разность потенциалов; для защиты входных цепей измерительных устройств
от помех и наводок; и т.д.
Другая важнейшая область применения оптронов - оптическое,
бесконтактное управление сильноточными и высоковольтными цепями.
Запуск мощных тиристоров, триаков, симисторов, управление
электромеханическими релейными устройствами
Специфическую группу управляющих оптронов составляют резисторные
оптроны, предназначенные для слаботочных схем коммутации в сложных
устройствах визуального отображения информации, выполненных на
электролюминесцентных (порошковых) индикаторах, мнемосхемах,
экранах.
Создание “длинных” оптронов (приборов с протяженным гибким
волоконнооптическим световодом) открыло совершенно новое направление
применения изделий оптронной техники - связь на коротких расстояниях.
Различные оптроны (диодные, резисторные, транзисторные) находят
применение и в чисто радиотехнических схемах модуляции,
автоматической регулировки усиления и др. Воздействие по оптическому
каналу используется здесь для вывода схемы в оптимальный рабочий
режим, для бесконтактной перестройки режима и т. п.
Возможность изменения свойств оптического канала при
различных внешних воздействиях на него позволяет создать целую серию
оптронных датчиков: таковы датчики влажности и загазованности,
датчика наличия в объеме той или иной жидкости, датчики чистоты
обработки поверхности предмета, скорости его перемещения и т. п.
Достаточно специфическим является использование оптронов в
энергетических целях, т. е. работа диодного оптрона в фотовентильном
режиме. В таком режиме фотодиод генерирует электрическую мощность в
нагрузку и оптрон до определенной степени подобен маломощному
вторичному источнику питания, полностью развязанному от первичной цепи;
Создание оптронов с фоторезисторами, свойства которых при
освещении меняются по заданному сложному закону, позволяет моделировать
математические функции, является шагом на пути создания функциональной
оптоэлектроники.
Универсальность оптронов как элементов гальванической развязки и
бесконтактного управления, разнообразие и уникальность многих других
функций являются причиной того, что сферами применения этих приборов
стали вычислительная техника, автоматика, связная и радиотехническая
аппаратура, автоматизированные системы управления, измерительная
техника, системы контроля и регулирования, медицинская электроника,
устройства визуального отображения информации.
1.5 История
Идея создания и применения oптронов относится к 1955 г., когда в
работе Loebner E. E. “Opto-electronic devices network” была предложена
целая серия приборов с оптическими и электрическими связями между
элементами, что позволяло осуществлять усиление и спектральное
преобразование световых сигналов, создавать приборы с двумя
устойчивыми состояниями - бистабильные оптроны, оптоэлектронные
устройства накопления и хранения информации логические схемы, регистры
сдвига. Там же был предложен и термин “оптрон”, образованный как
сокращение от английского “optical-electronic device”.
Описанные в этой работе оптроны, отлично иллюстрируя принципы,
оказались непригодными для промышленной реализации, так как основывались
на несовершенной элементарной базе - неэффективных и инерционных
порошковых злектролюминесцентных конденсаторах (излучатель) и
фоторезисторах (приемник). Несовершенны были и важнейшие
эксплуатационные характеристики приборов: низкотемпературная и временная
стабильность параметров, недостаточная устойчивость к механическим
воздействиям. Поэтому. на первых порах оптрон оставался лишь интересным
научным достижением не находящим применения в технике.
Лишь в середине 60-х годов развития полупроводниковых светоизлучающих
диодов и технологически совершенных высокоэффективных быстродействующих
кремниевых фотоприемников с р - n-переходами (фотодиоды и фототранзисторы)
начала создаваться элементарная база современной оптронной техники. К
началу 70-х годов производство оптронов в ведущих странах мира превратилось
в важную и быстро развивающуюся отрасль электронной техники, успешно
дополняющую традиционную микроэлектронику.
2. ФИЗИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ОПТРОННОЙ ТЕХНИКИ
2.1. ЭЛЕМЕНТНАЯ БАЗА И УСТРОЙСТВО ОПТРОНОВ
Элементную основу оптронов составляют фотоприемники и излучатели,
а также оптическая среда между ними. Ко всем этим элементам
предъявляются такие общие требования, как малые габариты и масса,
высокая долговечность и надежность, устойчивость к механическим и
климатическим воздействиям, технологичность, низкая стоимость.
Желательно также чтобы элементы прошли достаточно широкую и
длительную промышленную апробацию.
Функционально (как элемент схемы) оптрон характеризуется в
первую очередь тем, какой вид фотоприемника в нем используется.
