждый слой имеет толщину, равную четверти длины волны выделяемого излучения. Падающий на структуру свет частично отражается от каждой из границ раздела двух сред. Отраженные лучи выделенной длины волны, будучи одночастотными и сдвинутыми на четверть волны, т.е. когерентными, интерферируют (складываются), усиливаясь по амплитуде (см. пример такого сложения на ранее приведенном рис. 2.10). Свет других длин волн такого эффекта не имеет, так как либо проходит через структуру не отражаясь, а если и отражается, то не синфазно, а следовательно, и не когерентно - для него интерференция безрезультатна.

Изложенные в этой главе понятия о базовых элементах, присутствующих в том или ином наборе в каждом оптоэлектронном устройстве, позволяют перейти к рассмотрению типовых приборов этого направления, широко применяемых в полиграфии.

Оптоэлектронными называют приборы, которые чувствительны к электромагнитному излучению в видимой, инфракрасной и ультрафиолетовой областях, а также приборы, производящие или использующие такое излучение.

Излучение в видимой, инфракрасной и ультрафиолетовой областях относят к оптическому диапазону спектра. Обычно к указанному диапазону относят электромагнитные волны с длиной от 1 нм до 1 мм , что соответствует частотам примерно от 0,5·10 12 Гц до 5·10 17 Гц . Иногда говорят о более узком диапазоне частот – от 10 нм до 0,1 мм (~5·10 12 …5·10 16 Гц ). Видимому диапазону соответствуют длины волн от 0,38 мкм до 0,78 мкм (частота около 10 15 Гц ).

На практике широко используются источники излучения (излучатели), приемники излучения (фотоприемники) и оптроны (оптопары).

Оптроном называют прибор, в котором имеется и источник, и приемник излучения, конструктивно объединенные и помещенные в один корпус.

Из источников излучения нашли широкое применение светодиоды и лазеры, а из приемников – фоторезисторы, фотодиоды, фототранзисторы и фототиристоры.

Широко используются оптроны, в которых применяются пары светодиод-фотодиод, светодиод-фототранзистор, светодиод-фототиристор.

Основные достоинства оптоэлектронных приборов:

· высокая информационная емкость оптических каналов передачи информации, что является следствием больших значений используемых частот;

· полная гальваническая развязка источника и приемника излучения;

· отсутствие влияния приемника излучения на источник (однонаправленность потока информации);

· невосприимчивость оптических сигналов к электромагнитным полям (высокая помехозащищенность).

Излучающий диод (светодиод)

Излучающий диод, работающий в видимом диапазоне волн, часто называют светоизлучающим, или светодиодом.

Рассмотрим устройство, характеристики, параметры и систему обозначений излучающих диодов.

Устройство. Схематическое изображение структуры излучающего диода представлено на рис. 6.1,а, а его условное графическое обозначение – на рис. 6.2,б.

Излучение возникает при протекании прямого тока диода в результате рекомбинации электронов и дырок в области p-n -перехода и в областях, примыкающих к указанной области. При рекомбинации излучаются фотоны.

Характеристики и параметры . Для излучающих диодов, работающих в видимом диапазоне (длина волн от 0,38 до 0,78 мкм , частота около 10 15 Гц ), широко используются следующие характеристики:

· зависимость яркости излучения L от тока диода i (яркостная характеристика);

зависимость силы света I v от тока диода i .

Рис. 6.1. Структура светоизлучающего диода (а )

и его графическое изображение (б )

Яркостная характеристика для светоизлучающего диода типа АЛ102А представлена на рис. 6.2. Цвет свечения этого диода – красный.

Рис. 6.2. Яркостная характеристика светодиода

График зависимости силы света от тока для светоизлучающего диода типа АЛ316А представлен на рис. 6.3. Цвет свечения – красный.

Рис. 6.3. Зависимость силы света от тока светодиода

Для излучающих диодов, работающих не в видимом диапазоне, используют характеристики, отражающие зависимость мощности излучения Р от тока диода i . Зона возможных положений графика зависимости мощности излучения от тока для излучающего диода типа АЛ119А, работающего в инфракрасном диапазоне (длина волны 0,93…0,96 мкм ), представлена на рис. 6.4.

Приведем для диода АЛ119А его некоторые параметры:

· время нарастания импульса излучения – не более 1000 нс ;

· время спада импульса излучения – не более 1500 нс ;

· постоянное прямое напряжение при i =300 мА – не более 3 В ;

· постоянный максимально допустимый прямой ток при t <+85°C – 200 мА ;

· температура окружающей среды –60 …+85°С.

Рис. 6.4 . Зависимость мощности излучения от тока светодиода

Для информации о возможных значениях коэффициента полезного действия отметим, что излучающие диоды типа ЗЛ115А, АЛ115А, работающие в инфракрасном диапазоне (длина волны 0,95 мкм , ширина спектра не более 0,05 мкм ), имеют коэффициент полезного действия не менее 10 %.

Система обозначений. Используемая система обозначений светоизлучающих диодов предполагает применение двух или трех букв и трех цифр, например АЛ316 или АЛ331. Первая буква указывает на материал, вторая (или вторая и третья) – на конструктивное исполнение: Л – единичный светодиод, ЛС – ряд или матрица светодиодов. Последующие цифры (а иногда буквы) обозначают номер разработки.

Фоторезистор

Фоторезистором называют полупроводниковый резистор, сопротивление которого чувствительно к электромагнитному излучению в оптическом диапазоне спектра. Схематическое изображение структуры фоторезистора приведено на рис. 6.5,а , а его условное графическое изображение – на рис. 6.5,б .

Поток фотонов, падающих на полупроводник, вызывает появление пар электрон-дырка , увеличивающих проводимость (уменьшающих сопротивление). Это явление называют внутренним фотоэффектом (эффектом фотопроводимости). Фоторезисторы часто характеризуются зависимостью тока i от освещенности Е при заданном напряжении на резисторе. Это так называемая люкс-амперная характеристика (рис. 6.6).

Рис. 6.5. Структура (а ) и схематическое обозначение (б ) фоторезистора

Рис. 6.6. Люкс-амперная характеристика фоторезистора ФСК-Г7

Часто используют следующие параметры фоторезисторов:

· номинальное темновое (при отсутствии светового потока) сопротивление (для ФСК-Г7 это сопротивление равно 5 МОм );

· интегральную чувствительность (чувствительность, определяемая при освещении фоторезистора светом сложного спектрального состава).

Интегральная чувствительность (токовая чувствительность к световому потоку) S определяется выражением:

где i ф – так называемый фототок (разность между током при освещении и током при отсутствии освещения);

Ф – световой поток.

Для фоторезистора ФСК-Г7 S =0,7 А/лм .

Фотодиод

Устройство и основные физические процессы. Упрощенная структура фотодиода приведена на рис. 6.7,а , а его условное графическое изображение – на рис. 6.7,б .

Рис. 6.7. Структура (а) и обозначение (б) фотодиода

Физические процессы, протекающие в фотодиодах, носят обратный характер по отношению к процессам, протекающим в светодиодах. Основным физическим явлением в фотодиоде является генерация пар электрон-дырка в области p-n -перехода и в прилегающих к нему областях под действием излучения.

Генерация пар электрон-дырка приводит к увеличению обратного тока диода при наличии обратного напряжения и к появлению напряжения u ак между анодом и катодом при разомкнутой цепи. Причем u ак >0 (дырки переходят к аноду, а электроны – к катоду под действием электрического поля p-n -перехода).

Характеристики и параметры. Фотодиоды удобно характеризовать семейством вольт-амперных характеристик, соответствующих различным световым потокам (световой поток измеряется в люменах, лм ) или различным освещенностям (освещенность измеряется в люксах, лк ).

Вольт-амперные характеристики (ВАХ) фотодиода представлена на рис. 6.8.

Рис. 6.8. Вольт-амперные характеристики фотодиода

Пусть вначале световой поток равен нулю, тогда ВАХ фотодиода фактически повторяет ВАХ обычного диода. Если световой поток не равен нулю, то фотоны, проникая в область p-n– перехода, вызывают генерацию пар электрон-дырка . Под действием электрического поля p-n– перехода носители тока движутся к электродам (дырки – к электроду слоя p , электроны – к электроду слоя n ). В результате между электродами возникает напряжение, которое возрастает при увеличении светового потока. При положительном напряжении анод-катод ток диода может быть отрицательным (четвертый квадрант характеристики). При этом прибор не потребляет, а вырабатывает энергию.

