Оптоэлектроника является важной самостоятельной областью функциональной электроники и микроэлектроники
 Скачать 245.35 Kb.
|
1 2 ВВЕДЕНИЕ Оптоэлектроника является важной самостоятельной областью функциональной электроники и микроэлектроники. Оптоэлектронный прибор - это устройство, в котором при обработке информации происходит преобразование электрических сигналов в оптические и обратно. Существенная особенность оптоэлектронных устройств состоит в том, что элементы в них оптически связаны, а электрически изолированы друг от друга. Благодаря этому легко обеспечивается согласование высоковольтных и низковольтных, а также высокочастотных и низкочастотных цепей. Кроме того, оптоэлектронным устройствам присущи и другие достоинства: возможность пространственной модуляции световых пучков, что в сочетании с изменениями во времени дает три степени свободы (в чисто электронных цепях две); возможность значительного ветвления и пересечения световых пучков в отсутствие гальванической связи между каналами; большая функциональная нагрузка световых пучков ввиду возможности изменения многих их параметров (амплитуды, направления, частоты, фазы, поляризации). Оптоэлектроника охватывает два основных независимых направления - оптическое и электронно-оптическое. Оптическое направление базируется на эффектах взаимодействия твердого тела с электромагнитным излучением. Оно опирается на голографию, фотохимию, электрооптику и другие явления. Оптическое направление иногда называют лазерным. Электронно-оптическое направление использует принцип фотоэлектрического преобразования, реализуемого в твердом теле посредством внутреннего фотоэффекта, с одной стороны, и электролюминесценцией, с другой. В основе этого направления лежит замена гальванических и магнитных связей в традиционных электронных цепях оптическими. Это позволяет повысить плотность информации в канале связи, его быстродействие, помехозащищенность. Для микроэлектроники представляет интерес в основном электронно-оптическое направление, которое позволяет решить одну из важных проблем интегральной микроэлектроники - существенное уменьшение паразитных связей между элементами как внутри одной интегральной микросхемы, так и между микросхемами. На оптоэлектронном принципе могут быть созданы безвакуумные аналоги электронных устройств и систем: дискретные и аналоговые преобразователи электрических сигналов (усилители, генераторы, ключевые элементы, элементы памяти, логические схемы, линии задержки и др.); преобразователи оптических сигналов - твердотельные аналоги электронно-оптических преобразователей, видиконов, электронно-лучевых преобразователей (усилители света и изображения, плоские передающие и воспроизводящие экраны); устройства отображения информации (индикаторные экраны, цифровые табло и другие устройства картинной логики).  Рисунок 1 – Оптрон с внутренней (а) и внешними (б) фотонными связями: 1, 6 – источники света; 2 – световод; 3, 4 – приемники света; 5 – усилитель Основным элементом оптоэлектроники является оптрон. Различают оптроны с внутренней (рисунок 1, а) и внешними (рисунок 1, б) фотонными связями. Простейший оптрон представляет собой четырехполюсник (рисунок 1, а), состоящий из трех элементов: фотоизлучателя 1, световода 2 и приемника света 3, заключенных в герметичном светонепроницаемом корпусе. При подаче на вход электрического сигнала в виде импульса или перепада входного тока возбуждается фотоизлучатель. Световой поток по световоду попадает в фотоприемник, на выходе которого образуется электрический импульс или перепад выходного тока. Этот тип оптрона является усилителем электрических сигналов, в нем внутренняя связь фотонная, а внешние - электрические. Другой тип оптрона - с электрической внутренней связью и фотонными внешними связями (рисунок 1, б) - является усилителем световых сигналов, а также преобразователем сигналов одной частоты в сигналы другой частоты, например сигналов инфракрасного излучения в сигналы видимого спектра. Приемник света 4 преобразует входной световой сигнал в электрический. Последний усиливается усилителем 5 и возбуждает источник света 6. В настоящее время разработано большое число оптоэлектронных устройств различного назначения. В микроэлектронике, как правило, используются только те оптоэлектронные функциональные элементы, для которых имеется возможность интеграции, а также совместимость технологии их изготовления с технологией изготовления