Оптоэлектронные системы. 
Электротехника и электроника

В результате изучения данной главы студенты должны: знать: типы и характеристики элементов оптоэлектронных систем (источников и приемников излучения), типы и характеристики устройств отображения информации;

уметь: обосновать принципы работы оптоэлектронных устройств; владеть: технологией функционирования оптоэлектронных устройств.

Источники и приемники излучения

Развитие оптики и квантовой электроники привело к возникновению интегральной оптики и созданию интегрально-оптических систем, которые по назначению и технологии изготовления аналогичны полупроводниковым элементам микроэлектроники с использованием потока фотонов в качестве носителя информации. На этой базе построено множество приборов: оптоэлектронные датчики, оптические вычислительные и запоминающие устройства, индикаторы для отображения информации, волоконно-оптические линии связи. Распространению устройств оптоэлектроники способствуют большая информационная емкость и высокое быстродействие оптических каналов связи. Элементы оптоэлектроники описывают двумя типами характеристик и соответствующих параметров: оптическими и электрическими.

Свойства оптоэлектронных систем определяются механизмом взаимодействия излучения с веществом в оптическом диапазоне, включающем сигналы с длиной волны от 10 ⁸ м (10 нм) до 10 ⁴ м (100 мкм). Волны с меньшей длиной волны относят к мягкому рентгеновскому излучению, а с большей — к субмиллиметровым радиоволнам. Видимая часть оптического диапазона занимает узкий участок с длиной волны (А.) от 0,38 до 0,77 мкм; слева располагается область ультрафиолетового излучения (с А, от 1 нм до 0,38 мкм), справа — инфракрасного (с А, = 0,77^-1000 мкм). Наиболее освоенной в техническом плане является область с длиной волны 0,2—50 мкм, которой соответствует частотный диапазон от 10¹³ до 10¹⁵ Гц.

В основе функционирования источников излучения заложены такие физические явления, как тепловое свечение, излучение при электрическом разряде в газе, электролюминесценция. Наиболее простыми источниками света в оптоэлектронных системах являются миниатюрные лампы накаливания, имеющие широкий спектр излучения, основная часть которого лежит в инфракрасной области. Вследствие инерционности они применяются на частотах не выше 10 Гц.

В интегральной оптоэлектронике преимущественно применяют источники излучения, базирующиеся на явлениях люминесценции в полупроводниковых материалах. Электролюминесцентный излучатель (ЭЛИ) представляет собой конденсатор, в котором между обкладками (электродами) располагается люминофор. Один электрод прозрачный (слой оксида олова), второй — непрозрачный (рис. 20.1).

При приложении к кристаллу люминофора напряжения в нем образуется пространственный заряд. Электроны, попадая в область сильного поля, приобретают энергию, достаточную для ионизации, в результате которой образуются электроны и дырки, способные рекомбинировать, излучая при этом свет в видимой или ультрафиолетовой частях спектра. Электролюминесцентные конденсаторы имеют постоянные времени (0,1 — 1 мс), отличаются низкой стабильностью параметров и могут работать при постоянном или переменном напряжении электропитания.

Полупроводниковые светодиоды и лазеры основаны на излучательной рекомбинации в активной области р-п-перехода. При инжекции неосновных носителей заряда под действием прямого напряжения движущиеся заряженные частицы создают электромагнитные волны в видимом или инфракрасном диапазонах.

Светодиод представляет собой многослойную структуру, в которой при прохождении тока через переход во всех направлениях распространяется индуцируемое некогерентное излучение. Обычно используют излучение, выходящее ортогонально активной зоне (рис. 20.2, а).

Излучение светодиодов складывается из спонтанно рекомбинируемых частиц и поэтому характеризуется хаотичным изменением амплитуды и фазы электромагнитной волны. Таким образом, источник генерирует естественное излучение в широком спектре.

Рис. 20.1. Электролюминесцентный излучающий элемент.

Рис. 20.2. Структура светодиода (а) и его характеристики: спектральная (6), излучательная (в), волы-амперная (г) длин волн ДА, «30 нм (рис. 20.2, б). Излучательную характеристику (рис. 20.2, в) инжекционного светодиода, определяющую основные параметры, можно считать практически линейной. При токе / ~ 100 мА мощность излучения светодиода составляет единицы ватт. Вольт-амперпую характеристику светодиода (рис. 20.2, г) на рабочем участке и > U* можно заменить линейной зависимостью и ~ U* + п с наклоном г ~ 1-Н0 Ом. Это приводит к линейной управляющей характеристике светодиода Р_И(и) на рабочем участке, что важно при использовании управляемых излучателей в аналоговых устройствах.

Имеется также группа суперлюминесцентных диодов, которые имеют уменьшенную по сравнению со светодиодами спектральную ширину полосы излучения, но требуют для работы больших значений тока. Их часто используют в волоконно-оптических линиях связи.

В качестве управляемых источников света цифровой техники преимущественно применяют полупроводниковые инжекционные лазеры, имеющие когерентное излучение, сконцентрированное в узкой спектральной области. В лазерном диоде имеется резонатор (колебательный контур), осуществляющий обратную связь с передачей у по световому потоку (рис. 20.3, а).

Полупроводниковый лазер получает мощность (накачивается) непосредственно от источника электрической энергии напряжением и. Возникающий ток i приводит к повышению концентрации.

