1.1. Предмет оптоелектроніки. Оптоелектроніка представляє собою розділ науки і техніки, що займається питаннями генерації, переносу (передачі і прийому), переробки (перетворення), запам'ятовування і зберігання інформації на основі використання подвійних (електричних та оптичних) методів і засобів.
Оптоелектронний прилад - це (за рекомендацією МЕК) прилад, чутливий до електромагнітного випромінювання у видимій, інфрачервоній або ультрафіолетовій областях; або прилад, що випромінює і перетворює некогерентно або когерентне випромінювання в цих же спектральних областях; або прилад, який використовує таке електромагнітне випромінювання для своєї роботи.
Зазвичай мається на увазі також "твердотільної" оптоелектронних приладів і пристроїв або така їх структура (у разі використання газів і рідин), яка допускала б реалізацію із застосуванням методів сучасної інтегральної техніки в мікромініатюрних виконанні. Таким чином, оптоелектроніка базується на досягненнях цілого ряду досягнень науки і техніки, серед яких повинні бути виділені насамперед квантова електроніка, Фотоелектроніка, напівпровідникова електроніка й технологія, а також нелінійна оптика, електрооптики, голографія, волоконна оптика.
Принципові особливості оптоелектронних пристроїв пов'язані з тим, що в якості носія інформації в них поряд з електронами виступають електрично нейтральні фотони. Цим обумовлюються їх основні переваги:
Висока інформаційна ємність оптичного каналу. Гостра спрямованість випромінювання. Можливість подвійної модуляції світлового променя - не тільки тимчасової, але і просторової. Безконтактність, "елетропассівность" фотонних зв'язків. Можливість простого оперування зі зорово воспрінімемимі образами. Ці унікальні особливості відкривають перед оптоелектронними приладами дуже широкі можливості застосування в якості елементів зв'язку, індикаторних приладів, різних датчиків. Тим самим оптоелектроніка вносить свою, дуже значну, частку в комплексну мікромініатюризація радіоелектронної апаратури. Подальший розвиток і вдосконалення засобів оптоелектроніки служить технічним фундаментом розробки сверхвыскопроизводительных обчислювальних комплексів, запам'ятовуючих пристроїв гігантської ємкості, високошвидкісного зв'язку, твердотільного телебачення і інфравіденія.
Основу практично будь оптоелектронної системи становить джерело випромінювання: саме його властивості і визначають, в першу чергу, обличчя цієї системи. А всі джерела можна підрозділити на дві великі групи: з когерентним (лазери) і з некогерентним (світловипромінюючі діоди і ін) випромінюванням. Пристрої з використанням когерентного або некогерентного світла звичайно різко відрізняються один від одного по найважливіших характеристик.
Все це виправдовує використання таких термінів як "когерентна оптоелектроніка" і "некогерентних оптоелектроніка". Природно, що чітку межу провести неможливо, але відмінності між ними дуже істотні.
Історія оптоелектроніки веде свій початок з відкриття оптичного квантового генератора - лазера (1960 р.). Приблизно в той же час (50-60-і рр..) Отримали досить широке розповсюдження світловипромінюючі діоди, напівпровідникові фотоприймачі, пристрої керування світловим променем і інші елементи оптоелектроніки.
1.2. Генерація світла. Оптичний діапазон складають електромагнітні хвилі, довжини яких простягаються від 1 мм до 1 нм. Оптичний діапазон чудовий тим, що саме в ньому найбільш чітко проявляється корпускулярно-хвильовий дуалізм; енергія фотона і соответствующіеей частота коливань і довжина хвилі світла пов'язані такими співвідношеннями:
7)
7n 0 [гц] = 3 77010514 0 / 7l 0 [мкм] 2 липні
78
7e 4Ф 0 [еВ] = 1,234 / 7l 0 [мкм] 2 липня
70
При відомої питомої потужності P щільність фотонного потоку N визначається виразом
N [м 5-2 0С 5-1 0] = 5,035 77010512 77l 0 [мкм] 77 0P [мкВт 77 0м 5-2 0]. Всі светогенераціонние ефекти відносять або до теплового випромінювання, або до одного з видів люмінесценції. Спектр випромінювання нагрітого тіла визначається формулою Планка, яка для так званого абсолютно чорного тіла має вигляд
f (7l 0, T) = 2 7p7 0h 77 0c 52 77l 5-5 0 [exp (hc / (kT 7l 0)) - 1] 5-1 0, де h, c, k - відомі універсальні константи; T - абсолютна температура. При досить високих температурах (> 2500 ... 3500 К) частину спектру теплового випромінювання припадає на видиму область.