соответствующих интегральных микросхем. Фотоизлучатели. К источникам света оптоэлектроникой предъявляются такие требования, как миниатюрность, малая потребляемая мощность, высокие эффективность и надежность, большой срок службы, технологичность. Они должны обладать высоким быстродействием, допускать возможность изготовления в виде интегральных устройств. Наиболее широкое распространение в качестве электролюминесцентных источников получили инжекционные светодиоды, в которых испускание света определяется механизмом межзонной рекомбинации электронов и дырок. Если пропускать достаточно большой ток инжекции через p-n-переход (в прямом направлении), то часть электронов из валентной зоны перейдет в зону проводимости (рисунок 2). В верхней части валентной зоны образуются свободные состояния (дырки), а в нижней части зоны проводимости - заполнение состояния (электроны проводимости). Такая инверсная заселенность не является равновесной и приводит к хаотическому испусканию фотонов при обратных переходах электронов. Возникающее при этом в р-n-переходе некогерентное свечение и является электролюминесценцией.  Рисунок 2 – К объяснению принципа действия инжекционного светодиода Фотон, испускаемый при люминесцентном переходе из заполненной части зоны проводимости в свободную часть валентной зоны, вызывает индуцированное излучение идентичного фотона, заставив еще один электрон перейти в валентную зону. Однако фотон такой же энергии (от ∆E=E2-E1 до ∆E=2δE) не может поглотиться, так как нижнее состояние свободно (в нем нет электронов), а верхнее состояние уже заполнено. Это означает, что p-n-переход прозрачен для фотонов такой энергии, т.е. для соответствующей частоты. Наоборот, фотоны с энергией, большей ∆E+2δE, могут поглощаться, переводя электроны из валентной зоны в зону проводимости. В то же время для таких энергий индуцированное испускание фотонов невозможно, так как верхнее исходное состояние не заполнено, а нижнее состояние заполнено. Таким образом, вынужденное излучение возможно в узком диапазоне около частоты, соответствующей энергии запрещенной зоны ∆Е с шириной спектра δE. Наилучшими материалами для светодиодов являются арсенид галлия, фосфид галлия, фосфид кремния, карбид кремния и др. Светодиоды имеют высокое быстродействие (порядка 0,5 мкс), но потребляют большой ток (около 30 А/см2). В последнее время разработаны светодиоды на основе арсенида галлия - алюминия, мощности которых составляют от долей до нескольких милливатт при прямом токе в десятки миллиампер.К. п. д. светодиодов не превышает 1 - 3%. Перспективными источниками света являются инжекционные лазеры, позволяющие концентрировать высокие энергии в узкой спектральной области при высоких к. п. д. и быстродействии (десятки пикосекунд). Эти лазеры можно изготовлять в виде матриц на одном базовом кристалле по той же технологии, что и интегральные микросхемы. Недостатком простых инжекционных лазеров является то, что они имеют приемлемые характеристики лишь при использовании охлаждения до очень низких температур. При нормальной температуре галлий-арсенидовый лазер имеет малую среднюю мощность, низкий к. п. д. (порядка 1%), небольшие стабильность работы и срок службы. Дальнейшее усовершенствование инжекционного лазера путем создания перехода сложной структуры с использованием гетеропереходов (гетеропереход - граница между слоями с одинаковыми типами электропроводности, но с разной шириной запрещенной зоны) позволило получить малогабаритный источник света, работающий при нормальной температуре с к. п. д.10 - 20% и приемлемыми характеристиками. Фотоприемники. Для преобразования световых сигналов в электрические используют фотодиоды, фототранзисторы, фоторезисторы, фототиристоры и другие приборы. Фотодиод представляет собой смещенный в обратном направлении p-n-переход, обратный ток насыщения которого определяется количеством носителей заряда, порождаемых в нем действием падающего света (рис.3). Параметры фотодиода выражают через значения тока, протекающего в его цепи. Чувствительность фотодиода, которую принято называть интегральной, определяют как отношение фототока к вызвавшему его световому потоку Фυ. Порог чувствительности фотодиодов оценивают по известным значениям интегральной (токовой) чувствительности и темнового тока Id, т.