rumah » Batu tulis » Klasifikasi dan prinsip pengoperasian elemen optoelektronik. Tujuan dan karakteristik perangkat optoelektronik. Klasifikasi perangkat dan perangkat optoelektronik. Sumber LED peningkatan kecerahan dan cahaya putih. Perangkat dan prinsip pengoperasian foto

Klasifikasi dan prinsip pengoperasian elemen optoelektronik. Tujuan dan karakteristik perangkat optoelektronik. Klasifikasi perangkat dan perangkat optoelektronik. Sumber LED peningkatan kecerahan dan cahaya putih. Perangkat dan prinsip pengoperasian foto

Alat optoelektronik (OED) adalah alat ukur dengan jenis alat baca yang pada dasarnya baru, berdasarkan penggunaan berbagai efek optoelektronik dan memberikan persepsi analog terhadap hasil pengukuran oleh seseorang.

Prinsip pengoperasian OEP adalah pengaruh langsung atau tidak langsung dari besaran yang diukur pada suatu zat indikator khusus yang ditempatkan pada skala atau digabungkan dengannya, di mana terjadi efek fisika-kimia tertentu, yang memungkinkan untuk menilai nilai dari kuantitas yang diukur dengan mengubah karakteristik elektro-optik, magneto-optik, elektro-termo-optik, elektrokimia-optik, atau elektro-mekanis. Pembacaan diambil berdasarkan manifestasi visual dari efeknya. Paling sering, perubahan sifat optik suatu zat (warna, kecerahan, transparansi) digunakan. Nilai besaran yang diukur juga dinilai dari perubahan posisi geometri parameter optik, misalnya, tetapi dari pergerakan kolom cahaya. OEP modern terutama didasarkan pada efek elektro-optik dengan emisi cahaya, elektra dan katodoluminesensi, serta pelepasan gas. Efek tanpa emisi cahaya cukup menjanjikan, di mana keadaan optik suatu zat (penyerapan, refleksi, hamburan, refraksi, atau komposisi spektral cahaya) berubah di bawah pengaruh medan listrik. Efek yang paling menarik dalam kelompok ini adalah efek pada kristal cair. Saat ini, produksi industri bahan dan elemen berdasarkan efek ini (LED, bubuk fosfor, sel chemotron, dll.) dengan parameter elektrofisika yang memungkinkan pembuatan OED dengan karakteristik metrologi yang cukup tinggi telah dilakukan.

Pada Gambar. 2.41. menunjukkan diagram blok sederhana yang menjelaskan prinsip pengoperasian perangkat optoelektronik dengan perangkat pembaca kamu, terdiri dari skala SH, lulus dalam satuan besaran yang diukur X, dan penunjuk optoelektrik kamu.

Beras. 2.41. Diagram blok OEP yang disederhanakan

Saat memberi makan nilai yang diukur X ke input transduser pengukur P dengan sensitivitas a Y ¢, yang terakhir menghasilkan sinyal listrik Y= a Y ¢X, memastikan pengoperasian perangkat pengaruh yang andal VZU. Sebagai P gunakan amplifier normalisasi, konverter impedansi, kapasitor, konverter fungsional, dll. VZU menghasilkan sinyal kendali Z dari jenis yang diperlukan untuk eksitasi pada zat indikator IV efek optoelektronik visual. Lebih sering Z memastikan terciptanya medan listrik, magnet, dan termal.

Secara umum ketergantungan Z dari Y nonlinier dan dapat direpresentasikan sebagai berikut: Z= a Z ¢Y m , di mana m adalah koefisien yang ditentukan oleh jenis efek optoelektronik (untuk sebagian besar efek elektro-optik m = 1); dan z ¢ – sensitivitas VZU.

Dari Gambar 2.41. dengan mempertimbangkan transformasi tercatat yang kita peroleh

Di mana A kamu = 1/ A kamu¢, A z = A z ¢ – faktor konversi.

Parameter optik IV adalah sebuah penunjuk kamu, menurut posisinya relatif terhadap skala SH menentukan bacaannya X P, sesuai dengan nilai besaran yang diukur X.

Tergantung pada metode pergerakan dan prinsip pembentukan penunjuk, perangkat optoelektronik dengan perangkat pembacaan analog dan diskrit-analog dibedakan. Pada Gambar. 2.42. berbagai jenis dan bentuk referensi disajikan dalam OEP modern.

Beras. 2.17. Karakteristik rangkaian dan modulasi modulator elektro-optik

Seluruh variasi elemen optoelektronik dibagi ke dalam kelompok produk berikut: sumber dan penerima radiasi, indikator, elemen optik dan pemandu cahaya, serta media optik yang memungkinkan pembuatan elemen kontrol, tampilan dan penyimpanan informasi. Diketahui bahwa sistematisasi apa pun tidak bisa menyeluruh, tetapi, seperti yang dicatat dengan benar oleh rekan senegara kita, yang menemukan hukum periodik unsur kimia pada tahun 1869, Dmitry Ivanovich Mendeleev (1834-1907), sains dimulai ketika penghitungan muncul, yaitu. penilaian, perbandingan, klasifikasi, identifikasi pola, penentuan kriteria, ciri-ciri umum. Mengingat hal ini, sebelum melanjutkan ke uraian unsur-unsur tertentu, perlu diberikan, setidaknya secara umum, ciri khas produk optoelektronik.

Seperti disebutkan di atas, ciri pembeda utama optoelektronik adalah hubungannya dengan informasi. Misalnya, jika radiasi laser digunakan dalam beberapa instalasi untuk mengeraskan poros baja, maka hampir tidak logis untuk mengklasifikasikan instalasi ini sebagai perangkat optoelektronik (walaupun sumber radiasi laser itu sendiri berhak melakukannya).

Telah dicatat juga bahwa unsur-unsur benda padat biasanya diklasifikasikan sebagai optoelektronik (Institut Energi Moskow menerbitkan buku teks untuk kursus “Optoelektronik” yang berjudul “Instrumen dan Perangkat Optoelektronik Semikonduktor”). Namun aturan ini tidak terlalu ketat, karena publikasi tertentu tentang optoelektronik membahas secara rinci pengoperasian pengganda foto dan tabung sinar katoda (mereka adalah sejenis perangkat vakum listrik), laser gas, dan perangkat lain yang bukan benda padat. Namun, dalam industri percetakan, perangkat yang disebutkan di atas banyak digunakan bersama dengan perangkat solid-state (termasuk perangkat semikonduktor), memecahkan masalah serupa, jadi dalam hal ini perangkat tersebut berhak untuk dipertimbangkan.

Perlu disebutkan tiga ciri khas lagi, yang menurut spesialis terkenal di bidang optoelektronik, Yuri Romanovich Nosov, mencirikannya sebagai arah ilmiah dan teknis.

Dasar fisik optoelektronik terdiri dari fenomena, metode, dan sarana yang mana kombinasi dan kontinuitas proses optik dan elektronik merupakan hal yang mendasar. Perangkat optoelektronik secara luas didefinisikan sebagai perangkat yang peka terhadap radiasi elektromagnetik di wilayah tampak, inframerah (IR), atau ultraviolet (UV), atau perangkat yang memancarkan dan mengubah radiasi tidak koheren atau koheren di wilayah spektral yang sama.

Dasar teknis optoelektronik ditentukan oleh desain dan konsep teknologi mikroelektronika modern: miniaturisasi elemen; pengembangan preferensi struktur planar padat; integrasi elemen dan fungsi.

Tujuan fungsional optoelektronik adalah untuk memecahkan masalah ilmu komputer: pembangkitan (pembentukan) informasi dengan mengubah berbagai pengaruh eksternal menjadi sinyal listrik dan optik yang sesuai; transfer informasi; memproses (mengubah) informasi sesuai dengan algoritma yang diberikan; penyimpanan informasi, termasuk proses seperti perekaman, penyimpanan itu sendiri, pembacaan non-destruktif, penghapusan; tampilan informasi, mis. mengubah sinyal keluaran sistem informasi menjadi bentuk yang dapat dipahami manusia.

Berbeda dengan fotodetektor yang dibahas di atas, yang bertipe titik (atau diskrit, dari diskrit - untuk dipertimbangkan secara terpisah, dipotong-potong), terdapat fotodetektor yang mampu melihat keseluruhan gambar, dengan segala perbedaan kecerahan (atau kecerahan) , warna, dan halftone. Penerima tersebut mencakup kelas besar perangkat yang dikembangkan untuk televisi, namun menarik dalam hal ini sebagai jembatan alami (dan historis) antara perangkat vakum (seperti pengganda foto) dan penerima matriks solid-state (seperti perangkat yang digabungkan dengan muatan). Di televisi, perangkat ini disebut tabung transmisi.

Ide untuk membuat tabung transmisi dengan target fotokonduktor adalah milik rekan senegaranya, insinyur listrik Alexander Alekseevich Chernyshev (1882-1940), yang mengungkapkannya pada tahun 1925. Namun, sampel operasional pertama dari tabung tersebut baru muncul pada tahun 1950. , setelah lapisan semikonduktor yang mengubah konduktivitas listriknya di bawah pengaruh cahaya. Contoh dari tabung transmisi tersebut adalah vidicon (Gbr. 2.3
).

Penerima fotodioda multi-elemen dirancang untuk mengubah informasi optik dua dimensi (terdistribusi area) dari suatu gambar menjadi rangkaian waktu sinyal listrik satu dimensi. Mereka tersedia dalam bentuk penggaris dan matriks. Pada penggaris, fotodioda disusun dalam satu baris (baris, garis) dengan langkah kecil yang seragam, dan matriks adalah himpunan penggaris tersebut. Parameter beberapa fotodioda solid-state multi-elemen (Fotodioda Tipe Monolitik Multi-Elemen), diproduksi oleh perusahaan Jepang Hamamatsu Photonics K.K. (Divisi Solid State), ditunjukkan pada tabel. 2.7.

Tabel 2.7.

Parameter beberapa fotodioda multi-elemen

Kode perangkat	Jumlah elemen	Dimensi elemen, mm	Rentang sensitivitas spektral, µm	Aplikasi Utama
S1651	2ґ2	0,30ґ0,60	0,40–1,06	Drive optik
S1671	2ґ2	1,70ґ2,80	0,40–1,06	Sensor posisi
S2311	35...46	4,40ґ0,94	0,19–1,10	Spektrofotometer multisaluran, penganalisis warna, penganalisis spektrum optik
S2312	35...46	4,40ґ0,94	0,19–1,00
S2313	35...46	4,40ґ0,94	0,19–1,05

Pemindaian gambar dilakukan dengan membaca sinyal secara berurutan dari masing-masing fotodioda saluran, dan dalam versi matriks - dengan menginterogasi setiap baris secara bergantian (dan setiap fotodioda dalam saluran). Pada saluran tersebut, beberapa elektroda, misalnya anoda fotodioda, digabungkan menjadi satu bus (Gbr. 2.5 ), dan lainnya, dalam hal ini katoda, dibawa keluar ke saklar (misalnya pada saklar transistor). Sakelar menghubungkan setiap fotodioda ke rangkaian pengukuran, yang dalam kasus paling sederhana dapat mencakup catu daya dan resistansi beban. Dalam elektronik, mode polling berurutan dari keadaan sejumlah besar elemen dan mentransmisikannya ke satu input disebut multipleks (dan perangkat yang mengatur polling tersebut disebut multiplekser) .

Dalam versi matriks, fotodioda dihubungkan dengan satu elektroda ke bus horizontal (anoda yang sama), dan elektroda lainnya ke bus vertikal (katoda). Bus, pada gilirannya, juga dihubungkan ke sakelar (multiplekser), yang, seperti halnya penggaris, menyertakan masing-masing fotodioda secara seri dalam rangkaian pengukuran. Sebagai hasil dari multiplexing yang terorganisir, sambungan berurutan bus vertikal membentuk pemindaian sepanjang garis (garis, baris), dan transisi dari satu baris horizontal ke baris berikutnya membentuk pemindaian melintasi bingkai. Jadi, pada keluaran rangkaian, rangkaian pulsa (sinyal video) terbentuk, yang amplitudonya sesuai dengan penerangan elemen tertentu dari matriks.

Susunan dan matriks fotodioda digunakan dalam spektrofotometer modern, pemindai, dan perangkat input informasi optik lainnya.

Ciri-ciri karakteristik instrumen dan perangkat optoelektronik yang tercantum di awal bab ini memungkinkan kita menguraikan perbedaan antara sumber radiasi optoelektronik. Untuk fitur-fitur umum seperti elemen miniatur dan, dalam banyak kasus, kekerasan, manufaktur konstruktif menggunakan teknologi planar (melekat pada sirkuit terpadu), seseorang dapat menambahkan, berdasarkan komponen informasi dari definisi optoelektronik, kemampuan pengendalian dan fokus dan kecepatan sempit yang terkait. . Fitur-fitur ini akan terungkap secara lebih rinci setelah pertimbangan lebih lanjut, tetapi bahkan berdasarkan pemahaman materi sebelumnya, kita dapat mengatakan bahwa emitor semikonduktor mungkin memiliki karakteristik seperti itu.

