Реферат: Оптроны и их применение

СОДЕРЖАНИЕ:

1.

Введение. 2

1.1.

Основные определения. 2

1.2.

Отличительные особенности оптронов. 2

1.3.

Обобщенная структурная схема. 3

1.4.

Применение. 4

1.5.

История. 5

2.

Физические основы оптроннойтехники. 6

2.1.

Элементная база и устройствооптронов. 6

2.2.

Физика преобразованияэнергии в диодном оптроне. 7

3.

Параметры и характеристикиоптопар и оптоэлектронных
интегральных микросхем. 13

3.1.

Классификация параметровизделий оптронной техники. 13

3.2.

Диодные оптопары. 14

3.3.

Транзисторные и тиристорныеоптопары. 15

3.4.

Резисторные оптопары. 15

3.5.

Дифференциальные оптопары. 15

3.6.

Оптоэлектронные микросхемы. 16

4.

Сферы применения оптронов иоптронных микросхем. 16

4.1.

Передача информации. 17

4.2.

Получение и отображениеинформации. 18

4.3.

Контроль электрическихпроцесов. 18

4.4.

Замена электромеханическихизделий. 19

4.5.

Энергетические функции. 19

5.

Литература. 19

1. ВВЕДЕНИЕ

1.1 Основные определения.

Оптронами называют такиеоптоэлектронные приборы, в которых имеются источник и приемник излучения (светоизлучатель и фотоприемник) с тем или иным видом оптической и электрической связи между ними,конструктивно связанные друг с другом .

Принцип действия оптронов любого вида основан на следующем. В излучателе энергия электрического сигнала преобразуется в световую, в фотоприемнике, наоборот, световой сигнал вызывает электрический отклик.

Практически распространение получили лишь оптроны, у которых имеетсяпрямая оптическая связь от излучателя к фотоприемнику и, как правило, исключены все видыэлектрической связи между этими элементами.

По степени сложности структурной схемы среди изделий оптронной техники выделяют две группы приборов. Оптопара (говорят также “элементарный оптрон”) представляет собой оптоэлектронный полупроводниковый прибор, состоящий из излучающего и фотоприемного элементов, между которыми имеется оптическая связь, обеспечивающая электрическую изоляцию между входом и выходом. Оптоэлектронная интегральная микросхема представляет собой микросхему, состоящую из одной или нескольких оптопар и электрически соединенных с нимиодного или нескольких согласующих или усилительных устройств.

Таким образом в электронной цепи такой прибор выполняет функцию элементасвязи, в котором в то же времяосуществлена электрическая(гальваническая) развязка входа и выхода.

1.2 Отличительные особенности оптронов.

Достоинства этих приборов базируются на общемоптоэлектронном принципе использования электрически нейтральных фотонов для переноса информации. Основные из нихследующие:

— возможность обеспечения идеальной электрической (гальванической); развязки между входом и выходом; для оптронов несуществует каких-либопринципиальных физических или конструктивных ограниченийпо достижению сколь угодно высоких напряжений исопротивлений развязки и сколь угодно малой проходной емкости;

— возможность реализации бесконтактного оптического управления электронными объектами и обусловленные этим разнообразие и гибкость конструкторских решений управляющих цепей;

— однонаправленность распространения информациипо оптическому каналу, отсутствие обратной реакцииприемника на излучатель;

— широкая частотная полоса пропускания оптрона, отсутствие ограничения со стороны низких частот (чтосвойственно импульснымтрансформаторам); возможность передачи по оптронной цепи как импульсного сигнала, так ипостоянной составляющей;

— возможность управления выходным сигналом оптрона путем воздействия (в том числе и неэлектрического) на материал оптического канала и вытекающая отсюда возможность создания разнообразных датчиков,а также разнообразных приборов для передачи информации;

— возможность создания функциональных микроэлектронных устройств с фотоприемниками,характеристики которых при освещении изменяются по сложномузаданному закону;

- невосприимчивость оптических каналов связи к воздействию электромагнитных полей, что в случае “длинных” оптронов (с протяженнымволоконно-оптическим световодом между излучателем и приемником)обусловливает их защищенность от помехи утечки информации, а также исключаетвзаимные наводки ;

— физическая и конструктивно-технологическая совместимость с другими полупроводниковыми и микроэлектронными приборами.