е. тока, протекающего в цепи в отсутствие облученности чувствительного слоя. Основными материалами для фотодиодов являются германий и кремний. Кремниевые фотодиоды обычно чувствительны в узкой области спектра (от λ = 0,6 – 0,8 мкм до λ = 1,1 мкм) с максимумом при λ = 0,85 мкм, а германиевые фотодиоды имеют границы чувствительности λ = 0,4 - 1,8 мкм с максимумом при λ ≈ 1,5 мкм. В фотодиодном режиме при напряжении питания 20 В темновой ток кремниевых фотодиодов обычно не превышает 3 мкА, в то время как у германиевых; фотодиодов при напряжении питания 10 В он достигает 15-20 мкА.  Рисунок 3 – Схема и вольт-амперные характеристики фотодиода Рисунок 4 – Схема и вольт-амперные характеристики фототранзистора Фототранзисторы представляют собой приемники лучистой энергии с двумя или с большим числом р-п-переходов, обладающие свойством усиления фототока при облучении чувствительного слоя. Фототранзистор соединяет в себе свойства фотодиода и усилительные свойства транзистора (рисунок 4). Наличие у фототранзистора оптического и электрического входов одновременно позволяет создать смещение, необходимое для работы на линейном участке энергетической характеристики, а также компенсировать внешние воздействия. Для обнаружения малых сигналов напряжение, снимаемое с фототранзистора, должно быть усилено. В этом случае следует увеличить сопротивление выхода переменному току при минимальном темновом токе в цепи коллектора, создавая положительное смещение на базе. Световоды. Между источником и приемником света в оптроне находится световод. Для уменьшения потерь при отражении от границы раздела светодиода и проводящей среды (световода) последняя должна обладать большим коэффициентом преломления. Такие среды называются иммерсионными. Иммерсионный материал должен обладать также хорошей адгезией к материалам источника и приемника, обеспечивать достаточное согласование по коэффициентам расширения, быть прозрачным в рабочей области и т.д. Наиболее перспективными являются свинцовые стекла с показателем преломления 1,8-1,9 и селеновые стекла с показателем преломления 2,4-2,6. На рисунке 5 показано поперечное сечение твердотельного оптрона с иммерсионным световодом. В качестве световодов в оптоэлектронике находят применение тонкие нити стекла или прозрачной пластмассы. Это направление получило название волоконной оптики. Волокна покрывают светоизолирующими материалами и соединяют в многожильные световые кабели. Они выполняют те же функции по отношению к свету, что и металлические провода по отношению к току. С помощью волоконной оптики можно: осуществлять поэлементную передачу изображения с разрешающей способностью, определяемой диаметром световолокна (порядка 1 мкм); производить пространственные трансформации изображения благодаря возможности изгибания и скручивания волокон световода; передавать изображения на значительные расстояния и т.д. На Рисунке 6 показан световод в виде кабеля из светопроводящих волокон. Интегральная оптика. Одним из перспективных направлений функциональной микроэлектроники является интегральная оптика, обеспечивающая создание сверхпроизводительных систем передачи и обработки оптической информации. Область исследований интегральной оптики включает распространение, преобразование и усиление электромагнитного излучения оптического диапазона в диэлектрических тонкопленочных волноводах и волоконных световодах. Основным элементом интегральной оптики является объемный или поверхностный оптический микроволновод. Простейший симметричный объемный оптический микроволновод представляет собой локализованную по одной или двум пространственным измерениям область с показателем преломления, превышающим показатель преломления окружающей оптической среды. Такая оптически более плотная область есть нечто иное, как канал или несущий слой диэлектрического волновода.  Рисунок 5 – Разрез твердотельного оптрона с иммерсионным световодом: 1 – планарная диффузия; 2 - селеновое стекло; 3 – омические контакты; 4 – диффузионная мезаструктура; 5 – источник света; 6 – приемник света  Рисунок 6 – Световод в виде кабеля из светопроводящих волокон: 1 - источник света; 2 – приемник света; 3 – световой кабель Примером несимметричного поверхностного диэлектрического волновода может служить тонкая пленка оптически прозрачного диэлектрика или полупроводника с показателем преломления, превышающим показатель преломления оптически прозрачной подложки. Степень локализации электромагнитного поля, а также отношение потоков энергии, переносимых вдоль несущего слоя и подложки, определяются эффективным поперечным