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.