Оптоэлектроника. Конспект лекций оптоэлектроника
 Скачать 13.21 Mb.
|
|
То есть темновой ток может разрядить эту собственную ем- кость. Можем мы уменьшать время опроса - τ - или нет и до какого предела? Если мы возьмем время опроса меньше постоянной времени дозаряда емкости, то выходной сигнал будет зависеть от предистории. 35 Пумть время фронта равняется времени опроса импульса, то в этом случае получи: когда мы подали импульс опроса, то мы имеем две емкости и тре- убется время клюбчения, и если время включения будет маленькаим, то тогда очень больгое время действует в цепи две емкости, то есть на нагрузке падает довольно большое напряжение. Время дозаряда емкости, где емкость меньше эмиттерной и у нас идет ситуация, что выходной сигнал примерно равен им- пульсу опроса. Но если все-таки ключился ключ, то у нас сразу появится одна емкость и сразу меняется постовннная времени нагрузки. И нести от обсве- щенности будет точка. Время фронта всегда БОЛЬШЕ времени включения диода ключа!!! Пусть фронт имеет очень большую величину. Импульс меняется медлен- но, но время то идет и коллекторная емкость заряжается, но импульс только стремится к макисмальному, а выходной сигнал будет равен времени заряда емкости, то есть не понлая амплитуда будет, так как емкость уже целиком за- рядилась и все, а импульс еще стремится к максимальному. Никто сейчас из БТ передающие матрицы не делает? БТ, матрицы должны иостоять из тр-ов с воспроизводимыми параметрами. Режим накопления заряда - режим для очень многоэлементых приемников. В чем главная особенность этого: Заставить фотоприемник производить фо- тоэлектреское преобразование, пока опрашиваются другие приемнки, то есть за время кадроа порядка 20мс. Это для получения усиления выходного сигнала - не мВ, а Вольты. Реализовать ее можно: накопит емкость, ее шунтирующее сопротивление, элетрический ключ(в нем главные проблемы). Причина: трудоно воспроизвести параметры разных транзисторов - напри- мер, коэф усиления сделать. 16.1. МОП фотодиод Накопитель - диод, являющейся истоком МОПТ. 36 Сток создается очень маленького размера. Между стоком и подложкой вклю- чается постоянное напряжение. Подавая импульс на затвор, образуется канал, область образуется - сток-исток. У истока емкость нагрузки(как диод). Импульс прекращается, канал убирается. Светим на сток, емкость истока нагрузки ражряжается. Через время кадра, подадим на затвор напряжение и поять канал образуется и приодит дозаряд емкости нагрузки и по току протекаемому узнаем насколько сильной была эта емкость разряжена. Такие структура потому что сделать одинаковые МОПТ сделать легче. 16.1.1. Сдвиговый резистор Последовательную подачу импльусов на линейку МОПов можно гораздо лег- че реализовать. Линейки делали до 40к МОПТ, чаще всего на ?? МОП диодов со встроенным сдвиговым резистором для опросов. 16.2. Еще один способ Получение накопления заряда на полевом транзисторе с управляющими pn переходом. Ключ делается маленьким, чтобы маленькая была емкость. К базе полевого транзистора 2 контакта и подаем постоянное напряжение, когда открыт ключ. Можем подать напряжение таким, что области объемного заряда смыкаются. Напряжение не поступает и происходит освещение, после увеличивается ток, область объемного заряда под действием этого напряжения уменьшается и по- является просвет в пэ области и начинает проходить ток. Чем больше просвет, тем больше ток. Сейчас передающие (?) камеры они двухмерные и не изготав- ливаются ни на БТ, ни на МОП, ни на полевых транзисторах. Они изготавли- ваются на основе диодных структур(диод накопитель, емкость шунтирующих сопротивлений) и прибор с зарядовой связью. 