Pengoperasian sumber radiasi optik didasarkan pada salah satu fenomena fisik berikut: radiasi termal, pelepasan dalam lingkungan gas, pendaran, emisi terstimulasi. Tindakan memancarkan dioda berdasarkan fenomena pendaran, atau lebih tepatnya - elektroluminesensi. Agar pendaran terjadi dalam semikonduktor, ia harus diubah menjadi keadaan tereksitasi menggunakan sumber energi eksternal. Saat terkena medan atau arus listrik, terjadi electroluminescence.

Sejarah penciptaan dioda pemancar berawal dari “cahaya Losev” yang disebutkan di bab pertama. Pada tahun 1923 O.V. Losev, saat mempelajari detektor silikon karbida kontak titik, menemukan bahwa ketika arus listrik dilewatkan melaluinya, cahaya biru kehijauan dapat muncul. Efek ini belum mempunyai penerapan praktis pada saat itu, namun pada tahun 1955 para ilmuwan menemukan radiasi infra merah ketika arus dilewatkan melalui dioda pada kristal galium arsenida (GaAs). Pada tahun 1962, semikonduktor lain (berdasarkan galium fosfida) bersinar merah. Kedua tanggal ini menentukan waktu lahirnya LED.

Elektron yang tereksitasi (dan tereksitasi oleh medan listrik), berpindah dari pita konduksi ke pita valensi, memancarkan kuanta energi. Menurut hubungan antara energi dan frekuensi getaran yang dipancarkan (hasil kali energi [eV] dan panjang gelombang [μm] sama dengan 1,23), radiasi dalam rentang spektral tampak dan inframerah dekat memerlukan energi 1-3 eV. Dalam batas-batas inilah energi yang dibutuhkan untuk mengatasi celah pita silikon (Si), galium arsenida (GaAs) dan galium fosfida (GaP) ditemukan: 1,12; 1.4; 2,27 eV.

Dengan menciptakan bahan semikonduktor, dengan bantuan pengotor tertentu (dalam proporsi yang ditentukan secara ketat), para ilmuwan dan ahli teknologi telah belajar untuk menghasilkan sumber semikonduktor yang memancarkan rentang dari inframerah hingga biru (yang paling sulit diterapkan, terutama dalam hal daya, radiasi) . Parameter beberapa LED berdasarkan berbagai semikonduktor diberikan dalam tabel. 2.9.

Tabel 2.9.

Parameter memancarkan dioda dengan warna cahaya berbeda

Warna bersinar	Panjang gelombang, µm	Bahan semikonduktor	Tegangan suplai, V (pada 10 mA)	Daya radiasi, μW (pada arus 10 mA)
Hijau	0,565	Celah	2.2–2,4	1,5–8,0
Kuning	0,583	Ga–P–As	2,0–2.2	3,0–8,0
Oranye	0,635	Ga–P–As	2,0–2.2	5,0–10,0
Merah	0,655	Ga–As–P	1,6–1,8	1,0–2,0
IK	0,900	Ga–As	1,3–1,5	100,0–500,0

Karakteristik disajikan dalam tabel. 2.9 diilustrasikan pada Gambar. 2.7
(grafik karakteristik tegangan arus menyoroti area yang ditentukan oleh tegangan suplai dalam kisaran yang cukup sempit yaitu 1,2-2,5 V, dan perlu dicatat bahwa untuk sebagian besar LED, tingkat tegangan balik maksimum juga rendah - dalam kisaran 2,5-5 V , oleh karena itu, biasanya perlu menyertakan resistansi pembatas pada rangkaian daya LED). Grafik karakteristik spektral menunjukkan pita emisi LED yang cukup sempit (kolom kedua Tabel 2.9 menunjukkan panjang gelombang emisi maksimum), yang memiliki lebar (pada tingkat emisi maksimum 0,5) beberapa puluh nanometer.

Karakteristik penting dari setiap emitor adalah directivity radiasi. Distribusi spasial radiasi dicirikan oleh badan fotometrik pemancar, dan dalam hal simetri, oleh pola radiasi. Pada Gambar. Gambar 2.7 menunjukkan beberapa diagram tipikal yang khas untuk berbagai jenis pemancar (yang non-arah khas untuk lampu pijar, pancarannya khas untuk laser). Pola dengan directivity yang lemah adalah tipikal untuk LED indikator dalam wadah plastik (fakta menyala atau padam sangat penting bagi mereka), sedangkan dioda pemancar yang digunakan dalam sensor atau alat perekam dicirikan oleh pola radiasi terarah dan sangat terarah.

Karena daya operasi disuplai ke dioda pemancar dalam arah maju (cahaya terjadi pada potensial positif di terminal anoda dioda), rakitan dioda diproduksi untuk operasi pada arus bolak-balik, di mana (lihat Gambar 2.7) dua dioda terhubung secara berurutan. Dalam perwujudan ini, setiap dioda hanya beroperasi setengah siklus dari siklus sinusoidal. Pada saat yang sama, penting untuk tidak lupa bahwa resistansi pembatas pada rangkaian daya dioda tidak boleh memungkinkan peningkatan tegangan balik pada dioda yang diblokir.

Rakitan dioda juga diproduksi (lihat Gambar 2.7), menghasilkan fluks cahaya dengan warna emisi yang bervariasi. Dalam rakitan seperti itu, dua dioda dengan warna emisi berbeda digabungkan (biasanya hijau dan merah), yang memungkinkan untuk memancarkan tidak hanya satu atau beberapa warna primer, tetapi juga warna perantara (misalnya, kuning-hijau, kuning, oranye). Dioda dengan cahaya biru pekat, kecerahannya sama dengan hijau dan merah, belum dibuat, jika tidak, tampilan dan layar LED penuh warna dapat dibuat menggunakan rakitan dioda tersebut ().

Sebenarnya, cahaya mengacu pada radiasi yang terlihat oleh mata manusia, oleh karena itu LED juga harus disebut dioda yang memancarkan rentang spektrum yang terlihat. Namun, parameter fisik radiasi di wilayah inframerah dari spektrum yang berdekatan dengan zona tampak sedikit berbeda (kecuali frekuensi osilasi) dari gelombang cahaya, sehingga istilah “LED” sering diterapkan pada dioda IR, meskipun istilah “LED” sering diterapkan pada dioda IR, meskipun istilah “LED” juga digunakan untuk dioda IR. emitting diode” dalam hal ini lebih akurat.

Perkembangan alami dari basis elemen kelas dioda pemancar dapat dianggap sebagai munculnya rakitan LED dalam bentuk indikator digital, alfanumerik, dan grafik, yang banyak digunakan pada panel indikator dan layar. Mereka juga digunakan untuk tujuan ini dalam pencetakan. Informasi tentang unsur-unsur tersebut dapat ditemukan dalam literatur referensi, misalnya.

Untuk menyorot simbol tertentu, perlu untuk mengontrol cahaya (atau pemadaman) setiap elemen. Untuk tujuan ini, seperti pada batang dan matriks fotodioda (lihat bagian 2.2.1), daya disuplai ke masing-masing elemen batang dan matriks LED dalam mode multipleks. Selain itu, jika jumlah total elemen dalam rakitan adalah m, maka masing-masing elemen beroperasi seolah-olah dalam mode berkedip, menyala pada 1/m waktu siklus mengelilingi semua elemen. Jika frekuensi siklus multiplexing lebih tinggi dari 10-15 Hz, maka menurut hukum Talbot, elemen yang berkedip tampak bersinar terus-menerus, tetapi dengan kecerahan yang lebih rendah (kecerahan dapat ditingkatkan dengan mengalirkan lebih banyak arus melalui LED).

Batang dan matriks LED tersedia dalam berbagai desain (Gbr. 2.8 ) telah menemukan aplikasi dalam perangkat pemindaian dan perekam pencetakan. Dalam pemindai, mereka digunakan sebagai iluminator garis (misalnya, dalam pemindai genggam yang dijelaskan dalam Bab 4). Di kepala perekam perekam, pengatur gambar, mesin cetak digital, batang dan matriks LED, informasi tentang bahan fotosensitif direkam - film fotografi, film fotoresistor, silinder elektrografik, dll. ().

Fitur dari elemen-elemen ini adalah kebutuhan untuk menyinkronkan operasinya dengan sinyal informasi frekuensi tinggi (setiap pulsa sinyal ditetapkan ke LED tertentu dalam suatu garis atau matriks). Tugas menghubungkan LED tertentu ke sumber sinyal pada saat yang diperlukan dilakukan oleh sakelar elektronik yang dikendalikan oleh program siklik.

Kelas khusus dari dioda pemancar adalah apa yang disebut dioda laser (laser semikonduktor), tetapi sebelum mempertimbangkannya, Anda harus membiasakan diri dengan fitur-fitur radiasi laser.

Ciri pembeda utama radiasi laser adalah monokromatisitas, koherensi, dan directivity sinar. Untuk membayangkan seberapa besar radiasi laser “monokromatik” dibandingkan radiasi LED (yang juga tampak monokromatik), kita dapat membandingkan derajat monokromatisitas kedua jenis sumber, yang diperkirakan dengan rasio bandwidth spektrum radiasi terhadap panjang gelombang karakteristik spektral maksimum. Untuk LED, tingkat monokromatisitas diperkirakan pada nilai sekitar 0,05 - 0,1, dan untuk laser - kurang dari 0,000001. Artinya, panjang gelombang radiasi laser ditentukan secara akurat hingga desimal ketiga atau keempat, dengan kata lain, laser memancarkan hampir secara ketat pada satu panjang gelombang.

Untuk melengkapi tinjauan dasar unsur sumber radiasi, beberapa kata harus disampaikan tentang sumber cahaya, yang sebagai pemancar, tidak dimaksudkan untuk menerangi objek atau menerangi bahan fotosensitif, tetapi merupakan bidang bercahaya (matriks, panel) yang digunakan sebagai indikator. , tampilan, layar untuk presentasi gambar monokrom atau berwarna. Sumber-sumber tersebut meliputi indikator pelepasan gas, panel dan layar plasma dan neon. Sebenarnya, sudah sulit untuk mengklasifikasikannya sebagai unsur dasar, namun disarankan untuk menyajikan konsep dasar tentang prinsip kerjanya di bagian ini.

Panel plasma

Pelepasan dalam media gas, yang digunakan, sebagaimana disebutkan di atas, untuk memompa laser gas, adalah dasar fisik untuk pengoperasian panel plasma. Struktur panel plasma paling sederhana diilustrasikan pada Gambar. 2.11
.

Di antara dua pelat kaca panel plasma terdapat paking berlubang yang menempel erat pada kaca. Di sepanjang pinggirannya, “sandwich” ini diisi dengan sealant. Udara dari rongga internal dievakuasi, dan diisi dengan gas yang mampu bersinar dengan adanya perbedaan potensial yang tinggi (100 V atau lebih) antara elektroda dengan orientasi horizontal dan vertikal (elektroda atas transparan) yang diendapkan pada permukaan pelat kaca saling berhadapan. Dengan cara ini, sebuah matriks diperoleh di mana elemen apa pun dapat disinari dengan pelepasan gas dengan menerapkan tegangan listrik ke pasangan elektroda yang sesuai. Pelepasan listrik mengubah gas (terletak di lubang yang sesuai pada paking berlubang) menjadi keadaan plasma, yang memungkinkan satu atau beberapa elemen gambar ditampilkan pada panel.

Jumlah elemen gambar pada panel plasma dapat mencapai beberapa juta piksel, sehingga panel tersebut memungkinkan untuk merepresentasikan gambar dengan kompleksitas apa pun. Dalam industri percetakan, tampilan seperti itu banyak digunakan pada panel kontrol mesin percetakan, pemotongan dan lainnya. Saat ini, muncul layar penuh warna yang dapat menggantikan tabung gambar sinar katoda monitor komputer.

Layar neon

Dalam perangkat optoelektronik, sinyal informasi optik disebarkan, sebagai suatu peraturan, di lingkungan khusus - untuk melindungi sinyal dari interferensi, memberi mereka arah propagasi yang diinginkan dan, jika perlu, kontrol - misalnya, dalam mode "pass-reject" . Seringkali media optik dipilih secara khusus untuk mencapai efek fisik tertentu. Oleh karena itu, bagian ini membahas media optik dan berbagai efek fisik serta fenomena yang diwujudkan dalam media tersebut. Untuk mengontrol fluks cahaya, berbagai elemen optik digunakan: lensa, prisma, reflektor dan deflektor (cermin), filter, modulator, serta lapisan kristal cair, film magnetik tipis yang mengubah transparansinya di bawah pengaruh medan magnet, dll. Arah fluks cahaya sepanjang jalur melengkung dilakukan dengan menggunakan elemen serat optik - pemandu cahaya.

KE aktif secara optik termasuk media dan zat yang dapat mempengaruhi cahaya terpolarisasi. Aktivitas optik dapat bersifat alami (melekat pada zat itu sendiri tanpa pengaruh eksternal) dan buatan (diperoleh melalui pengaruh eksternal). Sebelum mendalami bidang ini, perlu dipertimbangkan konsepnya polarisasi cahaya.

