Прийнято весь існуючий діапазон
електромагнітних хвиль розділяти на радіо- і оптичний діапазони. І, відповідно,
області техніки використовують ці діапазони довжин хвиль називають
радіоелектроніка та оптоелектроніка.
Рис.1. Оптичний діапазон електромагнітних
хвиль.
В сучасній електроніці використовуються переважно електронні
явища в твердих тілах (в основному в напівпровідниках). Електронні явища
відрізняються великою чутливістю до керуючому сигналу, функціональною
гнучкістю, високою швидкодією та універсальністю. Застосування електронів в
якості носіїв інформаційних сигналів дозволило повною мірою реалізувати великі
можливості підвищення пропускної спроможності та надійності твердотільних
елементів, які з'явилися після винаходу в 1949 р транзисторів і розробки в
шістдесятих роках інтегральних схем на їх основі. Перспективність інтеграції
напівпровідникових елементів настільки очевидна, що вже до кінця шістдесятих
років, тобто через десять років після створення в одному кристалі
напівпровідника транзистора і резистора, були отримані інтегральні схеми (ІС),
що містять сотні і тисячі транзисторів, діодів і резисторів в монокристалі
кремнію. Застосування інтегральних схем дозволило більш ніж у тисячу разів
підвищити швидкість і більш ніж у мільйон разів надійність обробки інформації в
порівнянні з електронними пристроями на дискретних елементах. Групові методи
інтегральної електроніки дозволяють створювати цілі вузли електронних пристроїв
у вигляді великих інтегральних схем (ВІС), що складають основу нового покоління
електронних обчислювальних машин. Однак для подальшого науково-технічного
прогресу потрібні системи комплексної автоматизації виробничих процесів і
розумової праці, створені на основі елементів, пропускна здатність яких в
тисячі разів перевищує гранично можливу пропускну спроможність (ВІС) на
транзисторах. Здавалося, що немає таких технічних завдань, які не можна було б
вирішити за допомогою радіоелектроніки. Однак у міру розвитку
напівпровідникової електроніки з'ясувалися серйозні обмеження застосування
електронних явищ і систем на їх основі. Обмеження пропускної здатності
напівпровідникових структур при їх інтеграції у великі схеми обумовлені, як
технологічними межами зменшення розмірів мікрообластей,
так і взаємними перешкодами, які створюються рухомими зарядами електронів і
дірок.
Основні
недоліки та обмеження:
1. Низька стійкість до перешкод.
Електронні системи мають низьку
стійкість до перешкод внаслідок сильного взаємного впливу елементів (при
досягнутому рівні щільності монтажу). Наприклад, сучасна бортова літакова
електронна обчислювальна машина (ЕОМ) має масу 20-30 кг; маса ж комплектів з
кабелів, що з'єднують ЕОМ з датчиками та індикаторами, становить, величезну
величину - понад 5 т. Зростання маси кабелів насамперед зумовлено необхідністю
захисту каналів передачі інформації від перешкод і від взаємного впливу каналів
один на одного.
2. Велика витрата дефіцитних матеріалів
Це насамперед наростаючий дефіцит міді
та великі витрати на виготовлення проводів та кабелів. Це також величезні
витрати на оснащення, в яких розташовані кабелі, зв'язку. Міська влада великих
міст вже б'ють тривогу з приводу того, що наявні колектори переповнені, а
обладнання нових, при наявності існуючих складних підземних комунікацій, являє
нездійсненне завдання, пов'язане з непомірними витратами.
3. Несумісність систем управління і
виконавчих механізмів.
Особливі труднощі забезпечення
електричної ізоляції створилися в електронних системах, що мають значний
перепад електричної потужності від елемента до елементу. Так, типовий
електронний пристрій - перетворювач містить схему управління, яка визначає
логіку роботи перетворювача і будується на інтегральних мікросхемах (ІМ), і
силову частину, яка працює безпосередньо на навантаження і перемикає великі
потужності. Очевидна суперечність у погодженні схеми управління на ІМ, які
мають малу перешкодозахищеність, і потужної силової частини, що є джерелом
сильних перешкод.
4. Низька комплексна мініатюризація.
Сучасна електроніка не вирішила і не
змогла вирішити проблему комплексної мікромініатюризації електронної апаратури.
Такі традиційні елементи, як трансформатори, реле, контакти, змінні резистори,
погано поєднуються з інтегральними компонентами через наявність деталей, які
переміщуються, і великих габаритів. Характерно, що в сучасних електронних
пристроях на частку саме цих елементів (змінних резисторів, реле і т. д.)
припадає більша частина об'єму, маси, споживаної потужності, відмов і вартості
(іноді вище 90-95%).