37 17. ПЗС Далем емкость металл-диэл-пп. Это уже прибор с накоплением заряда. Пусть падает свет, и затвор про- пускает свет. Свет в кремнии со- здает электроны и дырки, если де- лать коммпактно - дырки притянуть- ся к контакту, а электроны отойдут вглубь(если напряжение отрицатель- ное). Если большая интенсивность - дырок много. Если есть матрица та- ких конденсаторов, то под этими кон- тактами формируются заряды, соот- ветсующие свотовому сигналу. А как его вывести и распрознать? На выходе структуры плавающая, ни к чему не подключенная, п область. То есть надо так изготовть чтобы расстояние меж- ду затворами было мало и заряд ключа перемещается под действием дрейфа. При У1 больше У2 весь дрейфовый заряд перейдет в 1. И так далее, но при этом напряжение при 500 затворах увеличиться очень сильно, поэтому регулирубтся все напряжения. Минимум нужно 3 напряже- 38 ния: У0 - близко к пороговому, не может ничего удержать. Ухр - напряжение зранения, напряжение, большее, чем Ухр. Почему эта идея “не очень”? Под каждым электродом - свой зарядовый пакет, соответствующий освеща- емости. Есть большой заряд, есть маленький, и он искажается. Накопление заряда - время кадра, и перенос заряда быстрый. Искажается картинка, так как по одной и той же структуре мы и копим, и переносим. Можно из-под одного затвора под другой перенести 99.99 процентов заряда. Есть поверхность, а значит какая-то доля заряда оседает на поверхностных состояниях, а значит, что когда полная темнота, с поверхностынх состояний может выйти заряд и будет свечение. Конченое ε = ε · η Борются - переносить заряд не по поверхности, а по каналу в глубине - создают скрытый слой. Не так легко и создать структуру выше описанную. Например, алюминий даже в тонких пленках не пропускает свет, значит зарядовых пакетов быть не должно, а они есть, так как собрался заряд с окру- ги, для устранения стали делать охранные кольца. И работать в диапазоне от очень черного до очень яркого она не может, есть предела для черного и белого. То есть мы сделали линейку, а она не может переварить такое количество дырок, а остальные надо сбрасывать - нужно сбрасывающее устройство. Но суть в том, что мы не хотели опрашивать линейку по той же структуре, что и накапливать. От Алюминия отказались, делали их окисла индия, а окислы плохо пропус- кают голубые цвета, и возникает искажение. И тогда решали: зачем вообще нужен МОП? Можно ли сделать и диод и все будет тоже самое, но возникает вопрос, а как вывести сигнал? В каждом диоде столько дырок, сколько светило, А как вывести информа- цию? Стали использовать для вывода ПЗС. С диода очень быстро перенести заряда, желательно за один такт в ПЗС линейку, закрытую от света и вывести по ней и все. В 3х фазном ПЗС три элемента действуют как ???? передающий элемент. Теперь надо вывести заряд на выходное устрой- ство: на первый элемент ПЗС линейки и продвигать вниз, но потом надо соединить выходы этих сигна- лов, поэтому снизу строится еще одна ПЗС линейка: то есть последовательно выводим заряда от перво- го диода и так далее, и затем на выходное устрой- ство(плавающая п-область) на затвор МОПТ и по то- ку в МОПТ судим о сигнале. Т2 нужен для напуска- ния в плавающую область электронов, для убыстре- ния рекомбинации. Фоточувсивительные элементы сейчас - это диоды. Вывод идет быстро. 39 18. Физические эффекты. ЖК ячейки 1888 год. Органика при нагреве меняет свою про- зрачность. То прозрачная, то молочно белая. Малый температурный диапазон - от минус 6 до 40 градусов, и главные исследова- ния шли в этой области, то есть подобрать такие жидкости, чтобы расширить этот температурный диапазон. Этот материал имеет очень длинные молекулы: 40 Эти молекулы легко подвергают- ся воздействиям внешних факторов, легко ориентируются в пространстве. 