Оптоэлектронные устройства

Работа оптоэлектронпых приборов основана на электронно-фотонных процессах получения, передачи и хранения информации. Простейшим оптоэлектронным прибором является оптопара, состоящая из источника света, управляемого входным электрическим сигналом, световода и фотоприемника, преобразующего оптический сигнал в электрический. В качестве источника света используются излучающие диоды, а в качестве приемника — фотодиоды, фототранзисторы и фототиристоры. На рис. 9.8 показана структура такой оптопары с фотодиодом, созданным на крем­ниевой подложке 1, отделенной от источника света 3 световодом 2. Источником све­та 3 является излучающий диод, созданный на основе арсенида галлия. Существен­ной особенностью оптопары является то, что источник и приемник света оптически связаны между собой, а электрически изолированы друг от друга, что позволяет обеспечить практически идеальную развязку входной и выходной цепей.

Помимо оптопар, управляемых электрическими сигналами, существуют оптопары, управляемые оптическими сигналами, которые воздействуют на фотоприем­ник, преобразующий их в электрические сигналы. Эти электрические сигналы усиливаются и воздействуют на излучатель света, частота излучения которого может отличаться от частоты входного оптического сигнала. На базе оптопар соз­даются оптоэлектронные переключатели, ключи и коммутаторы сигналов. Прин­цип преобразования оптических сигналов в электрические сигналы нашел свое развитие в интегральной оптоэлектронике. Рассмотрим некоторые разновиднос­ти интегральных схем.

Среди полупроводниковых интегральных схем наибольшее распространение по­лучили многоэлементные фотоприемники, содержащие множество фоточувстви­тельных элементов, расположенных на кремниевой подложке в виде матрицы, состоящей из строк и столбцов. На рис. 9.9, а показана структура, а на рис. 9.9, б — эквивалентная схема одной из ячеек.

Структура представляет собой МДП-транзистор с каналом р-типа и увеличенной областью истока 1; электронно-дырочный переход между истоком и подложкой выполняет функцию фотодиода. Затвор транзистора соединен с шиной строки X, а сток 2-с шиной столбца Y. При подаче на все шины X импульса, отпирающего транзисторы, а на все шины Y — отрицательного напряжения индуцируются кана­лы во всех транзисторах матрицы, фотодиоды подключаются к шинам Y, и на всех диодах устанавливаются одинаковые обратные напряжения. Этот этап называется стиранием информации. После окончания импульса и запирания транзисторов на диодах поддерживаются одинаковые напряжения за счет емкостей р-n-переходов.

Далее следует этап экспонирования, в процессе которого на матрицу проецирует­ся кадр изображения, и через диоды протекают фототоки, пропорциональные ос­вещенности. Эти токи разряжают емкости р-n-переходов, и на диодах устанавли­ваются напряжения, пропорциональные освещенности, то есть происходит запись информации. При поочередной подаче импульсов на шины X транзисторы соот­ветствующей строки отпираются, и напряжение с диодов поступает на шины Y. Так осуществляется считывание информации. В данном случае полезный сигнал, выделяемый на шине Y, очень мал, кроме того, считывание является разрушающим. Поэтому реальные фотоячейки делают более сложными, позволяющими производить многократное считывание без изменения напряжения на диодах.

К числу многоэлементных фотоприемных приборов относятся также фотопри­емные приборы с зарядовой связью. В таких приборах МДП-структуры образу­ют матрицу, состоящую из строк и столбцов. При проецировании на матрицу изображения в потенциальных ямах под затворами возникают заряды, про­порциональные освещенности. После экспонирования осуществляется последо­вательный построчный вывод информации путем перемещения зарядов вдоль строк, в результате чего оптическое изображение преобразуется в последователь­ность импульсов, амплитуды которых пропорциональны освещенности отдель­ных фоточувствительных элементов.

В связи с развитием волоконно-оптических систем передачи информации разра­ботаны передающие интегральные схемы, преобразующие электрические сигна­лы в оптические, передаваемые по волоконно-оптическим линиям связи (ВОЛС), и приемные интегральные схемы, преобразующие оптические сигналы, поступа­ющие с ВОЛС, в электрические. В цифровых системах и ЭВМ находят примене­ния ВОЛС для связи между блоками, печатными платами, а также между БИС и СБИС, расположенными на одной плате, что позволяет значительно повысить быстродействие и помехоустойчивость.

Перспективными в оптоэлектронике являются приборы на основе жидких кристал­лов, которые находят применение в качестве световых индикаторов и устройств оптической памяти. Жидкие кристаллы представляют собой органические жид­кости с упорядоченным расположением молекул. Они прозрачны для световых лучей, но под действием электрических, магнитных или акустических полей структура их нарушается, в результате чего молекулы располагаются беспорядоч­но, и жидкость становится непрозрачной. Индикаторы могут иметь различные конструкции. Рассмотрим устройство индикатора, применяемого в микрокальку­ляторах и наручных часах. Устройство такого индикатора показано на рис. 9.10.

Между двумя стеклянными пластинами 1 и 3, склеенными с помощью полимерной смолы 2, находится слой жидкого кристалла 4 толщиной 10-20 мкм. На пластину 3 нанесен сплошной проводящий слой 5 с зеркальной поверхностью. На пластину 1 нанесены прозрачные слои А, Б, В, имеющие форму сегментов для создания различных знаков. Между верхними сегментами, формирующими определенный знак, и нижним общим электродом подается управляющее напряжение. Если на сегментах напряжение отсутствует, то кристалл прозрачен, световые лучи внеш­него освещения проходят через него, отражаются от общего электрода 5 и выхо­дят обратно. Если на какой-то сегмент подано напряжение, то жидкий кристалл под ним становится непрозрачным, лучи света не проходят через эту часть жид­кости, на светлом фоне появляется темный знак.

Оптоэлектронные приборы получили широкое распространение в различных областях науки и техники благодаря своим уникальным свойствам. В микроэлек­тронике используются, как правило, только те функциональные элементы, техно­логия изготовления которых совместима с технологией изготовления интеграль­ных микросхем.