Оптронам присущи и определенные недостатки:

— значительная потребляемая мощность, обусловленная необходимостью двойного преобразования энергии(электричество — свет — электричество) и невысокими КПД этихпереходов;

— повышенная чувствительность параметров и характеристик к воздействию повышенной температуры и проникающей ядерной радиации;

— более или менее заметная временная деградация(ухудшение) параметров;

-относительно высокий уровень собственныхшумов, обусловленный, как и два предыдущих недостатка, особенностями физикисветодиодов;

- сложность реализации обратных связей, вызванная электрической разобщенностью входной и выходной цепей;

- конструктивно-технологическое несовершенство, связанное с использованием гибридной непланарной технологии, (с необходимостью объединения в одном приборе нескольких — отдельных кристаллов из различных полупроводников, располагаемых в разных плоскостях).

Перечисленные недостатки оптронов по мере совершенствования материалов, технологии, схемотехникичастично устраняются, но тем не менее еще длительное время будут носить достаточно принципиальныйхарактер. Однако их достоинства столь высоки, что обеспечивают увереннуювнеконкурентность оптронов среди другихприборов микроэлектроники.

1.

1.3 Обобщенная структурная схема (рис. 1.1).

Рис 1.1. Обобщенная структурная схема оптрона.

Как элемент связи оптрон характеризуется коэффициентом передачи Кi, определяемым отношением выходного и входного сигналов, и максимальной скоростью передачи информации F. Практически вместо F измеряют длительности нарастания и спада передаваемых импульсов tнар(сп) или граничную частоту. Возможности оптрона как элемента гальванической развязки характеризуются максимальным напряжением и сопротивлением развязки Uразв иRразви проходной емкостью Cразв.

В структурой схеме рис. 1.1 входное устройство служит для оптимизации рабочего режима излучателя (например, смещения светодиода на линейный участок ватт-амперной характеристики) и преобразования (усиления) внешнего сигнала. Входной блок должен обладать высоким КПД преобразования, высоким быстродействием, широкимдинамическим диапазоном допустимых входных токов (для линейных систем), малым значением “порогового” входного тока,при котором обеспечивается надежнаяпередача информации по цепи.

Назначение оптической среды - передача энергии оптического сигнала от излучателя к фотоприемнику, а также во многих случаях обеспечение механическойцелостности конструкции.

Принципиальная возможность управления оптическими свойствами среды, например с помощью использования электрооптических или магнитооптических эффектов, отражена введением в схему устройства управления, В этом случае мы получаем оптрон суправляемым

оптическим каналом, функционально отличающийся от “обычного” оптрона:изменение выходного сигнала может осуществляться как по входу, так и по цепи управления.

В фотоприемнике происходит “восстановление” информационного сигнала из оптического в электрический; при этом стремятся иметь высокую чувствительность и высокое быстродействие.

Наконец, выходное устройство призвано преобразовать сигналфотоприемника в стандартную форму, удобную для воздействия на последующие за оптроном каскады. Практически обязательной функцией выходного устройства являетсяусиление сигнала, так как потери после двойного пpeобразования очень значительны. Нередко функцию усиления выполняет и сам фотоприемник (например,фототранзистор).

Общая структурная схема рис. 1.1 реализуется в каждом конкретном приборе лишь частью блоков. В соответствии с этим выделяют три основные группыприборов оптронной техники; ранее названные оптопары (элементарные оптроны), использующие блокисветоизлучатель - оптическая среда — фотоприемник;оптоэлектронные (оптронные) микросхемы (оптопары с добавлением выходного, а иногда и входного устройства);специальные виды оптронов - приборы, функционально и конструктивно существенно отличающиеся от элементарных оптронов и оптоэлектронных ИС

Реальный оптрон может быть устроен и сложнее, чем схема на рис. 1.1; каждый из указанных блоков можетвключать в себя не один, а несколькоодинаковых или подобных друг другу элементов, связанныхэлектрически и оптически, однако это не изменяетсущественно основ физики и электроники оптрона.

1.4 Применение.

В качестве элементов гальванической развязки оптроны применяются: для связиблоков аппаратуры, между которыми имеетсязначительная разность потенциалов; для защиты входных цепей измерительных устройств отпомех и наводок; и т.д.

Другая важнейшая область применения оптронов — оптическое, бесконтактное управление сильноточными и высоковольтными цепями. Запуск мощных тиристоров, триаков, симисторов, управление электромеханическими релейными устройствами

Специфическую группу управляющих оптронов составляют резисторные оптроны, предназначенные для слаботочных схем коммутации в сложных устройствах визуального отображения информации, выполненных на электролюминесцентных (порошковых) индикаторах,мнемосхемах, экранах.

Создание “длинных” оптронов (приборов с протяженным гибким волоконнооптическим световодом) открыло совершенно новое направление примененияизделий оптронной техники — связь на коротких расстояниях.

Различные оптроны (диодные, резисторные,транзисторные) находят применение и в чисто радиотехнических схемах модуляции, автоматической регулировкиусиления и др. Воздействие по оптическому каналу используется здесь для вывода схемы в оптимальный рабочий режим, для бесконтактной перестройки режима и т. п.