1 тип ЖК - это когда их свойство проявляется в определенном темпера- турном диапазоне. 2 тип ЖК - это когда свойство про- является при изменении концентра- ции. 1. Нематические ЖК 2. Холестерические ЖК 3. Смектические ЖК Эффекты, на которых строятся ЖК: эффект динамического рассеяния, эф- фект двулучепреломления, твист эффект(эффект скручивания нематического ЖК), эффект “гость-хозяин”. ЖК с электрической точки зрения: ЖК - это жидкость, которая является хорошим диэлектриком, с ро порядка 10 в 12 Ом см. 18.1. Эффект двулучепреломления с. 37 методички, в самом низу. 18.2. Эффект динамического рассеяния Эффект динаического рассеяния - в ЖК вводятся специальные вещества - добавки, которые снижают удельное споротивление и ро падает на 4 порядка. Строение ячейки: 41 ... Начинает протекать ионный ток между электродами, этот так начинает разориентировать кристаллы и прозрачность кристалла в этом месте наруша- ется, он становится мутным. Но это критическое напряжение, которое надо подавать на электроды очень маленькой величины, то есть достаточно отдать 3 Вольта для появления ионного тока. Расстояние в 1мкм для того, чтобы не было взаимного влияния. Это единственный эффект, который строится на протекающих токах. ЖК не могут работать на постоянно напряжении, в том числе в этом эф- фекте, это связано с тем, что происходит деградация самого ЖК, он быстро утрачивает свою работоспособность, поэтому надо работать по переменному напряжению. Достаточно 20Гц, чтобы ЖК становился устойчивым. Верхний предел - это сотни Гц, то есть низкий по частоте. Длинные молекулы начинают хаотчиески вращаться, но они не могут этого делать быстро, то есть разориентация происходит медленно. Если создаются системы отображения информации, то они работают в мультиплексном режи- ме. Системы высвечивания: сдвигающее устройство, дешифратор и так далее. Но в каждый данный момент у нас светится одна цифра, но из за инерцион- ности нашего глаза мы видим, что светятся все 8 цифр, например, а не самом деле одна. А другие - темные. Это и есть мультиплексный режим. 18.3. Твист-эффект При нем структура нематического кристалла будет: Ячейка работает только на поляризованном свете. Возможность прохожде- ния света реализуется напряжением на электродах от 0.9 до 1.5В. Когда напряжение не подано, но здесь должны быть понятно электроды про- зрачные и наверху и внизу(но я их не рисую), как и в прошлый раз. Ибо свет проходит сквозь ячейку. Когда напряжение не подано эта структура пропуска- ет свет, а подача напряжения изменяет плоскость поляризации таким образом, что при подаче напряжения, если включены поляроиды, то свет не проходит 42 - получается темно. В силу этого свойства эта ячейка в сравнении с ячейкой динамического рассеивания выигрывает по получаемому контрасту. Оцени- вается контраст очень по-разному, от 300 до тысяч. Сняли напряжение это малое, и структура(жидкий кристалл) восстанавливается. В этом собственно особенность этих кристаллов. Если свет падает снизу(но в дин рассеивании бы- ли зеркальные электроды и свет отражался в сторону наблюдаетля), то здесь свет принципиально должен пройти через анализатор, а значит ячейка рабо- тает на просвет, но вряд ли это нужно для систем отображения информации. Здесь нам нужно отражение, а для того, чтобы его получить нужно выше этой структуры поставить так называемый диффузный экран. Это отражатель, но рассеивающий свет. От этого диффузного экрана отражается свет во всех на- правлениях. А строятся эти экраны следующим образом - они должны быть шероховатыми и обладать специальным отношением с длиной волны(по шеро- ховатости). Тогда такого типа ячейки мы можем использовать для построения экранов. 