Ada sedikit sejarah dibalik polarisasi cahaya. Pada tahun 1808, fisikawan muda Prancis Etienne Louis Malus sepulang kerja pergi ke Taman Luxembourg di Paris, tidak jauh dari Universitas Sorbonne, dan duduk untuk beristirahat di bangku di seberang istana Catherine de Medici (yang pernah diperolehnya dari Pangeran Luksemburg, dari mana nama taman dan istana tetap ada). Sinar matahari terbenam bermain di jendela-jendela gedung yang indah itu, dan Malus, yang sejak kecil senang melihat sekelilingnya melalui berbagai pecahan kaca, mengeluarkan kristal spar Islandia dari sakunya dan memandanginya ke arah kaca yang berkilauan. . Memutar kristal, Etienne memperhatikan bahwa pada sudut tertentu pantulan sinar matahari di jendela memudar. Keesokan harinya, ketika dia datang ke laboratorium, dia menguji efek ini dengan lebih cermat dan menjadi yakin akan keterulangannya. Inilah bagaimana polarisasi cahaya ditemukan.

Inti dari fenomena ini terletak pada keteraturan orientasi vektor intensitas medan listrik (E) dan magnet (H) gelombang cahaya pada bidang yang tegak lurus berkas cahaya (Gbr. 2.15
).

Sifat elektromagnetik cahaya tercermin dalam osilasi dua vektor (E dan H) pada bidang yang saling tegak lurus, dalam arah rambat berkas cahaya (karena arah vektor E dan H saling tegak lurus, hanya orientasinya saja). vektor E akan dibahas di bawah).

Jika radiasi mengandung getaran rentang optik yang luas (misalnya, di siang hari), maka cahaya tersebut tidak terpolarisasi, karena orientasi vektor E tidak teratur. Saat menjumlahkan osilasi harmonik, vektor yang dihasilkan untuk setiap momen waktu sama dengan jumlah semua vektor, dengan memperhitungkan besaran dan arahnya pada momen tertentu (lihat Gambar 2.15 untuk contoh penjumlahan empat vektor: a + b + c + d = g). Oleh karena itu, penjumlahan vektor-vektor yang arahnya berbeda, yang juga mengubah besarnya dengan frekuensi yang berbeda-beda, memberikan orientasi yang kacau pada vektor E yang dihasilkan.

Bahkan jika kita mengambil osilasi dengan frekuensi yang sama, tetapi dengan hubungan fase yang tidak konsisten, maka dalam hal ini cahaya tidak akan terpolarisasi, karena perubahan perbedaan fase akan memberikan orientasi yang tidak teratur dari vektor E yang dihasilkan (lihat Gambar 2.15 untuk contoh menambahkan pasangan sinusoida yang bergeser sefase pada sudut tertentu). Hanya osilasi dengan frekuensi konstan dengan pergeseran fasa konstan (yaitu osilasi seperti itu disebut koheren) yang memberi keteraturan pada orientasi vektor E yang dihasilkan.

Vektor yang dihasilkan dari segala arah dapat diuraikan dalam sistem koordinat persegi panjang menjadi dua komponen - x dan y. Secara umum osilasi sinusoidal komponen-komponen ini dapat mempunyai perbedaan fasa yang tetap. Dalam hal ini, lintasan ujung vektor yang dihasilkan akan digambarkan (pada bidang yang tegak lurus arah berkas cahaya) dengan persamaan elips. Jika beda fasa 90°, elips akan berubah menjadi lingkaran, dan jika beda fasa 0 atau 180°, elips akan berubah menjadi garis lurus. Salah satu dari kasus-kasus ini (dan juga kasus-kasus perantara) menunjukkan orientasi teratur dari vektor E dan, oleh karena itu, bahwa cahayanya terpolarisasi (yaitu, diarahkan, dari bahasa Yunani polos - kutub, sumbu, arah).

Dalam bab. 3 polarizer.

Jika Anda menempatkan dua polarizer secara paralel pada satu sumbu optik, satu di belakang yang lain, dengan sumbu kristal diputar tegak lurus (kristal kedua dalam hal ini disebut penganalisis), maka cahaya tidak akan melewati rakitan seperti itu: penganalisis tidak akan mentransmisikan fluks cahaya yang melewati polarizer, karena struktur kristalnya tegak lurus terhadap bidang polarisasi cahaya. Tetapi jika Anda menempatkan kristal elektro-optik (misalnya, kristal litium niobate) di antara pelat-pelat ini, Anda akan mendapatkan penutup optik yang terkontrol: ketika tegangan diterapkan ke kristal, ia akan memutar bidang polarisasi cahaya dan akan memutar bidang polarisasi cahaya. melewati penganalisis, jika tidak, rana tidak akan membiarkan cahaya masuk (Gbr. 2.16
).

). Namun, pada kenyataannya, bandwidth dibatasi oleh kesulitan modulasi tegangan tinggi dan kapasitansi yang dihasilkan oleh pelat chip. Selain itu, pada jarak kecil (d) antara pelat, terdapat bahaya rusaknya celah ini oleh tegangan tinggi yang diterapkan ke modulator.

Kristal akustik-optik

Selain modulator elektro-optik, perangkat optoelektronik pencetakan juga digunakan modulator akustik-optik, yang didasarkan pada efek akustik-optik yang terjadi di beberapa lingkungan. Di bawah pengaruh gelombang akustik dalam media optik tersebut, misalnya kristal, terjadi perubahan indeks bias, dan perubahan ini merambat dalam medium ketika gelombang akustik melewatinya, sehingga semacam kisi difraksi terbentuk di dalam. kristal, menyimpang arah aliran fluks cahaya dari normal, ketika tidak ada gelombang akustik. Prinsip pengoperasian modulator akustik-optik diilustrasikan pada Gambar. 2.18
.

Perangkat ini menggunakan dua elemen yang digunakan dalam optoelektronik - kristal akustik-optik dan kristal piezoelektrik. Tegangan bolak-balik frekuensi ultrasonik diterapkan pada kristal piezoelektrik yang terhubung secara mekanis ke kristal akustik-optik. Menurut persamaan efek piezoelektrik terbalik, getaran listrik menyebabkan getaran mekanis pada frekuensi ultrasonik pada kristal piezoelektrik, yang secara fisik ditransmisikan ke kristal akustik-optik. Gelombang getaran ultrasonik menyebabkan ketidakhomogenan indeks bias pada kristal akustik-optik, dimana berkas difraksi (dipantulkan) pada sudut Bragg dan tidak lewat dalam arah lurus.

Lihat bab. 1) tidak menemukan penerapan praktis. Kristal cair, yang molekulnya memiliki bentuk seperti benang memanjang, yang disebut nematik (dari bahasa Yunani nema - benang), dicirikan oleh keteraturan dalam susunan (peletakan) molekul. Penampilan berserabut (panjang beberapa nanometer dan lebar beberapa angstrom) disebabkan oleh struktur rantai molekul. Misalnya, pada Gambar. 2.19 Rumus molekul kristal cair MBBA (methyloxybenzylidene-butylaniline) dan beberapa jenis susunan molekul serupa dalam keadaan kristal cair dan cair diberikan.

Seiring waktu, kristal cair diperoleh yang mempertahankan sifat-sifatnya pada kisaran suhu yang cukup untuk penggunaan praktis. Dan sifat-sifat LC sedemikian rupa sehingga di bawah pengaruh medan listrik yang lemah sekalipun dalam lapisan tipis (beberapa mikrometer), susunan dan pergerakan molekul berubah, yang disertai dengan perubahan parameter optiknya dan manifestasi beberapa efek saat ini atau efek medan (tanpa mengungkapkan esensi masing-masing, kita cukup membuat daftar beberapa efek yang digunakan dalam praktik: efek hamburan dinamis, efek “twist”, efek “guest-host”).

Optoelektronik menggunakan sifat kristal cair untuk mengubah kerapatan optiknya di bawah pengaruh perbedaan potensial yang diterapkan pada elektroda (di antara tempat lapisan LC berada). Fitur LCD ini telah diterapkan di berbagai perangkat indikator dan layar.

Kristal cair itu sendiri tidak bersinar, tetapi jika Anda meletakkan LCD pada substrat reflektif (atau meneranginya melalui transmisi), maka kontras dalam kepadatan optik dari dua keadaan LCD (di bawah tegangan dan tanpa itu) cukup memadai untuk diskriminasi visual. Kerugian utama LCD dalam pengertian ini adalah sudut pandang yang relatif kecil (misalnya, dengan tabung gambar atau panel plasma) - yang terbaik adalah melihat gambar LCD pada garis normal, dan pada sudut deviasi yang besar, gambar menghilang.

Kerugian ini menjadi kurang terlihat ketika menggunakan properti LC (misalnya, dengan efek “twist”) untuk mempengaruhi cahaya terpolarisasi linier. Prinsip pengoperasian efek “twist” diilustrasikan pada Gambar. 2.20
. Bahan pengarah (dalam bentuk film transparan) diaplikasikan pada permukaan pelat kaca yang menghadap LC, yang memposisikan molekul-molekul yang berdekatan dengannya dalam arah tertentu.

Jika orientasi molekul kristal cair pada pelat yang berlawanan saling tegak lurus karena arah film orientasi yang sesuai, maka susunan kristal cair akan “memutar” (kata “twist” - dalam bahasa Inggris - berarti rotasi, memutar) sebesar 90°. Hal ini terjadi karena kemampuan molekul untuk menerima pengaruh pengarahan yang lemah sekalipun - setiap molekul mencoba mengambil arah yang sama dengan tetangganya.

Ketika kristal cair disinari dengan cahaya terpolarisasi linier yang bertepatan dengan arah polarisasi dengan orientasi masukan, “pelintiran” seperti itu pada tumpukan molekul menyebabkan rotasi arah polarisasi linier dari fluks cahaya yang melewati LC sebesar 90° yang sama. Jika tegangan kecil diterapkan pada elektroda, maka di bawah aksi medan listrik (lebih kuat dari aksi zat pengarah), susunan molekul kehilangan putarannya dan berbaris normal pada permukaan elektroda. Pengaturan baru ini kontras dengan kepadatan optik dari area yang dialiri listrik dan sekaligus menghilangkan efek memutar arah polarisasi cahaya terpolarisasi linier yang ditransmisikan melalui LCD.

Ahli kacamata -

Prinsip pengoperasian prisma (Gbr. 2.21
) didasarkan pada ketergantungan indeks bias medium yang dilalui cahaya pada panjang gelombang osilasi elektromagnetik, dengan kata lain, warna. Ketergantungan ini dijelaskan pada perkiraan pertama dengan rumus Cauchy (dinamai menurut ahli matematika Prancis Cauchy A.L.). Ketergantungan ini bersifat nonlinier. Indeks bias meningkat dengan menurunnya panjang gelombang. Hal ini menyebabkan efek penguraian warna putih yang melewati prisma.

Prisma meningkatkan keterlihatan efeknya, karena sinar dengan warna berbeda, yang menyimpang pada sudut berbeda, juga menempuh jarak yang berbeda, dan pada keluarannya spektrum tampak lebih memanjang. Jika garis fotodetektor (atau layar putih) dipasang di belakang prisma, hal ini memungkinkan untuk menentukan komposisi spektral radiasi. Perkiraan ketergantungan perubahan indeks bias pada panjang gelombang dapat diperkirakan dari data berikut:

Panjang gelombang [nm], (warna)	Kaca (kuarsa)	Pertarungan Islandia
687 (merah)	1,541	1,653
656 (oranye)	1,542	1,655
589 (kuning)	1,544	1,658
527 (hijau)	1,547	1,664
486 (biru)	1,550	1,668
431 (biru-ungu)	1,554	1,676
400 (ungu)	1,558	1,683

Prinsip lainnya terletak pada fenomena dekomposisi spektral cahaya pada kisi difraksi (lihat Gambar 2.21). Efek difraksi cahaya terjadi pada tepi layar, lubang kecil, celah sempit, ketika jarak celah cahaya menjadi sepadan dengan panjang gelombang cahaya. Dalam kondisi seperti itu, sinar yang menyentuh tepi penghalang menyimpang dari lintasan lurus cahaya datang, sedangkan sinus sudut defleksi berbanding lurus dan merupakan kelipatan panjang gelombang (yaitu, semakin besar panjang gelombang, semakin besar defleksi sudut). Di sekitar lubang tunggal kecil, akibat difraksi, teramati cincin difraksi daerah terang dan gelap yang berselang-seling (rumusnya mencakup faktor multiplisitas atau orde fenomena k. Di sekitar celah tunggal, cincin tersebut diubah menjadi garis-garis yang dilemahkan dengan jarak dari lumen (di kedua arah).Jika celah tersebut terletak berjajar dan berdekatan satu sama lain (ukuran celah dan partisi memiliki urutan kekecilan yang sama), maka terbentuklah kisi difraksi, di belakang yang bila layar putih diletakkan di sana, Anda dapat melihat spektrum berkas cahaya yang datang pada kisi tersebut.Kisi difraksi juga dibuat untuk pemantulan - kemudian untuk cermin Permukaannya diaplikasikan dengan tanda tipis (hingga beberapa ribu tanda per milimeter).

Elemen untuk menguraikan cahaya kompleks menjadi komponen warna digunakan dalam spektrofotometer modern, perangkat kalibrasi monitor, dan sistem manajemen warna komputer (CMS). Tugas lain dalam membedakan warna kompleks adalah pemisahan menjadi komponen zonal untuk sintesis warna pencetakan selanjutnya (berdasarkan triad cat cyan, magenta dan kuning + hitam) - pemisahan warna.

Pemisahan warna biasanya dilakukan menggunakan filter zonal - merah (merah - R), hijau (hijau - G) dan biru (biru - B), atau cermin dichroic digunakan untuk tujuan ini. Pada Gambar. 2.22
Karakteristik spektral filter cahaya R, G dan B, yang direkomendasikan oleh standar Eropa (Jerman) DIN 16 536, dan perkiraan karakteristik cermin dichroic diberikan.

