Читальный зал -->  Промышленная электроника 

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

значениями работы выхода расположить тонкую пленку диэлектрика толщиной в единицы микрометра, то электроны будут переходить из металла с меньшей работой выхода в диэлектрик, заполнять всю его толщину и под действием приложенного внешнего напряжения создавать ток в диэлектрике. На этом основан принцип действия диэлектрических диодов и транзисторов, характеристики которых аналогичны соответствующим характеристикам электровакуумных диодов и триодов.

Хемотроника (ионика) изучает физико-химические и электрохимические процессы, протекающие в жидкостях. В электрохимических приборах жидкость служит электролитом, используются ионные процессы. На основе электрохимических явлений созданы приборы, выполняющие функции выпрямителей, усилителей и ряда других преобразователей сигнала, а также управляемые сопротивления и запоминающие устройства.

Управляемое сопротивление выполняет функции переменного резистора, не имеющего движущихся контактов. Управляемое сопротивление представляет собой резистивный электрод из инертного металла, например платины, от концов которого сделаны два вывода. Между этими выводами электрод имеет определенное омическое сопротивление. Управление его величиной осуществляется с помощью второго электрода из меди, имеющего свой вывод. Оба электрода помещены в герметический корпус, пространство между ними заполнено электролитом, содержащим соединения меди. При подаче постоянного напряжения, когда резистивный электрод является катодом, а управляющий - анодом, происходит электролиз, в результате которого медь из электролита осаждается на резистивном электроде, уменьшая его сопротивление, а управляющий электрод частично растворяется в электролите. Если изменить полярность управляющего напряжения, то слой меди на резистивном электроде (аноде) начнет растворяться, а на управляющем (катоде) осаждаться, В результате этого сечение резистивного электрода уменьшится, а его сопротивление возрастет. После прекращения подачи управляющего сигнала сопротивление остается неизменным, таким, как оно было в момент выключения сигнала, т, е, запоминается прибором надолго.

Созданы также электрохимические твердотельные приборы, называемые ионисторами. Они имеют большую емкость (более 50 Ф), долго сохраняют заряд и могут быть использованы в качестве низковольтного источника питания в микроэлектронной аппаратуре, а также в качестве запоминающего устройства.

Функциональные микросхемы могут быть основаны и на других явлениях и физических процессах в твердом теле.

5.5.3. Основные сведения об оптоэлектронике

Одной из важных самостоятельных областей функциональной микроэлектроники является оптоэлектроника, В оптоэлектронных устройствах осуществляется преобразование электрических сигналов в оптические и наоборот; световой луч при этом выполняет такие же функции управления, преобразования и связи, как электрический сигнал в электрических цепях. Преимущества оптоэлектронных устройств объясняются тем, что их элементы связаны оптически, но изолированы друг от друга электрически, В то время как электроны являются заряженными частицами и взаимодействуют с электрическими и магнитными полями, частицы светового луча - фотоны - электрически нейтральны, не взаимодействуют друг с другом, не смешиваются и не рассеиваются. При этом исключаются паразитные связи между выходом и входом, легко согласовать высокоомные и низко-омные цепи, а также высокочастотные и низкочастотные, высоковольтные и низковольтные цепи, получить идеальную изоляцию. Недостатком оптических систем является то, что оптический сигнал нельзя использовать для непосредственного преобразования его в механическую энергию, чтобы привести в движение реле, двигатели и другие механизмы. Для осуществления различных функций в оптоэлектронике обычно объединяют оптические и электрические системы. Различают два направления оптоэлектроники: оптическое и электронно-оптическое.

Оптическим направлением оптоэлектроники является лазерное направление, использующее эффекты взаимодействия твердого тела с электромагнитным излучением, голографию, фотохимию.

Электронно-оптическое направление использует электролюминесценцию, т, е, излучение света под действием электрического тока, и фотоэлектрические свойства элементов, преобразующих световую энергию в электрическую. Это применяется в микроэлектронике для создания функциональных оптоэлектронных микросхем, которые по сравнению с интегральными микросхемами позволяют значительно уменьшить паразитные связи между элементами внутри микросхемы и между микросхемами, а также повысить плотность информации, быстродействие, помехозащищенность и надежность устройств.

Методами оптоэлектроники могут быть созданы следующие устройства: преобразователи электрических сигналов - ключи, переключатели, усилители, генераторы, логические схемы и элементы памяти ЭВМ; преобразователи оптических сигналов - твердотельные электронно-оптические и электроннолучевые приборы, например усилители света и изображения, передающие и воспроизводящие экраны; устройства отображения информации - цифровые табло, индикаторные экраны и др,

Главным структурным элементом или компонентом оптоэлек-троники является оптрон, основу которого составляет оптронная пара - 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 оптрон-ную 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 иммерсионными. В качестве световодов большое распространение получили иммерсионные стекла - свинцовые и селеновые, а также волоконная оптика - тонкие нити стекла или пластмассы (волокна). Светопроводящие волокна покрывают светоизолирую-щими 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.