На практике фотодиоды используют и в так называемом режиме фотогенератора (фотогальванический режим, вентильный режим), и в так называемом режиме фотопреобразователя (фотодиодный режим).

В режиме фотогенератора работают солнечные элементы, преобразующие свет в электроэнергию. В настоящее время коэффициент полезного действия солнечных элементов достигает 20 %. Пока энергия, полученная от солнечных элементов, примерно в 50 раз дороже энергии, получаемой из угля, нефти или урана.

Режим фотопреобразователя соответствует ВАХ в третьем квадранте. В этом режиме фотодиод потребляет энергию (u · i > 0) от некоторого обязательно имеющегося в цепи внешнего источника напряжения (рис. 6.9). Графический анализ этого режима выполняется при использовании линии нагрузки, как и для обычного диода. При этом характеристики обычно условно изображаются в первом квадранте (рис. 6.10).

Рис. 6.9 Рис. 6.10

Фотодиоды являются более быстродействующими приборами по сравнению с фоторезисторами. Они работают на частотах 10 7 –10 10 Гц . Фотодиод часто используют в оптопарах светодиод-фотодиод . В этом случае различные характеристики фотодиода соответствуют различным токам светодиода (который при этом создает различные световые потоки).

Оптрон (оптопара)

Оптрон – полупроводниковый прибор, содержащий источник излучения и приемник излучения, объединенных в одном корпусе и связанные между собой оптически, электрически и одновременно обеими связями. Очень широко распространены оптроны, у которых в качестве приемника излучения используются фоторезистор, фотодиод, фототранзистор и фототиристор.

В резисторных оптронах выходное сопротивление при изменении режима входной цепи может изменяться в 10 7 …10 8 раз. Кроме того, вольт-амперная характеристика фоторезистора отличается высокой линейностью и симметричностью, что обусловливает широкую применимость резистивных оптопар в аналоговых устройствах. Недостатком резисторных оптронов является низкое быстродействие – 0,01…1 с .

В цепях передачи цифровых информационных сигналов применяются главным образом диодные и транзисторные оптроны, а для оптической коммутации высоковольтных сильноточных цепей – тиристорные оптроны. Быстродействие тиристорных и транзисторных оптронов характеризуется временем переключения, которое часто лежит в диапазоне 5…50 мкс .

Рассмотрим подробнее оптопару светодиод-фотодиод (рис. 6.11,а ). Излучающий диод (слева) должен быть включен в прямом направлении, а фотодиод – в прямом (режим фотогенератора) или обратном направлении (режим фотопреобразователя). Направления токов и напряжений диодов оптопары приведены на рис. 6.11,б .

Рис. 6.11. Схема оптопары (а) и направление токов и напряжений в ней (б)

Изобразим зависимость тока i вых от тока i вх при u вых =0 для оптопары АОД107А (рис. 6.12). Указанная оптопара предназначена для работы как в фотогенераторном, так и в фотопреобразовательном режиме.

Рис. 6.12. Передаточная характеристика оптопары АОД107А

Работа оптоэлектронных приборов основана на электронно-фотонных процессах получения, передачи и хранения информации.

Простейшим оптоэлектронным прибором является оптоэлектронная пара, или оптрон. Принцип действия оптрона, состоящего из источника излучения, иммерсионной среды (световода) и фотоприемника, основан на преобразовании электрического сигнала в оптический, а затем снова в электрический.

Оптроны как функциональные приборы обладают следующими преимуществами перед обычными радиоэлементами:

полной гальванической развязкой «вход – выход» (сопротивление изоляции превышает 10 12 – 10 14 Ом);

абсолютной помехозащищенностью в канале передачи информации (носителями информации являются электрически нейтральные частицы – фотоны);

однонаправленностью потока информации, которая связана с особенностями распространения света;

широкополосностью из-за высокой частоты оптических колебаний,

достаточным быстродействием (единицы наносекунд);

высоким пробивным напряжением (десятки киловольт);

малым уровнем шумов;

хорошей механической прочностью.

По выполняемым функциям оптрон можно сравнивать с трансформатором (элементом связи) при реле (ключом).

В оптронных приборах применяют полупроводниковые источники излучения – светоизлучающие диоды, изготовляемые из материалов соединений группы А III B V , среди которых наиболее перспективны фосфид и арсенид галлия. Спектр их излучения лежит в области видимого и ближнего инфракрасного излучения (0,5 – 0,98 мкм). Светоизлучающие диоды на основе фосфида галлия имеют красный и зеленый цвет свечения. Перспективны светодиоды из карбида кремния, обладающие желтым цветом свечения и работающие при повышенных температурах, влажности и в агрессивных средах.

Светодиоды, излучающие свет в видимом диапазоне спектра, используют в электронных часах и микрокалькуляторах.

Светоизлучающие диоды характеризуются спектральным составом излучения, который достаточно широк, диаграммой направленности; квантовой эффективностью, определяемой отношением числа испускаемых квантов света к количеству прошедших через p -n -переход электронов; мощностью (при невидимом излучении) и яркостью (при видимом излучении); вольт-амперными, люмен-амперными и ватт-амперными характеристиками; быстродействием (нарастанием и спадом электролюминесценции при импульсном возбуждении), рабочим диапазоном температур. При повышении рабочей температуры яркость светодиода падает и снижается мощность излучения.

Основные характеристики светоизлучающих диодов видимого диапазона приведены в табл. 32, а инфракрасного диапазона – в табл. 33.

Таблица 32 Основные характеристики светоизлучающих диодов видимого диапазона

Таблица 33. Основные характеристики светоизлучающих диодов инфракрасного диапазона

Светоизлучающие диоды в оптоэлектронных приборах соединяются с фотоприемниками иммерсионной средой, основным требованием к которой является передача сигнала с минимальными потерями и искажениями. В оптоэлектронных приборах используют твердые иммерсионные среды – полимерные органические соединения (оптические клеи и лаки), халькогенидные среды и волоконные световоды. В зависимости от длины оптического канала между излучателем и фотоприемником оптоэлектронные приборы можно подразделить на оптопары (длина канала 100 – 300 мкм), оптоизоляторы (до 1 м) и волоконно-оптические линии связи – ВОЛС (до десятков километров).

К фотоприемникам, используемым в оптронных приборах, предъявляют требования по согласованию спектральных характеристик с излучателем, минимуму потерь при преобразовании светового сигнала в электрический, фоточувствительности, быстродействию, размерам фоточувствительной площадки, надежности и уровню шумов.

Для оптронов наиболее перспективны фотоприемники с внутренним фотоэффектом, когда взаимодействие фотонов с электронами внутри материалов с определенными физическими свойствами приводит к переходам электронов в объеме кристаллической решетки этих материалов.

Внутренний фотоэффект проявляется двояко: в изменении сопротивления фотоприемника под действием света (фоторезисторы) либо в появлении фото-эдс на границе раздела двух материалов – полупроводник-полупроводник, металл-полупроводник (вентильные фотоэлементы, фотодиоды, фототранзисторы).

Фотоприемники с внутренним фотоэффектом подразделяют на фотодиоды (с p -n -переходом, МДП-структурой, барьером Шоттки), фоторезисторы, фотоприемники с внутренним усилением (фототранзисторы, составные фототранзисторы, фототиристоры, полевые фототранзисторы).

Фотодиоды выполняют на основе кремния и германия. Максимальная спектральная чувствительность кремния 0,8 мкм, а германия – до 1,8 мкм. Они работают при обратном смещении на p -n -переходе, что позволяет повысить их быстродействие, стабильность и линейность характеристик.

Наиболее часто в качестве фотоприемников оптоэлектронных приборов различной сложности применяют фотодиоды p-i -n -структуры, где i – обедненная область высокого электрического поля. Меняя толщину этой области, можно получить хорошие характеристики по быстродействию и чувствительности за счет малой емкости и времени пролета носителей.

Повышенными чувствительностью и быстродействием обладают лавинные фотодиоды, использующие усиление фототока при умножении носителей заряда. Однако у этих фотодиодов недостаточно стабильны параметры в диапазоне температур и требуются источники питания высокого напряжения. Перспективны для использования в определенных диапазонах длин волн фотодиоды с барьером Шоттки и с МДП-структурой.

Фоторезисторы изготовляют в основном из поликристаллических полупроводниковых пленок на основе соединения (кадмия с серой и селеном). Максимальная спектральная чувствительность фоторезисторов 0,5 – 0,7 мкм. Фоторезисторы, как правило, применяют при малой освещенности; по чувствительности они сравнимы с фотоэлектронными умножителями – приборами с внешним фотоэффектом, но требуют низковольтного питания. Недостатками фоторезисторов являются низкое быстродействие и высокий уровень шумов.