Filter cahaya mentransmisikan cahaya hanya dari zona spektrumnya, menunda fluks cahaya dari corak warna lain, jadi jika Anda mengambil, misalnya, filter biru dan melihatnya pada cetakan yang dibuat dengan cat kuning di atas kertas putih (omong-omong , tanpa filter, kuning sulit dibedakan dengan putih), maka mata akan melihat cetakan hitam dengan latar belakang biru - sinar kuning tidak akan melewati filter biru. Semakin sedikit warna kuning pada cetakan, semakin sedikit area hitam yang muncul di belakang filter biru. Efek ini memungkinkan Anda mengukur kerapatan optik dari tinta utama triad pencetakan (cyan, magenta, kuning) pada cetakan menggunakan densitometer yang dilengkapi filter zonal: biru untuk tinta kuning, hijau untuk magenta, merah untuk cyan (hitam adalah diukur di belakang filter visual , memiliki karakteristik spektral yang mendekati penglihatan manusia).

Cermin dichroic juga tidak mentransmisikan radiasi dari salah satu zona spektrum tampak (oleh karena itu disebut juga filter dichroic), memantulkan sinar ini seperti cermin - ini memberi mereka properti baru, tidak seperti filter cahaya, karena sinar yang tidak tembus melalui cermin dapat digunakan pada saluran pengukuran lain, jika dikirim ke sana. Dengan menempatkan dua cermin dengan karakteristik berbeda satu di belakang yang lain (lihat Gambar 2.22), fluks cahaya dapat dibagi menjadi sinar zona merah, hijau dan biru: cermin pertama akan memantulkan gelombang zona merah dan mentransmisikan yang hijau dan biru, yang akan terbagi pada cermin kedua - yang biru akan dipantulkan, dan yang hijau akan melewatinya.

Seperti yang telah disebutkan di awal bab ini, ciri khas optoelektronik adalah miniaturisasi elemen, integrasinya untuk tujuan memproses informasi dalam jumlah besar. Oleh karena itu, elemen optik tradisional yang dijelaskan di atas, bila diterapkan pada perangkat optoelektronik, sering kali diproduksi dalam bentuk yang sangat spesifik, sesuai dengan teknologi yang digunakan dalam produksi elemen optoelektronik. Misalnya, filter zona untuk matriks CCD dapat berupa film tipis yang ditempatkan pada permukaan matriks, dengan triad warna mikroskopis diterapkan dalam bentuk batang atau titik biru, hijau dan merah, yang masing-masing ditujukan untuk elemen dasarnya sendiri. Sel CCD berukuran 5 × 5 μm.

Setelah mengatakan tentang filter film, sebagai kesimpulan kita harus menyebutkan struktur dielektrik multilayer yang digunakan dalam sistem komunikasi optik jika diperlukan untuk memisahkan cahaya dengan satu panjang gelombang tertentu dari cahaya campuran dengan panjang gelombang berbeda. Struktur seperti itu adalah “sandwich” multilayer dengan lapisan tipis bergantian dari dua jenis dielektrik dengan indeks bias berbeda. Setiap lapisan memiliki ketebalan yang sama dengan seperempat panjang gelombang radiasi yang dipancarkan. Cahaya yang datang pada struktur sebagian dipantulkan dari masing-masing antarmuka antara kedua media tersebut. Sinar yang dipantulkan dari panjang gelombang yang dipilih, berfrekuensi tunggal dan digeser seperempat panjang gelombang, mis. koheren, mengganggu (menambah), meningkatkan amplitudo (lihat contoh penambahan tersebut pada Gambar 2.10 yang ditunjukkan sebelumnya ). Cahaya dengan panjang gelombang lain tidak mempunyai efek seperti itu, karena ia melewati struktur tanpa dipantulkan, dan jika dipantulkan, ia tidak sefase, dan oleh karena itu tidak koheren - karena interferensi tidak efektif.

Konsep yang disajikan dalam bab ini tentang elemen dasar yang ada dalam satu set atau lainnya di setiap perangkat optoelektronik memungkinkan kita untuk beralih ke pertimbangan perangkat khas arah ini, yang banyak digunakan dalam pencetakan.

Ilmu pengetahuan modern secara aktif berkembang ke berbagai arah, mencoba mencakup semua bidang kegiatan yang berpotensi bermanfaat. Di antara semua ini, perlu disoroti perangkat optoelektronik yang digunakan baik dalam proses transmisi data maupun penyimpanan atau pemrosesannya. Mereka digunakan hampir di semua tempat di mana teknologi yang kurang lebih kompleks digunakan.

Apa itu?

Perangkat optoelektronik, juga dikenal sebagai optocoupler, mengacu pada perangkat tipe semikonduktor khusus yang mampu mengirim dan menerima radiasi. Elemen struktur ini disebut fotodetektor dan pemancar cahaya. Mereka mungkin memiliki pilihan komunikasi yang berbeda satu sama lain. Prinsip pengoperasian produk tersebut didasarkan pada konversi listrik menjadi cahaya, serta reaksi kebalikan dari reaksi ini. Akibatnya, satu perangkat dapat mengirimkan sinyal tertentu, sementara perangkat lain menerima dan “mendekripsinya”. Perangkat optoelektronik digunakan di:

unit komunikasi peralatan;
sirkuit masukan alat ukur;
rangkaian tegangan tinggi dan arus tinggi;
thyristor dan triac yang kuat;
perangkat relay dan sebagainya.

Semua produk tersebut dapat diklasifikasikan ke dalam beberapa kelompok dasar, bergantung pada masing-masing komponen, desain, atau faktor lainnya. Lebih lanjut tentang ini di bawah.

emitor

Instrumen dan perangkat optoelektronik dilengkapi dengan sistem transmisi sinyal. Mereka disebut penghasil emisi dan tergantung pada jenisnya, produknya dibagi sebagai berikut:

Laser dan LED. Unsur-unsur tersebut termasuk yang paling universal. Mereka dicirikan oleh efisiensi tinggi, spektrum sinar yang sangat sempit (parameter ini juga dikenal sebagai kuasi-kromatisitas), rentang operasi yang cukup luas, mempertahankan arah radiasi yang jelas dan kecepatan operasi yang sangat tinggi. Perangkat dengan penghasil emisi seperti itu bekerja untuk waktu yang sangat lama dan sangat andal, berukuran kecil, dan berkinerja baik di bidang model mikroelektronik.
Sel elektroluminesen. Elemen desain ini tidak menunjukkan parameter kualitas konversi yang tinggi dan tidak berfungsi terlalu lama. Pada saat yang sama, perangkat ini sangat sulit untuk dikelola. Namun, merekalah yang paling cocok untuk fotoresistor dan dapat digunakan untuk membuat struktur multi-elemen dan multifungsi. Namun demikian, karena kekurangannya, sekarang penghasil emisi jenis ini jarang digunakan, hanya jika benar-benar tidak mungkin dilakukan tanpanya.
Lampu neon. Output cahaya model ini relatif rendah, dan juga tidak tahan terhadap kerusakan dengan baik serta tidak bertahan lama. Ukurannya besar. Mereka sangat jarang digunakan, pada jenis perangkat tertentu.
Lampu pijar. Pemancar seperti itu hanya digunakan pada peralatan resistor dan tidak di tempat lain.

Hasilnya, model LED dan laser secara optimal cocok untuk hampir semua bidang aktivitas, dan hanya di beberapa area yang tidak memungkinkan, opsi lain digunakan.

Fotodetektor

Perangkat optoelektronik juga diklasifikasikan menurut jenis bagian strukturnya. Berbagai jenis produk dapat digunakan sebagai elemen penerima.

Foto-thyristor, transistor dan dioda. Semuanya adalah perangkat universal yang mampu bekerja dengan transisi tipe terbuka. Paling sering, desainnya didasarkan pada silikon, dan karena itu, produk menerima rentang sensitivitas yang cukup luas.
Fotoresistor. Ini adalah satu-satunya alternatif yang keunggulan utamanya adalah mengubah properti dengan cara yang sangat kompleks. Ini membantu mengimplementasikan semua jenis model matematika. Sayangnya, fotoresistor bersifat inersia, yang secara signifikan mempersempit cakupan penerapannya.

Penerimaan sinar adalah salah satu elemen paling dasar dari perangkat tersebut. Baru setelah dapat diterima barulah pemrosesan lebih lanjut dimulai, dan hal ini tidak akan dapat dilakukan jika kualitas komunikasi tidak cukup tinggi. Akibatnya, banyak perhatian diberikan pada desain fotodetektor.

Saluran optik

Fitur desain produk dapat ditunjukkan dengan baik oleh sistem penunjukan yang digunakan untuk perangkat fotoelektronik dan optoelektronik. Hal ini juga berlaku pada saluran transmisi data. Ada tiga opsi utama:

Saluran yang diperluas. Fotodetektor pada model ini terletak pada jarak yang cukup jauh dari saluran optik, sehingga membentuk pemandu cahaya khusus. Opsi desain inilah yang secara aktif digunakan dalam jaringan komputer untuk transmisi data aktif.
Saluran tertutup. Jenis desain ini menggunakan perlindungan khusus. Ini dengan sempurna melindungi saluran dari pengaruh luar. Model untuk sistem isolasi galvanik digunakan. Ini adalah teknologi yang cukup baru dan menjanjikan, yang kini terus ditingkatkan dan secara bertahap menggantikan relai elektromagnetik.
Buka saluran. Desain ini menyiratkan adanya celah udara antara fotodetektor dan emitor. Model digunakan dalam sistem diagnostik atau berbagai sensor.

Rentang spektral

Dilihat dari indikator ini, semua jenis perangkat optoelektronik dapat dibagi menjadi dua jenis:

Jarak dekat. Panjang gelombang dalam hal ini berkisar antara 0,8-1,2 mikron. Paling sering, sistem seperti itu digunakan pada perangkat yang menggunakan saluran terbuka.
Jarak jauh. Di sini panjang gelombangnya sudah 0,4-0,75 mikron. Ini digunakan di sebagian besar jenis produk lain dari jenis ini.

Desain

Menurut indikator ini, perangkat optoelektronik dibagi menjadi tiga kelompok:

Spesial. Ini termasuk perangkat yang dilengkapi dengan beberapa pemancar dan fotodetektor, sensor keberadaan, sensor posisi, sensor asap, dan sebagainya.
Integral. Model seperti itu juga menggunakan rangkaian logika khusus, komparator, amplifier, dan perangkat lainnya. Antara lain, keluaran dan masukannya diisolasi secara galvanis.
Dasar. Ini adalah versi produk paling sederhana di mana penerima dan emitor hanya ada dalam satu salinan. Mereka dapat berupa thyristor atau transistor, dioda, resistif dan, secara umum, lainnya.

Perangkat dapat menggunakan ketiga grup atau masing-masing secara terpisah. Elemen struktural memainkan peran penting dan secara langsung mempengaruhi fungsionalitas produk. Pada saat yang sama, peralatan yang rumit juga dapat menggunakan jenis yang paling sederhana dan paling dasar, jika sesuai. Namun hal sebaliknya juga terjadi.

Perangkat optoelektronik dan aplikasinya

Dari sudut pandang penggunaan perangkat, semuanya dapat dibagi menjadi 4 kategori:

Sirkuit terintegrasi. Mereka digunakan di berbagai perangkat. Prinsipnya digunakan antara elemen struktur yang berbeda dengan menggunakan bagian-bagian terpisah yang diisolasi satu sama lain. Hal ini mencegah komponen berinteraksi dengan cara apa pun selain yang dimaksudkan oleh pengembang.
Isolasi. Dalam hal ini, pasangan resistor optik khusus, jenis dioda, thyristor atau transistornya, dan sebagainya digunakan.
Transformasi. Ini adalah salah satu kasus penggunaan yang paling umum. Di dalamnya, arus diubah menjadi cahaya dan digunakan dengan cara ini. Contoh sederhananya adalah semua jenis lampu.
Konversi terbalik. Ini adalah pilihan yang sepenuhnya berlawanan, di mana cahaya diubah menjadi arus. Digunakan untuk membuat semua jenis penerima.

Faktanya, sulit untuk membayangkan hampir semua perangkat yang menggunakan listrik dan tidak memiliki pilihan untuk komponen optoelektronik. Mereka mungkin hadir dalam jumlah kecil, tapi akan tetap ada.

Hasil

Semua perangkat optoelektronik, thyristor, dioda, perangkat semikonduktor adalah elemen struktural dari berbagai jenis peralatan. Mereka memungkinkan seseorang menerima cahaya, mengirimkan informasi, memproses atau bahkan menyimpannya.

Pengoperasian perangkat optoelektronik didasarkan pada proses elektron-fotonik dalam menerima, mengirimkan dan menyimpan informasi.

Perangkat optoelektronik yang paling sederhana adalah pasangan optoelektronik, atau optocoupler. Prinsip pengoperasian optocoupler, yang terdiri dari sumber radiasi, media pencelupan (panduan cahaya) dan fotodetektor, didasarkan pada konversi sinyal listrik menjadi sinyal optik, dan kemudian kembali menjadi sinyal listrik.