18.4. Эффект гость-хозяин Этот эффект используется для придания окраски ЖК. Окрасить кристалл дело в принципе не хитрое - запустил краситель и он поменял цвет ;) Но, ока- зывается, таким красителем могут быть далеко не все материалы. Как долж- но проходить окрашивание? Один из красителей - бриллиантовая зелень. Она подходит в качестве красителя. Но особенность эффекта вот в чем - в данный 43 момент мы имеем цвет жидкого кристалла, но в следующий момент он дол- жен потерять окраску и снова стать, например, белым. Тогда должны быть особые красители, которые смогут терять окраску. На основе индиго - синие красители. Прежде всего красители не должны давать ионов. Молекулы кра- сителя, как и молекулы собственно ЖК должны также очень легко управлять- ся внешними факторами, например, электрическим полем или механическими воздействиями. Плеохроические молекулы - таким образом, чтобы плоскость поляризации красителя совпадала с плоскостью ЖК. Второе условие- эти молекулы по от- ношению к молекулам ЖК должны быть как бы перпендикулярны. В этом первоначальном состоянии молекулы поглощают все цвета кроме своего собственного, этот цвет отражается и ЖК приобретает окраску краси- теля, но достаточно подать электрическое поле порядка 1В/мкм и оно начи- нает разориентацию молекул к плоскости поляризации света, они начинают хаотически вращаться, и условие поглощения света нарушается. Начинается поглощение спектра белого света и опять видим окраску белую ЖК, сняли напряжение и опять зеленый цвет. Параметр Светодиоды ЖК Электролампы ЭЛТ Яркость, Кд м 2 Высокая, 50-350 Средняя, 30-50 низкая очень высокая Мощность, мВт знак 10-100 0,01-0,1 0,1 250 Светопередача, лм Вт 1 – 0,1 40 Быстродействие, с 10 −6 10 −1 10 −2 10 −2 Для ЖК нету понятия светопередачи! Там же просто подсветка. 44 19. ВОЛС Волоконно-Оптические Линии Связи Оптоволокно должно быть двух- слойное, сердечник и покрытие. Соот- ветственно сигнал должен идти толь- ко по сердечнику. Но для чего же нужно покрытие? Что будет, если не будет покрытия? Соотношение вы- полняется. Но его тогда никуда нель- зя будет положить, потому что он мо- жет прикоснуться к другому матери- алу и тогда нарушится выполнение условия. Требования к материалу: 1. Не должен поглощаться свет. 2. Разница n c − n n 10 −2 ÷ 10 −3 С - сердечник, П - покрытие. 3. Технология должна отвергать наличие дефектов. Условия объясняются разными там механическими параметрами, например на изгиб кабель. Если в качестве сердечника мы используем оксид кремния, но дополняем такими компонентами как оксид титана, оксид хрома, то коэф преломления увеличивается. Если добавляем оксид бора, то уменьшается. Обычно, кабель состоит из нитей, нити вместе составляют структуру, причем в каждой нити есть сердечник и покрытие. Задачка. Есть структура из 3х слоев с 3мя коэф преломле- ния. Угол падения ϕ 3 , преломляется до ϕ 2 . Соответственно и коэф преломления имеют те же коэффициенты. 1 - отражение луча на верхнюю границу и надо показать, что оно выйдет и не будет распределяться по сердечнику. ϕ 3 − ϕ 2 = ϕ kr Если ϕ 2 = ϕ kr , то это предельный случай. Если свет падает под углом меньше критического, то свет выйдет. Если ϕ > ϕ 3 , тогда ϕ 2 > ϕ kr , то от нижней границы должно пройти обратно в сердечник. Но ϕ 2 = arcsin n 3 n 2 , ⇒ sin ϕ 3 sin ϕ 2 = n 3 n 2 45 sin ϕ 3 = n 2 n 1 sin ϕ 2 - можем так написать, потому что ϕ 2 > ϕ kr = arcsin n 1 n 2 sin ϕ 3 ≥ n 2 n 3 n 3 n 2 ≥ 1 , но не может быть больше 1, так как нельзя найти