ОСНОВЫ ОПТОЭЛЕКТРОНИКИ ВВЕДЕНИЕ ЭТАПЫ И ПЕРСПЕКТИВЫ РАЗВИТИЯ

ОСНОВЫ ОПТОЭЛЕКТРОНИКИ

ВВЕДЕНИЕ. ЭТАПЫ И ПЕРСПЕКТИВЫ РАЗВИТИЯ ОПТИЧЕСКОЙ ЭЛЕКТРОНИКИ Оптоэлектроника представляет собой раздел науки и техники, посвященный генерации, переносу, преобразованию, запоминанию, хранению и ото бражению информации на основе совместного использования электрических и оптических явле ний и процессов. Физическую основу оптоэлектроники составляют процессы преобразования электрических сигналов в оптические и оптических в электрические, процес сы распространения излучения в различных средах, эффекты взаимодействия электромагнитных излу чений оптического диапазона с веществом.

Основные исторические этапы развития оптоэлектроники: l 1864 год Дж. К. Максвелл сформулировал основные уравнения электродинамики. l 1873 год У. Смит открыл и в 1888 году А. Г. Столетов(на фото) провел исследования внутреннего и внешнего фотоэффектов. l 1960 1964 годы разработка и создание целого l ряда лазеров. Эйнштейн показал возможность 1917 год А. твердотельных, газовых, создания вынужденного (индуцированного) полупроводниковых. излучения. l 1947 год Д. Габор создал основы голографии. l 1954 год А. М. Прохоров, Н. Г. Басов, (на фото) Ч. Таунс создали молекулярный генератор на аммиаке, положивший начало развитию квантовой электроники.

Принципиальные достоинства оптоэлектронных приборов и устройств определяются факторами: l высокая информационная емкость оптического канала связи, обусловленная тем, что частота световых колебаний (1013 1015 Гц) на три пять порядков величины больше максимальных частот радиотехнического диапазона. l малое значение длины волны световых колебаний обеспечивает высокую плотность записи информации в оптических запоминающих устройствах (порядка 108 бит/см 2). l острая направленность светового излучения позволяет концентрированно и с малыми потерями передавать информацию в заданную область пространства, фокусировать лазерный луч на фотоприемник в пределах микронных и субмикронных размеров

Принципиальные достоинства оптоэлектронных приборов и устройств определяются факторами: l возможность двойной временной и пространственной модуляции светового потока. l возможность непосредственного оперирования с зрительно воспринимаемыми образами, визуализация электрических сигналов lвозможность существенного продвижения в область функциональной микроэлектроники, создания функциональных оптоэлектронных устройств и систем.

Передача информации с помощью электрически нейтральных фотонов обеспечивает: l отсутствие электрических и механических контактов в системе; l идеальную гальваническую развязку входа и выхода; l однонаправленность потока информации и отсутствие обратного влияния приемника на источник; l возможность создания сильно разветвленных коммуникаций, нагруженных на несогласованные разнородные потребители энергии; l невосприимчивость оптических каналов связи к воздействию электромагнитных полей, отсутствие взаимодействия в самих каналах связи отсюда высокая помехозащищенность, отсутствие взаимных наводок.

Элементная база современной оптоэлектроники включает в себя следующие основные группы приборов: l Источники излучения, в качестве которых чаще всего используются полупроводниковые лазеры (когерентные излучатели) и светодиоды (некогерентные излучатели). l Фотоэлектрические приемники излучения фоторезисторы, фотоприемники с n р переходом. l Приборы и устройства для управления излучением модуляторы, дефлекторы, управляемые транспаранты и др. l Приборы для электрической изоляции оптроны. l Приборы и устройства для управления излучением модуляторы, дефлекторы, управляемые транспаранты и др. l Оптические каналы связи, волоконно оптические световоды и линии. l Оптические системы и устройства для запоминания и хранения информации.

ИСТОЧНИКИ ИЗЛУЧЕНИЯ ДЛЯ ОПТОЭЛЕКТРОНИКИ Приборы, в которых осуществляется преобразова ние электрической энергии в световую, относятся к излучающим. К оптическому диапазону спектра в общем случае относятся электромагнитные волны, длина кото рых составляет от 1 до 106 нм. Реально в оптоэлектронике используется обычно более узкий диапазон длин волн, включающий видимую и ближние инфракрасную и ультрафио летовую области спектра.

Светодиоды Светодиод является полупроводниковым излуча ющим прибором с одним или несколькими n р пе реходами, преобразующий электрическую энергию в энергию некогерентного светового излучения. Излучение возникает в результате рекомбинации инжектированных носителей в одной из областей, прилегающих к n р переходу. Длина волны излучаемого света зависит от ширины запрещенной полосы полупроводника, поэтому для получения излучения в видимой области использу ются широкозонные полупроводники. К ним отно сятся арсенид галлия, фосфид галлия, карбид кремния, многокомпо нентные полупроводниковые соединения, например Ga. Al. As и другие.

