книги / Электроника электрофизические основы, микросхемотехника, приборы и устройства

Следовательно, в качестве модулируемых (информационных) пара­ метров сигнала можно выбрать интенсивность (амплитуду), направление поляризации, частоту, начальную фазу.

Типичная оптоэлектронная система преобразования сигналов содер­ жит передающую и приемную части, разделенные средой распространения излучения (рис.4.1).

до

Рис. 4.1. Типичная оптоэлектронная система

Передающая часть состоит из излучателя И (источника света) и мо­ дулятора (М). На приемной стороне размещены фотоприемник (ФП) и электронная система (ЭС) обработки информации. Среда распространения может быть неограниченной (распространение света в пространстве) или представлять собой волоконно-оптическую линию связи (ВОЛС) с устрой­ ствами ввода и вывода светового потока (оптическими разъемами). Преоб­ разуемый входной электрический сигнал и задает световой поток излуча­ теля с управлением входным сигналом или выходным с помощью модуля­ тора. Фотоприемник вырабатывает сигнал, напряжение ивых которого зави­ сит от его освещенности. Дальнейшая обработка сигнала осуществляется электронной системой. Применяются аналоговые и дискретные (в том чис­ ле цифровые) оптоэлектронные системы. В устройства памяти наряду с отмеченными элементами входят также фокусирующие системы и дефлек­ торы, управляющие отклонением луча.

4.2. Источники излучения

Работа источников излучения основана на различных физических явлениях (тепловое свечение, излучение при электрическом разряде в газе, электролюминесценция), обеспечивающих отличающиеся оптические и электрические характеристики. Наиболее простыми источниками излуче­ ния в оптоэлектронных системах являются миниатюрные лампы накалива­ ния. Они имеют широкий спектр излучения, основная часть которого ле­ жит в инфракрасной области. В силу большой инерционности они исполь­ зуются на частотах не выше 10 Гц.

В интегральной оптоэлектронике преимущественно применяют ис­ точники излучения, основанные на явлении люминесценции в полупро­ водниковых материалах. Наиболее перспективны излучатели, в которых люминесценцию вызывает электрическое поле или ток.

На рис.4.2 показан электролюминесцентный излучатель (ЭЛИ), представляющий собой специальный конденсатор, между обкладками (электродами) которого располагается люминофор, размещенный в слое

диэлектрика. Один электрод прозрачный (слой окиси олова), второй - не­ прозрачный.

- Прозрачный электрод Люминофор

Непрозрачный электрод ' Корпус (подложка)

Рис. 4.2. Электролюминесцентный излучающий элемент

Э л е к т р о л ю м и н о ф о р а м и называют полупроводники с боль­ шой шириной запрещенной зоны и примесями, обеспечивающими образо­ вание в кристаллической решетке центров люминесценции. При приложе нии к кристаллу люминофора напряжения в нем образуется пространст­ венный заряд, который уменьшается по мере проникновения поля внутрь кристалла. Электроны, попадая в область сильного поля этого заряда, при­ обретают энергию, достаточную для ионизации центров люминесценции В результате ионизации образуются электроны и дырки, способные реком­ бинировать, излучая при этом свет. Излучение происходит в видимой или ультрафиолетовой частях спектра.

Электролюминесцентные конденсаторы имеют постоянные времени 0,1..Л мс, отличаются низкой стабильностью параметров и могут работать при постоянном и переменном напряжении электропитания.

Возбуждение излучения электрическим током происходит в полу­ проводниковых переходах, на основе которых созданы различные типы излучателей. В интегральной оптике применяются два типа источников света: некогерентные (светодиоды) и когерентные (лазеры). Первь е характеризуются спонтанным излучением и имеют достаточно широкий спектр частот. Вынужденное излучение лазеров обладает весьма узким спектром при большой мощности излучения.

Принцип работы полупроводниковых излучающих светодиодов и ла­ зеров основан на излучательной рекомбинации в объеме «активной» об­ ласти р-п перехода. При инжекции неосновных носителей заряда под дей­ ствием прямого напряжения переход испускает электромагнитные волны в видимом или инфракрасном диапазоне.

Светодиод представляет собой многослойную полупроводниковую структуру, в которой индуцируемое при прохождении тока через р-п пе­ реход некогерентное излучение распространяется во всех направлениях. Обычно используют излучение, выходящее ортогонально переходу, т.е. активной зоне (рис.4.3,а). Излучение светодиодов складывается из волн, посылаемых спонтанно рекомбинируемыми частицами независимо друг от друга, и вследствие этого имеет хаотичное изменение амплитуды и фа­ зы суммарной электромагнитной волны. Источник генерирует естествен­ ное излучение, обладающее довольно широким спектром (рис.4.3,б) с ти-

личным значением Д^=30 нм. Излучательную характеристику (рис.4.3,в) инжекционного светодиода, определяющую основные параметры, можно считать практически линейной.