Возможность изменения свойств оптического канала при различных внешних воздействиях на него позволяет создать целую серию оптронных датчиков: таковы датчики влажности и загазованности, датчика наличия в объеме той или иной жидкости, датчики чистоты обработки поверхности предмета, скорости его перемещения и т. п.

Достаточно специфическим является использование оптронов в энергетическихцелях, т. е. работа диодного оптрона в фотовентильном режиме. В таком режиме фотодиод генерирует электрическую мощность в нагрузку и оптрон до определенной степени подобен маломощному вторичному источнику питания, полностью развязанному от первичной цепи;

Создание оптронов с фоторезисторами, свойствакоторых при освещении меняются по заданному сложномузакону, позволяет моделировать математические функции, является шагом на пути создания функциональной оптоэлектроники.

Универсальность оптронов как элементов гальванической развязки ибесконтактного управления, разнообразие и уникальность многих других функций являются причиной того, что сферами применения этих приборовстали вычислительная техника,автоматика, связная ирадиотехническая аппаратура, автоматизированные системы управления, измерительная техника, системы контроля и регулирования, медицинскаяэлектроника, устройства визуального отображения информации.

1.5 История

Идея создания и применения oптронов относится к 1955 г.,когда в работе Loebner E. E. “Opto-electronic devices network” была предложенацелая серия приборов с оптическими и электрическими связями между элементами, что позволяло осуществлять усиление испектральное преобразование световыхсигналов, создавать приборы с двумя устойчивыми состояниями — бистабильные оптроны, оптоэлектронныеустройства накопления и хранения информации логические схемы,регистры сдвига. Там же был предложен и термин “оптрон”, образованныйкак сокращение от английского “optical-electronic device”.

Описанные в этой работе оптроны, отлично иллюстрируя принципы, оказались непригоднымидля промышленной реализации, так какосновывались на несовершенной элементарной базе — неэффективных и инерционных порошковых злектролюминесцентных конденсаторах(излучатель) и фоторезисторах (приемник). Несовершенны были и важнейшие эксплуатационные характеристики приборов: низкотемпературная и временная стабильность параметров, недостаточная устойчивость кмеханическим воздействиям. Поэтому. на первых порах оптрон оставался лишь интересным научным достижением не находящимприменения в технике.

Лишь в середине 60-х годов развития полупроводниковыхсветоизлучающих диодов и технологически совершенных высокоэффективных быстродействующих кремниевых фотоприемников с р — n-переходами (фотодиодыи фототранзисторы) начала создаваться элементарная база современной оптронной техники. К началу70-х годов производство оптронов в ведущих странах мира превратилось в важную и быстро развивающуюся отрасль электроннойтехники, успешно дополняющую традиционную микроэлектронику.

2. ФИЗИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ОПТРОННОЙ ТЕХНИКИ

2.1. ЭЛЕМЕНТНАЯ БАЗА И УСТРОЙСТВО ОПТРОНОВ

Элементную основу оптронов составляют фотоприемники и излучатели, а также оптическая среда между ними. Ко всем этим элементам предъявляются такие общие требования, как малые габариты и масса, высокая долговечность и надежность, устойчивость к механическим и климатическим воздействиям, технологичность, низкая стоимость. Желательнотакже чтобы элементы прошли достаточно широкую и длительную промышленную апробацию.

Функционально (как элемент схемы) оптрон характеризуется в первую очередь тем, какой вид фотоприемника внем используется.

Успешное использование фотоприемника в оптронеопределяется выполнением следующих основных требований: эффективность преобразования энергии квантов излучения в энергию подвижных электрических; наличиеи эффективность внутреннего встроенного усиления; высокое быстродействие;широта функциональных возможностей.

В оптронах используются фотоприемники различных структур, чувствительные в видимой и ближней инфракрасной области, так как именно вэтом диапазоне спектра имеются интенсивные источники излучения и возможна работа фотоприемников без охлаждения.

Наиболее универсальными являются фотоприемники с р — n-переходами (диоды, транзисторы и т, п.), в подавляющем большинстве случаевони изготовляются на основе кремния и область их максимальной спектральной чувствительности находитсявблизи l=0,7...0,9мкм.

Многочисленные требования предъявляются и кизлучателям оптронов. Основные из них: спектральное согласованиес выбранным фотоприемником; высокая эффективность преобразования энергии электрического тока в энергию излучения; преимущественнаянаправленность излучения; высокое быстродействие; простота и удобствовозбуждения и модуляции излучения.