При цьому, однак, завжди значний довгохвильовий "хвіст".
Люмінесценція представляє собою випромінювання, що характеризується тим, що його потужність перевищує інтенсивність теплового випромінювання при даній температурі ("холодне" світіння).
Відомо, що електрони в атомі можуть перебувати в ряді дискретних енергетичних станів, при тепловій рівновазі вони займають найнижчі рівні. У люминесцирующей речовині за рахунок енергії того чи іншого зовнішнього впливу частина електронів переходить на більш високі енергетичні рівні E 42 0. Повернення цих електронів на рівноважний рівень E 41 0 супроводжується випусканням фотонів з довжиною хвилі, яка визначається простим співвідношенням:
1,23
7l 0 = ------------- [мкм]
(E 42 0 - E 41 0) [еВ]
Фізика люмінесценції зумовлює два примітні особливості процесу: вузький спектр випромінювання і можливість використання великої кількості способів збудження. У оптоелектроніці головним чином використовуються електролюмінесценція (пробою і інжекція pn переходу в напівпровідниках), а також фото-і катодолюмінесценцію (бомбардування люмінофора швидкими електронами).
При поширенні світлових променів важливу роль грає дифракція, обумовлена хвильовою природою світла і приводить, зокрема, до того, що виділений за допомогою оптичної системи паралельний пучок стає розбіжним, причому кут розходження близький до 7f 4D 0 = 7 l 0 / D, де D - апертура (діаметр променя світла).
Дифракційний межа роздільної здатності оптичних систем порівняємо з 7 l 0, а щільність запису інформації за допомогою світлових потоків не може перевищити 7 l 5-2 0.
У речовині з показником заломлення n швидкість поширення світлового променя стає c / n, а оскільки величина n залежить від довжини хвилі (як правило, зростає зі зменшенням 7 l 0), то це обумовлює дисперсію.
1.3. Джерела випромінювання. Оптоелектроніка базується на двох основних видах випромінювачів: лазерах (когерентне випромінювання) і світловипромінюючих діодах (некогерентного випромінювання).
У оптоелектроніці знаходять застосування малопотужні газові, твердотільні і напівпровідникові лазери. Розрідженість газового наповнення в робочому обсязі зумовлює високий ступінь монохроматичности, одномодового, стабільність частоти, гостру спрямованість і, в кінцевому рахунку, когерентність випромінювання. У той же час значні габарити, низький ККД, інші недоліки газорозрядних приладів не дозволяють розглядати цей вид ОКГ як універсальний оптоелектронний елемент.
Значні потужності випромінювання твердотільних лазерів зумовлюють перспективність застосування цих генераторів в дальнодіючих волоконнооптичних лініях зв'язку.
Найбільший інтерес для різноманітних оптоелектронних застосувань представляють напівпровідникові лазери завдяки високому ККД, малим габаритам, високій швидкодії, простоті управління. Особливо виділяються гетеролазери на основі потрійного напівпровідникового з'єднання Ga Al As. У їх структурі тонкий шар n-типу провідності "затиснутий" між областями n-і p-типів того ж матеріалу, але з великими значеннями концентрацій алюмінію і відповідно до цього великими ширинами забороненої зони. У ролі резонатора може також виступати поверхнева дифракційна решітка, що виконує функцію розподіленої оптичної зворотного зв'язку.