размером несущего слоя и разностью показателей преломления несущего слоя и подложки при заданной частоте излучения. Сравнительно простым и наиболее подходящим для твердотельных оптических устройств является оптический полосковый микроволновод, выполненный в виде тонкой диэлектрической пленки (рисунок 7), нанесенной на подложку методами микроэлектроники (например, вакуумным напылением). С помощью маски на диэлектрическую подложку можно наносить с высокой степенью точности целые оптические схемы. Применение электронно-лучевой литографии обеспечило успехи в создании как одиночных оптических полосковых волноводов, так и оптически связанных на определенной длине, а впоследствии расходящихся волноводов, что существенно для создания направленных ответвителей и частотно-избирательных фильтров в системах интегральной оптики.  Рисунок 7 – Оптический полосковый микроволновод с прямоугольным поперечным сечением: 1 – подложка; 2 – диэлектрическая пленка Оптоэлектронные микросхемы. На основе оптоэлектроники разработано большое число микросхем. Рассмотрим некоторые оптоэлектронные микросхемы, выпускаемые отечественной промышленностью. В микроэлектронике наиболее широко применяют оптоэлектронные микросхемы гальванической развязки. К ним относят быстродействующие переключатели, коммутаторы аналоговых сигналов, ключи и аналоговые оптоэлектронные устройства, предназначенные для использования в системах функциональной обработки аналоговых сигналов. Основным элементом любой оптоэлектронной микросхемы является оптронная пара (рисунок 8, а, б), состоящая из источника света 1, управляемого входным сигналом, иммерсионной среды 2, оптически связанной с источником света, и фотоприемника 3. Параметрами оптронной пары являются сопротивление развязки по постоянному току, коэффициент передачи тока (отношение фототока приемника к току излучателя), время переключения и проходная емкость. На базе оптоэлектронных пар создаются оптоэлектронные микросхемы различного назначения.  Рисунок 8 – Схема и технологическое выполнение оптронной пары: 1 – источник света; 2 – иммперсионная среда; 3 – фотоприемник. 1 КЛАССИФИКАЦИЯ ТЕРМОМЕТРОВ Температура вещества - величина, характеризующая степень нагретости, которая определяется внутренней кинетической энергией теплового движения молекул. Измерение температуры практически возможно только методом сравнения степени нагретости двух тел. Температура не поддается непосредственному измерению. Поэтому о состоянии теплового равновесия и о значении температуры судят по изменению физических свойств тел.За единицу измерений температуры в «СИ» принят Кельвин (К). Допускается применять также шкалу Цельсия. Измерительная система температур представляет собой совокупность термометрического преобразователя (датчика) и вторичного измерительного прибора. Термометр (от греч. terme – тепло, metreo – измеряю) – прибор для измерения температуры: воздуха, воды, почвы, тела человека и других физических тел. Термометры применяются в метеорологии, гидрологии, медицине и других науках и отраслях хозяйства. Считают, что изобретателем первого термометра-термоскопа был знаменитый итальянский учёный Галилео Галилей (1597 г.). Термоскоп Галилея представлял собой стеклянный шарик с припаянной к нему стеклянной трубкой. Шарик слегка нагревали, и конец трубки опускали в сосуд с водой. Через некоторое время воздух в шарике охлаждался, его давление уменьшалось, и вода под действием атмосферного давления поднималась по трубке вверх на некоторую высоту. В дальнейшем при потеплении, давление воздуха в шарике увеличивалось, и уровень воды в трубке понижался, а при охлаждении – повышался. При помощи термоскопа можно было судить только об изменении степени нагретости тел: числовых значений температуры он не показывал, поскольку не имел шкалы. Современную форму (запаяв трубку и перевернув её шариком вниз) термометру придал Габриель Даниель Фаренгейт, голландский физик, выдувальщик стекла. А постоянные (реперные) точки – кипящей воды и тающего льда – на шкале термометра разместил шведский астроном и физик Андерс Цельсий в 1742 году. В настоящее время существуют много видов термометров: цифровые, электронные, инфракрасные, пирометры, биметаллические, дистанционные, электроконтактные, жидкостные, термоэлектрические, газовые, термометры сопротивления и т.