Рис. 4.3. Структура светодиода (а) и его характеристики: спектральная (б), излучатель­ ная (в), вольт-амперная (г)

При токе 1= 100 мА мощность излучения светодиода составляет еди­ ницы ватт. Вольт-амперная характеристика светодиодов (рис.4.3,г), опре­ деляющая их электрические параметры, является характеристикой полу­ проводникового диода, и на рабочем участке при u > lf ее можно заменить линейной зависимостью и = lf+ ri с наклоном г = 1... 10Ом. Это приводит к линейной управляющей характеристике светодиода Рк(и) на рабочем уча­ стке, что важно при использовании управляемых излучателей в аналого­ вых устройствах.

Вцифровых устройствах в качестве управляемых источников света преимущественно применяют полупроводниковые инжекционные лазеры, имеющие когерентное излучение, сконцентрированное в узкой спектраль­ ной области.

Влазерном диоде имеется резонатор (колебательный контур), осу­ ществляющий обратную связь по световому потоку (рис.4.4,я).

Рис. 4.4. Структура лазера (а), эквивалентная схема (б) и характеристика излучения (в)

Полупроводниковый лазер получает мощность (накачивается) непо­ средственно от источника электрической энергии напряжением и. Возни­ кающий ток / приводит к повышению концентрации носителей в р-п пере­ ходе и их рекомбинации, вызывающей поток фотонов, т.е. излучение. При небольших токах накачки i излучение будет спонтанным (одиночным).

Наличие пространственного резонатора, ограниченного зеркалами, приводит к возвращению части световой энергии в переход и новому воз­

буждению. Это можно интерпретировать как наличие положительной об ратной связи (рис.4.4,б), при которой часть выходной мощности уРвых по­ дается на вход узкополосного (резонансного) усилителя, вызывая генера цию на определенной частоте (длине волны). При пороговом значении то ка накачки /п потери энергии в резонаторе будут компенсироваться усиле нием в контуре (будут выполнены условия самовозбуждения колебаний) и возникнет индуцированное когерентное излучение. Частота генерируемы колебаний определяется параметрами резонатора, а мощность излучени; увеличивается приблизительно пропорционально току (рис.4.4,в).

Наклон характеристики на участке индуцированного излучения со­ ставляет примерно 0,2 Вт/мА, что при токе накачки / = 50...250 мА по­ зволяет получить значения мощности излучения в десятки ватт. Отличи­ тельными особенностями лазерного диода является узкий спектр излуче­ ния АХ = 1нм (для светодиода АХ = ЗОнм) и малая угловая расходимость светового луча (Асрл20°), что позволяет организовать эффективную связь с линиями передачи энергии на расстояние. Достоинствами лазера явля­ ются высокий КПД (до 50%) и быстродействие (порядка 10 нс); к недос­ таткам относят существенную нелинейность характеристики излучения и большие токи возбуждения.

Промежуточное положение между инжекционными светодиодами и полупроводниковыми лазерами занимают суперлюминесцентные диоды, которые имеют уменьшенную по сравнению со светодиодами спектраль­ ную ширину полосы излучения, но требуют для работы больших значений тока. Их часто используют в волоконно-оптических линиях связи.

4.3. Приемники излучения

Преобразование светового излучения в электрические сигналы осу­ ществляется с помощью различных типов фотоприемников. Различаю! в не шн и й и внут ре нний фотоэффекты, лежащие в основе функцио­ нирования различных приемников излучения. Внешний фотоэффект вызы­ вает испускание электронов под действием света в вакуумных и газона­ полненных элементах. Внутренний фотоэффект приводит к изменению электрофизических параметров полупроводника за счет увеличения кон­ центрации свободных носителей заряда (электронов и дырок) при его ос­ вещении и наблюдается в полупроводниковых пластинах и переходах.

Изменения электропроводности полупроводниковой пластины под действием инфракрасного, видимого или ультрафиолетового излучения используют в структуре полупроводника «-типа (рис.4.5,а). Фоторезистор служит параметрическим преобразователем светового потока в электриче­ скую проводимость. Для получения изменения тока в цепи фоторезистор включают в цепь с внешним источником электрической энергии UHïy. (рис.4.5,б).