Наиболее распространенными фотоприемниками с внутренним усилением являются фототранзисторы и фототиристоры. Фототранзисторы чувствительнее фотодиодов, но менее быстродействующие. Для большего повышения чувствительности фотоприемника применяют составной фототранзистор, представляющий сочетание фото- и усилительного транзисторов, однако он обладает невысоким быстродействием.

В оптронах в качестве фотоприемника можно использовать фототиристор (полупроводниковый прибор с тремя p-n -переходами, переключающийся при освещении), который обладает высокими чувствительностью и уровнем выходного сигнала, но недостаточным быстродействием.

Многообразие типов оптронов определяется в основном свойствами и характеристиками фотоприемников. Одно из основных применений оптронов – эффективная гальваническая развязка передатчиков и приемни­ков цифровых и аналоговых сигналов. В этом случае оптрон можно использовать в режиме преобразователя или коммутатора сигналов. Оптрон характеризуется допустимым входным сигналом (током управления), коэффициентом передачи тока, быстродействием (временем переключения) и нагрузочной способностью.

Отношение коэффициента передачи тока к времени переключения называется добротностью оптрона и составляет 10 5 – 10 6 для фотодиодных и фототранзисторных оптронов. Широко используют оптроны на основе фототиристоров. Оптроны на фоторезисторах не получили широкого распространения из-за низкой временной и температурной стабильности. Схемы некоторых оптронов приведены на рис. 130, а – г.

В качестве когерентных источников излучения применяют лазеры, обладающие высокой стабильностью, хорошими энергетическими характеристиками и эффективностью. В оптоэлектронике для конструирования компактных устройств используют полупроводниковые лазеры – лазерные диоды, применяемые, например, в волоконно-оптических линиях связи вместо традиционных линий передачи информации – кабельных и проводных. Они обладают высокой пропускной способностью (полоса пропускания единицы гигагерц), устойчивостью к воздействию электромагнитных помех, малой массой и габаритами, полной электрической изоляцией от входа к выходу, взрыво- и пожаробезопасностью. Особенностью ВОЛС является использование специального волоконно-оптического кабеля, структура которого представлена на рис. 131. Промышленные образцы таких кабелей имеют затухание 1 – 3 дБ/км и ниже. Волоконно-оптические линии связи используют для построения телефонных и вычислительных сетей, систем кабельного телевидения с высоким качеством передаваемого изображения. Эти линии допускают одновременную передачу десятков тысяч телефонных разговоров и нескольких программ телевидения.

В последнее время интенсивно разрабатываются и получают распространение оптические интегральные схемы (ОИС), все элементы которых формируются осаждением на подложку необходимых материалов.

Перспективными в оптоэлектронике являются приборы на основе жидких кристаллов, широко используемые в качестве индикаторов в электронных часах. Жидкие кристаллы представляют собой органическое вещество (жидкость) со свойствами кристалла и находятся в переходном состоянии между кристаллической фазой и жидкостью.

Индикаторы на жидких кристаллах имеют высокую разрешающую способность, сравнительно дешевы, потребляют малую мощность и работают при больших уровнях освещенности.

Жидкие кристаллы со свойствами, схожими с монокристаллами (нематики, наиболее часто используют в световых индикаторах и устройствах оптической памяти. Разработаны и широко применяются жидкие кристаллы, изменяющие цвет при нагревании (холестерики). Другие типы жидких кристаллов (смектики) используют для термооптической записи информации.

Оптоэлектронные приборы, разработанные сравнительно недавно, получили широкое распространение в различных областях науки и техники, благодаря своим уникальным свойствам. Многие из них не имеют аналогов в вакуумной и полупроводниковой технике. Однако существует еще много нерешенных проблем, связанных с разработкой новых материалов, улучшением электрических и эксплуатационных характеристик этих приборов и развитием технологических методов их изготовления.

Раздел 5. Устройства на приборах с зарядовой связью (ПЗС).

Тема 5.1. Принципы построения и действия ПЗС.

Приборы с зарядовой связью (ПЗС),как и транзисторы,обладают свойством универсальности,позволяющим использовать их в самых разнообразных устройствах.Они применяются в цифровых ЗУ большой информационной емкости.В оптоэлектронных приемниках изображений на основе ПЗС создают формирователи видеосигналов.В радиотехнических системах обработки информации ПЗС используют при разработке линий задержки,фильтров различных типов,устройств спектрального анализа и обработки радиолокационных сигналов.

В данной главе рассматривается устройство,принцип действия и параметры элементов ПЗС,а также разновидности их конструкций.

Устройство,принцип действия.

Основными элементами ПЗС являются однотипные МДП – конденсаторы,сформированные на общей монокристаллической полупроводниковой подложке 1 p – типа (рис.1).Расположенные на слое диэлектрика 2 полоски затворов 3 образуют регулярную линейную систему или плоскую матрицу.Для большинства приборов подложку изготавливают из высокоомного кремния,диэлектриком служит диоксид кремния.Затворы с помощью алюминиевых или поликремниевых пленочных проводников присоединяют к управляющим шинам,на которые относительно заземленного электрода подложки подают импульсные управляющие напряжения.В рассматриваемом приборе три управляющих шины Ф1,Ф2,Ф3, поэтому он называется трехтактным.Для приборов с подложкой p -типа управляющие напряжения как правило имеют положительную полярность,а с подложкой n -типа – отрицательную.

При подаче напряжения высокого уровня,например,на шину Ф1 в приповерхностных областях полупроводниковой подложки под затворами,соединенными с этой шиной (первым,четвертым и т.д.),возникают потенциальные ямы для электронов.Электрический сигнал в ПЗС представлен не током или напряжением,как в микросхемах транзисторах на транзисторах,а зарядом – зарядовым пакетом.Принцип действия ПЗС основан на накоплении и хранении зарядовых пакетов в потенциальных ямах под затворами и на зарядовых пакетов в потенциальных ямах под затворами и на перемещении зарядовых пакетовмежду соседними элементами при изменении управляющих напряжений – тактовых импульсов.Взаимодействие соседних элементов осуществляется с помощью переноса зарядовых пакетов в полупроводниковой подложке в направлении,показанном стрелкой на рис.1,а.Это взаимодействие называют зарядовой связью,что отражено в названии прибора. Для того чтобы между соседними элементами обеспечивалась эффективная зарядовая связь,расстояния между затворами должны быть достаточно малыми по сравнению с толщиной обедненных слоев под затворами.Благодаря непосредственной зарядовой связи между соседними элементами в ПЗС не нужны сигнальные проводники,необходимые в интегральных микросхемах содержащих транзисторы.На поверхности большей части кристалла распологаются только управляющие шины,а сигнальнальные проводники используются лишь на входах и выходах ПЗС.

У поверхности подложки сформированы области 4 p+-типа,границы которых на рис.1,а показаны штриховыми линиями.Области p+-типа ограничивают часть подложки,расположенную под затвором,в которой перемещаются зарядовые пакеты.Поэтому ее называют каналом переноса.

Рассмотрим физические процессы в МДП – структуре,подробно описанные в ,применительно к ПЗС,которые в отличие от МДП транзисторов работают только в импульсном режиме.Пусть при t=0 напряжение на затворе изменяется скачком от Uз =0 до Uз >Uпор,где Uпор- пороговое напряжение.В полупроводнике под затвором образуется потенциальная яма для электронов и в течение очень короткого отрезка времени (порядка времени диэлектрической релаксации) формируется слой с высоким удельным сопротивлением, в котором под действием поля удалены основные носители – дырки, а электроны еще не успели накопиться. Глубина потенциальной ямы максимальна на границе полупроводника с диэлектриком, здесь начинает накапливаться зарядовый пакет электронов Qn. Он появляется вследствие контролируемого переноса зарядов из соседней МДП-структуры и неконтролируемых процессов: тепловой генерации электронов в обедненном слое или на поверхности полупроводника,диффузии электронов из подложки.

Распределения поверхностного потенциала в МДП-структуры и неконтролируемых процессов: тепловой генерации электронов в обедненном слое или на поверхности полупроводника, диффузии электронов из подложки.