Optokopler sebagai perangkat fungsional memiliki keunggulan sebagai berikut dibandingkan elemen radio konvensional:

isolasi galvanik lengkap “input – output” (resistansi isolasi melebihi 10 12 – 10 14 Ohm);

kekebalan kebisingan mutlak dalam saluran transmisi informasi (pembawa informasi adalah partikel netral secara elektrik - foton);

aliran informasi searah, yang berhubungan dengan karakteristik perambatan cahaya;

broadband karena frekuensi getaran optik yang tinggi,

kecepatan yang cukup (beberapa nanodetik);

tegangan tembus tinggi (puluhan kilovolt);

tingkat kebisingan rendah;

kekuatan mekanik yang baik.

Berdasarkan fungsinya, optocoupler dapat diibaratkan seperti trafo (elemen kopling) dengan relai (kunci).

Dalam perangkat optocoupler, sumber radiasi semikonduktor digunakan - dioda pemancar cahaya yang terbuat dari bahan senyawa golongan A AKU AKU AKU B V , di antaranya yang paling menjanjikan adalah galium fosfida dan arsenida. Spektrum radiasinya terletak pada wilayah radiasi tampak dan inframerah dekat (0,5 - 0,98 mikron). Dioda pemancar cahaya berbahan dasar galium fosfida memiliki cahaya merah dan hijau. LED yang terbuat dari silikon karbida menjanjikan karena memiliki cahaya kuning dan beroperasi pada suhu tinggi, kelembapan, dan di lingkungan yang agresif.

LED, yang memancarkan cahaya dalam rentang spektrum tampak, digunakan pada jam tangan elektronik dan mikrokalkulator.

Dioda pemancar cahaya dicirikan oleh komposisi spektral radiasi yang cukup luas, pola directivity; efisiensi kuantum, ditentukan oleh rasio jumlah kuanta cahaya yang dipancarkan dengan jumlah kuanta cahaya yang melewatinya P-N-transisi elektron; kekuatan (dengan radiasi tak kasat mata) dan kecerahan (dengan radiasi tampak); karakteristik volt-ampere, lumen-ampere dan watt-ampere; kecepatan (peningkatan dan penurunan elektroluminesensi selama eksitasi berdenyut), kisaran suhu pengoperasian. Saat suhu pengoperasian meningkat, kecerahan LED menurun dan daya emisi menurun.

Karakteristik utama dioda pemancar cahaya dalam rentang tampak diberikan dalam tabel. 32, dan rentang inframerah - dalam tabel. 33.

Tabel 32 Karakteristik utama dioda pemancar cahaya tampak

Tabel 33. Karakteristik utama dioda pemancar cahaya inframerah

Dioda pemancar cahaya pada perangkat optoelektronik dihubungkan ke fotodetektor melalui media perendaman, persyaratan utamanya adalah transmisi sinyal dengan kehilangan dan distorsi minimal. Dalam perangkat optoelektronik, media perendaman padat digunakan - senyawa organik polimer (perekat dan pernis optik), media kalkogenida, dan serat optik. Tergantung pada panjang saluran optik antara emitor dan fotodetektor, perangkat optoelektronik dapat dibagi menjadi optocoupler (panjang saluran 100 - 300 mikron), optoisolator (hingga 1 m) dan jalur komunikasi serat optik - tautan serat optik (naik hingga puluhan kilometer).

Fotodetektor yang digunakan dalam perangkat optocoupler tunduk pada persyaratan untuk mencocokkan karakteristik spektral dengan emitor, meminimalkan kerugian ketika mengubah sinyal cahaya menjadi sinyal listrik, fotosensitifitas, kecepatan, ukuran area fotosensitif, keandalan dan tingkat kebisingan.

Untuk optocoupler, yang paling menjanjikan adalah fotodetektor dengan efek fotolistrik internal, ketika interaksi foton dengan elektron di dalam material dengan sifat fisik tertentu menyebabkan transisi elektron dalam volume kisi kristal material tersebut.

Efek fotolistrik internal memanifestasikan dirinya dalam dua cara: dalam perubahan resistansi fotodetektor di bawah pengaruh cahaya (fotoresistor) atau dalam munculnya ggl foto pada antarmuka antara dua bahan - semikonduktor-semikonduktor, logam-semikonduktor ( beralih fotosel, fotodioda, fototransistor).

Fotodetektor dengan efek fotolistrik internal dibagi menjadi fotodioda (dengan P-N-persimpangan, struktur MIS, penghalang Schottky), fotoresistor, fotodetektor dengan amplifikasi internal (fototransistor, fototransistor gabungan, fotothyristor, fototransistor efek medan).

Fotodioda didasarkan pada silikon dan germanium. Sensitivitas spektral maksimum silikon adalah 0,8 mikron, dan germanium - hingga 1,8 mikron. Mereka beroperasi pada bias terbalik P-N-transisi, yang memungkinkan untuk meningkatkan kinerja, stabilitas, dan linearitas karakteristiknya.

Fotodioda paling sering digunakan sebagai fotodetektor untuk perangkat optoelektronik dengan kompleksitas yang berbeda-beda. pi-N-struktur di mana Saya– wilayah yang terkuras medan listriknya tinggi. Dengan mengubah ketebalan wilayah ini, dimungkinkan untuk memperoleh karakteristik kinerja dan sensitivitas yang baik karena rendahnya kapasitansi dan waktu penerbangan pembawa.

Fotodioda longsoran telah meningkatkan sensitivitas dan kinerja, menggunakan amplifikasi arus foto saat mengalikan pembawa muatan. Namun, fotodioda ini tidak cukup stabil pada rentang suhu dan memerlukan pasokan listrik tegangan tinggi. Fotodioda dengan penghalang Schottky dan struktur MIS menjanjikan untuk digunakan pada rentang panjang gelombang tertentu.

Fotoresistor dibuat terutama dari film semikonduktor polikristalin berdasarkan senyawa (kadmium dengan belerang dan selenium). Sensitivitas spektral maksimum fotoresistor adalah 0,5 - 0,7 mikron. Fotoresistor biasanya digunakan dalam kondisi cahaya redup; dalam hal sensitivitas, perangkat ini sebanding dengan pengganda foto - perangkat dengan efek fotolistrik eksternal, tetapi memerlukan daya bertegangan rendah. Kerugian dari fotoresistor adalah kinerjanya yang rendah dan tingkat kebisingan yang tinggi.

Fotodetektor yang diperkuat secara internal yang paling umum adalah fototransistor dan fotothyristor. Fototransistor lebih sensitif dibandingkan fotodioda, namun lebih lambat. Untuk lebih meningkatkan sensitivitas fotodetektor, digunakan fototransistor komposit, yaitu kombinasi transistor foto dan amplifikasi, namun memiliki kinerja yang rendah.

Dalam optocoupler, fotothyristor (perangkat semikonduktor dengan tiga hal- transisi, peralihan saat menyala), yang memiliki sensitivitas tinggi dan tingkat sinyal keluaran, tetapi kecepatannya tidak mencukupi.

Keragaman jenis optocoupler ditentukan terutama oleh sifat dan karakteristik fotodetektor. Salah satu aplikasi utama optocoupler adalah isolasi galvanik yang efektif pada pemancar dan penerima sinyal digital dan analog. Dalam hal ini, optocoupler dapat digunakan dalam mode konverter atau sakelar sinyal. Optocoupler dicirikan oleh sinyal input yang diizinkan (arus kontrol), koefisien transfer arus, kecepatan (waktu switching) dan kapasitas beban.

Rasio koefisien transfer arus dengan waktu peralihan disebut faktor kualitas optocoupler dan adalah 10 5 – 10 6 untuk optocoupler fotodioda dan fototransistor. Optokopler berdasarkan fotothyristor banyak digunakan. Optokopler fotoresistor tidak banyak digunakan karena stabilitas waktu dan suhu yang rendah. Diagram beberapa optocoupler ditunjukkan pada Gambar. 130, sebuah – d.

Laser dengan stabilitas tinggi, karakteristik energi yang baik, dan efisiensi digunakan sebagai sumber radiasi yang koheren. Dalam optoelektronik, untuk desain perangkat kompak, laser semikonduktor digunakan - dioda laser, digunakan, misalnya, dalam jalur komunikasi serat optik alih-alih jalur transmisi informasi tradisional - kabel dan kawat. Mereka memiliki throughput yang tinggi (bandwidth dalam satuan gigahertz), ketahanan terhadap interferensi elektromagnetik, bobot dan dimensi yang rendah, isolasi listrik lengkap dari input ke output, ledakan dan keselamatan kebakaran. Fitur khusus FOCL adalah penggunaan kabel serat optik khusus, yang strukturnya ditunjukkan pada Gambar. 131. Sampel industri dari kabel tersebut mempunyai redaman 1 – 3 dB/km dan lebih rendah. Jalur komunikasi serat optik digunakan untuk membangun jaringan telepon dan komputer, sistem televisi kabel dengan transmisi gambar berkualitas tinggi. Jalur ini memungkinkan transmisi simultan dari puluhan ribu percakapan telepon dan beberapa program televisi.

Baru-baru ini, sirkuit terpadu optik (OIC), yang semua elemennya dibentuk oleh pengendapan bahan-bahan yang diperlukan ke dalam substrat, telah dikembangkan secara intensif dan tersebar luas.

Perangkat berbasis kristal cair, yang banyak digunakan sebagai indikator pada jam tangan elektronik, cukup menjanjikan dalam bidang optoelektronik. Kristal cair adalah suatu zat organik (cair) yang mempunyai sifat kristal dan berada dalam keadaan transisi antara fase kristal dan cairan.

Indikator kristal cair memiliki resolusi tinggi, relatif murah, mengkonsumsi daya rendah dan beroperasi pada tingkat cahaya tinggi.

Kristal cair dengan sifat yang mirip dengan kristal tunggal (nematik) paling sering digunakan dalam indikator cahaya dan perangkat memori optik. Kristal cair yang berubah warna ketika dipanaskan (kolesterik) telah dikembangkan dan digunakan secara luas. Jenis kristal cair lainnya (smectics) adalah digunakan untuk perekaman informasi termo-optik.

Perangkat optoelektronik yang dikembangkan relatif baru-baru ini telah tersebar luas di berbagai bidang ilmu pengetahuan dan teknologi karena sifatnya yang unik. Banyak dari mereka tidak memiliki analog dalam teknologi vakum dan semikonduktor. Namun, masih banyak masalah yang belum terpecahkan terkait dengan pengembangan material baru, peningkatan karakteristik kelistrikan dan operasional perangkat ini, serta pengembangan metode teknologi untuk pembuatannya.

Bagian 5. Perangkat yang dipasangkan dengan muatan (CCD).

Topik 5.1. Prinsip konstruksi dan pengoperasian CCD.

Perangkat yang digabungkan dengan muatan (CCD), seperti transistor, memiliki sifat keserbagunaan, yang memungkinkannya digunakan di berbagai perangkat. Mereka digunakan dalam memori digital dengan kapasitas informasi yang besar. Dalam penerima gambar optoelektronik berdasarkan CCD, video pembentuk sinyal dibuat.Dalam sistem pemrosesan informasi teknik radio, CCD digunakan dalam pengembangan jalur tunda, berbagai jenis filter, perangkat analisis spektral, dan pemrosesan sinyal radar.

Bab ini membahas perangkat, prinsip operasi dan parameter elemen CCD, serta jenis desainnya.

Perangkat, prinsip operasi.

Elemen utama CCD adalah jenis MIS yang sama - kapasitor yang dibentuk pada substrat semikonduktor kristal tunggal yang sama 1 P– tipe (Gbr. 1). 2 strip gerbang 3 yang terletak pada lapisan dielektrik membentuk sistem linier beraturan atau matriks datar. Untuk sebagian besar perangkat, substratnya terbuat dari silikon resistansi tinggi, dielektriknya adalah silikon dioksida. Gerbang terhubung untuk mengontrol bus menggunakan konduktor film aluminium atau polisilikon, yang tegangan kontrol berdenyut diterapkan relatif terhadap elektroda substrat yang diarde. Perangkat yang dimaksud memiliki tiga bus kontrol F1,F2,F3, oleh karena itu disebut tiga langkah Untuk perangkat dengan substrat P Tegangan kontrol tipe biasanya memiliki polaritas positif, dan dengan substrat N-tipe – negatif.

Ketika tegangan tingkat tinggi diterapkan, misalnya ke bus F1 di daerah dekat permukaan substrat semikonduktor, di bawah gerbang yang terhubung ke bus ini (yang pertama, keempat, dll.), muncul sumur potensial untuk elektron. Sinyal listrik dalam CCD tidak diwakili oleh arus atau tegangan, seperti pada sirkuit mikro transistor, tetapi dengan paket muatan - muatan Prinsip operasi CCD didasarkan pada akumulasi dan penyimpanan paket muatan di sumur potensial di bawah gerbang dan paket muatan di sumur potensial di bawah gerbang dan pada pergerakan paket muatan antara elemen tetangga ketika tegangan kontrol - pulsa clock - berubah Interaksi elemen tetangga dilakukan dengan menggunakan transfer paket muatan dalam substrat semikonduktor ke arah yang ditunjukkan oleh panah pada Gambar 1, a.Interaksi ini disebut kopling muatan , yang tercermin dalam nama perangkat. Agar kopling muatan yang efektif antara elemen-elemen yang berdekatan dapat dicapai, jarak antar gerbang harus cukup kecil dibandingkan dengan ketebalan lapisan penipisan di bawah gerbang.Karena kopling muatan langsung antara elemen-elemen yang berdekatan, CCD tidak memerlukan konduktor sinyal yang diperlukan di sirkuit terpadu yang mengandung transistor. Di permukaan, sebagian besar chip hanya berisi bus kontrol, dan konduktor sinyal hanya digunakan pada input dan output CCD.