Успешное использование фотоприемника в оптроне определяется
выполнением следующих основных требований: эффективность преобразования
энергии квантов излучения в энергию подвижных электрических; наличие
и эффективность внутреннего встроенного усиления; высокое быстродействие;
широта функциональных возможностей.
В оптронах используются фотоприемники различных структур ,
чувствительные в видимой и ближней инфракрасной области, так как именно в
этом диапазоне спектра имеются интенсивные источники излучения и возможна
работа фотоприемников без охлаждения.
Наиболее универсальными являются фотоприемники с р - n-переходами
(диоды, транзисторы и т, п.), в подавляющем большинстве случаев они
изготовляются на основе кремния и область их максимальной спектральной
чувствительности находится вблизи l=0,7...0,9мкм.
Многочисленные требования предъявляются и к излучателям оптронов.
Основные из них: спектральное согласование с выбранным фотоприемником;
высокая эффективность преобразования энергии электрического тока в
энергию излучения; преимущественная направленность излучения; высокое
быстродействие; простота и удобство возбуждения и модуляции излучения.
Для использования в оптронах пригодны и доступны несколько
разновидностей излучателей:
- Миниатюрные лампочки накаливания.
- Неоновые лампочки, в которых используется свечение электрического
разряда газовой смеси неон-аргон.
Этим видам излучателей свойственны невысокая светоотдача, низкая
устойчивость к механическим воздействиям, ограниченная долговечность,
большие габариты, полная несовместимость с интегральной технологией.
Тем не менее в отдельных видах оптронов они могут находить применение.
- Порошковая электролюминесцентная ячейка использует в качестве
светящегося тела мелкокристаллические зерна сульфида цинка
(активированного медью, марганцем или другими присадками),взвешенные в
полимеризующемся диэлектрике. При приложении достаточно высоких напряжений
переменного тока идет процесс предпробойной люминесценции.
- Тонкопленочные электролюминесцентные ячейки. Свечение здесь связано
с возбуждением атомов марганца “горячими” электронами.
И порошковые, и пленочные электролюминесцентные ячейки имеют невысокую
эффективность преобразования электрической энергии в световую,
низкую долговечность (особенно- тонкопленочные ), сложны в управлении
(например, оптимальный режим для порошковых люминофоров ~220 В при
f=400 ... 800Гц). Основное достоинство этих излучателей -
конструктивно-технологическая совместимость с фоторезисторами,
возможность создания на этой основе многофункциональных,
многоэлементных оптронных структур.
Основным наиболее универсальным видом излучателя, используемым
в оптронах, является полупроводниковый инжекционный светоизлучающий
диод - светодиод. Это обусловлено следующими его достоинствами: высокое
значение КПД преобразования электрической энергии в оптическую;
узкий спектр излучения (квазимонохроматичность); широта
спектрального диапазона, перекрываемого различными светодиодами;
направленность излучения; высокое быстродействие; малые значения
питающих напряжений и токов; совместимость с транзисторами и
интегральными схемами; простота модуляции мощности излучения путем
изменения прямого тока; возможность работы как в импульсном, так и
в непрерывном режиме; линейность ватт-амперной характеристики в более
или менее широком диапазоне входных токов; высокая надежность и
долговечность; малые габариты; технологическая совместимость с изделиями
микроэлектроники.
Общие требования, предъявляемые к оптической иммерсионной среде
оптрона, следующие: высокое значение показателя преломления nим;
высокое значение удельного сопротивления rим; высокая критическая
напряженность поля Еим кр, достаточная теплостойкость Dqим раб;
хорошая адгезия с кристаллами кремния и арсенида галлия; эластичность
(это необходимо, так как не удается обеспечить согласование элементов
оптрона по коэффициентам термического расширения); механическая
прочность, так как иммерсионная среда в оптопаре выполняет не только
светопередающие, но и конструкционные функции; технологичность
(удобство использования, воспроизводимость свойств, дешевизна и т.
п.).
Основным видом иммерсионной среды, используемой в оптронах
являются полимерные оптические клеи. Для них типично nим =1,4... 1,6, rим
> 1012... 1014 Ом см, Еим кр =80 кВ/мм, Dqим раб = - 60 ... 120 C. Клеи
обладают хорошей адгезией к кремнию и арсениду галлия, сочетают высокую
механическую прочность и устойчивость к термоциклированию. Используются
также незатвердевающие вазелиноподобные и каучукоподобные оптические среды
2.2. ФИЗИКА ПРЕОБРАЗОВАНИЯ ЭHEPГИИ В ДИОДНОМ ОПТРОНЕ
Рассмотрение процессов преобразования энергии в оптроне
требует учитывать квантовую природу света. Известно, что