ф

SÏC>2

а)

Рис. 4.5. Структура фоторезистора (а), схема включения (б) и характеристики:

электрическая (в), оптическая (г)

Внешняя характеристика i(u) фоторезистора является линейной (рис.4.5,в) с наклоном, зависящим от светового потока в соответствии с за­ висимостью /(Ф) (рис.4.5,г).

Большинство применяемых в оптоэлектроиике фотоприемников ба­ зируется на структуре р-п перехода (полупроводникового диода), находя­ щегося под воздействием излучения (рис.4.6,я).

Рис. 4.6. Структура фотодиода (о), обозначение (б), электрические (в) и оптическая (г)

характеристики

Фотодиоды (рис.4.6.6) имеют достаточную чувствительность по све­ товому потоку, высокое быстродействие и хорошую технологическую со­ вместимость с приборами интегральной электроники, т.е. органично впи­ сываются в структуры сложных ИМС.

Воздействие излучения на р-п переход, находящийся в равновесном состоянии (при разомкнутых внешних зажимах) приводит к увеличению концентрации основных носителей заряда (дырок и электронов) в обед­ ненных областях перехода. Они частично компенсируют заряды непод­ вижных ионов запирающего слоя, снижая потенциальный барьер и нару­ шая условия равновесия, что вызывает ток через переход (фототок).

Влияние образовавшегося фототока на вольтамперную характери­ стику перехода можно учесть ее смещением на значение /ф относительно характеристики диода при отсутствии освещения Ф0 = О (рис.4.6,в). Опти­ ческую характеристику фотодиода (рис.4.6,г) на рабочем участке аппрок­ симируют линейной зависимостью /ф = А:фФ; семейство вольтамперных ха­

рактеристик описывается соотношением i = - / ф + 10(еи^ т-1).

Снижение потенциального барьера в соответствии с семейством ха­ рактеристик можно интерпретировать как возникновение дополнительной

разности потенциалов или наведение фотоЭДС Кф на разомкнутых зажи­ мах прибора (максимальное значение V$ не может превышать контактную разность потенциалов).

Используются различные режимы работы фотодиода:

•фотовольтаический, когда к диоду непосредственно подключаю! нагрузочное сопротивление R (рис.4.7,а) и фотодиод работает в режиме генератора без внешнего источника электропитания, пре образуя световую энергию непосредственно в электрическую;

•фотодиодный - при обратном смещении перехода внешним ис точником напряжения VCM(рис.4.7,б)

Рис. 4.7. Режимы работы диода: фотовольтаический (я), фотодиодный (б)

Из большой номенклатуры выпускаемых полупроводниковых фоте приемников наиболее распространены p-i-n структуры и лавинные фото­ диоды. В первых, между слоям р - и «-типа вводят слой собственного полу­ проводника (/-типа) с большим удельным сопротивлением. В такой струк­ туре каждый поглощенный фотон света порождает пару носителей заряда (электрон и дырку). Способность образования носителей растет с увеличе­ нием толщины /-слоя полупроводника.

В лавинных фотодиодах используют эффект внутреннего усиле­ ния, т.е. умножения числа зарядов за счет лавинной ионизации при бли ком к напряжению пробоя смещении перехода. Достижимый коэффициент лавинного умножения может составлять несколько сотен.

Для усиления фототока применяют транзисторы в усилительном режиме (рис.4.8,а) с плавающей базой (базовый вывод не соединен ни с одной точкой схемы).

Рис.4.8. Схема включения (о) и характеристики фототранзистора (б)

Структура фототранзистора такова, что световой поток облучает об­ ласть базы, вызывая в ней генерацию зарядов. При разомкнутом выводе базы электроны накапливаются в «-области и снижают потенциальный барьер эмиттерного перехода, что приводит к увеличению токов эмиттера /э и коллектора /к (рис.4.8,б).

Для передачи световой энергии на большие расстояния требуется световод, который наряду с требуемыми оптическими характеристиками должен обладать заданными механическими свойствами (возможностью изгиба, прочностью, стойкостью к внешним воздействиям). В качестве световодов применяют цилиндрические волокна чистого кварца, а также органического или неорганического стекла.

Волоконно-оптический световод имеет стеклянную сердцевину, окруженную оболочкой, которая помещена в защитный слой (рис 4.11,я).

