Федосеева - Основы электроники и микроэлектроники (Основы электроники и микроэлектроники (книга)), страница 51

П еим- щества оптоэлектронных устройств объясняются тем, что их элементы связаны оптически, но изоли ски. то время как электроны являются заряженными д твуют с электрическими и магнитными полями, частицы светового луча — фотоны — электрически ней- тральны, не взаимодействуют друг с другом, не см не рассеиваются, П и этом смешиваются и ду выходом и вхо ом, ри этом исключаются паразитные связи межд, легко согласовать высокоомные и низ омные цепи, а т к а же высокочастотные и низкочастотные, в и низко- вольтные и низков , высокоольтные цепи, получить идеальную изоляцию.

Недостатком оптических систем является то, ч сигнал нельзя и ся то, что оптический ния его в ьзя использовать для непосредственного п" б в механическую энергию, чтобы привести в рео разова- реле, двигатели и ги ти в движение другие механизмы. Для осуществления раз- чески личных функций в оптоэлектронике обычно объедин ю е и электрические системы. Различают ва иняют опти- оптоэлект они т два направления роники: оптическое и электронно-оптическое. Оптическим направлением оптоэлектроники является л направление, использ ю вляется лазерное ьзующее эффекты взаимодействия твердого Э тела с электромагнитным излучением, ол , г ографию, фотохимию.

лектронно-оитическое направление исцольз несценцию, т. е. изл чен ользует электролюми, т. е. излучение света под действием электрического тока, и фотоэлектрические свойства элементов, п" б светов ю эне , прео разующих у н ргию в электрическую. Это применяется в элект онике я с р для создания функциональных оптоэлектронных интегральными микро- микросхем, которые по сравнению с интег" ить паразнтные связи схемами позволяют значительно уменьш между элементами внутри микросхемы и межд- мик осх а также повысить пл у микросхемами, и ь плотность информации, быстродействие, помехозащищенность и надежность устройств.

ст ойства: и Методами оптоэлектроники могут быть созданы еле у р " : реобразователи электрических сигналов— дующие пе еключат Р ели, усилители, генераторы, логические с и лов — ключи, менты памяти хемы и элет ЭВМ; преобразователи оптических сигиалов— бо ы, нап нме твердотельные электронно-оптические и элект о ектроннолучевые при- носи оизво я оры, например усилители света и изображения, переда ющие и ЙИ— р д щие экраны; устройства отображения и" ц — цифровые табло, индикаторные экраны и др. ения и.-"орма- 233 Главным структурным элементом или компонентом оптоэлектроники является оптрон, основу которого составляет оятрояная лара — фотоизлучатель и фотоприемник.

Фотоизлучателем в принципе может быть любой управляемый источник света, световой поток или яркость которого однозначно зависит от электрического сигнала, поступающего на его вход. Фотоизлучатели должны удовлетворять требованиям миниатюрности, малой потребляемой мощности, высокой эффективности и надежности, долговечности, механической прочности и технологичности. Наибольшее распространение в качестве фотоизлучателей в оптронах нашли светодиоды, относящиеся к электролюминесцентным источникам света. В качестве фотоприемников используют полупроводниковые приборы, преобразующие световое излучение в электрические сигналы: фоторезисторы, фотодиоды, фототранзисторы и фототиристоры. При подборе фотоизлучателя и фотоприемника в оптронную пару необходимо согласовать их спектральные характеристики.

Между фотоизлучателем и фотоприемником должна быть среда, которая играет роль световода. К материалу световода предъявляются определенные требования: он должен быть прозрачен в рабочей области, обладать большим коэффициентом преломления, высокой плотностью прилегания к материалам источника и приемника света и иметь с этими материалами одинаковый температурный коэффициент расширения. Большой коэффициент преломления необходим для уменьшения потерь света при отражении от границы светодиода и световода.

Материалы с большим коэффициентом преломления называют иммерсионны.ии. В качестве световодов большое распространение получили иммерсионные стекла — свинцовые и селеновые, а также волоконная оптика — тонкие нити стекла или пластмассы (волокна). Светопроводящие волокна покрывают светонзолируюшими материалами и соединяют в многожильные световые кабели, проводящие свет подобно тому, как многожильные металлические кабели проводят электрический ток. С помощью волоконной оптики можно получить большое количество каналов для передачи оптической информации.

Волокна световода можно изгибать и скручивать, причем каждое волокно все равно будет передавать свой оптический сигнал, например определенный элемент изображения. В микроэлектронике используют только те оптронные пары, которые можно изготовить методами интегральной технологии, совместимыми с технологией изготовления соответствующих интегральных микросхем. 5.5.4. Оптроны Оптроном называют оптоэлектронный полупроводниковый прибор, содержащий источник н приемник светового излучения, которые объединены конструктивно и имеют оптическую (фотонную) или электрическую внутреннюю связь (рис. 5.13).