Распределение поверхностного потенциала в МДП-структуре в направлении, перпендикулярном затвору, для различных моментов времени приведены на рис.2.Координата x отсчитывается от границы полупроводник (П) – диэлектрик (Д). Штриховой линией показана граница диэлектрик – металл (М). По мере накопления зарядового пакета за счет тепловой генерации носителей заряда толщина обедненного слоя Lоб и поверхностный потенциал полупроводника фпов уменьшаются, а разность потенциалов на диэлектрике увеличивается. В установившемся режиме (t) поверхностный потенциал уменьшается до значения фпор=2фтln(Na/ni), где Na – концентрация акцепторов в подложке; ni – концентрация собственных носителей. При этом у поверхности образуется инверсный слой n-типа, максимальный заряд электронов в котором

Qn макс =Cд(Uз-Uпор),

Где Cд=SзE0 E д/d – емкость диэлектрика; Sз – площадь затвора.

Для работы ПЗС существенна зависимость поверхностного потенциала от величины зарядового пакета при заданном напряжении затвора (рис. 3). Эта зависимость приблизительно линейная:

Фпов= - Qn/Cд.

При постоянном значении Qn поверхностный потенциал возрастает при увеличении напряжении затвора также приблизительно по линейному закону.

Приведенные зависимости позволяют наглядно проиллюстрировать работу ПЗС с помощью гидродинамической модели (рис.4, а-в). В этой модели потенциальная яма отождествляется с сосудом, зарядовый пакет Qn- с жидкостью, заполняющей этот сосуд, поверхностный потенциал, т.е. глубина потенциальной ямы,- с расстоянием h от поверхности жидкости, заполняющий этот сосуд, др верхнего края сосуда. В такой модели между объемом жидкости в сосуде и глубиной h (Qn) его незаполненной части существует линейная зависимость вида (11.2), а глубина пустого сосуда h(0) увеличивается пропорционально напряжению затвора (см. рис.11.4). Эта модель используется для пояснения процесса переноса зарядного пакета.

Рассмотрим процесс переноса зарядного процесса в ПЗС с трехактной схемой управления. Временные диаграммы управляющих импульсов для этого случая приведены на рис.5. Пусть в момент времени t1 на затворах, присоединенных к ширине Ф2 , напряжение высокого уровня U’3>Uпор и под вторым и пятым затворами накоплены зарядовые пакеты Qn2 и Qn5 (рис.6), а на затворах, присоединенных к шинам Ф1 и Ф3 – напряжение низкого уровня и под соответствующими затворами нет потенциальных ям и зарядовых пакетов. В момент времени t2 на затворы,соединенные с шиной Ф3 поступает напряжение высокого уровня и под ними практически мгновенно формируются пустые потенциальные ямы. На затворах шины Ф1 сохраняется напряжение низкого уровня.

Для нормальной работы ПЗС расстояние между соседними затворами должно быть достаточно малым, чтобы потенциальные ямы соседних элементов, на затворы которых подано напряжение U’3, сливались в единую потенциальную яму без барьера посередине, как показано на рис.11.6. для момента времени t3 >t >t2.

Перенос зарядочных пакетов становится возможным благодаря краевому эффекту. Он состоит в том, что размеры потенциальной ямы в плоскости пластины (в направлении переноса зарядных пакетов) превышают размеры затвора, т.е. потенциальная яма образуется не только под затвором, но и некотором расстоянии от его краев. Размеры областей за границами затвора, в которых формируется потенциальная яма, увеличиваются с ростом напряжения на затворе. Только при достаточно больших напряжениях на соседних затворах и малых расстояниях между ними потенциальные ямы под соседними затворами перекрываются, образуя единую потенциальную яму.

Поскольку при t = t2 (см. рис.6) в третьем элементе электронов нет, а во втором накоплен зарядовый пакет Qn2, то согласно зависимостям, показанным на рис.3., при одинаковых напряжениях на затворах U32 =U 33 =U’3 поверхностный потенциал под затвором 3 будет значительно выше, чем под затвором 2. В результате влияния зарядового пакета Qn2 при одинаковых напряжениях на затворах 2 и 3 в общей потенциальной яме возникает продольное электрическое поле, ускоряющее электроны в сторону третьего элемента.

В гидродинамической модели ПЗС процессу переноса зарядового пакета соответствует перетекание жидкости в пределах общего сосуда. После повышения напряжения в затворе 3 формируется общий сосуд, расположенный под двумя затворами и в промежутке между ними. Жидкость в этом сосуде при t > t2 распределена неравномерно и начинает перетекать под затвор 3. По мере выравнивания уровней жидкости под затворами 2 и 3 скорость его течения уменьшается. Чтобы ускорить перекачку жидкости, напряжение на затворе 2 при t > t3 постепенно понижают до значения U3 мин. Дно сосуда под этим затвором поднимается, и жидкость перемещается в сосуд, расположенный под затвором 3.

При t = t4 перенос зарядового пакета из второго элемента в третий заканчивается, при этом зарядовый пакет Qn2. В тот же период времени осуществляется аналогичный перенос зарядового пакета из пятого элемента в шестой. Направленность переноса зарядового пакетов Qn2 и Q n5 обеспечивается тем, что во время переноса на затворах 1 и 4 (шина Ф1) поддерживается низкое напряжение и под ними потенциальная яма не формируется. Для направленного переноса в рассмотренном случае используют трехтактные управляющие напряжения (см. рис. 5). Для хранения и переноса одного зарядного пакета необходимо три элемента.

В момент времени t = t5 на шину Ф1 подается напряжение высокого уровня (см. рис.5) и начинается перенос зарядовых пакетов Qn3 и Qn6 в следующие элементы. Таким образом интервал времени tпер = t 4-t2 соответствуют времени, отводимому для переноса зарядовых пакетов, а интервал t xp= t 5– t 4 – времени хранения.

Устройства ввода и вывода зарядовых пакетов являются обязательными структурными элементами ПЗС. Они позволяют преобразовать выходные сигналы (уровни напряжения) в сигнальные зарядовые пакеты, а на выходе осуществлять обратное преобразование.

Рассмотрим устройство ввода электрического сигнала (рис.7,а). Оно состоит из области 1 n+ - типа, которая образует с подложкой n+-p переход (входной диод), входного омического контакта 2 к области 1 и входного затвора Ф вх. При простом способе ввода на вход подается сигнал отрицательной полярности, смещающий входной диод в прямом направлении, а к Ф вх прикладывается управляющее положительное направление. Наибольшее прямое смещение инжектирующего n+-p перехода обеспечивается в приповерхностной области, оно увеличивается с ростом разности напряжений на входе и на входном затворе. Зарядовый пакет инжектируется вначале из под n+- области под входной затвор (рис.7, б), а затем переносится под первый затвор Ф1. Величина инжектируемого зарядового пакета увеличивается с ростом амплитуды входного сигнала по линейному (приблизительно экспоненциальному) закону. Кроме того, она зависит от времени инжекции, т.е. от тактовой частоты управляющих импульсов (см. рис.5). Достоинство данного способа ввода электрического сигнала – высокое быстродействие (время инжекции составляет несколько наносекунд).

В ряде случаев требуется обеспечить близкую к линейной зависимость величины инжектируемого зарядового пакета от входного напряжения. Она может быть получена в том же устройстве ввода (см. рис.7, а), если использовать иной режим его работы, называемый режимом инжекции – экстракции (рис.7, в).

Информационный сигнал положительной полярности подают на Ф вх, а входной диод вначале смещают в прямом направлении. На этапе I обеспечивается максимальное заполнение электронами потенциальных ям под входным затвором и первым затвором Ф1, подают напряжение U’3 > U пор. На этапе II входной диод смещают в обратном направлении и экстрагируют электроны из-под затворов Ф вх и Ф1 в n+- область. При этом из-под входного затвора заряд экстрагируется полностью, а из-под первого он экстрагируется до уровня, соответствующего поверхностному потенциалу под входным затвором. Поскольку потенциальная яма входного затвора оказывается пустой, то поверхностный потенциал под этим затвором, как отмечалось выше, пропорционален напряжению на этом затворе, т.е. напряжению входного сигнала. Следовательно, величина зарядового пакета под первым затвором Ф1, пропорциональная поверхностному потенциалу под входным затвором, будет изменяться приблизительно линейно при изменении амплитуды входного сигнала.

Для вывода зарядового пакета на выходе используют устройство (рис.

8, а), содержащее область 1 n+ - типа проводимости, омический контакт 2 к этой области и выходной затвор Фвых. Область 1 образует с подложкой выходной диод, который смещают в обратном направлении. Для этого на выходной контакт через резистор подают постоянное положительное напряжение, превышающее максимальное напряжение на Фвых. В некоторый момент времени на выходной затвор подают импульс положительной полярности, разрешающий вывод зарядового пакета. Если в последнем элементе Ф3 к этому моменту времени был накоплен зарядовый пакет, то он переместиться в потенциальную яму, расположенную под выходным затвором (рис.8,б) , а затем в более глубокую потенциальную яму области n+- типа и, наконец, в выходную цепь - резистор, присоединенный к n+ - области. К выходному выводу подключают чувствительный усилитель на МДП - транзисторах, которые создаются на этой же подложке.