5. Проблеми введення і виведення
інформації
Особливо гостро проблема
мікромініатюризації є для пристроїв введення-виведення інформації. Наприклад,
найбільш поширений елемент такого типу - електронно-променева трубка вимагає
високої напруги (більше 1кВ), має велику масу і значні габарити.
6. Об'єм пам'яті і швидкість передачі
інформації
Сучасна радіоелектроніка практично
досягла теоретичної межі як по швидкості передачі інформації (швидкодії), так і
за обсягом пам'яті запам'ятовуючих пристроїв ЕОМ. У той же час обсяг
інформації, яка переробляється, безперервно збільшується. Для сучасних
запам'ятовуючих пристроїв ЕОМ потрібно обсяг пам’яті рівний ємності пам'яті
людського мозку (близько 1013 біт), а необхідна швидкість передачі
інформації ЕОМ 1010-1012 біт/с і для ліній зв'язку 108-1010
біт/с. Такі значення обсягу пам'яті і швидкості передачі інформації на базі
сучасної електроніки і використання тільки електронних явищ практично
недосяжні.
Рішення
подібного роду проблем, як показали дослідження, можливо при спільному
використанні електронних і оптичних явищ в напівпровідниках, тобто необхідно
перейти від радіоелектроніки до оптоелектроніці.
Оптоелектроніка
- це розділ науки і техніки, що вивчає, як оптичні, так і електронні явища в
речовинах, їх взаємні зв'язки і перетворення, а також прилади, схеми і системи,
створені на основі цих явищ. Компонентну базу оптоелектроніки складають oптоелектронние прилади. Оптоелектронний прилад - це
прилад, що використовує для своєї роботи електромагнітне випромінювання
оптичного діапазону. В цілому, компонентна база сучасної оптоелектроніки досить
різноманітна і включає в себе такі основні групи приладів:
1. Випромінювачі: світлодіоди і лазери;
2. Прилади для відображення інформації -
індікатори, індикаторні панелі
3.Фотоелектричні приймачі випромінювання
(фотоприймачі): фоторезистори і фотоприймачі з р-п
переходом;
4.Прибори, керуючі випромінюванням:
модулятори, дефлектори, керовані транспаранти та ін
.;
5. Прилади для електричної ізоляції -
оптрони;
6. Оптичні канали зв'язку і оптичні
запам’ятовуючі пристрої: волоконно-оптичні світловоди,
запам’ятовуючі (постійні і реверсивні) середовища.
Основу будь – якої оптоелектронної
системи складають випромінювачі, які передусім поділяються на джерела
когерентного (лазери) і некогерентного (світлодіоди) випромінювання. Пристрої
когерентної (лазерної) оптоелектроніки і некогеретної
оптоелектроніки різко відрізняються один від одного принципом генерації,
розповсюдження та реєстрації сигналів. Ці пристрої мають різні вимоги до
параметрів, вирішують різні завдання, мають різний рівень технічного розвитку.
Принципові переваги оптоелектронних
пристроїв визначаються наступними основними моментами.
1. Висока інформаційна ємність оптичного
каналу, пов'язана з тим, що частота світлових коливань (ν - 1013
... 1015 Гц) в 103 ... 105
разів вище, ніж в освоєному радіотехнічному діапазоні. Мале значення довжини
хвилі λ світлових коливань забезпечує високу досяжну щільність запису
інформації оптичних запам'ятовуючих пристроях (-108 біт / см2)
2. Гостра спрямованість світлового
випромінювання, обумовлена тим, що кутова розбіжність променя
пропорційна величині λ і може бути менше 1’. Це дозволяє
концентровано і з малими втратами передавати електромагнітну енергію в задану
область простору; в малогабаритних електронних пристроях лазерний промінь може
направлятися на фоточутливі майданчики мікронних
розмірів.
3. Можливість подвійної - тимчасової і
просторової модуляції світлового променя. Мінімальний
елементарний майданчик в площині, перпендикулярній напрямку поширення, який
може бути виділений для незалежної модуляції частини променя,
близька до λ2 (~ 10-8 см2). Ця обставина
відкриває невичерпні можливості для паралельної обробки інформації - неодмінної
умови створення високопродуктивних обчислювальних комплексів.
4. Можливість використання для передачі
інформації електрично нейтральних фотонів і як наслідок безконтактність
зв'язку; ідеальна гальванічна розв'язка входу і виходу; односпрямованість
потоку інформації та відсутність зворотної реакції приймача на джерело;
можливість створення сильно розгалужених комунікацій, навантажених на
«неузгоджені» різнорідні споживачі енергії; несприйнятливість оптичних каналів
зв'язку до впливу електромагнітних полів, відсутність взаємодій в самих каналах
зв'язку.