Оптрон имеет вход и выход. Цепи входа н выхода называют внешними связями, в отличие от связи между источником и приемником света внутри оптрона. ) 1 1 ! фаык 1 1 1 Рис. 5.!3. Структурные схемы оптронов: а — с внутренней фотонной связью; б — с внутренней электрической связью; I фотоизлучателгк 2 — фотоорнемник, 3 — саетовов, 4— усилитель электрического сигнала В зависимости от вида внутренней, а следовательно, и внешних связей различают два типа оптронов: первый, основной, тип — с фотонной внутренней связью — имеет электрические внешние связи; второй — с электрической внутренней связью— имеет фотонные внешние связи. Рассмотрим принцип действия этих оптронов.

В оптроне с внутренней фотонной связью (рнс. 5.13,а) на вход подается электрический сигнал; под действием этого сигнала в фотоизлучателе, например светодиоде, проходит ток, возбуждающий свечение; световой поток по свеговоду попадает на фотоприемник, например фотодиод, в результате чего в его цепи проходит ток. Изменение напряжения на входе или входного тока светодиода вызывает изменение яркости его свечения или светового потока, а это в свою очередь вызывает изменение тока и напряжения на выходе фотоприемника, т. е.

появляется электрический сигнал на выходе. В этом случае в оптроне происходит преобразование вида; электрический сигнал — оптический сигнал — электрический сигнал. Такой оптрон может служить для усиления электрических сигналов. Поскольку внутренней электрической связи в нем нет, получается идеальная гальваническая развязка выходной и входной цепей и односторонняя направленность сигнала. К параметрам оптрона с внутренней фотонной связью отно- 235 у сятся максимально допустимый входной ток, максимально допустимое входное напряжение, сопротивление изоляции, проходная емкость, выходные параметры фотоприемника.

Сопротивление изоляции оптрона очень велико; оно может достигать 1Огз — 10" Ом. Проходная емкость очень мала: порядка !О зпф Оптрон с внутренней электрической и внешними фотонными связями (рис. 5.13, б) осуществляет преобразование вида: оптичесмий сигнал — электрический сигнал — оптичесний сигнал. Входным сигналом является световой поток, который поступает на фотоприемник, например фотодиод.

Изменения светового потока вызывают изменение тока в выходной цепи фотоприемника, а следовательно, и во входной цепи фотоизлучателя. Световой поток фотоизлучателя, например светодиода, изменяется с изменением проходящего через него тока. Между фотоприемником и фотоизлучателем обычно включается усилитель электрических сигналов, для того чтобы через источник света проходил больший ток. Это увеличивает ярмость свечения. Рассмотренный тип оптрона может служить усилителем оптических сигналов и преобразователем частоты этих сигналов; например, сигналов инфракрасного или рентгеновсмого излучения — в сигналы видимого спектра. Оптрон может быть изготовлен из дискретных элементов— бескорпусных светодиода и фотодиода, помещенных в общий герметичный металлический корпус. Такой оптрон внутри заливают специальным стеклом, служащим световодом; корпус имеет четыре наружных вывода — два входных и два выходных.

Струмтура такого оптрона помазана на рис. 5.14,а. Условное графическое обозначение оптронов с фотонными свизями при использовании разных типов фотоприемников показано на рис. 5.!4, б. В микроэлектронике оптроны изготовляют в едином технологическом процессе методом интегральной технологии одновременно с другими элементами микросхемы оптоэлемтронного изделия. Структура оптрона, применяемого в оптоэлектронных ИМС, приведена на рис. 5.14, а. Фотоприемник формируется по планарно-диффузионной технологии на основе кремния п-типа, в котором создается слой р-типа.

Полученная структура с р-и переходом представляет собой фотодиод. На него наносится иммерсионная среда, например селеновое стекло, являющееся световодом. На этом слое формируется р-л переход светодиода на основе арсенида галлия ОаАз п-типа с диффузионным слоем р-типа. На каждом слое создаются омическне контакты для присоединения внешних выводов. Для интегральных оптоэлектронных схем создают световоды в виде диэлектрических тонкопленочных микроволноводов оптического диапазона: на прозрачную подложку методами микроэлект- роники (вамуумного напыления или эпитаксиального наращивания) наносят тонкий слой светопроводящего диэлектрического или полупроводнимового материала, который имеет коэффициент преломления более высокиий, чем подложка.

Этот световод— полоска пленми толщиной 0,5 мкм и длиной 1 —:3 мкм— удерживает световой луч в своих пределах благодаря полному внутреннему отражению на границе с подложкой. Таким методом с помощью масми на подложку можно наносить световоды любой конфигурации н создавать сложные оптические схемы с Вход Г ! ! ! ! ход ю в Рис. б.!4. Оптроны: а — структура оптрона на дискретных беснороусных светодиоде (!) и фотодиоде (2); б — условное графическое обозначение оптронов: резисторного, диодного, ~рзнзисторного и тиристорного (3, 4, б, 6); а — структура интегрального миироихеитронного оптрона; 7 — фотоизлучатель; 8 — светодиод; 9 — фото- приемник; )б — омичесиие контакты для выводов разветвляющимися микроволноводами. Этим занимается интегральная оптика.