Основным параметром светодиодов является внутренняя квантовая эффективность (отношение числа фотонов к количеству инжектированных в базу носителей) и внешняя эффективность (отно шение потока фотонов из светодиода к потоку носителей заряда в нем ( e s )) Мощность оптического излучения светодиода: Р = h e s. I/e где Р излучаемая мощность, I/e поток инжектированных носителей через переход, e КПД вывода излучения, s КПД светового излучения.

Материалы и параметры светодиодов Материал Ga. As Ga. P Ga. As 1 -ХРХ Ga 1 -ХAl. ХAs In 1 -ХGa. ХР Ga. N Примесь или состав Si Zn Zn. O N x = 0. 39 x = 0. 5 - 0. 75 x = 0. 05 - 0. 1 x = 0. 3 x = 0. 58 x = 0. 6 Цвет свечения ИК ИК красный зеленый красный янтарный ИК красный янтарный желтозеленый синий Максимум 950 900 690 550 660 610 800 675 659 617 570 410 hвн 12 -50 7 0. 5 0. 04 12 1. 3 0. 2 0. 1 0. 03

ВАХ светодиодов аналогичны ВАХ обычных диодов

Спектральные (а) и световая (б) характеристики светодиодов

Ширина спектральной полосы излучения светодиода: = 3 k. T 2/hc Светодиоды находят широкое применение в: Øсветовых табло. Øустройствах оптоэлектроники, Øцифровых индикаторах,

Полупроводниковые лазеры на n-р переходе В основе работы лазеров на n р переходе, лежит излучательная рекомбинация инжектированных n р переходом носителей заряда.

Схема лазера на n р переходе (а) и спектр его излучения (б)

Лазер на нитриде галлия l имеет пороговую плотность тока 4 к. А/см 2, l мощность более 200 м. Вт l длина волны излучения составляет 417 нм, l ширина линии излучения 1, 6 нм. l квантовый выход до 13%. Полупроводниковые лазеры с накачкой электронным пучком высокой энергии: l Cd. S дает зеленое свечение, l Zn. Se – голубое, l Cd. Se красное, l Ga. As и Cd. Te – в ближней ИК области

По сравнению с инжекционной накачкой возбуждение электронным лучом имеет следующие достоинства: l высокие мощности излучения благодаря возбуждению значительной толщины кристалла; l возможность использования широкого ряда полупроводниковых материалов, так как в этом типе лазеров не требуется n p пере ход; l простота двухкоординатного сканирования и высокая скорость модуляции; l возможность управляемой перестройки длины волны излучения, многоцветность, которую можно реализовать при использовании варизонных полупроводников.

Недостатки лазеров с возбуждением электронным лучом: l наличие вакуумированного объема, l значительные габариты, l сложность и громоздкость систем питания Лазер с электронным возбуждением используют: Øбыстродействующие голографические запоминающие устройства, Øсверхскоростных систем ввода информации, Øдля решения ряда задач оптоэлектроники, Øдля проекционного телевидения.

ФОТОЭЛЕКТРОННЫЕ ПРИЕМНИКИ ИЗЛУЧЕНИЯ Поглощение оптического излучения полупроводниками Оптическое излучение при взаимодействии с кристаллом полупроводника частично поглощается, частично отражается от его поверхности или проходит через кристалл. Мощность излучения по мере прохождения через кристалл убывает по экспоненциальному закону: Iх = I 0(1 R)exp( x) где I 0 падающая мощность светового излучения, R коэффициент отражения, коэффициент поглощения

Типичный спектр поглощения полупроводника 1 собственное поглощение в результате прямых переходов; 2 собственное поглощение при непрямых переходах; 3, 4 примесное поглощение; 5 решеточное поглощение; 6 поглощение свободными носителями заряда.

В полупроводниках реализуются несколько механизмов поглощения светового излучения: собственное поглощение (участки 1 и 2 спектра) происходит разрыв валентной связи и переход электрона из заполненной зоны в зону проводимости под действием кванта света (h > E, где E – ширина запрещенной зоны. ) примесное поглощение (области 3, 4 спектра) связано с ионизацией атомов примеси. экситонное поглощение, электрон в валентной зоне возбуждается, образуя с дыркой связанную кулоно вским взаимодействием пару – экситон. спектр решеточного поглощения (область 5) расположен в дальней инфракрасной области, сопро вождается повышением температуры полупроводника. поглощение энергии свободными носителями (область 6) сопровождается энергетическими пере ходами последних в пределах разрешенных зон.