4 daerah tipe p+ terbentuk di dekat permukaan substrat, batasnya ditunjukkan dengan garis putus-putus pada Gambar 1a. Daerah tipe p+ membatasi bagian substrat yang terletak di bawah gerbang, di mana paket muatan bergerak. Oleh karena itu disebut saluran transfer.

Mari kita perhatikan proses fisik dalam struktur MIS, dijelaskan secara rinci dalam kaitannya dengan CCD, yang, tidak seperti transistor MIS, hanya beroperasi dalam mode pulsa.Misalkan pada t = 0 tegangan gerbang berubah secara tiba-tiba dari Uz = 0 menjadi Uz > Uthr, dimana Uthr- tegangan ambang batas.Dalam semikonduktor, sumur potensial elektron terbentuk di bawah gerbang, dan dalam waktu yang sangat singkat (sesuai urutan waktu relaksasi dielektrik), lapisan dengan resistivitas tinggi terbentuk, di mana, di bawah pengaruh medan, pembawa utama - lubang - dihilangkan, dan elektron belum sempat terakumulasi. Kedalaman sumur potensial maksimum pada antarmuka semikonduktor dengan dielektrik; di sini paket muatan elektron Qn mulai terakumulasi. Ini muncul sebagai akibat dari transfer muatan terkendali dari struktur MIS yang berdekatan dan proses yang tidak terkendali: pembangkitan elektron secara termal di lapisan penipisan atau pada permukaan semikonduktor, difusi elektron dari substrat.

Distribusi potensial permukaan dalam struktur MIS dan proses yang tidak terkendali: pembangkitan elektron secara termal pada lapisan penipisan atau pada permukaan semikonduktor, difusi elektron dari substrat.

Distribusi potensial permukaan pada struktur MIS dalam arah tegak lurus gerbang untuk berbagai waktu ditunjukkan pada Gambar 2. Koordinat x diukur dari batas semikonduktor (S) – dielektrik (D). Garis putus-putus menunjukkan batas dielektrik-logam (M). Ketika paket muatan terakumulasi karena pembangkitan termal pembawa muatan, ketebalan lapisan Lob yang habis dan potensial permukaan fp semikonduktor berkurang, dan perbedaan potensial melintasi dielektrik meningkat. Dalam keadaan tunak (t), potensial permukaan menurun hingga nilai fpor=2ftln(Na/ni), dimana Na adalah konsentrasi akseptor dalam substrat; ni adalah konsentrasi pembawa intrinsik. Dalam hal ini, lapisan tipe-n terbalik terbentuk di dekat permukaan, muatan elektron maksimumnya adalah

Qn max = Cd(Uз-Upore),

Dimana CD=Sз E0 E d/d – kapasitansi dielektrik; Sз – area gerbang.

Untuk pengoperasian CCD, ketergantungan potensial permukaan pada ukuran paket muatan pada tegangan gerbang tertentu sangat penting (Gbr. 3). Hubungan ini kira-kira linier:

Fpov= - Qn/Cd.

Pada nilai Qn yang konstan, potensial permukaan meningkat seiring dengan meningkatnya tegangan gerbang, juga kira-kira secara linier.

Ketergantungan yang diberikan memungkinkan kita untuk mengilustrasikan dengan jelas pengoperasian CCD menggunakan model hidrodinamik (Gbr. 4, a-c). Dalam model ini, sumur potensial diidentifikasi dengan bejana, paket muatan Qn diidentifikasi dengan cairan yang mengisi bejana ini, potensial permukaan, yaitu. kedalaman sumur potensial, dengan jarak h dari permukaan zat cair yang mengisi bejana ini, dan tepi atas bejana. Dalam model seperti itu, terdapat hubungan linier dalam bentuk (11.2) antara volume zat cair dalam bejana dan kedalaman h (Qn) bagian yang tidak terisi, dan kedalaman bejana kosong h(0) meningkat secara proporsional. ke tegangan gerbang (lihat Gambar 11.4). Model ini digunakan untuk menjelaskan proses transfer paket pengisian daya.

Mari kita perhatikan proses mentransfer proses pengisian ke CCD dengan rangkaian kontrol tiga babak. Diagram waktu pulsa kontrol untuk kasus ini ditunjukkan pada Gambar 5. Misalkan pada saat t1 pada gerbang yang terhubung ke lebar F2, tegangan tingkat tinggi U'3>Uthr dan paket muatan Qn2 dan Qn5 telah terakumulasi di bawah gerbang kedua dan kelima (Gbr. 6), dan pada gerbang yang terhubung ke bus F1 dan F3 - tegangannya rendah dan tidak ada sumur potensial atau paket muatan di bawah gerbang yang sesuai. Pada waktu t2, tegangan tingkat tinggi disuplai ke gerbang yang terhubung ke bus F3 dan sumur potensial kosong segera terbentuk di bawahnya. Gerbang bus F1 mempertahankan level tegangan rendah.

Untuk pengoperasian normal CCD, jarak antara gerbang yang berdekatan harus cukup kecil sehingga sumur potensial dari elemen tetangga, yang gerbangnya disuplai dengan tegangan U'3, bergabung menjadi satu sumur potensial tanpa penghalang di tengahnya, seperti yang ditunjukkan pada Gambar 11.6. untuk waktu t3 >t >t2.

Pemindahan paket pengisian daya dimungkinkan oleh efek tepi. Terdiri dari fakta bahwa dimensi sumur potensial pada bidang pelat (dalam arah perpindahan paket pengisian) melebihi dimensi gerbang, yaitu. sebuah sumur potensial terbentuk tidak hanya di bawah gerbang, tetapi juga agak jauh dari tepinya. Ukuran daerah di luar gerbang, dimana sumur potensial terbentuk, meningkat seiring dengan meningkatnya tegangan gerbang. Hanya pada tegangan yang cukup tinggi pada gerbang yang berdekatan dan jarak yang kecil di antara keduanya barulah sumur potensial di bawah gerbang yang berdekatan saling tumpang tindih, membentuk satu sumur potensial.

Karena pada t = t2 (lihat Gambar 6) tidak ada elektron pada unsur ketiga, dan paket muatan Qn2 telah terakumulasi pada unsur kedua, maka sesuai dengan ketergantungan yang ditunjukkan pada Gambar 3, pada tegangan yang sama pada gerbang U32 =U 33 =U'3 potensial permukaan di bawah gerbang 3 akan jauh lebih tinggi daripada di bawah gerbang 2. Akibat pengaruh paket muatan Qn2 pada tegangan yang sama pada gerbang 2 dan 3, muncul medan listrik memanjang di a sumur potensial bersama, mempercepat elektron menuju unsur ketiga.

Dalam model hidrodinamik CCD, proses transfer paket muatan berhubungan dengan aliran cairan dalam bejana umum. Setelah tegangan di gerbang 3 meningkat, sebuah bejana umum terbentuk, terletak di bawah dua gerbang dan di ruang di antara keduanya. Cairan dalam bejana ini pada t > t2 terdistribusi secara tidak merata dan mulai mengalir di bawah katup 3. Ketika ketinggian cairan di bawah katup 2 dan 3 seimbang, laju alirannya menurun. Untuk mempercepat pemompaan cairan, tegangan pada gerbang 2 pada t > t3 diturunkan secara bertahap hingga nilai U3 min. Bagian bawah bejana di bawah katup ini naik, dan cairan bergerak ke dalam bejana yang terletak di bawah katup 3.

Pada t = t4, perpindahan paket muatan dari elemen kedua ke elemen ketiga berakhir, dengan paket muatan Qn2. Selama periode waktu yang sama, terjadi perpindahan paket muatan yang serupa dari elemen kelima ke elemen keenam. Arah transfer paket muatan Qn2 dan Q n5 dipastikan oleh fakta bahwa selama transmisi, tegangan rendah dipertahankan di gerbang 1 dan 4 (bus F1) dan sumur potensial tidak terbentuk di bawahnya. Untuk transfer arah dalam kasus yang dipertimbangkan, tegangan kontrol tiga langkah digunakan (lihat Gambar 5). Tiga item diperlukan untuk menyimpan dan membawa satu paket pengisi daya.

Pada waktu t = t5, tegangan tingkat tinggi diterapkan ke bus F1 (lihat Gambar 5) dan transfer paket muatan Qn3 dan Qn6 ke elemen berikut dimulai. Jadi, interval waktu tper = t 4-t2 berhubungan dengan waktu yang dialokasikan untuk transfer paket muatan, dan interval t xp = t 5– t 4 berhubungan dengan waktu penyimpanan.

Perangkat input dan output untuk paket muatan adalah elemen struktural wajib dari CCD. Mereka memungkinkan Anda untuk mengubah sinyal keluaran (level tegangan) menjadi paket muatan sinyal, dan melakukan konversi terbalik pada keluaran.

Mari kita perhatikan perangkat input sinyal listrik (Gbr. 7a). Ini terdiri dari wilayah 1 tipe n+ -, yang membentuk persimpangan n+-p (dioda masukan) dengan substrat, kontak ohmik masukan 2 ke wilayah 1 dan gerbang masukan Ф masuk. Dengan metode masukan sederhana, sinyal polaritas negatif diterapkan ke masukan, membiaskan dioda masukan ke arah maju, dan arah kontrol positif diterapkan ke masukan F. Bias maju terbesar dari persimpangan n+-p yang diinjeksi disediakan di daerah dekat permukaan; ini meningkat dengan meningkatnya perbedaan tegangan pada masukan dan pada gerbang masukan. Paket muatan pertama-tama disuntikkan dari bawah wilayah n+- di bawah gerbang masukan (Gbr. 7, b), dan kemudian ditransfer ke bawah gerbang pertama F1. Besarnya paket muatan yang disuntikkan meningkat seiring dengan meningkatnya amplitudo sinyal input menurut hukum linier (kira-kira eksponensial). Selain itu, tergantung pada waktu injeksi, mis. pada frekuensi jam pulsa kontrol (lihat Gambar 5). Keuntungan dari metode memasukkan sinyal listrik ini adalah kecepatannya yang tinggi (waktu injeksi beberapa nanodetik).

Dalam beberapa kasus, perlu untuk memastikan ketergantungan yang mendekati linier dari nilai paket muatan yang disuntikkan pada tegangan input. Ini dapat diperoleh di perangkat input yang sama (lihat Gambar 7, a), jika Anda menggunakan mode operasi yang berbeda, yang disebut mode injeksi-ekstraksi (Gbr. 7, c).

Sinyal informasi dengan polaritas positif diterapkan pada masukan F, dan dioda masukan terlebih dahulu dibiaskan ke arah maju. Pada tahap I, pengisian maksimum sumur potensial di bawah gerbang masukan dan gerbang pertama F1 dengan elektron dipastikan, dan pori-pori tegangan U'3 > U diterapkan. Pada tahap II, dioda masukan dibias mundur dan elektron diekstraksi dari bawah gerbang Ф in dan Ф1 ke daerah n+-. Dalam hal ini, muatan diekstraksi seluruhnya dari bawah gerbang masukan, dan dari bawah gerbang pertama muatan diekstraksi ke tingkat yang sesuai dengan potensial permukaan di bawah gerbang masukan. Karena sumur potensial gerbang masukan kosong, potensial permukaan di bawah gerbang ini, seperti disebutkan di atas, sebanding dengan tegangan pada gerbang ini, yaitu. tegangan sinyal masukan. Akibatnya, nilai paket muatan di bawah gerbang pertama F1, sebanding dengan potensial permukaan di bawah gerbang masukan, akan berubah kira-kira linier seiring dengan perubahan amplitudo sinyal masukan.

Untuk mengeluarkan paket muatan pada output, perangkat digunakan (Gbr.

8, a), mengandung wilayah 1 n+ - jenis konduktivitas, kontak ohmik 2 ke wilayah ini dan gerbang keluaran Fout. Wilayah 1 membentuk dioda keluaran dengan media, yang dibias terbalik. Untuk melakukan ini, tegangan positif konstan diterapkan ke kontak keluaran melalui resistor, melebihi tegangan maksimum pada Fout. Pada suatu titik waktu, pulsa polaritas positif diterapkan ke gerbang keluaran, memungkinkan keluaran paket muatan. Jika paket muatan telah terakumulasi dalam elemen terakhir F3 pada saat ini, maka paket tersebut akan berpindah ke sumur potensial yang terletak di bawah gerbang keluaran (Gbr. 8b), dan kemudian ke sumur potensial yang lebih dalam di wilayah tipe n+ dan, terakhir, ke dalam keluaran rangkaian adalah resistor yang terhubung ke wilayah n+ -. Penguat sensitif berdasarkan transistor MIS, yang dibuat pada substrat yang sama, dihubungkan ke terminal keluaran.

Dalam beberapa kasus, pembacaan paket muatan secara non-destruktif perlu dilakukan. Untuk melakukan ini, transistor MTD digunakan sebagai sensor potensial permukaan dan nilai paket muatan yang terkait.

Topik 5.2 CCD pada perangkat pemrosesan sinyal memori dan penerima gambar.