5. Можливість безпосереднього оперування
із зоровим сприйняттям образів: фоточутливі пристрої
озброюють вхід інформаційної системи «оптоелектронним оком»; візуалізація
(наприклад, за допомогою напівпровідникових цифробуквених
індикаторів) електричних сигналів на виході робить систему максимально зручною
для використання.
6. Можливість створення пристроїв
функціональної електроніки - основи кібернетичних систем майбутнього. Така
електроніка матиме такі якості, як висока логічна потужність, адаптивність,
здатність оперувати образами і т. д. Використання світлових сигналів (і
можливості перетворення енергії з електричної в світлову і обернено) створює
цілком реальні перспективи просування в область функціональної електроніки.
Основні
технологічні процеси формування оптоелектронних пристроїв
Серійне виробництво твердотільних
оптоелектронних пристроїв (лазери, фотоприймачі) засновано на певних
технологічних процесах:
1.
Виготовлення напівпровідникових гомо і гетероструктур.
Основними методами отримання
напівпровідникових структур є різні модифікації рідкофазної
і газофазной епітаксії. Ці методи дозволяють
отримувати необхідні матеріали у вигляді епітаксіальних
плівок з більш високою, ніж у монокристалів, кристалографічною досконалістю.
2.
Виготовлення функціонального «чіпа».
Для цього, як правило, використовують планарну технологію. Основними процесами планарної технології є:
- рідинне або газофазне
очищення поверхні;
- нанесення плівок для формування
топологічної маски;
- фотолітографія для формування
необхідної топології елементів «чіпа»;
- дифузія або іонне легування для формування
p-n переходів;
- металізація.
- іноді застосовують реактивне іонне
травлення для створення необхідного рельєфу поверхні.
3.
Ручна або автоматизована зборка пристрою.
Залежно від типу пристрою використовують
різні способи і прийоми, але головними з них є:
- поділ готових пластин на функціональні
«чіпи»;
- посадка функціонального «чіпа» на плати;
- зварювання і пайка;
- формування зовнішніх контактів;
- корпусування
Багато з цих операцій використовуються і
при виготовленні інших елементів оптоелектроніки.
Оптоелектроніка, як прикладна наука,
включає в себе наступні основні розділи:
1.Випромінювачі і системи відображення
інформації (світлодіоди, індикатори, лазери);
2.Фотоприймачі (фоторезистори,
фотодіоди, фототранзистори та ін.)
3. Системи управління світлом
(модулятори, перетворювачі)
Випромінювачі
Розвиток сучасної техніки неможливо
уявити без широкого використання різних пристроїв візуального відображення
інформації. Конструювання радіоелектронної апаратури передбачає вирішення
однієї з проблем взаємодії системи «людина-машина» - проблеми відображення
інформації, яка виробляється, у формі прийнятної для оптимального зорового
сприйняття: буквеній, цифровій, цифробуквеній,
графічній, символьній та ін.
Існує багато типів систем відображення
інформації. Вони можуть представляти інформацію у вигляді рухомих об'єктів, у
вигляді тривимірного статичного зображення, у вигляді попереджувальних знаків.
Так як 80% інформації людина отримує за допомогою зору, то всі системи
відображення працюють у видимому діапазоні довжин хвиль (460-760нм). Основою
систем відображення є випромінювачі або індикатори, які бувають активні, тобто
ті, які самі випромінюють світло і пасивні, які вимагають зовнішнього
засвічення. Вибір типу індикатора визначається тими завданнями, які необхідно
вирішувати при створенні тієї чи іншої системи відображення інформації.
Основні
властивості випромінювачів:
1) Активні - в яких відбувається перетворення електричної
енергії в світлову.
2) Пасивні - в яких активне середовище приладу моделює зовнішній
світловий потік.
1. Довжина хвилі
випромінювання, мкм:
УФ 0,01-0,38
Видимий діапазон:
фіолетовий 0,34 - 0,38
-синій 0,38 - 0,48
- зелений 0,48 - 0,55
- жовтий 0,55 - 0,59
- помаранчевий 0,59 - 0,63
- червоний 0,63 - 0,7
ІЧ 0,7 ... ..1мм
2.
Сила світла
I = Ф / α (люмен / ср=кд)
3.
Яскравість
В = I / S (кд
/ м2)
4.
Ширина спектра
5.
Амплітуда і початкова фаза
6. Поляризація - це випромінювання з
деяким переважним напрямком коливань
вектора електричного поля. Площина поляризації
- це площина, в якій лежить вектор магнітного поля.
7. Когерентність
Якщо коливання всіх випромінюючих атомів
джерела протікають узгоджено в часі,
то має місце когерентне випромінювання.
Якщо коливання неузгоджені - то випромінювання некогерентне.
Напівпровідникові
випромінювачі
1.