д. У каждого термометра – свой принцип действия и своя сфера применения. Классифицируя термометры по принципу действия чувствительного элемента, можно отметить следующие типы, получившие распространение: 1 термометры для измерения температуры контактным методом (термометры расширения, термометры сопротивления или электрические термометры, термоэлектрические преобразователи или термопары, манометрические термометры; 2 пирометры для измерения температуры бесконтактным методом (яркостные или оптические пирометры, радиационные пирометры). Рассмотрим некоторые из них: 1 жидкостный термометр - это, как правило, термометр из стекла (стеклянный термометр), увидеть который можно практически везде. Жидкостные термометры бывают как бытовыми, так и техническими (термометр ттж - термометр технический жидкостный). Жидкостный термометр работает по простой схеме - объем жидкости внутри термометра изменяется при изменении температуры вокруг нее. Жидкость, находящаяся в термометре, занимает меньший объем капилляра при низкой температуре, а при высокой температуре жидкость в столбике термометра начинает увеличиваться в объеме, тем самым будет расширяться, и подниматься вверх. Обычно в жидкостных термометрах применяется либо спирт, либо ртуть. Температура, измеряемая жидкостным термометром, преобразуется в линейное перемещение жидкости, шкала наносится прямо на поверхность капилляра или прикрепляется к нему снаружи. Чувствительность термометра зависит от разности коэффициентов объемного расширения термометрической жидкости и стекла, от объема резервуара и диаметра капилляра. Чувствительность термометра обычно лежит в пределах 0,4…5 мм/С (для некоторых специальных термометров 100…200 мм/°С). Технические жидкостные стеклянные термометры применяют для измерения температур от -30 до 600°С. При монтаже стеклянного технического жидкостного термометра его часто помещают в защитную металлическую оправу для изоляции прибора от измеряемой среды. Для уменьшения инерционности измерения в кольцевой зазор между термометром и стенкой оправы при измерении температуры до 150°С заливают машинное масло; при измерении более высоких температур в зазор насыпают медные опилки. Как любые другие точные приборы, промышленные технические термометры требуют проведения регулярной поверки; 2 газовые термометры используют зависимость давления газа от температуры. То есть, по сути, они являются манометрами, шкалы которых размечены в единицах температуры; 3 механические термометры действуют по тому же принципу, что и жидкостные, но в качестве датчика обычно используется спираль из металла или биметалла – двух металлических полосок с разными способностями удлиняться при изменении температуры, скреплённых заклёпками. Механические термометры применяют для измерений температуры жидкостей и газов в отопительных и санитарных установках, в системах кондиционирования и вентиляции, а также для измерений температуры сыпучих и вязких сред (например, теста или глазури) в пищевой промышленности; 4 оптические термометры (пирометры) позволяют регистрировать температуру благодаря изменению светимости или спектра излучения тел. Оптические термометры применяют для измерения температуры поверхности объектов в труднодоступных (и жарких) местах; 5 акустический термометр использует зависимость между температурой какой-либо среды и скоростью распространения в ней звука. Акустические термометры применяют в диагностической медицине, для измерения глубинной температуры тела человека и животных; 6 термометр сопротивления (электронный термометр) работает, используя изменение электропроводности металлических или полупроводниковых датчиков при изменениях температуры. Термометр сопротивления применяют, например, для измерения температуры внутри газовых котлов на теплоэлектростанциях. Датчик термометра на длинной ручке помещают внутрь бушующего в котле голубого пламени сгорающего газа, а корпус термометра держат в руках и видят температуру на табло; 7 конденсационные термометры реализуют зависимость упругости насыщенных паров низкокипящей жидкости от температуры. Поскольку эти зависимости для используемых жидкостей (хлористый метил, этиловый эфир, хлористый этил, ацетон и др.) нелинейные, следовательно, и шкалы термометров неравномерны. Однако эти приборы обладают более высокой чувствительностью, чем, например, газовые жидкостные. В конденсационных термометрах измеряют давление насыщенного пара над поверхностью жидкости, неполно заполняющей термосистему, т.