Для оптоелектроніки особливий інтерес представляють напівпровідникові випромінювачі - інжекційні (світлодіоди) і електролюмінесцентні (електролюмінофори). У перших випромінювання з'являється в результаті рекомбінації дірок з інжектованих через pn-перехід електронами. Чим більше струм через світлодіод, тим яскравіше його висвічування. Залежно від матеріалу діода і домішок у ньому міняється колір генерованого випромінювання: червоний, жовтий, зелений, синій (з'єднання галія з фосфором і азотом, кремнію з вуглецем і пр., див. табл.1). Світлодіоди на основі з'єднання галія з миш'яком генерують невидиме випромінювання з довжиною хвилі 0,9 ... 0,92 мкм. На цій довжині хвилі кремнієві фотоприймачі мають максимальну чутливість. Для світлодіодів характерні малі розміри (0,3 липня & 00,3 мм), великі термін служби (до 100 тис. ч.) і швидкодія (10 5-6 0 ... 10 5-9 0 з), низькі робочі напруги ( 1,6 ... 3,5 В) і струми (10 ... 100 мА).
Таблиця 1. Основні матеріали для світлодіодів.
| Напівпровідник | 4050 710, А | Колір | Ефективність% | Швидкодія, нс |
| GaAs | 9500 9000 | ІК | 12; 50 5 * 0 2 | 10 5-7 0 ... 10 5-6 0 10 5-9 0 ... 10 5-8 0 |
| GaP | 6900 5500 | Червоний Зелений | 7 0,7 | 10 5-7 0 ... 10 5-6 0 10 5-7 0 ... 10 5-6 0 |
| GaN | 5200 4400 | Зелений Блакитний | 0,01 0,005 | |
| GaAs 41-x 0P 4x 0 | 6600 6100 | Червоний Бурштиновий | 0,5 0,04 | 3 77 010 5-8 0 3 77 010 5-8 0 |
| Ga 41-x 0Al 4x 0As | 8000 6750 | ІК Червоний | 12 1,3 | 10 5-8 0 3 77 010 5-8 0 |
| In 41-x 0Ga 4x 0P | 6590 5700 | Червоний Жовто-зелений | 0,2 0,1 |
Останнім часом для малогабаритних пристроїв індикації широко стала використовуватися низьковольтна катодолюмінесценцію - світіння люмінофора під дією електронного променя. Такі джерела випромінювання представляють собою електровакуумні лампу, анод якої покритий люмінофором, що випромінюють червоний, жовтий, зелений, синій світло при попаданні на нього прискорених електричним полем електронів. Простота конструкції, низька вартість, великі яскравості і великий термін служби зробили катодолюмінесценцію зручною для різних застосувань в оптоелектроніці.
2. СВІТЛОДІОДИ. Найбільш перспективними джерелами випромінювання для оптоелектроніки є світлодіоди. Такими їх роблять малі габарити і маса (випромінюють площі 0,2 ... 0,1 мм 52 0 і менше), великий термін служби, вимірюваний роками і навіть десятками років (жовтень 1954 0 ... 10 55 0 год), висока швидкодію, що не уступає інтегральних схем (10 5-9 0 ... 10 5-5 0 з), низькі робочі напруги (1,6 ... 2,5 В), мала споживана потужність (20 ... 600 мВт) , можливість отримання випромінювання заданого спектрального складу (від синього до червоного у видимій частині спектру і ближнього інфрачервоного випромінювання). Вони використовуються в якості джерела випромінювання для управління фотоприймачами в оптронах, для представлення цифро-буквений інформації в калькуляторах і дисплеях, для введення інформації в комп'ютерах і пр.
Світлодіод представляє собою гомо-чи гетеро-pn-перехід, проходження струму через який в прямому напрямку супроводжується генерацією в напівпровіднику випромінювання. Випромінювання є наслідком інжекційного люмінесценції - рекомбінації інжектованих через pn-перехід емітером неосновних носіїв струму (електронів) з основними носіями струму в базі (дірками) (люмінесценція - випускання світла речовиною, що не вимагає для цього нагріву речовини; інжекційний е. електролюмінесценція означає, що люмінесценція стимульована електричним струмом).
Електролюмінесценція може бути викликана також сильним електричним полем, як у випадку електролюмінесцентних конденсаторів з діелектриком з порошку сірчистого цинку (предпробойная електролюмінесценція Дестро).