Для использования в оптронах пригодны и доступнынесколько разновидностей излучателей:

— Миниатюрные лампочки накаливания.

— Неоновые лампочки, в которых используется свечение электрического разряда газовойсмеси неон-аргон.

Этим видам излучателей свойственны невысокая светоотдача, низкая устойчивость к механическим воздействиям, ограниченная долговечность, большие габариты, полнаянесовместимость с интегральнойтехнологией. Тем неменее в отдельных видах оптронов они могут находить применение.

— Порошковаяэлектролюминесцентная ячейка использует в качестве светящегося теламелкокристаллические зерна сульфида цинка (активированного медью,марганцем или другими присадками), взвешенные в полимеризующемся диэлектрике.При приложении достаточно высоких напряжений переменного тока идет процесспредпробойной люминесценции.

— Тонкопленочныеэлектролюминесцентные ячейки. Свечение здесь связано с возбуждением атомовмарганца “горячими” электронами.

И порошковые, и пленочныеэлектролюминесцентные 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.

Основным наиболее универсальным видом излучателя, используемым в оптронах, являетсяполупроводниковый 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 интегральнымисхемами; 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; технологическаясовместимость с изделиями микроэлектроники.

Общие требования, предъявляемые к оптической иммерсионнойсреде оптрона, следующие: высокое значение показателя преломления nим; высокое значение удельного сопротивления rим; высокая критическая напряженность поля Еим кр, достаточная теплостойкость Dqим раб; хорошая адгезия с кристаллами кремния и арсенида галлия;эластичность (это необходимо, так какне удается обеспечить согласование элементов оптрона по коэффициентам термического расширения); механическая прочность, так как иммерсионная среда в оптопаре выполняет не только светопередающие, но и конструкционные функции; технологичность (удобствоиспользования, воспроизводимость свойств, дешевизна и т. п.).

Основным видом иммерсионной среды, используемой в оптронах являются полимерные оптические клеи. Для них типично nим =1,4… 1,6, rим> 1012… 1014 Ом см, Еимкр =80 кВ/мм, Dqим раб= — 60… 120 C. Клеи обладают хорошей адгезией ккремнию и арсениду галлия, сочетают высокую механическую прочность иустойчивость к термоциклированию. Используются также незатвердевающиевазелиноподобные и каучукоподобные оптические среды

2.2. ФИЗИКА ПРЕОБРАЗОВАНИЯ ЭHEPГИИ В ДИОДНОМ ОПТРОНЕ

Рассмотрение процессов преобразования энергии в оптроне требует учитыватьквантовую природу света. Известно, что электромагнитное излучение может быть представлено в виде потока частиц - квантов (фотонов), энергия. каждого из которых определяется соотношением;

Eф=hn=hc/nl (2.1)

где h - постоянная Планка ;

с- скорость света в вакууме ;

n — показатель преломления полупроводника;

n,l — частотаколебаний и длина волны оптического излучения.

Если плотность потока квантов (т. е. число квантов, пролетающих через единицу площади в единицу вpeмени) равна Nф, то полная удельная мощность излучения составит:

Pф= Nф Eф (2.2)

и, как видно из (2.1), при заданном Nф она тем больше, чем короче длина волны излучения. Поскольку на практике заданной бывает Pф (энергетическая облученность фотоприемника), то представляется полезным следующее соотношение

Nф= Pф/ Eф=5<img src="/cache/referats/2737/image004.gif" v:shapes="_x0000_i1026">1015lPф (2.3)

Рис.2.1. Энергетическая диаграмма прямозонного полупроводника (на примере тройного соединения GaAsP).

где Nф, см-2<img src="/cache/referats/2737/image004.gif" v:shapes="_x0000_i1028">с-1;l, мкм; Pф, мВт/см.

Механизм инжекционной люминесценции всветодиоде состоит из трех основных процессов: излучательная (и безызлучательная) рекомбинация вполупроводниках, инжекцияизбыточных неосновных носителей заряда вбазу светодиода и вывод излучения из области генерации.

Рекомбинация носителей заряда в полупроводнике определяется прежде всего его зонной диаграммой, наличием и природой примесей и дефектов, степенью нарушения равновесного состояния. Основные материалы оптронных излучателей (GaAs и тройные соединения на его основе GaA1Asи GaAsP) относя

еще рефераты

Еще работы по радиоэлектронике

Реферат по радиоэлектронике

Нелинейные электрические цепи

29 Августа 2013

Реферат по радиоэлектронике

Волоконно-оптические датчики

29 Августа 2013

Реферат по радиоэлектронике

Электромагнитные волны

29 Августа 2013

Реферат по радиоэлектронике

История развития криоэлектроники

25 Июня 2015