вх. вых.

Вых.

Фвых

Рис. 5.13. Структурные схемы оптронов: а - с внутренней фотонной связью; б - с внутренней электрической связью; / - фотоизлучатель; 2 - фотоприемник, 3 - световод, 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 (рис. 5.13, а) на вход подается электрический сигнал; под действием этого сигнала в фотоизлучателе, например светодиоде, проходит ток, возбуждающий свечение; световой поток по световоду 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-

Оптроном называют оптоэлектронный полупроводниковый прибор, содержащий источник и приемник светового излучения, которые объединены конструктивно и имеют оптическую (фотонную) или электрическую внутреннюю связь (рис. 5.13). Оптрон имеет вход и выход. Цепи входа и выхода называют внешними связями, в отличие от связи между источником и приемником света внутри оптрона.

сятся максимально допустимый входной ток, максимально допустимое входное напряжение, сопротивление изоляции, проходная емкость, выходные параметры фотоприемника.

Сопротивление изоляции оптрона очень велико; оно может достигать 10-10* Ом. Проходная емкость очень мала: порядка lO- пФ.

Оптрон с внутренней электрической и внешними фотонными связями (рис. 5.13, б) осуществляет преобразование вида: оптический сигнал - электрический сигнал - оптический 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 яркость свечения. Рассмотренный тип оптрона может служить усилителем оптических сигналов и преобразователем частоты этих сигналов; например, сигналов инфракрасного или рентгеновского 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. Структура такого оптрона показана на рис. 5.14, а. Условное графическое обозначение оптронов с фотонными связями при использовании разных типов фотоприемников показано на рис. 5.14,6.

В микроэлектронике оптроны изготовляют в едином технологическом процессе методом интегральной технологии одновременно с другими элементами микросхемы оптоэлектронного изделия. Структура оптрона, применяемого в оптоэлектронных ИМС, приведена на рис. 5.14, в. Фотоприемник формируется по планарно-диффузионной технологии на основе кремния п-типа, в котором создается слой р-типа. Полученная структура с р-п переходом представляет собой фотодиод. На него наносится иммерсионная среда, например селеновое стекло, являющееся световодом. На этом слое формируется р-п переход светодиода на основе арсенида галлия GaAs п-типа с диффузионным слоем р-типа. На каждом слое создаются омические контакты для присоединения внешних выводов.

Для интегральных оптоэлектронных схем создают световоды в виде диэлектрических тонкопленочных микроволноводов оптического диапазона: на прозрачную подложку методами микроэлект-

роники (вакуумного напыления или эпитаксиального наращивания) наносят тонкий слой светопроводящего диэлектрического или полупроводникового материала, который имеет коэффициент преломления более высокиий, чем подложка. Этот световод - полоска пленки толщиной 0,5 мкм и длиной 1ч-3 мкм - удерживает световой луч в своих пределах благодаря полному внутреннему отражению на границе с подложкой. Таким методом с помощью маски на подложку можно наносить световоды любой конфигурации и создавать сложные оптические схемы с

Выход ]-Л ~~\-Г

Рис. 5.14. Оптроны: о - структура оптрона на дискретных бескорпусных светодиоде (/) и фотодиоде (2); б - услоиное графическое обозначение оптронов: резисторного, диодного, транзисторного и тиристорного {3, 4. 5, 6); в-структура интегрального микроэлектронного оптрона; 7 - фотоизлучатель; 8 - светодиод; 9 - фотоприемник; 10 - омические контакты для выводов

разветвляющимися микроволноводами. Этим занимается интегральная оптика.

Мы рассмотрели простейшие оптроны, в которых источником света является светодиод, а фотоприемником служит фотодиод. Такой диодный оптрон имеет большое сопротивление между цепями входа и выхода и используется в качестве ключа. Его выходное сопротивление при отсутствии светового потока, когда фотодиод закрыт, составляет 10-10* МОм, т. е. цепь оказывается разомкнутой, а при наличии светового потока, в открытом состоянии, сопротивление уменьшается в миллионы раз (до 10-10*Ом). Быстродействие диодного оптрона позволяет производить переключения тока с частотой 10-10 Гц.

Транзисторные оптроны содержат в качестве фотоприемника фототранзистор, который имеет большую чувствительность, чем фотодиод. Поэтому транзисторные оптроны более экономичны. По сравнению с диодными оптронами их быстродействие меньше: максимальная частота переключений до 10 Гц.

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

ООО «Мягкий Дом» - это Отечественный производитель мебели. Наша профильная продукция - это диваны еврокнижка. Каждый диван можем изготовить в соответствии с Вашими пожеланияи (размер, ткань и материал). Осуществляем бесплатную доставку и сборку.



Звоните! Ежедневно!
 (926)274-88-54 
Продажа и изготовление мебели.

Копирование контента сайта запрещено.
Авторские права защищаются адвокатской коллегией г. Москвы.