В ряде случаев необходимо осуществлять неразрушение считывание зарядового пакета. Для этого в качестве датчика поверхностного потенциала и связанной с ним величины зарядового пакета используют МПД - транзистор.

Тема 5.2 ПЗС в устройствах обработки сигналов памяти и приемниках изображения.

К числу основных параметров элементов ПЗС относятся: рабочая амплитуда управляющих напряжений, максимальная величина зарядового пакета, предельные (минимальная и максимальная) тактовая частоты, эффективность переноса зарядового пакета, рассеиваемая мощность.

Рабочая амплитуда управляющих напряжений на затворах определяется двумя основными условиями. Она должна быть достаточно большой для обеспечения требуемой величины зарядового пакета и полного смыкания обеденных слоев соседних элементов, чтобы под их затворами образовывалась общая потенциальная яма переносе зарядового пакета (см. рис. 6). Чем меньше расстояние между амплитуда управляющих напряжений, типичные значения которой 10…20 В.

Максимальная величина зарядового пакета Qn макс является важным пакетом, характеризующим управляющую способность ПЗС. Она пропорциональна амплитуде управляющего напряжения и площади затвора. В элементе с размерами затвора 10*20 мкм и d = 0,1 мкм при /\ ф пов = 5 В Qn макс = 0,35 пКл. На практике выбирают вдвое меньшую величину для предотвращения потерь зарядового пакета, вызванных выходом части электронов из потенциальной ямы в подложку (имеются в виду электроны, энергия которых достаточна для преодоления потенциального барьера).

Минимальная тактовая частота f т.мин обратно пропорциональна максимально допустимому времени хранения зарядового пакета в одном элементу. Это время ограничено, так как постепенно величина зарядового пакета изменяется вследствие неконтролируемого накопления электронов в потенциальных ямах под затвором. Эти электроны появляются в результате тепловой генерации носителей заряда в обедненном слое и на границе полупроводника с диэлектриком, а также за счет диффузии из подложки.

Qп / Q n макс = jт N / f т Сд.уд /\ ф пов макс < a , где Сд.уд – удельная емкость диэлектрика;

/\ ф пов макс- максимальное изменение поверхностного потенциала при наличии под затвором заряда Q n макс. При N = 10 , d = 0,1 мкм, jт = 10 / cм, ф пов макс = 5 В и получаем f т > 60 кГц.

Для увеличения допустимого времени хранения зарядового пакета и уменьшения

f т.мин снижают концентрацию объемных центров рекомбинации, плотность поверхностных состояний и рабочую температуру.Типичные значения f т.мин = 30…300Гц.

Максимальная тактовая частота f т.макс обратно пропорциональна минимально допустимому времени переноса. При работе с максимальной тактовой частотой перенос зарядного пакета в следующий элемент начинается непосредственно после окончания его переноса в данный элемент. Минимально допустимое время переноса зарядового пакета связано с эффективностью его переноса.

Эффективность переноса определяется соотношением n = Qn(i+1) / Qni, где Qni,

Qn(i+1) – зарядовые пакеты в i- м элементе после переноса n < 1.Допустимое уменьшение зарядового пакете при многократных переносах зависит от типа устройства. При заданном допустимом уменьшении зарядового пакета эффективность переноса определяет максимальное число элементов, через которые может быть передан зарядовый пакет. При анализе переноса часто используют величину n = 1 – n ,называемую коэффициентом потерь. Для сложных устройств на ПЗС с большим числом переносов требуемые значения n = 0, 999…0,99999 и соответственно n = 10 …10 .

На рис.9 показаны типичные зависимости коэффициента потерь от тактовой частоты дл рассмотрения выше элементов ПЗС с поверхностным переносом для рассмотренных выше элементов ПЗС с поверхностным переносом зарядовых пакетов 1 и с объемным переносом 2 (см.3) Потери зарядового пакета при переносе на высоких тактовых частотах в основном вызваны тем, что малое время, отводимое на пернос, часть электронов не успевает переместиться в соседний элемент и остается в предыдущем. Эти потери резко увеличиваются с ростом тактовой частоты, т.е. при уменьшении интервала времени, отводимого на перенос.

Минимально допустимое время на переноса зависит от требуемой эффективности переноса, длины затвора L3 и подвижности электронов. В конце переноса (см. рис11.6) напряженность поля под вторым (или пятым) затвором уменьшается. В это время заряд, оставшийся под затвором, очень мал и не влияет на распределение потенциала, поэтому потенциал под ним практически постоянный. Оставшаяся под затвором малая часть зарядового пакета /\ Q2 (или /\Qт5) перемещается под соседний затвор в основном за счет диффузии, причем она убывает приблизительно по экспоненциальному закону вида /\Qn (t) –exp (- t / т диф), где т диф- постоянная времени, характеризующая диффузию электронов,

т диф – постоянная времени, характеризующая диффузию электронов, т диф = L / 2Dn. В соответствии с соотношением Эйнштейна коэффициент диффузии электронов Dn = ф т м n.

Чем больше требуемая эффективность переноса, тем большее время необходимо отвести на перенос зарядового пакета и тем ниже максимальная тактовая частота управляющих импульсов (см. рис.9). На более низких тактовых частотах (f т<< fт. макс) эффективность переноса достигает максимального значения, которое практически не зависит от тактовой частоты. На этих частотах зарядового пакета обусловлены захватом части электронов поверхностными ловушками. За время переноса ловушки не успевают отдать все захваченные ими электроны. Потери такого типа увеличиваются, если данный зарядовый пакет переносится через элементы, не содержащие перед этим другим зарядовых пакетов, так как в них поверхностные ловушки оказываются незаполненными

Для уменьшения потерь, связанных с поверхностными ловушками, используют фоновый заряд, вводимый во все элементы. При этом управляющее напряжение тактовых импульсов (см. рис.5) понижают не до нуля, а до некоторого положительного значения U3 мин, равного, например, 2В. При этом в соответствующих элементах, где формируются неглубокие потенциальные ямы, сохраняется фоновый заряд заполняющий поверхностные ловушки. Тем самым уменьшаются потери зарядового пакета при переносе. Однако потери, связанные с захватом электронов поверхностными ловушками, не снижаются до нуля из=за краевого эффекта: фонового заряд занимает под затвором меньшую площадь, чем информационный зарядовый пакет, т.е. заполняет не все поверхностные ловушки, расположенные вблизи краев затвора. Кроме того, часть электронов захватывается ловушками, расположенными между затворами. Используя фоновый заряд, коэффициент потерь на частотах f т<< fт. макс можно снизить до 10 … 10 .

Рассеиваемая мощность элементов ПЗС очень мала. В стадии хранения она практически не рассеивается, так как текут очень малые токи термогенерации. Мощность рассеивается в элементах ПЗС только в режиме переноса зарядного пакета. Она увеличивается пропорционально тактовой частоте, амплитуде управляющего напряжения и менее 1 мкВт. Столь малая рассеиваемая мощность - одно из их главных достоинств.

Приборы с асимметричными элементами (см.10 и 11) могут работать и при использовании одной шины управляющих импульсов. При этом на вторую шину подается постоянное напряжение, уровень которого находится посередине между высоким и низким уровнями напряжения. Схемы управления такими приборами намного проще, однако амплитуда управляющих импульсов должна быть приблизительно вдвое больше, чем в двухтактных ПЗС.

Одной из важнейших конструктивных разновидностей являются ПЗС с объемным каналом. В рассмотренных выше ПЗС использовался перенос зарядов в очень тонком слое полупроводника, расположенном вблизи его поверхности. Для них поверхностные состояния и низкая подвижность электронов у поверхности ограничивают эффективность переноса и максимальную тактовую частоту. Улучшить эти параметры прибора можно в том случае, если хранить и передавать зарядовые пакеты на достаточном удалении от поверхности полупроводника. Это условие реализуется в ПЗС с объемным каналом переноса. Структура такого прибора показана на рис.12,а. Для его создания в высокоомной положке р-типа (концентрация акцепторов около 10 см) диффузией или ионным легированием формируют тонкий (толщина около 4 мкм) n-слой с концентрацией доноров около 2*10 см. На краях n-слоя размещаются входная и выходная области n+- типа, к которым создают омические контакты.