угла больше(или меньше) ϕ 3 , чтобы не возникало противоречие. то есть излучение либо выйдет, либо один раз отразится и опять выйдет. Свет можно ввести только с торца, но тоже под определенным углом! Ввести излучение с поверхности нельзя. Если это ϕ kr , то луч “- - -” выйдет за пределы световода, так как у него угол будет больше ϕ kr Запишем: 1. sin 90 − ϕ kr sin ϕ 0 = n 0 n c 2. sin ϕ 0 = cos ϕ kr n c n p – Закон Снел- ля 3. sin ϕ kr = n p n c 4. cos 2 ϕ kr = 1 − n 2 p n 2 c = 1 − n p n c 2 5. sin ϕ 0 = (n 2 c − n 2 p )n 2 c n 2 c n 2 0 ⇒ sin ϕ 0 = n 2 c − n 2 p Этот синус называется аперту- ра высокой линии. При любых углах более, излучение выйдет за границы ВОЛС. на высоких частотах сигнал затуха- ет. В электрических кабелях, но это физика, а в ВОЛС также есть зату- хания, но это в основном технология, и мы можем с помощью технологии управлять затуханием.(либо увеличи- вать его, либо уменьшать) Сейчас ли- нии есть уже очень длинные. 46 19.1. Факторы, которые приводят к потерям в линии B = 1 l 10 lg U in U out Дб/км. B = B ап + B уп + B фр + B пог + B р + B от + B рас Они соответственно относятся к: неправильный угол падения, , потери на отражении от любой поверхности, излучение не должно поглощаться на этой линии(оно должно быть прозрачно), отклонения от состава стекол(которые используются), произведение вытягивания линии и вытягивание приводит к повышению температуры и могут возникать дефекты, рассеивание света. • ап - апертурные потери • уп - потери упаковки • фр - потери Френеля • пог - потери на поглощении • р - потери Релея • от - потери на отражении(дефетках) • рас - потери на рассеивание 47 20. Пленочные световоды Проблема при излучении пленочного световода: Излучение отсюда ввести 48 нельзя, только сбоку, а там субмикронные размеры и как ввести? 1. Призменный ввод излучения в пленочный световод. Ввод основан на том, что при наличии полного внутреннего отражения, за пределами границы существует реальное электромагнитное поле. Он основан на использовании этого очень небольшого распределяющегося от поверхности эм излучения. Распределение по сердечнику идет по си- нусоиде. 2. Решетчатый ввод излучения. На призме внутри происходит полное внутренне отражение. Но обра- зующееся ЭМ излучение, способное проникать в пленку, отражается от нижней границы, так как это возможно и возвращается в точку. В таком случае в данной (-) возможно отражение, причем с увеличением интенсивность, это произойдет в том случае, если пока в пленке произойдет один зигзаг р-ия света в пленке и в (-)2 придет волна с той же фазой, то они сложатся. Ввести излучение здесь можно, как говорят, до 80% от падающего света на призму. Но призма должна быть разумно подобрана и рассчитана, как соблюсти расстояние при постановке призмы на поверхности. Для пленочных волноводов эта модуляция может осуществляться другим образом: Все очень хорошо, идет свет, но мы хотим его модулировать. 49 21. Твердотельные дефлекторы света Вся радиолокация основана на анализе приходящего сигнала. 21.1. Дефлекторы Брэгга LiNbO3, As2S3 При приложении к этому материалу электрического поля, в нем возникает акустическая волна, то есть изменяется плотность материала и эта волна рас- ходится от участка куда подано напряжение по всей длине. И это еще все спо- ровождается акустическим эффектом, то есть по мере распространения волны, идет изменение коэф-та преломления материала. Если не такой материал, по которой распространяется волна, подать свет, то произойдет отклонение этого света и он может распространятся под разным направлениям. Для поляризации света используются полиэлектрические материалы или кальциты. 50 51 52 |