к. изменение давления происходит непропорционально - приборы имеют неравномерные шкалы. Пределы измерений от -25 до 300 С; 8 цифровые термометры, как и любые другие термометры, - это приборы, предназначенные для измерения температуры. Достоинством цифровых термометров является то, что они обладают малыми размерами, широким диапазоном измеряемой температуры в зависимости от используемых внешних датчиков температуры. Внешние датчики температуры могут быть как термопары различных типов, так и термометры сопротивления, иметь различные формы и области применения. Например, имеются внешние датчики температуры для газообразных, жидких и твёрдых тел. Термометры цифровые представляют собой высокоточные, высокоскоростные приборы. В основе цифрового термометра лежит аналого-цифровой преобразователь, работающий по принципу модуляции. Параметры термометра в смысле погрешности измерений всецело определяются датчиками. Цифровые термометры могут применяться в бытовых целях и для контроля технологических процессов в строительстве, в том числе дорожном, а также в строительной индустрии, сельском хозяйстве, деревообрабатывающей, пищевой и других отраслях промышленности. Цифровые термометры обладают памятью измерений и могут обеспечивать несколько режимов наблюдения; 9 электроконтактные термометры предназначены для сигнализации о заданной температуре и для включения или выключения соответствующего оборудования при достижении этой температуры. Электроконтактные термометры могут работать в системах для поддержания постоянной (заданной) температуры от -35 до +300°С в различных промышленных, лабораторных, энергетических и других установках. Электроконтактные термометры типа ТПК с переменным контактом изготавливаются с вложенной шкалой. Шкальная пластина из стекла молочного цвета с нанесенными на нее делениями шкалы и оцифровкой позволяет проводить визуальный контроль температурных режимов в установках. Термоконтакторы изготавливаются из массивной капиллярной трубки, имеют один или два рабочих контакта, т.е. одну или две фиксированные температуры контактирования. Применяются при погружении в измеряемую среду до соединительного (нижнего) контакта. Термометры имеют магнитное устройство, с помощью которого рабочая точка контактирования изменяется в диапазоне всего интервала температур. Электроконтактные термометры и термоконтакторы работают в цепях постоянного и переменного тока в безыскровом режиме. Допускаемая электрическая нагрузка на контактах этих приборов не более 1 Вт при напряжении до 220 В и силе тока 0,04 А. Для включения в электроцепь термоконтакторы снабжены припаянными гибкими проводниками. Термометры подключаются к цепи с помощью контактов под съемной крышкой Среди всех термометров наиболее точными считаются спиртовые термометры (погрешность ± 0,05° С) и термометры сопротивления (погрешность ± 0,01° С), однако наибольшее распространение получили цифровые термометры, так как такой термометр невозможно разбить, мало время измерения (30-60 с), лёгкость чтения результатов, автоматическое отключение, они помнят последние показания, есть сменная шкала «Цельсий-Фаренгейт» и их можно использовать в полной темноте. 2 ПРИНЦИП ДЕЙСТВИЯ И КОНСТРУКЦИЯ ЦИФРОВОГО ТЕРМОМЕТРА Повсеместное использование АЦП (Аналогово-цифровых преобразователей) позволило "оцифровать" также и приборы для измерения температуры. Цифровой термометр состоит из следующих частей:
Диапазон цифровых термометров простирается от минусовых температур (-100 °С) до тысячи градусов выше "0". Точность от 0,01 градуса - определяется только качеством термочувствительного элемента. В чем же состоят основные отличия цифрового термометра от жидкостного? Во многих сферах деятельности ранее использовались жидкостные термометры на ртутной или спиртовой основе. Они имели массу недостатков:
2 относительная вредность содержимого колбы (особенно ртути); 3 недостаточная точность показаний и сложность градуировки. Цифровой термометр избавлен от всех этих недостатков. К тому же использование цифровых электрических схем позволило проводить компьютерную обработку результатов измерения и (или) передавать данные результаты на любые расстояния (например, через Интернет или даже из космоса). Относительным недостатком цифрового термометра может служить его зависимость от питания, но потребление цифровых термометров (особенно с ЖК-дисплеем) настолько мало (да к тому же есть модели с питанием от солнечных батарей), что этим можно пренебречь. 1 2 |