Прибор с объемным каналом переноса работает следующим образом. Предположим, что подложка и все затворы 1 заземлены, входная цепь разомкнута, а к выходному выводу через резистор подключен источник постоянного положительного напряжения (30 В), смещающий р-n переход между т- областью и подложкой в обратном направлении. При этих условиях в рассматриваемой структуре образуются не только приповерхностные обедненные области под затворами, но и обедненная область р-n перехода. Если положительное напряжение на n- слое достаточно велико, то приповерхностные подзатворные обедненные области смыкаются (в вертикальном направлении) с обедненной областью р-n перехода. Под каждым затвором образуется единая обедненная область, энергия электронов в который меньше, чем в подложке и вблизи поверхности полупроводника.

Распределение потенциала в вертикальном направлении по сечению А-А структуры показано на рис.12, б (кривая 1). Координата х отсчитывается от поверхности полупроводника. Распределение потенциала имеет максимум на глубине х = 3 мкм, т.е. внутри n- cлоя. Он соответствует минимуму потенциальной энергии электронов. Электроны, введенные в такую структуру, будут смещаться электрическим полем к области с минимальной потенциальной энергией. Следовательно, аналогично структуре с поверхностным каналом переноса эта структура способна накапливать и хранить зарядовые пакеты в потенциальных ямах под затворами. В отличие от ПЗС с поверхностным каналом переноса здесь в потенциальных ямах, расположенных в n-слое, накапливаются основные носители – электроны.

Как и в приборах с поверхностным каналом переноса, глубину потенциальной ямы в рассматриваемой структуре можно регулировать, изменяя напряжение на соответствующем затворе. Кривая 2 на рис. 12, б показывает, как влияет повышение напряжения на затворе до 10 В на распределение потенциала (при пустой потенциальной яме). Заряды можно перемещать из данного элемента в соседний, изменяя напряжения на затворах точно так же, как в трехактных ПЗС с поверхностным каналом переноса (см. 5). Поскольку минимум потенциальной энергии (т.е. область накопления зарядовых пакетов) располагается на значительном расстоянии от границы полупроводник – диэлектрик, влияние поверхностных состояний резко ослабляется и увеличивается подвижностью электронов. Эти факторы приводят к увеличению подвижности электронов. Эти факторы приводят к увеличению максимальной тактовой частоты и снижению коэффициента потерь (см. кривую 2 на рис. 9). Эффективность переноса ПЗС с объемным каналом на средних частотах определяется взаимодействием зарядовых пакетов с объемными ловушками. Концентрация объемных ловушек значительно ниже, чем поверхностных.

Важное достоинство ПЗС с объемным каналом – низкий уровень шумов, обеспечиваемый устранением взаимодействия зарядовых пакетов с поверхностными состояниями. Их недостатком является значительно меньшая величина максимального зарядового пакета, что обусловлено большим расстояние между затвором и областью накопления зарядов.

Тема 5.3. ПРИБОРЫ НА ЭФФЕКТЕ ГАННА

В 1963 г. американским физиком Ганном в полупроводниках -арсениде галлия GaAs и фосфиде индия InР с электронной электропроводностью было обнаружено явление генерации высокочастотных колебаний электрического тока в случае приложения к образцу постоянного напряжения, превышающего некоторое критическое значение. Оказалось, что частота колебаний зависит от длины образца и лежит в диапазоне нескольких гигагерц. Поскольку генерация высокочастотных колебаний в объеме не связана с наличием тонких и маломощных p-n-переходов, на приборах Ганна удалось построить СВЧ - генераторы значительно большей мощности, чем на других полупроводниковых приборах.

Генераторы Ганна, выполненные в форме квадратов со стороной 100-150 мкм, дают мощность в непрерывном режиме порядка нескольких милливатт на частотах 1-25 ГГц. Эти генераторы могут работать и в импульсном режиме, обеспечивая импульсную мощность порядка нескольких сотен ватт при к.п.д. 5-25%. Модификацией генератора Ганна является генератор с ограниче­нием накопления объемного заряда (ОНОЗ). В режиме ОНОЗ кристалл арсенида галлии включается последовательно с колеба­тельным контуром и нагрузочным резистором, Наличие контура обеспечивает легкость перестройки частоты. Переменное напря­жение на контуре достаточно велико для того, чтобы во время отрицательной полуволны напряжение на образце падало ниже критического значения. При этом домен успевает разрушиться, так как время диэлектрической релаксации в слабом поле мало (порядка с) по сравнению с периодом колебаний. В режиме ОНОЗ удается достигнуть большей мощности и на более высоких частотах (до сотен гигагерц) благодаря тому, что во время поло­жительной полуволны домен не успевает сформироваться и в большей части образца дифференциальная проводимость оста­ется отрицательной.

На эффекте Ганна, используется падающий участок вольтамперной характеристики, можно построить также СВЧ - усилитель. Например, усилитель на частоте 23-31 ГГц дает усиление по мощности 20 дБ.

Прибор па эффекте Ганна может быть использован как эле­мент логических схем. Быстродействие таких схем весьма высо­кое - несколько десятков пикосекунд на каскад. На рис. 9.23 показана простейшая схема импульсного усилителя на эффекте Ганна в триггерном режиме. В этой схеме напряжение батареи выбрано так, что искажение на приборе Ганна меньше Ut, не больше (U t и - пороговые напряжения возникновения и исчезновения доменов). При подаче на вход усилителя короткого импульса с длительностью меньше пролетно­го времени с амплитудой U n >Ut -Uo прибор Ганна на время, равное пролетному времени То , переключается в состояние со сформированными доменами. Ток через прибор Ганна и сопро­тивление включенного последовательно с ним резистора нагрузки падают, благодаря чему образуется выходной импульс с поляр­ностью,

противоположной входному импульсу, и длительностью, равной пролетному времени То . Такой усилитель может выпол­нять логическую операцию сравнения амплитуды импульса U H с заданной величиной -. Кроме того, он может быть использован как дискриминатор выходных импульсов по их ширине и амплитуде. При наличии дополнительного входа, показанного на рис. 9.23 пунктиром, схему усилителя можно использовать в ка­честве элемента ИЛИ, если прибор Ганна переключается одним импульсом, поданным на любой

из входов.

На эффекте Ганна могут быть созданы схемы, которые перево­дятся в режим самоподдерживаю­щейся генерации одиночным вклю­чающим импульсом. Эта генера­ция может быть прекращена пода­чей импульса противоположной полярности. Такие схемы могут осуществлять функции элемента памяти.

Функциональные приборы, построенные на эффекте Ганна, не имеют p-n-переходов и отдельных элементов.

Они выполняют свою функцию только благодаря свойствам материала и форме образца. Так, если изготовить кристалл арсенида галлия специальной формы то движущиеся домены можно использовать для ге­нерации импульсов практически лю­бой формы. Рассмотрим примеры.

В образце пирамидальной формы (рис. 9.24, а) электрическое поле уменьшается от катода к аноду. Поэтому при сравнительно малых напряжениях смещения домен распространяется только в ту часть прибора вблизи катода, в к второй. С повышением напряжения смеще­ния дрейфовый путь домена увели­чивается, а частота колебаний соот­ветственно уменьшается. При даль­нейшем повышении напряжения до­мен достигает анодa, после чего частота колебаний практически пере­стает зависеть от напряжения сме­щения. Осциллограмма тока, генери­руемого прибором Ганна при различных напряжениях смещения, показана на рис. 9.24,6.

На рис. 9.25 приведены функциональные генераторы Ганна с заданной формой колебаний. В верхней части рисунка показана форма образцов, в нижней - зависимости тока от времени. В соответствии с отмеченным свойством приборов Ганна форма колебаний тока в течение пролетного времени воспроизводит про­филь поперечного сечения образца (выступ на pис. 9.25, а и впа­дина на рис. 9.25, б). Следует отметить, что при малых напряжениях смещения частота колебаний, генерируемых прибором, падает с ростом напряжения. Когда напряжение будет достаточ­но велико для того, чтобы домен распространился до средней части образца с наибольшей площадью поперечного сечения, частота колебаний скачком уменьшится примерно в два раза, поскольку, миновав среднее сечение, домен достигнет анода. Следовательно, такой образец может быть использован в качест­ве переключателя частоты.

Одним из важных функциональных приборов на эффекте Ганна является аналого-цифровой преобразователь (рис. 9.26). Прибор имеет планарную конструкцию. Активный слой, имеющий форму «клина» с кодирующими прорезями, выращивают методом эпитаксии на полу изолирующей подложке.