Світлодіоди для видимого та ближнього інфрачервоного випромінювання виготовляються головним чином з монокристалів матеріалів типу A 5III 0B 5V 0: фосфіду галія, арсеніду галія і більш складних з'єднань: GaAs 41-x 0P 4x 0, Ga 41-x 0Al 4x 0As, де x - частка змісту того чи іншого елемента в з'єднанні.
Для одержання необхідного кольору світіння матеріали сильно легується відповідними домішками або їх склад сильно варіюється. Так, для отримання червоного випромінювання фосфід галія легується цинком і киснем, для отримання зеленого - азотом.
Якщо в GaAs 41-x 0P 4x 0 x = 0,39, то світлодіод випромінює червоне світло з 7l 0 = 660 нм, якщо x = 0,5 ... 0,75, то бурштиновий з 7 l 0 = 610 нм.
З простого співвідношення, що зв'язує довжину хвилі випромінювання з шириною забороненої зони напівпровідника, 7 l 0 [нм] = 1234 / 7e 0 [еВ] випливає, що видиме випромінювання з 7 l, 0720 нм можна отримати лише від широкозонних напівпровідників з шириною забороненої зони 7 e. 01,72 еВ. У арсеніду галія при кімнатній температурі 7 e 0 = 1,38 еВ. Тому світлодіоди з арсеніду галія випромінюють невидиме, інфрачервоне випромінювання з 7l 0 = 900 нм. У фосфіду галія 7e 0 = 2,19 еВ. Він може вже випромінювати видиме світло з довжиною хвилі 7 l. 0565 нм, що відповідає жовто-зеленого світіння. Як перетворювач електричної енергії в світлову, світлодіод характеризується зовнішньою ефективністю (або к.к.д.).
число еміттірованних квантів світла
7h 0 = ------------------------------------------
число інжектованих неосновних носіїв
Ефективність світлодіодів невелика 7 h, 00,1 (10%). У більшості випадків вона не перевищує 0,5 ... 5%. Це обумовлено тим, що світло важко вивести з напівпровідника назовні. При високому значенні коефіцієнтів заломлення використовуваних провідників (для арсеніду галія n = 3,3 для повітря - 1) значна частина рекобінаціонного випромінювання відбивається від межі розділу напівпровідник-повітря, повертається в напівпровідник і поглинається в ньому, перетворюючись у тепло. Тому порівняно невеликі середні яскравості світлодіодів і їх вихідні потужності: L 4Ф 0 = 10 ... 10 53 0 кд / м 52 0, I 4Ф 0 = 10 5-1 0 ... 10 52 0 мкд, P 4Ф 0 = 10 5-1 0 ... 10 52 0 МВт. За цими параметрами вони поступаються лампочкам розжарювання, по решті - перевершують їх.
Світлодіод - мініатюрний твердотільний джерело світла. У нього відсутня відпаятися колба як у лампи розжарювання. У нього немає нитки розжарення, а значить відсутній час розігріву і мікрофонний ефект. Він більш стійкий до механічних ударів і вібрацій.
Випромінювання світлодіода дуже близько до монохроматичному в межах 7 Dl 0 = 40 ... 100 нм. Це знижує фонові шуми джерела в порівнянні з випадком застосування фільтрів для монохроматізаціі випромінювання немонохроматіческого джерела.
2.1. Конструкція світлодіодів. У випромінювачі плоскої конструкції випромінює перехід виконаний або дифузією, або епітаксії. Штриховими лініями показані промені, які з-за повного внутрішнього відображення від кордону розділу не виходять з кристала. З кристала виходять тільки ті промені, які з нормаллю становлять кут 7Q, 0arcsin n 41 0 / n 42 0. Для арсеніду галія і фосфіду галія - це конус з кутом у вершини не більше 35 5o 0. Така конструкція є найдешевшою і простий. Однак вона найменш ефективна, їй відповідає вузька діаграма спрямованості випромінювання.
Геометричні розміри напівсферичної конструкції світлодіода такі, що R 7. 0r 77 0 (n 42 0 / n 41 0). У цьому випадку все випромінювання потрапляє на межу розділу під кутом, що збігається з нормаллю, і повністю виходить назовні. Ефективність напівсферичної конструкції - найвища. Вона приблизно в десять разів перевищує ефективність плоскої конструкції. Однак вона набагато дорожче і складніше у виготовленні.
