|
| |
|
Слаботочка Книги Неудовлетворительная энергетика. Коэффициент полезного действия преобразований вида E-L и L-E в лучших современных приборах (лазеры, светодиоды, р~1-п-фотодиоды), как правило, не превышает 10... 20%. Поэтому если в устройстве осуществляются эти преобразования лишь дважды (на входе и на выходе), как, например, в оптопарах или в волоконно-оптических линиях связи (ВОЛС), то общий КПД падает до единиц процентов; введение каждого дополнительного акта преобразования информационных сигналов из одной формы в другую ведет к уменьшению КПД еще на порядок или более. Низкое значение КПД вызывает рост энергопотребления, что недопустимо из-за ограниченных возможностей источников питания; затрудняет миниатюризацию, поскольку практически не удается отвести выделяющееся тепло; снижает эффективность и надежность большинства оптоэлектронных приборов. Отметим, что в отдельных экспериментальных образцах лазеров, светодиодов, фотоприемников удается получить внутренний КПД, свойственный активной области полупроводниковой структуры, близким к 100%, что свидетельствует о принципиальной возможности преодоления данного недостатка. Гибридность. Составляющие оптоэлектронное устройство отдельные элементы и приборы, как правило, изготавливаются из различных материалов. Например, в оптопаре это арсенид галлия (излучатель), полимерный оптический клей, кремний (фотоприемник); в воле к этим материалам добавляется кварц (световод). Еще более «пестрая» картина в сложных оптоэлектронных системах. Так, голографическое запоминающее устройство (ЗУ) включает гелий-неоновую смесь (лазер), стекло, кварц (согласующие оптические элементы), ниобат лития (модулятор, дефлектор), фотоэмульсию (регистрирующая пластинка), кремний (фотоприемник) . Наличие разнородных материалов обусловливает: низкий общий КПД устройства из-за поглощения излучения в пассивных областях структур, отражения и рассеяния на оптических границах; снижение надежности из-за различия коэффициентов температурного расширения материалов, разъюстировки при механических воздействиях, сложности общей герметизации устройства; технологическую сложность и высокую стоимость. Заметим, что в традиционной микроэлектронике эти недостатки предопределили доминирование монолитных интегральных микросхем над гибридными. Деградация. Здесь это понятие используется в широком смысле как снижение эффективности оптоэлектронных приборов при воздействии температуры 6, проникающей радиации R, а также при долговременной работе Д. Принципиальная особенность оптоэлектронных преобразований и процессов распространения излучения в веществе (обусловленная малостью длины волны света) состоит в их исключительно высокой чувствительности к нарушениям оптической однородности материалов и даже к субмикронным включениям. К появлению таких дефектов и ведут 6-, i?- и Д-воз-действия. Практически для всех видов излучателей имеет место уменьшение мощности излучения при повышении температуры; у фотоприемников происходит возрастание темновых токов и уровня шумов. Так же проявляется воздействие проникающей радиации (быстрые электроны, протоны, ачастицы, нейтроны, 7-кванты), с той разницей, что возникающие нарушения необратимы. Степень деградации физических свойств оптоэлектронного прибора при длительной работе зависит от его технологического совершенства, однако всегда неизбежно помутнение оптических сред и ухудшение светопропускания на границах разнородных материалов. Сопоставление перечисленных достоинств и недостатков, значимость первых и возможность преодоления (хотя бы частично) вторых позволяет сделать общий оптимистический вывод об огромных возможностях оптоэлектроники. Разнообразие физических эффектов предопределило большое количество различных приборов оптоэлектроники. Ниже рассмотрены основные из них. Индикаторы - электрически управляемые приборы для систем визуального отображения информации. Они находят широчайшее применение, начиная от электронных часов и микрокалькуляторов, табло и приборных щитов и кончая дисплеями в системе человек- ЭВМ. Развитие индикаторной техники подошло к созданию плоских экранов телевизионного типа. Физическую основу приборов индикаторного типа составляют разные виды электролюминесценции (для приборов с активным светящимся растром) и электрооптические явления (для приборов с пассивным светоотражающим растром). В промышленности наиболее широко представлены