Как и в приборах пирамидальной формы (см. рис. 9.24, а), путь, проходимый доменом, увеличивается с повышением напряжения смещения. При прохождении доменом кодирующей прорези ток уменьшается, а число всплесков, отнесенное к анодному пробегу домена, соот­ветственно возрастает с повышением напряжения смещения. Приборы на эффекте Ганна могут быть использованы также в качестве основных элементов оптоэлектронных устройств: прием­ников, модуляторов, источников света и т. д.

Тема 5.4. ДИЭЛЕКТРИЧЕСКАЯ ЭЛЕКТРОНИКА:

В микроэлектронике широко применяются тонкие пленки металлов и диэлектриков. При переходе к тонким пленкам возникают новые явления и закономерности, не проявляющиеся в
массивных образцах и структурах. Для пленок типична возможность создавать управляемые эмиссионные токи, аналогичные то­кам в вакууме. При контакте неметаллического твердого тела с металлом, oобладающим меньшей работой выхода, приконтактная область oобогащается свободными носителями заряда, эмиттированными из металла. В массивных образцах эти узкие приконтактные области повышенной электропроводимости не влияют на токовый режим, определяемый концентрацией свобод­ных носителей заряда в объеме тела. В тонких же пленках эмитированные носители заряда могут доминировать во всем объеме, определяя закономерности токовых явлений. С точки зре­ния теории рассеяния носителей заряда любое неметаллическое твердое тело в толстом слое - полупроводник, а в тонком слое - диэлектрик.

Эффекты, связанные с протеканием эмиссионных токов в не­металлических твердых телах, не охватываются ни физикой полу­проводников, ни физикой диэлектриков. Закономерности этих явлении, а также приборные и схемные разработки на их основесоставляют содержание нового раздела физики твердого тела и

электроники - диэлектрической электроники.

Если между двумя металлическими электродами поместить тонкую (порядка 1-10 мкм) диэлектрическую пленку, то мигрируемые из металла электроны заполнят всю толщину пленки и напряжение, приложенное к такой системе, создаст ток в ди­электрике.

Диэлектрическая электроника изучает протекание токов, ограниченных объемным зарядим в диэлектриках, при термоэлектронной эмиссии из ме­таллов и полупроводников, туннельной эмиссии и т. д.

Простейшими приборами диэлектрической электроники явля­ются диоды и транзисторы, имеющие характеристики, аналогичные характеристикам электровакуумных приборов. Диэлектриче­ский диод представляет собой пленочную структуру металл - диэлектрик - металл (рис. 9.27). Принцип действия диэлектри­ческого диода отличен от принципа действия электровакуумного и полупроводникового диодов. Выпрямляющий эффект в диэлектрическом диоде определяется различием работ и выхода из истока и стока и может оказаться значительным за счет нанесения на диэлектрик контакта из материала с очень малой работой выхода. Поэтому в одном направлении возникают большие токи, а в

обратном направлении - исчезающие малые токи. Коэффициент

выпрямления диэлектрического диода достигает О 4 и выше.

В диэлектрическом транзисторе управляющий электрод (затвор) размещен в тонком слое диэлектрика между истоком

Подаваемое на эти области внешнее напряжение управляет значе­нием тока, протекающего между истоком и стоком.

В другом типе диэлектрического транзистора (рис. 9.29) за­твор находится вне диэлектрика CdS; его роль сводится к изме­нению распределения потенциала в диэлектрике, что существенно влияет на значение тока. Распространение получили транзисторы с изолированным затвором структуры МОП (металл-окисел - полупроводник) или МДП (металл - диэлектрик - полупровод­ник).

Приборы диэлектрической электроники удачно сочетают ряд достоинств полупроводниковых и электровакуумных приборов и лишены многих недостатков. Эти приборы микроминиатюрные, малоинерционные, обладают хорошими частотными характеристи­ками, низким уровнем шумов, мало чувствительны к изменениям температуры и радиации. Создание эмиссионных токов в диэлек­триках не требует затрат энергии на нагрев эмитирующего электрода и решения проблемы теплоотвода.

Оптронными приборами (оптронами) называют такие полупроводниковые приборы, в которых имеются источник и приемник излучения (светоизлучатель и фотоприемник) с тем или иным видом оптической связи между ними.

Принцип действия оптронов любого вида основан на следующем. В излучателе энергия электрического сигнала преобразуется в световую, а в фотоприемнике, наоборот, световой сигнал вызывает электрический отклик (сигнал). Практически распространение получили лишь оптроны, у которых имеется прямая оптическая связь от излучателя к фотоприемнику и, как правило, исключены все виды электрической связи между этими элементами.Наличие оптической связи обеспечивает электрическую изоляцию между входом (излучателем) и выходом (фотоприемником).

Таким образом, в электронной цепи такой прибор выполняет функцию элемента связи, в котором в то же время осуществлена электрическая (гальваническая) развязка входа и выхода.

Применение оптоэлектронных приборов достаточно разнообразно: для связи блоков аппаратуры, между которыми имеется значительная разность потенциалов; для защиты входных цепей измерительных устройств от помех и наводок, оптическое, бесконтактное управление сильноточными и высоковольтными цепями (твердотельные реле), запуск мощных тиристоров, симисторов, управление электромеханическими релейными устройствами.

Создание "длинных" оптронов (приборов с протяженным гибким волоконно-оптическим световодом в качестве оптического канала) открыло совершенно новое направление применения изделий оптронной техники - связь на расстояниях по волоконной оптике.

Оптоэлектронные приборы находят применение и в чисто радиотехнических схемах модуляции, автоматической регулировки усиления и др. Воздействие по оптическому каналу используется здесь для вывода схемы в оптимальный рабочий режим, для бесконтактной перестройки режима и т. п.

Условно-графические обозначения основных типов оптронов приведены на рис.15.1.

15.1 Классификация оптоэлектронных приборов

Оптоэлектронные приборы классифицируются по следующим признакам.

По типу используемого излучателя оптроны подразделяются на:

с излучателем на миниатюрных лампочках накаливания. Оптроны на таких излучателях инерционны, и в настоящее время практически не используются, хотя находят применение в резисторных оптронах

с излучателем на неоновых лампочках, в которых используется свечение электрического разряда газовой смеси неон-аргон. Этим видам излучателей свойственны невысокая светоотдача, низкая устойчивость к механическим воздействиям, ограниченная долговечность, большие габариты, полная несовместимость с интегральной технологией. Тем не менее, в отдельных видах оптронов они могут находить применение.

с излучателем на электролюминесцентных ячейках.Электролюминесцентные ячейки имеют невысокую эффективность преобразования электрической энергии в световую, низкую долговечность (особенно - тонкопленочные), сложны в управлении (например, оптимальный режим для порошковых люминофоров ~220 В при f =400 ... 800Гц). Основное достоинство этих излучателей - конструктивно-технологическая совместимость с фоторезисторами, возможность создания на этой основе многофункциональных, многоэлементных оптронных структур. В настоящее время находят ограниченное применение.

с излучателем на светодиодах и лазерных диодах. Основным наиболее универсальным видом излучателя, используемым в оптронах, является полупроводниковый инжекционный светоизлучающий диод - светодиод. Это обусловлено следующими его достоинствами: высокое значение КПД преобразования электрической энергии в оптическую; узкий спектр излучения (квазимонохроматичность); широта спектрального диапазона, перекрываемого различными светодиодами; направленность излучения; высокое быстродействие; малые значения питающих напряжений и токов; совместимость с транзисторами и интегральными схемами; простота модуляции мощности излучения путем изменения прямого тока; возможность работы, как в импульсном, так и в непрерывном режиме; линейность ватт-амперной характеристики в более или менее широком диапазоне входных токов; высокая надежность и долговечность; малые габариты; технологическая совместимость с изделиями микроэлектроники.

По типу используемого фотоприемника оптроны подразделяются на:

Оптроны на основе фоторезисторов,свойства которых при освещении меняются по заданному сложному закону, что позволяет моделировать математические функции, и является шагом на пути создания функциональной оптоэлектроники. Однако, фоторезисторные оптроны инерционны.

Оптроны на основе фотодиодов;

Оптроны на основе фототранзисторов;

Оптроны на основе фототиристоров.

Последниетри являются наиболее универсальными фотоприемниками, работающими с открытым р - n-переходом. В подавляющем большинстве случаев они изготовляются на основе кремния, и область их максимальной спектральной чувствительности находится вблизи λ=0,7...0,9 мкм.