Parameter utama elemen CCD meliputi: amplitudo operasi tegangan kontrol, ukuran paket muatan maksimum, frekuensi clock maksimum (minimum dan maksimum), efisiensi transfer paket muatan, disipasi daya.

Amplitudo operasi tegangan kendali pada gerbang ditentukan oleh dua kondisi utama. Itu harus cukup besar untuk memastikan ukuran paket muatan yang diperlukan dan penutupan lengkap lapisan elemen tetangga yang terkuras sehingga potensi bersama untuk transfer paket muatan terbentuk di bawah gerbangnya (lihat Gambar 6). Semakin kecil jarak antara amplitudo tegangan kontrol, nilai tipikalnya adalah 10...20 V.

Nilai maksimum dari paket muatan Qn max merupakan paket penting yang mencirikan kemampuan kontrol CCD. Hal ini sebanding dengan amplitudo tegangan kontrol dan luas gerbang. Dalam elemen dengan dimensi gerbang 10 * 20 µm dan d = 0,1 µm pada /\ f pov = 5 V Qn max = 0,35 pC. Dalam praktiknya, nilai setengah besarnya dipilih untuk mencegah hilangnya paket muatan yang disebabkan oleh lepasnya beberapa elektron dari sumur potensial ke dalam substrat (artinya elektron yang energinya cukup untuk mengatasi penghalang potensial).

Frekuensi clock minimum f t.min berbanding terbalik dengan waktu penyimpanan maksimum yang diizinkan dari paket muatan dalam satu elemen. Waktu ini terbatas karena ukuran paket muatan secara bertahap berubah karena akumulasi elektron yang tidak terkendali di sumur potensial di bawah gerbang. Elektron-elektron ini muncul sebagai akibat dari pembangkitan termal pembawa muatan di lapisan penipisan dan pada antarmuka semikonduktor-dielektrik, serta karena difusi dari substrat.

Qp / Q n maks = jt N / f t SD.ud /\ f pov maks< a , где Сд.уд – удельная емкость диэлектрика;

/\ f pov max - perubahan maksimum potensial permukaan dengan adanya muatan di bawah gerbang Q n max. Pada N = 10, d = 0,1 µm, jt = 10 / cm, f pov max = 5 V dan kita mendapatkan f t > 60 kHz.

Untuk menambah waktu penyimpanan yang diizinkan dari paket biaya dan menguranginya

f t.min mengurangi konsentrasi pusat rekombinasi massal, kepadatan keadaan permukaan dan suhu pengoperasian Nilai tipikal f t.min = 30...300 Hz.

Frekuensi clock maksimum f t.max berbanding terbalik dengan waktu transfer minimum yang diperbolehkan. Saat beroperasi pada frekuensi clock maksimum, transfer paket pengisian daya ke elemen berikutnya dimulai segera setelah transfernya ke elemen ini berakhir. Waktu minimum yang dapat diterima untuk mentransfer paket biaya berkaitan dengan efisiensi transfernya.

Efisiensi transfer ditentukan oleh relasi n = Qn(i+1) / Qni, dimana Qni,

Qn(i+1) – mengisi paket di elemen ke-i setelah transfer n< 1.Допустимое уменьшение зарядового пакете при многократных переносах зависит от типа устройства. При заданном допустимом уменьшении зарядового пакета эффективность переноса определяет максимальное число элементов, через которые может быть передан зарядовый пакет. При анализе переноса часто используют величину n = 1 – n ,называемую коэффициентом потерь. Для сложных устройств на ПЗС с большим числом переносов требуемые значения n = 0, 999…0,99999 и соответственно n = 10 …10 .

Gambar 9 menunjukkan ketergantungan khas dari koefisien kerugian pada frekuensi clock untuk elemen CCD transfer permukaan yang dipertimbangkan di atas untuk elemen CCD transfer permukaan 1 dan transfer volumetrik 2 yang dipertimbangkan di atas (lihat 3) Mengisi kerugian transfer paket pada frekuensi clock tinggi terutama disebabkan oleh fakta bahwa waktu yang dialokasikan untuk transfer singkat, beberapa elektron tidak punya waktu untuk berpindah ke unsur tetangga dan tetap berada di unsur sebelumnya. Kerugian ini meningkat tajam dengan meningkatnya frekuensi clock, mis. ketika mengurangi interval waktu yang diberikan untuk transfer.

Waktu transfer minimum yang dapat diterima bergantung pada efisiensi transfer yang diperlukan, panjang gerbang L3, dan mobilitas elektron. Pada akhir transfer (lihat Gambar 11.6), kekuatan medan di bawah gerbang kedua (atau kelima) berkurang. Pada saat ini muatan yang tersisa di bawah gerbang sangat kecil dan tidak mempengaruhi distribusi potensial, sehingga potensial di bawahnya hampir konstan. Bagian kecil dari paket muatan /\Q2 (atau /\Qт5) yang tersisa di bawah gerbang bergerak di bawah gerbang yang berdekatan terutama karena difusi, dan berkurang kira-kira sesuai dengan hukum eksponensial dalam bentuk /\Qn (t) –exp (- t/t dif), di mana t diff adalah konstanta waktu yang mencirikan difusi elektron,

t diff – konstanta waktu yang mencirikan difusi elektron, t diff = L / 2Dn. Sesuai dengan hubungan Einstein, koefisien difusi elektron adalah Dn = ft m n.

Semakin besar efisiensi transfer yang diperlukan, semakin lama waktu yang dibutuhkan untuk mentransfer paket muatan dan semakin rendah frekuensi clock maksimum pulsa kontrol (lihat Gambar 9). Pada kecepatan clock yang lebih rendah (f t<< fт. макс) эффективность переноса достигает максимального значения, которое практически не зависит от тактовой частоты. На этих частотах зарядового пакета обусловлены захватом части электронов поверхностными ловушками. За время переноса ловушки не успевают отдать все захваченные ими электроны. Потери такого типа увеличиваются, если данный зарядовый пакет переносится через элементы, не содержащие перед этим другим зарядовых пакетов, так как в них поверхностные ловушки оказываются незаполненными

Untuk mengurangi kerugian yang terkait dengan perangkap permukaan, muatan latar belakang dimasukkan ke semua elemen. Dalam hal ini, tegangan kontrol pulsa jam (lihat Gambar 5) dikurangi bukan menjadi nol, tetapi menjadi nilai positif tertentu U3 min, sama dengan, misalnya, 2V. Pada saat yang sama, dalam elemen terkait di mana sumur potensial dangkal terbentuk, muatan latar dipertahankan yang mengisi perangkap permukaan. Hal ini mengurangi hilangnya paket biaya selama transfer. Namun, kerugian yang terkait dengan penangkapan elektron oleh perangkap permukaan tidak berkurang menjadi nol karena efek tepi: muatan latar belakang menempati area yang lebih kecil di bawah gerbang daripada paket muatan informasi, yaitu. tidak mengisi semua permukaan jebakan yang terletak di dekat tepi gerbang. Selain itu, beberapa elektron ditangkap oleh perangkap yang terletak di antara gerbang. Menggunakan muatan latar belakang, koefisien kerugian pada frekuensi f t<< fт. макс можно снизить до 10 … 10 .

Disipasi daya elemen CCD sangat rendah. Selama tahap penyimpanan, praktis tidak hilang, karena arus pembangkitan panas yang sangat kecil mengalir. Daya dihamburkan dalam elemen CCD hanya dalam mode transfer paket pengisian daya. Ini meningkat sebanding dengan frekuensi clock, amplitudo tegangan kontrol dan kurang dari 1 μW. Disipasi daya yang rendah adalah salah satu keunggulan utama mereka.

Perangkat dengan elemen asimetris (lihat 10 dan 11) juga dapat beroperasi menggunakan satu bus pulsa kontrol. Dalam hal ini, tegangan konstan disuplai ke bus kedua, yang levelnya berada di tengah-tengah antara level tegangan tinggi dan rendah. Sirkuit kendali untuk perangkat tersebut jauh lebih sederhana, namun amplitudo pulsa kendali harus kira-kira dua kali lebih besar dari pada CCD dorong-tarik.

Salah satu jenis desain yang paling penting adalah CCD dengan saluran volumetrik. CCD yang dibahas di atas menggunakan transfer muatan dalam lapisan semikonduktor yang sangat tipis yang terletak di dekat permukaannya. Bagi mereka, keadaan permukaan dan mobilitas elektron yang rendah di permukaan membatasi efisiensi transfer dan frekuensi clock maksimum. Parameter perangkat ini dapat ditingkatkan jika paket muatan disimpan dan ditransmisikan pada jarak yang cukup dari permukaan semikonduktor. Kondisi ini diwujudkan dalam CCD dengan saluran transfer volumetrik. Struktur alat tersebut ditunjukkan pada Gambar 12, a. Untuk membuatnya, lapisan-n tipis (ketebalan sekitar 4 μm) dengan konsentrasi donor sekitar 2 * 10 cm dibentuk melalui difusi atau doping ion dalam posisi tipe-p resistivitas tinggi (konsentrasi akseptor sekitar 10 cm). daerah masukan dan keluaran terletak di tepi lapisan-n tipe n+-, tempat kontak ohmik dibuat.

Perangkat dengan saluran transfer volumetrik beroperasi sebagai berikut. Mari kita asumsikan bahwa substrat dan semua gerbang 1 dibumikan, rangkaian masukan terbuka, dan sumber tegangan positif konstan (30 V) dihubungkan ke terminal keluaran melalui resistor, membiaskan sambungan p-n antara daerah-t dan daerah-t. substrat ke arah yang berlawanan. Dalam kondisi ini, tidak hanya daerah deplesi dekat permukaan di bawah gerbang yang terbentuk pada struktur yang dipertimbangkan, tetapi juga daerah persambungan pn yang deplesi. Jika tegangan positif pada lapisan-n cukup tinggi, maka daerah penipisan subgerbang dekat permukaan akan berdekatan (dalam arah vertikal) dengan daerah penipisan pada sambungan pn. Daerah penipisan tunggal terbentuk di bawah setiap gerbang, energi elektronnya lebih kecil daripada di substrat dan dekat permukaan semikonduktor.

Distribusi potensial dalam arah vertikal sepanjang bagian A-A struktur ditunjukkan pada Gambar 12, b (kurva 1). Koordinat x diukur dari permukaan semikonduktor. Distribusi potensial maksimum pada kedalaman x = 3 µm, yaitu. di dalam lapisan-n. Ini sesuai dengan energi potensial minimum elektron. Elektron yang dimasukkan ke dalam struktur seperti itu akan dipindahkan oleh medan listrik ke daerah dengan energi potensial minimum. Oleh karena itu, mirip dengan struktur saluran transportasi permukaan, struktur ini mampu mengakumulasi dan menyimpan paket muatan di sumur potensial di bawah gerbang. Berbeda dengan CCD dengan saluran transfer permukaan, di sini pembawa mayoritas—elektron—terakumulasi di sumur potensial yang terletak di lapisan-n.

Seperti pada perangkat dengan saluran transfer permukaan, kedalaman sumur potensial dalam struktur yang dipertimbangkan dapat disesuaikan dengan mengubah tegangan pada gerbang yang sesuai. Kurva 2 pada Gambar. Gambar 12b menunjukkan bagaimana peningkatan tegangan gerbang menjadi 10 V mempengaruhi distribusi potensial (dengan sumur potensial kosong). Muatan dapat dipindahkan dari elemen tertentu ke elemen yang berdekatan dengan mengubah tegangan gerbang dengan cara yang sama seperti pada CCD tiga babak dengan saluran transfer permukaan (lihat 5). Karena energi potensial minimum (yaitu, wilayah akumulasi paket muatan) terletak pada jarak yang cukup jauh dari antarmuka semikonduktor-isolator, pengaruh keadaan permukaan melemah tajam dan meningkat karena mobilitas elektron. Faktor-faktor ini menyebabkan peningkatan mobilitas elektron. Faktor-faktor ini menyebabkan peningkatan frekuensi clock maksimum dan penurunan faktor kerugian (lihat kurva 2 pada Gambar 9). Efisiensi transfer CCD dengan saluran massal pada frekuensi menengah ditentukan oleh interaksi paket muatan dengan perangkap massal. Konsentrasi perangkap volumetrik jauh lebih rendah dibandingkan dengan perangkap permukaan.

Keuntungan penting CCD dengan saluran massal adalah tingkat kebisingan yang rendah yang dipastikan dengan menghilangkan interaksi paket muatan dengan keadaan permukaan. Kerugiannya adalah paket muatan maksimum yang jauh lebih kecil, karena jarak yang jauh antara gerbang dan area akumulasi muatan.

Topik 5.3. PERANGKAT BERDASARKAN EFEK GANN

Pada tahun 1963, fisikawan Amerika Gunn menemukan dalam semikonduktor galium arsenida GaAs dan indium fosfida InP dengan konduktivitas elektronik fenomena pembangkitan osilasi arus listrik frekuensi tinggi ketika tegangan konstan melebihi nilai kritis tertentu diterapkan pada sampel. Ternyata frekuensi osilasi bergantung pada panjang sampel dan terletak pada kisaran beberapa gigahertz. Karena pembangkitan osilasi frekuensi tinggi dalam volume tidak dikaitkan dengan adanya sambungan p-n yang tipis dan berdaya rendah, generator gelombang mikro dengan daya yang jauh lebih tinggi dapat dibuat menggunakan perangkat Gunn dibandingkan menggunakan perangkat semikonduktor lainnya.