Світлодіоди
Напівпровідниковий
світловипромінювальних діод (СВД), як показано на рис.1.2, представляє собою
конструкцію, розміщену всередині лінзоподібної епоксидної смоли (компаунда).
Ефективний вивід випромінювання здійснюється за допомогою відбивної пластини.
Такі СВД в більшості випадків застосовуються як мініатюрні елементи індикації у
вигляді крапок і цифр.
Рис.2. Конструкція напівпровідникового
СВД.
Для індикації використовується видиме
світло. Як видно з таблиці, в даний час розроблені або є на ринку СВД з видимим
випромінюванням від синього до червоного кольору. Колір випромінювання
визначається застосовуваним матеріалом: GaP
(червоний, жовтий, а також зелений), GaAs1-xPx (крас¬ний, оранжевий), AlxGa1-x As (червоний) і GaN (блакитний).
Необхідність підвищення потужності для збільшення світлового потоку призвела до
того, що традиційна форма корпусного світлодіода
перестала задовольняти виробників через недостатнє тепловідведення. Треба було
максимально наблизити чіп до теплопроводящей
поверхні. У зв'язку з цим на зміну традиційної технології і кілька більш
досконалої SMD-технології (surface montage details - поверхневий
монтаж деталей) приходить найбільш передова технологія СОВ (chip
on board) - технологія, при
якій чіп кристала монтують (прикріплюють або безпосередньо впаюють) в основну
(материнську) плату, забезпечуючи найвищу надійність, захищеність контактів від
окислення, мініатюрність пристрою вцілому.
Світлодіоди, виконані за SMD- і СОВ-технології, монтуються (приклеюються)
безпосередньо на загальну підкладку, яка може виконувати роль радіатора - в
цьому випадку вона виготовляється з металу. Так створюються світлодіодні
модулі, які можуть мати лінійну, прямокутну або круглу форму, бути жорсткими
або гнучкими. Розрізняють два механізми випромінювання СВД:
-коли інжектовані
електрон рекомбінують безпосередньо з дірками (рис)
-коли інжектовані
електрони рекомбінують з діркою після захоплення на центр люмінесценції (центр
рекомбінації). Так як в напівпровідниках з непрямими переходами типу GaP ймовірність рекомбінаційного випромінювання,
викликаного міжзонним переходом, мала, то для
підвищення ККД джерела випромінювання часто застосовується легування домішками
азоту, цинку, кисню, що стають центрами люмінесценції (випромінювання).
Основні характеристики світлодіодів
Колір |
Код |
Пряма напругаVf
(VDC) |
Довжина хвилі, (нм) |
Середня інтенсивність свічення |
Обернений струм |
||||||
|
тип |
макс. |
|
|
|
|
|||||
Червоний (GaP) |
H |
2.1 |
2.5 |
700 |
500 |
20 |
|||||
Високочервоний (GaAlAs/GaAs) |
S |
1.9 |
2.2 |
660 |
3 500 |
20 |
|||||
Супер
червоний (GaAlAs/GaAs) |
D |
1.9 |
2.2 |
660 |
6 000 |
20 |
|||||
Помаранчевий
(GaAlAs/GaAs) |
E |
2 |
2.4 |
630 |
2 500 |
20 |
|||||
Зелений (GaP) |
G |
2.1 |
2.5 |
568 |
2 500 |
20 |
|||||
Жовтий (GaAlAs/GaAs) |
Y |
2.1 |
2.5 |
585 |
2 000 |
20 |
|||||
Ультразеленый (AlGalnP) |
UG |
2 |
2.4 |
572 |
7 000 |
50 |
|||||
Ультражовтий (AlGalnP) |
UY |
2 |
2.4 |
590 |
15 000 |
50 |
|||||
Ультраянтарный (AlGalnP) |
YO |
2 |
2.4 |
610 |
15 000 |
50 |
|||||
Ультрапомаранчевий (AlGalnP) |
UE |
2 |
2.4 |
625 |
15 000 |
50 |
|||||
Ультрачервоний
(AlGalnP) |
UHR |
2 |
2.4 |
635 |
13 000 |
50 |
|||||
Ультрасиній (InGaN) |
UB |
3.5 |
4 |
470 |
6 000 |
50 |
|||||
Чистозелений з (InGaN) |
PG |
3.5 |
4 |
525 |
7 000 |
50 |
|||||
Формування випромінювання напівпровідникових
світлодіодів можна умовно розділити на кілька етапів:
• створення інжекції носіїв у p-n
переході;
• створення умов для рекомбінації
неосновних носіїв і відповідно для генерації випромінювання;
• вивід випромінювання з об’єму і через
поверхню напівпровідника.
• Довжина хвилі (λ, мкм) при випромінювальнsq
рекомбінації визначається шириною забороненої зони (Еg,
еВ) відповідно до рівняння
λ = 1,24 / Еg