|
| |
|
Слаботочка Книги Оптрон, оптронная интегральная микросхема - эти понятия с каждым годом становятся известными все более широким кругам специалистов в области радиоэлектроники. Развитие оптронной техники уверенно вступило в стадию массового промышленного производства. Оптроны все чаще находят применение в электронной аппаратуре. Основные определения. Оптронами называют . оптоэлектронные приборы, в которых имеются источт й и приемник излучения (светоизлучатель и фотоприем- . ник) с тем или иным видом оптической и электрической связи между ними, конструктивно связанные друг с другом [1]. Принцип действия оптронов любого вида основан на следующем. В излучателе энергия электрического сигнала преобразуется в световую, в фотолрнемнике, наоборот, световой сигнал вызывает электрический отклик. Электрический сигнал на излучатель может поступать как от внешнего источника, так и по цепи электрической ] связи от фотоприемника. Световой сигнал на фотоприемник может поступать также как извне, так и по цепи оптической связи от излучателя. Таким образом, и светоизлучатель и фотоприемник могут выступать в качестве элементов электрической и оптической цепей. Возможность реализации прямых и обратных, положительных и отрицательных связей между этими элементами по цепям обоих видов предопределяет ширину функциональных возможностей оптронов. Практически распространение получили лишь оптроны, у которых имеется прямая оптическая связь от излучателя к фотоприемнику и, как правило, исключены все виды электрической связи между этими элементами. По степени сложности структурной схемы среди изделий оптронной техники выделяют две группы приборов. Оптопара (говорят также «элементарный оптрон») представляет собой оптоэлектронный полупроводниковый прибор, состоящий из излучающего и фотоприемного элементов, между которыми имеется оптическая связь, обеспечивающая электрическую изоляцию между входом и выходом [12]. Оптоэлектронная интегральная микросхема представляет собой микросхему, состоящую из одной или нескольких оптопар и электрически со-  Рис. В.1. Разновидности оптронов и оптоэлектронных микросхем единенных с ними одного или нескольких согласующих или усилительных устройств [3]. По конструктивному исполнению оптроны обычно ничем не отличаются от полупроводниковых приборов и интегральных схем (рис. В.1). Таким образом, рассматриваемые здесь оптопары и оптоэлектронные микросхемы представляют собой приборы с электрическими входными и выходными сигналами, отличающиеся тем. Что внутри них связь входа с выходом осуществляется с помощью световых сигналов. В электронной цепи такой прибор выполняет функцию элемента связи, в котором в то же время осуществлена электрическая (гальваническая) развязка входа и выхода (рис. В.2). Деталь-"Ный анализ оптронов показывает, что при умелом ис- Рне. В.2. Электрическая схема диодного оптрона пользовании внешних электрических связей эти приборы могут обладать и другими функциональными возможностями. Отличительные особенности оптронов. Достоинства этих приборов базируются на общем оптоэлектронном принципе использования электрически нейтральных фотонов для переноса информации [1, 4, 5]. Основные из них следующие: - возможность обеспечения идеальной электрической (гальванической) развязки между входом и выхо-.цом: для оптронов не существует каких-либо принципиальных физических или конструктивных ограничений по достижению сколь угодно высоких напряжений и сопротивлений развязки и сколь угодно малой проходной емкости; - возмонсность реализации бесконтактного оптического управления электронными объектами и обусловленные этим разнообразие и гибкость конструкторских решений управляющих цепей; - однонаправленность распространения информации по оптическому каналу, отсутствие обратной реакции приемника на излучатель; - широкая частотная полоса пропускания оптрона, отсутствие ограничения со стороны низких частот (что свойственно импульсным трансформаторам); возможность передачи по оптронной цепи как импульсного сигнала, так и постоянной составляющей; - возможность управления выходным сигналом оптрона путем воздействия (в том числе и неэлектрического) на материал оптического канала и вытекающая отсюда возможность создания разнообразных датчиков, а также разнообразных приборов для передачи информации; -- возможность создания функциональных микроэлектронных устройств с фотоприемниками, характеристики которых при освещении изменяются по сложному заданному закону; - невосприимчивость оптических каналов связи к воздействию электромагнитных полей, что в случае «длинных» оптронов (с протянсенным волоконно-оптическим световодом между излучателем и приемником) обусловливает их защищенность от помех и утечки информации, а также исключает взаимные наводки; - физическая и конструктивно-технологическая совместимость с другими полупроводниковыми и микроэлектронными приборами. Оптронам присущи и определенные недостатки: - значительная потребляемая мощность, обусловленная необходимостью двойного преобразования энергии (электричество - свет - электричество) и невысокими КПД этих переходов; - повышенная чувствительность параметров и характеристик к воздействию повышенной температуры и проникающей ядерной радиации; - более или менее заметная временная деградация (ухудшение) параметров; - относительно высокий уровень собственных шумов, обусловленный, как