Generator Gunn, dibuat dalam bentuk kotak dengan sisi 100-150 mikron, memberikan daya kontinu beberapa miliwatt pada frekuensi 1-25 GHz. Generator ini juga dapat beroperasi dalam mode pulsa, memberikan daya pulsa beberapa ratus watt dengan efisiensi. 5-25%. Modifikasi generator Gunn adalah generator dengan akumulasi muatan ruang terbatas (SCCA). Pada mode ONOS, kristal galium arsenida dihubungkan secara seri dengan rangkaian osilasi dan resistor beban.Kehadiran rangkaian tersebut menjamin kemudahan penyetelan frekuensi. Tegangan bolak-balik pada rangkaian cukup tinggi sehingga selama setengah gelombang negatif, tegangan pada sampel turun di bawah nilai kritis. Dalam hal ini, domain mempunyai waktu untuk runtuh, karena waktu relaksasi dielektrik dalam medan lemah kecil (sekitar s) dibandingkan dengan periode osilasi. Dalam mode ONOS, dimungkinkan untuk mencapai daya yang lebih besar pada frekuensi yang lebih tinggi (hingga ratusan gigahertz) karena fakta bahwa selama setengah gelombang positif domain tidak punya waktu untuk terbentuk dan di sebagian besar sampel terdapat konduktivitas diferensial. tetap negatif.

Berdasarkan efek Gunn, bagian jatuh dari karakteristik arus-tegangan digunakan; penguat gelombang mikro juga dapat dibuat. Misalnya, penguat pada frekuensi 23-31 GHz memberikan penguatan daya sebesar 20 dB.

Perangkat efek Gunn dapat digunakan sebagai elemen rangkaian logika. Kinerja sirkuit tersebut sangat tinggi - beberapa puluh pikodetik per tahap. Pada Gambar. Gambar 9.23 menunjukkan rangkaian penguat pulsa paling sederhana berdasarkan efek Gunn dalam mode pemicu. Pada rangkaian ini, tegangan baterai dipilih agar distorsi pada perangkat Gunn lebih kecil Ya, tidak lebih (Ut dan - tegangan ambang batas untuk kemunculan dan hilangnya domain). Ketika pulsa pendek dengan durasi kurang dari waktu penerbangan dengan amplitudo diterapkan ke input penguat kamu n >Ut-Uo Perangkat Gunn untuk waktu yang sama dengan waktu penerbangan Itu, beralih ke negara bagian dengan domain yang terbentuk. Arus yang melalui perangkat Gunn dan resistansi resistor beban yang dihubungkan secara seri turun, menghasilkan pulsa keluaran dengan polaritas

berlawanan dengan pulsa input, dan durasinya sama dengan waktu penerbangan Itu. Penguat semacam itu dapat melakukan operasi logis perbandingan amplitudo pulsa kamu h dengan nilai tertentu - . Selain itu, dapat digunakan sebagai pembeda pulsa keluaran berdasarkan lebar dan amplitudonya. Jika ada masukan tambahan seperti pada Gambar. 9.23 dengan garis putus-putus, rangkaian penguat dapat digunakan sebagai elemen OR jika perangkat Gunn dialihkan dengan satu pulsa yang diterapkan ke mana saja

dari input.

Dengan menggunakan efek Gunn, sirkuit dapat dibuat yang dialihkan ke mode pembangkitan mandiri dengan satu pulsa switching. Generasi ini dapat dihentikan dengan menerapkan pulsa dengan polaritas yang berlawanan. Sirkuit semacam itu dapat menjalankan fungsi elemen memori.

Perangkat fungsional berdasarkan efek Gunn tidak memiliki sambungan pn atau elemen terpisah.

Mereka menjalankan fungsinya hanya karena sifat material dan bentuk sampel. Jadi, jika Anda membuat kristal galium arsenida dengan bentuk khusus, maka domain bergerak dapat digunakan untuk menghasilkan pulsa dalam hampir semua bentuk. Mari kita lihat contohnya.

Dalam sampel berbentuk piramida (Gbr. 9.24, A) medan listrik berkurang dari katoda ke anoda. Oleh karena itu, pada tegangan bias yang relatif rendah, domain hanya meluas ke bagian perangkat di dekat katoda, ke bagian kedua. . Dengan meningkatnya tegangan bias, jalur drift domain meningkat, dan frekuensi osilasi menurun. Dengan peningkatan tegangan lebih lanjut, domain mencapai anoda, setelah itu frekuensi osilasi praktis tidak lagi bergantung pada tegangan bias. Osilogram arus yang dihasilkan oleh perangkat Gunn pada berbagai tegangan bias ditunjukkan pada Gambar. 9.24.6.

Pada Gambar. Gambar 9.25 menunjukkan generator Gunn fungsional dengan bentuk osilasi tertentu. Bagian atas gambar menunjukkan bentuk sampel, dan bagian bawah menunjukkan ketergantungan arus terhadap waktu. Sesuai dengan properti perangkat Gunn yang dicatat, bentuk osilasi arus selama penerbangan mereproduksi profil penampang sampel (tonjolan pada Gambar 9.25, A dan depresi pada Gambar. 9.25,b). Perlu dicatat bahwa pada tegangan bias rendah, frekuensi osilasi yang dihasilkan oleh perangkat berkurang seiring dengan meningkatnya tegangan. Ketika tegangan cukup tinggi sehingga domain menyebar ke bagian tengah sampel dengan luas penampang terbesar, frekuensi osilasi akan tiba-tiba berkurang sekitar setengahnya, karena setelah melewati bagian tengah, domain akan mencapai anoda. . Oleh karena itu, sampel tersebut dapat digunakan sebagai saklar frekuensi.

Salah satu perangkat fungsional penting berdasarkan efek Gunn adalah konverter analog-ke-digital (Gbr. 9.26). Perangkat ini memiliki desain planar. Lapisan aktif, berbentuk seperti “baji” dengan slot pengkodean, ditumbuhkan dengan epitaksi pada substrat semi-isolasi.

Seperti pada perangkat berbentuk piramida (lihat Gambar 9.24, a), jalur yang dilalui oleh domain meningkat seiring dengan meningkatnya tegangan bias. Saat domain melewati slot pengkodean, arus berkurang, dan jumlah semburan yang terkait dengan jalur anoda domain meningkat seiring dengan meningkatnya tegangan bias. Perangkat berdasarkan efek Gunn juga dapat digunakan sebagai elemen utama perangkat optoelektronik: penerima, modulator, sumber cahaya, dll.

Topik 5.4. ELEKTRONIK DIELEKTRIK:

Film tipis logam dan dielektrik banyak digunakan dalam mikroelektronika. Ketika berpindah ke film tipis, muncul fenomena dan pola baru yang tidak muncul
sampel dan struktur besar. Film dicirikan oleh kemampuannya untuk menciptakan arus emisi terkendali yang mirip dengan arus dalam ruang hampa. Apabila padatan bukan logam bersentuhan dengan logam yang mempunyai fungsi kerja lebih rendah, bidang kontak o diperkaya dengan pembawa muatan bebas yang dipancarkan dari logam. Dalam sampel massal, daerah kontak dekat yang sempit dengan peningkatan konduktivitas listrik tidak mempengaruhi rezim saat ini, yang ditentukan oleh konsentrasi pembawa muatan bebas dalam volume tubuh. Dalam film tipis, pembawa muatan yang dipancarkan dapat mendominasi seluruh volume, menentukan pola fenomena saat ini. Dari sudut pandang teori hamburan pembawa muatan, setiap padatan non-logam pada lapisan tebal adalah semikonduktor, dan pada lapisan tipis adalah dielektrik.

Efek yang terkait dengan aliran arus emisi pada padatan non-logam tidak tercakup dalam fisika semikonduktor atau fisika dielektrik. Pola fenomena ini, serta perkembangan instrumental dan sirkuit yang didasarkan padanya, membentuk isi bagian baru fisika benda padat dan

elektronik - elektronik dielektrik.

Jika film dielektrik tipis (sekitar 1-10 µm) ditempatkan di antara dua elektroda logam, maka elektron yang bermigrasi dari logam akan mengisi seluruh ketebalan film dan tegangan yang diterapkan pada sistem tersebut akan menghasilkan arus dalam dielektrik.

Elektronika dielektrik mempelajari aliran arus yang dibatasi oleh muatan volumetrik dalam dielektrik, selama emisi termionik dari logam dan semikonduktor, emisi terowongan, dll.

Perangkat elektronik dielektrik yang paling sederhana adalah dioda dan transistor , memiliki karakteristik yang mirip dengan perangkat vakum listrik. Dioda dielektrik adalah struktur film logam - dielektrik - logam (Gbr. 9.27). Prinsip pengoperasian dioda dielektrik berbeda dengan prinsip pengoperasian dioda vakum listrik dan dioda semikonduktor. Efek penyearah pada dioda dielektrik ditentukan oleh perbedaan fungsi kerja sumber dan saluran pembuangan dan dapat menjadi signifikan karena penerapan kontak yang terbuat dari bahan dengan fungsi kerja yang sangat rendah pada dielektrik. Oleh karena itu, arus besar muncul dalam satu arah, dan dalam

dalam arah yang berlawanan - arus kecil menghilang. Koefisien

penyearah dioda dielektrik mencapai O 4 ke atas.

Pada transistor dielektrik, elektroda kendali (gerbang) ditempatkan pada lapisan tipis dielektrik di antara sumber

Tegangan eksternal yang diterapkan pada area ini mengontrol jumlah arus yang mengalir antara sumber dan saluran pembuangan.

Pada transistor dielektrik jenis lain (Gbr. 9.29), gerbangnya terletak di luar dielektrik CdS; perannya direduksi menjadi mengubah distribusi potensial dalam dielektrik, yang secara signifikan mempengaruhi nilai arus. Transistor dengan struktur gerbang terisolasi MOS (metal-oxide-semiconductor) atau MOS (metal-dielectric-semiconductor) telah tersebar luas.

Perangkat elektronik dielektrik berhasil menggabungkan sejumlah keunggulan perangkat semikonduktor dan vakum serta bebas dari banyak kekurangan. Perangkat ini berbentuk mikrominiatur, inersia rendah, memiliki karakteristik frekuensi yang baik, tingkat kebisingan yang rendah, dan sedikit sensitif terhadap perubahan suhu dan radiasi. Penciptaan arus emisi pada dielektrik tidak memerlukan pengeluaran energi untuk memanaskan elektroda pemancar dan memecahkan masalah pembuangan panas.

Perangkat optoelektronik adalah perangkat yang mengubah sinyal listrik menjadi sinyal optik. Perangkat optoelektronik mencakup dioda pemancar cahaya, optocoupler, dan perangkat serat optik.

Dioda Pemancar Cahaya

Dioda pemancar cahaya adalah dioda semikonduktor yang memancarkan energi di wilayah spektrum tampak sebagai hasil rekombinasi elektron dan lubang. Sebagai perangkat independen, dioda pemancar digunakan pada indikator cahaya yang menggunakan fenomena emisi cahaya
p-n transisi ketika arus searah melewatinya. Kuanta ringan muncul selama rekombinasi yang disuntikkan p-n transisi pembawa muatan minoritas ke dasar dioda dengan pembawa muatan mayoritas (fenomena pendaran).

Beras. 13.9

Desain LED dan simbolnya ditunjukkan pada Gambar. 13.9. Seringkali LED dilengkapi dengan lensa plastik penyebar cahaya. Dalam bentuk ini digunakan sebagai indikator sinyal cahaya. Kecerahan pancarannya bergantung pada rapat arus, warna pancarannya bergantung pada celah pita dan jenis semikonduktor. Warna cahaya: merah, kuning, hijau. Jadi, misalnya, LED 2L101A memiliki cahaya kuning, kecerahan - 10 kJ/M 2, saat ini – 10 mA, tegangan – 5 DI DALAM.

Optokopler

Optokopler (optokopler) adalah perangkat semikonduktor optoelektronik yang terdiri dari elemen pemancar dan penerima cahaya, diisolasi secara elektrik satu sama lain dan mempunyai sambungan optik satu sama lain.

Beras. 13.10

Optocoupler paling sederhana terdiri dari LED dan fotodioda yang ditempatkan dalam satu wadah. Fototransistor, fotothyristor dan fotoresistor juga dapat digunakan sebagai penerima cahaya; dalam hal ini, sumber dan penerima radiasi cahaya dipilih untuk dicocokkan secara spektral.

Struktur optocoupler dioda paling sederhana dan penunjukan grafis konvensionalnya ditunjukkan pada Gambar. 13.10.

Media perambatan sinyal optik dapat berupa senyawa transparan berbahan dasar polimer atau kaca khusus. LED serat panjang juga digunakan, yang dengannya emitor dan penerima dapat dipisahkan dalam jarak yang cukup jauh, memastikan isolasi listrik yang andal satu sama lain dan kekebalan terhadap kebisingan. Hal ini memungkinkan untuk mengontrol tegangan tinggi (ratusan kilovolt) dengan tegangan rendah (beberapa volt).

Indikator penting pengoperasian optocoupler adalah kecepatannya. Waktu peralihan optokopler fotoresistor tidak lebih dari 3 MS.

Tampilan