Рис. 20.3. Структура лазера (а), эквивалентная схема (б) и характеристика излучения (в) носителей в-переходе и их рекомбинации, вызывающей поток фотонов, т. е. излучение. При небольших токах накачки i излучение будет одиночным и спонтанным. Наличие пространственного резонатора, ограниченного зеркалами, приводит к возвращению части световой энергии в переход и новому возбуждению. Это можно интерпретировать как наличие положительной обратной связи (рис. 20.3, б), при которой часть выходной мощности уР_вых подается на вход узкополосного (резонансного) усилителя, вызывая генерацию на определенной частоте (длине волны). При пороговом значении тока накачки 1_п потери энергии в резонаторе будут компенсироваться усилением в контуре (будут выполнены условия самовозбуждения колебаний) и возникнет индуцированное когерентное излучение. Частота генерируемых колебаний определяется параметрами резонатора, а мощность излучения увеличивается приблизительно пропорционально току (рис. 20.3, в).

Наклон характеристики на участке индуцированного излучения составляет примерно 0,2 Вт/мА, что при токе накачки i = = 50^-250 мА позволяет получить значения мощности излучения в десятки ватт. Особенностями лазерного диода являются узкий спектр излучения (АХ ~ 1 нм) и малая угловая расходимость светового луча (Дф ~ 20°), что позволяет организовать эффективную передачу энергии на расстояние. К достоинствам лазера следует отнести высокие КПД (до 50%) и быстродействие (порядка 10 нс). Недостатками являются большие токи возбуждения и нелинейность характеристики излучения.

Приемники светового излучения представляют собой фотоприемники, преобразующие его в электрические сигналы. Различают внешний и внутренний фотоэффекты, лежащие в основе функционирования приемников излучения. Внешний фотоэффект вызывает испускание электронов под действием света в вакуумных и газонаполненных элементах, внутренний — за счет увеличения концентрации свободных носителей заряда в полупроводнике при его освещении.

Изменения электропроводности полупроводниковой пластины под действием инфракрасного, видимого или ультрафиолетового излучения используют в структуре фоторезистора на полупроводнике гг-типа (рис. 20.4, а).

Фоторезистор при включении в цепь с внешним источником U_mu служит параметрическим преобразователем светового потока Ф в электрическую проводимость полупроводника. Внешняя характеристика i (u) фоторезистора является линейной (рис. 20.4, б) с наклоном, зависящим от светового потока в соответствии с зависимостью /(Ф) (рис. 20.4, в).

Рис. 20.4. Фоторезистор (а), его электрические (б) и оптическая (в) характеристики Большинство применяемых в оптоэлектронике фотоприемников базируется на структуре полупроводникового диода. Фотодиоды имеют достаточную чувствительность по световому потоку, высокое быстродействие и хорошую технологическую совместимость с приборами интегральной электроники, т. е. органично вписываются в структуры сложных ИМС.

Воздействие излучения на р-н-переход приводит к увеличению концентрации основных носителей заряда в обедненных областях перехода, что при приложении напряжения и создает ток через переход (рис. 20.5, а).

Влияние образовавшегося фототока на вольт-амперную характеристику перехода можно учесть ее смещением на значение /ф относительно характеристики диода при отсутствии освещения (Фо = 0, рис. 20.5, б). Оптическую характеристику фотодиода (рис. 20.5, в) на рабочем участке аппроксимируют линейной зависимостью 1ф ~ к_фФ. Семейство вольтамперных характеристик фотодиода описывает соотношение i = -1_Ф + /₀(е^ы/<�рг- 1), представляющее собой характеристику полупроводникового диода с добавлением фототока /_ф. Смещение характеристик под действием излучения можно интерпретировать как наведение фотоЭДС У_ф на разомкнутых зажимах прибора, причем максимальное значение Уф не может превысить контактную разность потенциалов.

Характеристики фотодиода дают возможность использовать его в фотовольтаическом (генераторном) режиме с непосредственным.

Рис. 20.5. Фотодиод (а), его электрические (б) и оптическая (в) характеристики подключением нагрузки или фотодиодным при обратном смещении перехода внешним источником напряжения. Из большой номенклатуры выпускаемых полупроводниковых фотоприемников наиболее распространены p-i-n-структуры и лавинные фотодиоды. В первых между слоям р- и /2-типа вводят слой собственного полупроводника (/-типа) с большим удельным сопротивлением. В такой структуре каждый поглощенный фотон света порождает пару носителей заряда (электрон и дырку). Способность к образованию носителей растет с увеличением толщины /-слоя полупроводника. В лавинных фотодиодах используют эффект внутреннего усиления, т. е. умножения числа зарядов за счет лавинной ионизации при близком к напряжению пробоя смещении перехода. Коэффициент лавинного умножения может составлять несколько сотен.

Для усиления фототока применяют транзисторы в усилительном режиме с плавающей базой, когда базовый вывод не соединен ни с одной точкой схемы (рис. 20.6, а).

Рис. 20.6. Схема включения (а) и характеристики фототранзистора (б).

Структура фототранзистора такова, что световой поток облучает область базы, вызывая в ней генерацию зарядов. При разомкнутом выводе базы электроны накапливаются в //-области и снижают потенциальный барьер эмиттерного перехода, что приводит к изменению напряжения U_Kэ и увеличению тока коллектора /_к (рис. 20.6, б).