при изгибе (в)

Показатель преломления в сердцевине больше, чем в оболочке п\ > п2, что гарантирует полное внутреннее отражение светового луча (рис.4.11Jo) входящего под определенным углом в световод (луч 1). Показатели пре­ ломления защитного слоя и оболочки п2 > «о i при больших углах ввода светового луча происходит его отражение от границы «оболочка - защит­ ный слой» (луч 2) и возможен выход луча из световода (луч 3), т.е. излуче­ ние энергии. Подбор показателей преломления областей световода дол­ жен обеспечить распространение лучей при заданном изгибе волокна (рис.4.11,в).

Характеристики волоконных световодов зависят от их геометрии и свойств материалов. Важным паспортным параметром служит погонное затухание, вычисляемое как отношение мощностей на входе и выходе ка­ беля длиной /:

D = (l//)101g(/>BX//>BHX).

Обычное оптическое стекло обладает ослаблением примерно 1 дБ/м При его использовании подведенная световая мощность уменьшается на каждые 10м в 10 раз, что практически неприемлемо. Развитие технологии дало возможность производить высококачественные волокна с затуханием от 0,5 до 5дБ/км.

Кроме того, световоды вносят запаздывание сигнала, ориентировоч­ ное значение которого составляет 0,1нс/м. Наличие запаздывания и нерав­ номерности частотной характеристики волокна приводит к изменению нс только амплитуды, но и формы импульса (типичное значение уширения прямоугольного импульса составляет 50нс/км). Дисперсионное расширение передаваемого импульса ограничивает скорость передачи цифровых данных последовательным двоичным кодом. Для предотвращения перекрытия им­

пульсов длительностью At необходимо обеспечить условие расширения им­ пульса не более т=Д*/2. При этом максимальная скорость передачи инфор­ мации, определяемая соотношением B = l/(2At)y в линии длиной / при ве­

личине т/ уширения на единицу длины составит В < 1/(/т,). Например, при Т/= 50нс/км для линии длиной / = 0,5 км имеем В < 107бит/с или ЮМбит/с. Для аналоговых сигналов удобнее пользоваться частотной характеристикой линии передачи заданной длины. Необходимую полосу пропускания линии связи с ослаблением в ЗдБ можно оценить по формуле Fmax =0,4/т, кото­

КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ

1.Что составляет техническую базу оптоэлектроники?

2.Какие физические явления заложены в основу принципов действия источников оптического излучения?

3.На чем основано функционирование светоизлучающего диода?

4.Какие явления лежат в основе работы полупроводникового лазера?

5.На каких эффектах основано функционирование фоторезистора и фотодиода?

6.В чем отличия фотовольтаического и фотодиодного режимов работы приемника излучения?

7.Каковы характеристики фототранзистора?

8.Что представляет собой оптрон?

9.Каковы структуры оптического волновода и волоконно-оптического кабеля?

10.Какие параметры характеризуют передачу сигнала по волоконно-оптическому кабелю?

Глава 5

УСИЛИТЕЛИБАЗОВЫЕ ЭЛЕМЕНТЫ УСТРОЙСТВ

5.1. Структура, параметры и модели усилителей

Наиболее распространенными аналоговыми электронными преобра зователями являются усилители электрических сигналов. Они применяют ся для повышения уровня весьма слабых сигналов непосредственно с дат­ чиков, обеспечения требуемой мощности для работы силовых исполни­ тельных агрегатов и множества других приложений. На основе усилителей строится большинство функциональных аналоговых устройств, выпол няющих преобразование сигналов (фильтрацию, изменение спектра, кор рекцию формы), а также математические операции (суммирование, интег рирование, дифференцирование, нелинейную обработку).

У с и л и т е л ь представляет собой преобразователь, предназначен­ ный для увеличения интенсивности сигнала без изменения его формы Соотношение, описывающее идеальный усилитель, имеет вид

sy(t) ~ Ks(t —г3),

где ^(О, 5у(0 - входной и выходной сигналы; К - коэффициент преобразо вания, t3- интервал времени задержки.

Сигнальная модель усилителя представляет собой четырехполюсник с выделенными парами входных и выходных зажимов (рис.5.1,а).

Рис. 5.1. Усилитель (а), его частотная и (б) и переходная (в) характеристики

Для обеспечения функции усиления без искажений четырехполюе ник должен быть линейным с параметрами, не зависящими от формы сиг нала и его уровня при заданных внешних условиях. Реальные полупрово, никовые элементы электронных устройств являются нелинейными и обла­ дают инерционными свойствами, что приводит к искажению сигналов при их преобразовании. Анализ изменения формы и спектра сигналов выпо, няется с использованием характеристик усилителя. Нелинейные искажения можно рассчитать с помощью статических входной £/вх(/вх), выходной