и два предыдущих недостатка, особенностями физики светодиодов; - сложность реализации обратных связей, вызванная электрической разобщенностью входной и выходной цепей; - конструктивно-технологическое несовершенство, связанное с использованием гибридной непланарной технологии (с необходимостью объединения в одном приборе нескольких отдельных кристаллов из различных полупроводников, располагаемых в разных плоскостях). Перечисленные недостатки оптронов по мере совершенствования материалов, технологии, схемотехники частично устраняются, но тем не менее еще длительное время будут носить достаточно принципиальный характер. Однако их достоинства столь высоки, что обеспечивают уверенную внеконкурентность оптронов среди других приборов микроэлектроники. Проблемы и задачи исследований. Научные исследования в области оптронной техники связаны прежде всего с получением необходимых составных элементов оптронов - излучателей и фотоприемников. В области излучателей это: исследование процессов генерации оптического излучения полупроводниками при различных видах электрического возбуждения: инжек-Ция носителей заряда р-п-переходом, предпробойная электролюминесценция и др.; расчет к. п. д. преобразования электрической энергии в энергию излучения. Оценка предельных возможностей; нахождение методов оптимизации конструкции излучающей структуры с точки зрения одновременного достижения высокой мощно- сти излучения, узкой диаграммы направленности, высокого быстродействия; разработка технологии излучающих структур. Основным видом излучателей для оптронов являются светодиоды на основе GaAs или тройных соединений типа GaAlAs и GaAsP. Поэтому решать указанные воп- , росы следует прежде всего применительно к светодио-дам на этих материалах, эффективно излучающим в крайне красной (0,67 ... 0,70 мкм) и ближней ИК об* ластях (0,80 .. . 0,95 мкм) [16]. В области фотоприемников развитие оптронной техники стимулирует исследования в следующих основных направлениях: анализ фотоэлектрических явлений в полупроводнике, «погруженном» в оптическую среду и воз-буждае.мом излучением узкого спектрального состава; оценка предельных возможностей; совершенствование конструкции, технологии и основных параметров традиционных фотоприемников (фотодиодов, фототранзисторов, фототиристоров, фоторезисторов); разработка и промышленное освоение новых типов фотоприемников, обладающих наилучшим сочетанием чувствительности и быстродействия (р-i-/г-фотоструктур, гетерофотодиодов, фотодиодов с барьером Шоттки, лавинных фотодиодов), разработка интегральных фотоприемников. Основными фотоприемниками для оптронов являются кремниевые приборы с р-п{р-i-«)-структурами, применительно к которым и ведутся физические и кон-структорско-технологические исследования [7]. При конструировании оптронов исследования концентрируются в следующих направлениях: анализ распространения излучения в оптически неоднородных средах, разработка инженерных методик расчета, нахождение способов направленной передачи излучения от области генерации света к области фотоэлектрического преобразования; разработка материалов оптических сред, - обладающих оптимальным сочетанием широкого круга свойств (высокое светопропускание, высокие диэлектрические характеристики, хорошая адгезия к полупроводникам излучателя и фотоприемника, термостойкость, технологичность); решение проблемы согласования элементов оптронов (излучатель, приемник, оптическая среда) по спектральным, электрическим, эксплуатационным, надежностным характеристикам и технологическим показателям; разработка и промышленное освое- Излучатем Среда ние микроминиатюрных конструкций оптронов, пригодных для механизации и автоматизации сборочных процессов; разработка «управляемых» оптических сред и конструкций оптического канала, способных управлять светопропусканием. Таким образом, исследование процессов генерации, распространения, фотоэлектрического преобразования излучения, нахождение и создание новых материалов, повышающих эффективность этих процессов, разработка конструкций и технологии элементов оптрона и прибора в целом - все это образует физико-технологические основы оптронной техники. Разнообразны и проблемы, связанные с применением оптронов: анализ оптических и электрических связей между элементами и построение соответствующих эквивалентных схем; создание математических моделей оптронов, пригодных для машинного анализа и синтеза электронных цепей; построение типовых схем сопряжения оптронов с входными и выходными каскадами микросхем; нахождение схемотехнических путей достижения максимальной скорости передачи цифровой и аналоговой информации по оптронной цепи; определение системы параметров оптронов различного функционального назначения и разработка методик их измерения; расчет помехоустойчивости оптронных схем и определение их предельных возможностей; оценка экономической эффективности применения оптронов. Важную роль для оптронной схемотехники играет то, что оптроны, несмотря на дуальность физической природы связей в них (электрических и оптических), подчиняются математическому формализму теории электрических цепей [8]. фотоприемтк O/jmpo/f Рис. В.З. Математическая формализация задач физики и схемотехники оптрона ББас Сервис. Организация обслуживания автобусов в санкт-петербурге. Звоните. [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 |