Плоский кристал світлодіода може бути покритий краплею епоксидної смоли, що виконує роль лінзи. Смола має коефіцієнт заломлення проміжний між повітрям і кристалом.
Це дозволяє трохи збільшити поверхню, яка світиться діода.
В останньому випадку смола підфарбовується під колір випромінювання світлодіода. Більшість сигнальних і відображають світлодіодів виконується такої конструкції.
Світлодіоди можуть виготовлятися і безкорпусним. Тоді їх розміри визначаються розмірами кристала (0,4 7 & 00,4 мм 52 0).
2.2. Властивості світлодіодів. Вольт-амперна характеристика світлодіода аналогічна вольт-амперної характеристики кремнієвого діода: вона має круто зростаючу пряму гілку. На цій ділянці динамічний опір мало і не перевищує декількох ом. Зворотні напруги невеликі (3,5 ... 7,5 В). Світлодіод не розрахований на значні зворотні напруги і легко може бути пробитий, якщо не вжити відповідних заходів захисту. Якщо світлодіод повинен працювати від мережі змінного струму, то послідовно з ним включається кремнієвий діод, який працює як випрямляючий вентиль. У статичному режимі номінальний струм в залежності від типу світлодіода лежить в межах від 5 ... 10 мА до 100 мА.
Яскравість висвічування світлодіода або потужність випромінювання практично лінійно залежить від струму через діод в широкому діапазоні зміни струмів. Виняток становлять червоні GaP - світлодіоди, у яких з ростом струму настає насичення яскравості. Це необхідно мати на увазі, коли світлодіод використовується в імпульсному режимі для отримання великих вихідних яркостей.
При постійному струмі через світлодіод його яскравість із зростанням температури зменшується. Для червоних GaP - світлодіодів підвищення температури в порівнянні з кімнатною на 20 5o 0 зменшує їх яскравість приблизно на 10%, а зелених - на 6%. Зі зростанням температури скорочується термін служби світлодіодів. Так, якщо при 25 5o 0C термін служби хороших світлодіодів сягає 100000 ч, то при 100 5o 0C він скорочується до 1000 г. Також скорочується термін служби світлодіода зі збільшенням його струму. Тому завищувати струм в порівнянні з його максимально допустимим паспортним значенням не рекомендується.
Спектральний склад випромінювання світлодіодів визначається матеріалом, з якого вони виготовлені, та легуючими домішками.
У табл. 2 дані основні параметри деяких промислових типів світлодіодів.
Таблиця 2. Параметри деяких типів світлодіодів.
| Тип | Матеріал | Колір | Вхідні параметри | Вихідні параметри | ||
| 7l 0, нм | I, мА | U, В | P, мВт I 4v 0, мкд | L 4v 0, кд / м 52 0 | ||
| АЛ102 | GaP | Червоний 700 | 5 | 3,2 | 5 | |
| АЛ102Д | GaP | Зелений 556 | 20 | 2,8 | 40 | |
| FLV450 | GaP | Жовтий 570 | 20 | 2 | 3,2 | |
| FLV350 | GaP | Зелений 560 | 20 | 2 | 3,2 | |
| FLV250 | GaP | Червоний 700 | 10 | 2 | 3 | |
| FK510 | GaAsP | Червоний 660 | 20 | 1,6 | 2 | |
| TIL210 | GaAsP | Червоний 670 | 50 | 1,8 | 2400 | |
| АЛ307 | GaAlAs | Червоний 700 | 1 | 2 | 0,15 | |
| АЛ307Б | GaAlAs | Червоний 700 | 1 | 2 | 0,6 | |
| АЛ107А | GaAs | 920 | 100 | 2 | 6 | |
| ЗЛ103А | GaAs | 900 | 50 | 1,6 | 1 | |
| IXL05 | GaAs | 900 | 750 | 1,8 | 2 | |
| TIL01 | GaAs | 900 | 50 | 1.3 | 0,05 | |
Використовуючи три висновки від структури, можна окремо управляти обома напівпровідниковими системами. Коли обидва основні кольори (червоний і зелений) випромінюються одночасно, людське око сприймає результуюче випромінювання як жовтий колір. Точно так же шляхом зміни величини струму, поточного через елементи світлодіода, вдається змінювати колір випромінювання від жовто-зеленого до червоно-жовтого відтінку. Одноколірні світіння - червоне чи зелене - знаходяться на краях колірної шкали. Коли потрібно отримати випромінювання певного колірного сприйняття, що лежить в даній колірної області, необхідно перед кристалом GaP розташувати відповідні фільтри, слабо поглинають червоні й зелені промені.