Фоторезистивный эффект, фоторезистор При фоторезистивном эффекте происходит изме нение электропроводности полупроводника под действием света, связанное с генерацией неравно весных носителей заряда (собственное или примесное поглощение). В качестве материала фоторезисторов использу ются в основном сульфиды, теллуриды и селениды кадмия, висмута, свинца. Световые характеристики I = к. Фn Рабочая область выбирается в диапазоне условий, при которых n = 1

Основные недостатки фоторезисторов: l значительная инерционность, l низкий контраст l температурная и временная нестабильность параметров, l сравнительно большой темновой ток; Преимущества фоторезисторов: l относительная простота и дешевизна изготовления, l широкий диапазон номиналов сопротивлений, l возможность формирования фоточувствительных элементов сложной конфигурации.

Фотоэлектрический эффект в n-р-переходе В стационарном состоянии при постоянном световом потоке: I = Iдф - Iо = 0 Iф = Iо(exр[Uхх/ т] - 1) Uхх = т ln(1 + Iф/Iо) Iдф - диффузионный ток основных носителей заряда, Iф - фототок, Iо - тепловой ток через переход т - контактная разность потенциалов Uхх - напряжение холостого хода.

Вольт амперные характеристики освещенного идеализированного n p перехода

Фотоэлектронные приборы в вентильном режиме Фотоэлектрические приборы с n р переходом могут работать в двух режимах: v фотовентильном (при отсутствии внешнего напряжения происходит генерация фото. ЭДС); vфотодиодном (на переход подается обратное напряжение и освещение вызывает увеличение тока). Приборы, работающие в режиме генерации фото ЭДС находят широкое применение в системах контроля и управления с использованием световых потоков, преобразование световой энергии в электрическую (солнечные элементы). Основным материалом солнечных элементов в настоящее время является кремний. КПД реальных преобразователей на его основе уже приближается к 20%.

Влияние ширины запрещенной зоны на КПД и выходную мощность солнечных элементов на основе кремния и арсенида галлия.

Фотодиоды Простейший фотодиод представляет собой n р переход, на который подано обратное напряжение, и ток через структуру является функцией интенсив ности света Существуют также диоды на многослойных струк турах (р i n), гетероструктурах, поверхностно барье рных структурах (диоды Шотки), с лавинным умно жением фототока и др.

Спектральная характеристика фотодиодов. I( )/Imax

Высокое быстродействие достигается в фотодиодах с р i n структурой, в которых поглощение света осуществляется в области с собственной проводимостью Высоким быстродействием и высокой (в ряде случаев избирательной) чувствительностью обладают фотодиоды на основе барьера Шотки.

Для увеличения чувствительности фотодиода может быть использован эффект лавинного умножения носителей в области объемного заряда n р перехода (лавинный фотодиод). Коэффициент умножения: M = 1 [(Uо Ir)/Uпроб]с К недостаткам лавинных диодов относятся зависимость коэффициента умножения от фототока и жесткие требования к стабильности питающего напряжения (0, 01 0, 02%), так как М сильно зависит от напряжения.

Основные недостатки всех рассмотренных фотодиодов : l сравнительно малая l низкий контраст чувствительность (кроме лавинных), l лавинные диоды отличаются очень жесткими требованиями к стабильности напряжения питания и температуры; Этих недостатков лишены инжекционные фотодиоды : l усиление фототока в инжекционных фотодиодах может достигать нескольких порядков величины, l чувствительность 100 А/лм.

Фототранзисторы и фототиристоры Фототранзистор это полупроводниковый фото прибор с двумя или более n р переходами.

Устройство биполярного фототранзистора и его выходные характеристики К фототранзисторам может быть отнесен и фототиристор четырехслойная структура, работающая в ключевом режиме и управляемая световым потоком.

МДП-фототранзистор со встроенным затвором

Оптоэлектронные пары Оптоэлектронная пара содержит светоизлучатель и фотоприемник, связь между которыми осущест вляется оптически, а элементы ее гальванически полностью развязаны. 1 металлические электроды; 2 – светоизлучатель; 3 прозрачные электроды (оксид олова); 4 оптическая среда (стекло или полимер); 5 – фотоприемник

Схема оптопары 1 -металлические электроды; 2 -светоизлучатель; 3 -прозрачные электроды (оксид олова); 4 -оптическая среда (стекло или полимер); 5 -фотоприемник.

В зависимости от типа фотоприемника оптопары могут быть резисторными, диодными, транзисторными, тиристорными. Ряд пар источник фотоприемник, хорошо согласующихся друг с другом: 1. Кремниевый р i n фотодиод хорошо согласуется со светодиодами Ga. As(Zn), Ga. Al. As, Ga. As. Р и спектрально, и по быстродействию. 2. Кремниевые фототранзисторы и фототиристоры хорошо согласуются с излучателями на основе Ga. Al. As. 3. Фоторезисторы на основе Cd. S, Cd. Se спектрально хорошо согласуются с излучателями Ga. Р, Ga. As. Р, но имеют сравнительно невысокое быстродействие.

Оптоэлектронные пары в составе микросхем