жидкокристаллические, полупроводниковые (светодиодные), вакуумные люминесцентные, газоразрядные индикаторы. Эти изделия выполняются в виде цифровых и цифро-буквенных индикаторов, многоразрядных монодисплеев, универсальных информационных плоских экранов, отображающих цифры, буквы, символы, графики, а также подвижные двумерные картины. Формирователи сигналов изображений (ФСИ) или формирователи видеосигналов (ФВС) - приборы, предназначенные для преобразования образов (изображений) в адекватную им последовательность электрических сигналов. Основное применение эти приборы находят в телевизионных передатчиках, а также в фототелеграфии, при считывании информации на входе ЭВМ, в приборах контроля технологических процессов и т. п. Миниатюрные твердотельные ФСИ совместно с микропроцессорами используются при разработке систем искусственного зрения роботов, а в будущем и человека. Работа приборов базируется на физике фотоэлектрических явлений. Типичными представителями являются фоточувствительные приборы с зарядовой связью (ФПЗС) - многоэлементные интегральные фотоприемники со встроенным электронным самосканированием, обеспечивающим последовательное считывание информации со всех фоточувствительных ячеек. Волоконно-оптические линии связи (ВОЛС) - устройства и системы, основу которых составляет гибкий волоконно-оптический световод (в виде кабеля), сочлененный с излучателем на одном (передающем) конце и с фотоприемником - на другом (приемном). Они выполняют функции линий связи и передачи данных: это сверхкороткие линии (до 1 м) для обмена информацией в высоковольтной аппаратуре; короткие бортовые и внутриобъектовые ВОЛС (5... 1000 м); линии средней протяженности (1... 20 км), составляющие основу межмашинных интегральных сетей передачи данных и разветвленных внутригородских АТС; магистральные ВОЛС длиной в тысячи километров, в том числе меж- и трансконтинентальные, а также подводные. Физическую основу ВОЛС составляют процессы распространения оптических сигналов по волоконному световоду, а также свето-генерационные и фотоэлектрические явления в излучателе и приемнике. Для технической реализации используются главным образом сверхчистые кварцевые световоды, полупроводниковые гетеро-лазеры и светодиоды на соединениях АВ, фотодиоды (лавинные и с р--п-структурой) на основе кремния и соединений АВ. Оптопары или элементы электрической развязки, представляющие собой приборы, в которых светодиодный излучатель (входная цепь) связан с фотоприемником (выходная цепь) оптически и развязан электрически. Оптопары широко используются в микроэлектронной и электротехнической аппаратуре для обеспечения электрической развязки при передаче информационных сигналов, бесконтактной коммутации сильноточных и высоковольтных цепей и создания перестраиваемых фотоприемников, в устройствах контроля и регулирования. В физике оптопар наиболее выпукло проявляются особенности преобразований E-L и L-E, их элементную базу составляют преимущественно светодиоды на соединениях АВ и кремниевые фотодиоды, фоторезисторы, фототранзисторы, фототиристоры. Солнечные фотопреобразователи - полупроводниковые фотодиоды, оптимизированные для прямого преобразования солнечного излечения в электрическую энергию. Строго говоря, их функциональное назначение не соответствует данному выше в определении оптоэлектроники, тем не менее исторически сложилось так, что стало общепринятым относить солнечные батареи к оптоэлектронным приборам. Эти приборы основаны на фотовольтаическом эффекте в полупроводниках. Определяющая направленность их конструктивно-технологической реализации - создание большой фоточувствительной площади, достижение высокого КПД и низкой стоимости. Основной материал фотодиодов для преобразования солнечной энергии - кремний, иногда арсенид галлия. Использование тонкопленочной технологии на основе кремния (в поликристаллической или аморфной форме) или соединений АВ стимулируется низкой стоимостью. Оптическая память основана на ЗУ, в которых на носитель записывается информация, представленная в оптической форме. 0 1 [2] 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 33 34 35 36 37 38 39 40 41 42 43 44 45 46 47 48 49 50 51 52 53 54 55 56 57 58 59 60 61 62 63 64 65 66 67 68 69 70 71 72 73 74 75 76 77 78 79 80 81 82 83 84 85 86 87 88 89 90 91 92 93 94 95 96 97 98 99 100 101 102 103 104 105 106 107 108 109 110 111 112 113 114 115 116 117 118 119 |