По типу используемого оптического канала оптроны подразделяются на:

Оптроны с открытым оптическим каналом. В таких оптронах излучатель и фотоприемник разделены воздушным зазором. Они широко применяются для определения числа оборотов крутящихся валов, синхронизации передвижения механических систем, как датчики положения и т.п. Оптроны с открытым каналом в свою очередь подразделяются на оптроны, работающие на отражение и пропускание.

Оптроны с закрытым оптическим каналом. В них оптический канал защищен от любых внешних воздействий. Такие оптроны применяются для гальванической развязки входных и выходных электрических цепей. Если в качестве выходной цепи используются мощные силовые приборы (тиристоры, симисторы, полевые MOSFET-транзисторы), то такие оптроны называют твердотельными реле. Такие реле в настоящее время являются альтернативой электромагнитных реле и их технология непрерывно совершенствуется.

Оптроны с “удлиненным” оптическим каналом. В таких оптронах излучатель и фотоприемник могут находиться на значительном расстоянии. В них оптический канал, связывающий излучатель и фотоприемник могут представляет собой волоконный световод. Такие оптоэлектронные приборы широко применяются для передачи информации в локальных сетях ЭВМ.

По спектральному диапазону оптического канала оптроны подразделяются на:

Оптроны видимого диапазона с длиной волны оптического излучения от 0,4 до 0,75 мкм.

Оптроны ближнего ИК-диапазона с длиной волны оптического излучения от 0,8 до 1,2 мкм. Этот вид излучения особенно эффективен для оптоэлектронных приборов с открытым каналом.

По конструктивно-технологическому признаку оптроны подразделяются на:

Опопары (элементарные оптроны), которые содержат один излучатель и один элементарный фотоприемник. В зависимости от типа используемого фотоприемника они могут быть резистивными, диодными, транзисторными, тиристорными и т.п.

Оптоэлектронные (оптронные) интегральные микросхемы, в которых помимо элементарного оптрона содержатся дополнительные электронные устройства: усилители, компараторы, логические схемы и т. п. В таких интегральных микросхемах входы и выходы гальванически развязаны.

Специальные виды оптронов: дифференциальные оптроны, которые содержат несколько излучателей и фотоприемников; оптоэлектронные датчики присутствия, задымленности, датчики положения и т.д.

Классификация и система обозначений тиристоров

Выпускаемые с 1980 года тиристоры имеют классификацию и систему обозначений, установленные ГОСТ 20859.1-89. В основу обозначений тиристоров положен буквенно-цифровой код, состоящий из девяти элементов.

Первый элемент (буква или буквы) обозначает вид прибора: Т – тиристор; ТЛ – лавинный тиристор; ТС – симметричный тиристор (симистор); ТО – оптотиристор; ТЗ – запираемый тиристор; ТБК – комбинированно выключаемый тиристор; ТД – тиристор-диод.

Второй элемент (буква) – подвид тиристора по коммутационным характеристикам: Ч – высокочастотный (быстро включающийся) тиристор; Б – быстродействующий; И – импульсный.

Третий элемент (цифра от 1 до 9) обозначает порядковый номер модификации (разработки).

Четвертый элемент (цифра от 1 до 9) – классификационный размер корпуса прибора.

Пятый элемент (цифра от 0 до 5) – конструктивное исполнение.

Шестой элемент – число, равное значению максимально допустимого среднего тока.

Седьмой элемент – буква Х для приборов с обратной полярностью (основание корпуса – катод).

Восьмой элемент – число, обозначающее класс по повторяющемуся импульсному напряжению в закрытом состоянии (сотни вольт).

Девятый элемент – группа цифр, обозначающая сочетание классификационных параметров: (du зс /dt ). Аббревиатура «зс» означает запертое состояние.

Пример условных обозначений тиристоров по ГОСТ 20859.1–89:

ТЛ171-320-10-6 – тиристор лавинный первой модификации, размер шестигранника «под ключ» 41 мм , конструктивное исполнение – штыревое с гибким катодным выводом, максимально допустимый средний ток в открытом состоянии 320 А , повторяющееся импульсное напряжение в закрытом состоянии 1000 В (10-й класс), критическая скорость нарастания напряжения в закрытом состоянии 500 В/мкс .

Оптоэлектронными называют приборы, которые чувствительны к электромагнитному излучению в видимой, инфракрасной и ультрафиолетовой областях, а также приборы, производящие или использующие такое излучение.

Излучение в видимой, инфракрасной и ультрафиолетовой областях относят к оптическому диапазону спектра. Обычно к указанному диапазону относят электромагнитные волны с длиной от 1 нм до 1 мм , что соответствует частотам примерно от 0,5·10 12 Гц до 5·10 17 Гц . Иногда говорят о более узком диапазоне частот – от 10 нм до 0,1 мм (~5·10 12 …5·10 16 Гц ). Видимому диапазону соответствуют длины волн от 0,38 мкм до 0,78 мкм (частота около 10 15 Гц ).

На практике широко используются источники излучения (излучатели), приемники излучения (фотоприемники) и оптроны (оптопары).

Оптроном называют прибор, в котором имеется и источник, и приемник излучения, конструктивно объединенные и помещенные в один корпус.

Из источников излучения нашли широкое применение светодиоды и лазеры, а из приемников – фоторезисторы, фотодиоды, фототранзисторы и фототиристоры.

Широко используются оптроны, в которых применяются пары светодиод-фотодиод, светодиод-фототранзистор, светодиод-фототиристор.

Основные достоинства оптоэлектронных приборов:

· высокая информационная емкость оптических каналов передачи информации, что является следствием больших значений используемых частот;

· полная гальваническая развязка источника и приемника излучения;

· отсутствие влияния приемника излучения на источник (однонаправленность потока информации);

· невосприимчивость оптических сигналов к электромагнитным полям (высокая помехозащищенность).

Излучающий диод (светодиод)

Излучающий диод, работающий в видимом диапазоне волн, часто называют светоизлучающим, или светодиодом.

Рассмотрим устройство, характеристики, параметры и систему обозначений излучающих диодов.

Устройство. Схематическое изображение структуры излучающего диода представлено на рис. 6.1,а, а его условное графическое обозначение – на рис. 6.2,б.

Излучение возникает при протекании прямого тока диода в результате рекомбинации электронов и дырок в области p-n -перехода и в областях, примыкающих к указанной области. При рекомбинации излучаются фотоны.

Характеристики и параметры . Для излучающих диодов, работающих в видимом диапазоне (длина волн от 0,38 до 0,78 мкм , частота около 10 15 Гц ), широко используются следующие характеристики:

· зависимость яркости излучения L от тока диода i (яркостная характеристика);

зависимость силы света I v от тока диода i .

Рис. 6.1. Структура светоизлучающего диода (а )

и его графическое изображение (б )

Яркостная характеристика для светоизлучающего диода типа АЛ102А представлена на рис. 6.2. Цвет свечения этого диода – красный.

Рис. 6.2. Яркостная характеристика светодиода

График зависимости силы света от тока для светоизлучающего диода типа АЛ316А представлен на рис. 6.3. Цвет свечения – красный.

Рис. 6.3. Зависимость силы света от тока светодиода

Для излучающих диодов, работающих не в видимом диапазоне, используют характеристики, отражающие зависимость мощности излучения Р от тока диода i . Зона возможных положений графика зависимости мощности излучения от тока для излучающего диода типа АЛ119А, работающего в инфракрасном диапазоне (длина волны 0,93…0,96 мкм ), представлена на рис. 6.4.

Приведем для диода АЛ119А его некоторые параметры:

· время нарастания импульса излучения – не более 1000 нс ;

· время спада импульса излучения – не более 1500 нс ;

· постоянное прямое напряжение при i =300 мА – не более 3 В ;

· постоянный максимально допустимый прямой ток при t <+85°C – 200 мА ;

· температура окружающей среды –60 …+85°С.

Рис. 6.4 . Зависимость мощности излучения от тока светодиода

Для информации о возможных значениях коэффициента полезного действия отметим, что излучающие диоды типа ЗЛ115А, АЛ115А, работающие в инфракрасном диапазоне (длина волны 0,95 мкм , ширина спектра не более 0,05 мкм ), имеют коэффициент полезного действия не менее 10 %.

Система обозначений. Используемая система обозначений светоизлучающих диодов предполагает применение двух или трех букв и трех цифр, например АЛ316 или АЛ331. Первая буква указывает на материал, вторая (или вторая и третья) – на конструктивное исполнение: Л – единичный светодиод, ЛС – ряд или матрица светодиодов. Последующие цифры (а иногда буквы) обозначают номер разработки.