Двоколірні світлодіоди використовуються в якості чотирьохпозиційний (червоний - жовтий - зелений - вимкнений стан) сигналізаторів. Вони знаходять застосування в багатобарвних буквених і цифрових індикаторах, а також у цветоаналогових сигналізатора. Наприклад, в легкових автомобілях, використовуючи відповідну електроніку, з їх допомогою можна контроліровть ступінь зарядки батареї акумуляторів. При вимірюванні швидкості їх можна використовувати в якості оптичних індикаторів швидкості.
4. ІНДИКАТОРИ на світлодіодах. Для мініатюрних пристроїв відображення інформації широко використовуються світлодіоди на основі арсеніду-фосфіду галія (GaAsP), галія-алюмінію-арсеніду (GaAlAs), а також фосфіду галія (GaP).
Всі вони висвітлюють у видимій області спектру, характірізуются великою яскравістю, великою швидкодією і великим терміном служби.
Для виготовлення світлодіодів, цифрових і цифробуквене дисплеїв з таких матеріалів використовуються технологічні методи, що широко застосовуються у виробництві інтегральних схем. У залежності від розмірів дисплеї на світлодіодах виготовляються як за монолітною, так і по гібридної технології. У першому випадку це інтегральний блок світлодіодів, виконаний на одному напівпровідниковому кристалі. Так як розміри кристала обмежені, то монолітні індикатори - індикатори малих розмірів. У другому випадку випромінює частина індикатора представляє собою збірку дискретних світлодіодів на мініатюрній друкованої плати. Гібридний варіант є основним для для середніх і великих світлодіодних індикаторів.
Для світлодіодних індикаторів розроблені і стандартизовані схеми управління та узгодження на серійних інтегральних схемах, що спрощує їх схемотехнiку і розширює сфери застосування.
Розміри робочого кристала світлодіода малі (400 7 & 0400 мкм). Випромінюючий кристал - це крапка, що світиться. Для того ж, щоб добре розрізняти символи та цифри, їх розміри не повинні бути менше 3 мм. Для збільшення масштабу светоизлучающего кристала в дисплеї застосовують лінзи, рефлектори, Фоконье. Розміри знаків - від 3 до 1,5 мм та від 25 до 50 мм, що дозволяє візуально контролювати зображення на відстані до 3 і 10 м відповідно.
Індикатори на світлодіодах виготовляються двох типів: сегментні (цифрові) і матричні (універсальні). Семисегментний індикатор дозволяє відтворювати всі десять цифр (і точку) і деякі букви. Матричний індикатор містить 7 липня & 05 світлодіодів (світних крапок) і дозволяє відтворювати всі цифри, букви і знаки стандартного коду для обміну інформацією.
Обидва типи індикаторів можуть виконуватися як однорозрядним, так і багаторозрядним, що дозволяє створювати на їх основі системи відображення різної складності.
Література. Нососв Ю.Р. Оптоелектроніка. Фізичні основи, прилади та пристрої. М. 1978. Мадяр Б. Елементи оптоелектроніки і фотоелектричної автоматики. М. 1979 Зміст.
| 1.Фізичні ОСНОВИ ОПТОЕЛЕКТРОНІКИ. | 1 |
| 1.1. Предмет оптоелектроніки. | 1 |
| 1.2. Генерація світла. | 3 |
| 1.3. Джерела випромінювання. | 5 |
| 2. СВІТЛОДІОДИ. | 8 |
| 2.1. Конструкція світлодіодів. | 11 |
| 2.2. Властивості світлодіодів. | 12 |
| 3. Двоколірна СВІТЛОДІОДИ. | 14 |
| 4. ІНДИКАТОРИ на світлодіодах. | 15 |