Некоторые применения оптоэлектроники

Лекция 16

Фотоэлектронные приборы

Общие сведения.

Оптоэлектроника – это синтез оптики и электроники. Она занимается вопросами совместного использования оптических и электрических методов обработки, хранения и передачи информации. Оптоэлектронные приборы используют при своей работе электромагнитное излучение оптического диапазона в видимой, инфракрасной и ультрафиолетовой областях спектра. Освоенной областью считается диапазон длин волн излучения от 0,2 до 50 мкм., что представляет собой небольшую часть спектра

Рисунок 16.1 - Диаграмма электромагнитного спектра

 

излучений, как видно из рисунка 16.1

Физическую основу оптоэлектроники составляют процессы преобразования оптических сигналов в электрические и, наоборот, – электрических в оптические. Оптоэлектроника изучает также процессы распространения излучения в различных средах и взаимодействие излучения с веществом. К основным разделам оптоэлектроники относятся квантовая электроника, полупроводниковая оптоэлектроника, голография, нелинейная оптика и др.

 Элементная база оптоэлектроники включает в себя:

Оптоизлучатели – преобразователи электрической энергии в световую,

Фотоприемники – преобразователи световой энергии в электрическую,

Приборы для электрической изоляции при передаче энергии и информации по световому каналу или оптопары,

Световоды.

Светоизлучающий диод.

Полупроводниковым излучателем света является светоизлучающий диод. Известно, что при возвращении электрона из зоны проводимости в валентную зону, либо на уровень излучательного центра, созданного в решетке определённым атомом примеси, может излучается либо квант энергии, либо энергия может передаваться атомной решётке безизлучательным образом, что иллюстрирует рисунок 16.2

Рисунок 16.2 - Процессы излучательной и безилучательной рекомбинации

 

 

Таким образом происходит рекомбинация носителей в полупроводнике. Наиболее интенсивно рекомбинация происходит вблизи p-n-перехода, когда основные носители преодолевают потенциальный барьер. У разных полупроводников превалируют различные механизмы рекомбинации. Например, кремний характеризуется безизлучательной рекомбинацией.

Для создания светоизлучающих диодов используют сложные полупроводниковые материалы, у которых квант энергии излучается в оптическом (или инфракрасном) диапазоне, например, фосфид галлия, арсенид галлия или карбид кремния, а также тройные соединения, например GaAlAs, GaAlP и др. В зависимости от материала и технологии изготовления получают красный, оранжевый, зеленый и даже синий цвета свечения. Это светодиоды видимого диапазона. Чувствительность глаза человека максимальны для длины волны l =555нм (глаз воспринимает этот свет - зелёный наиболее ярко) и спадает до нуля при длинах волн l от 390 до 770 нм, что демонстрирует рисунок 16.3.

Рисунок 16.3 - Функция относительной видности глаза, определенной Международной комиссией по освещению (МКО) для стандартного фотометрического наблюдателя. Обозначены основные цветовые зоны видимого излучения.

 

 

Также выпускаются и диоды с инфракрасным свечением. Светодиоды могут иметь размеры от нескольких миллиметров до долей миллиметров. Потребляемый ими ток составляет десятки миллиампер при напряжении 2…3 В.

Излучение происходит при пропускании через прибор тока в прямом направлении. В этом случае в зоне проводимости накапливается большое количество носителей, которые рекомбинируя по механизму зона-зона или зона-активный центр излучают фотон. Конструкция прибора обеспечивает передачу света от p-n-перехода без значительных потерь в толще полупроводника и наружу.

ВАХ излучающих диодов аналогична характеристикам обычных выпрямительных кремниевых и германиевых диодов.

 Светоизлучающие диоды выпускаются в виде отдельных элементов или групп (матриц) для индикации информации в виде букв, цифр и различных символов. Они входят также в состав оптопар. Обозначение светоизлучающего диода на схемах приведено на рис. 16.4.

Рисунок 16.4 - Схемное обозначение светоизлучающего диода

 

16.2. Лазеры. (light amplification by stimulated emission of radiation, означающих "усиление света с помощью вынужденного излучения)".

Естественные источники света, в том числе и светоизлучающие диоды и транзисторы излучают некогерентный свет – электромагнитные волны с различными частотами, хаотически изменяющимися фазами и всевозможной поляризацией. Некогерентный свет не удается сфокусировать в достаточно узкий и тонкий луч, хотя бы потому, что источник имеет конечные размеры, причем далеко не малые по сравнению с длиной волны.

 Эпоха когерентной оптики наступила с изобретением оптического квантового генератора – лазера. Он открыл невиданные прежде возможности в оптоэлектронике.

 Теоретические основы оптического квантового генератора разработали российские ученые Н.Г.Басов и А.М.Прохоров в 1954г (Нобелевская премия в 1964г).

 В лазере излучают атомы вещества – рабочего тела лазера. Рабочее тело может быть твердым, жидким (редко) и газообразным. Чтобы атомы излучали, их надо прежде всего возбудить, т.е. сообщить им энергию. В твердотельных лазерах для этого служит оптический генератор накачки – импульсная лампа-вспышка большой мощности. Ее трубка расположена рядом с рабочим телом – кристаллом рубина или неодимового стекла. Твердотельные лазеры, как правило, импульсные, так как при той мощности оптического излучения, которую они генерируют (мегаватты и даже гигаватты), ни одна конструкция не выдержала бы работы более нескольких микросекунд. В газовых лазерах плотность атомов мала, поэтому они работают на малых мощностях (милливатты, ватты) в непрерывном режиме.

 Возбужденные атомы рабочего вещества необходимо заставить излучать синхронно на одной и той же волне (частоте), с одной и той же фазой и поляризацией. Различают спонтанное и вынужденное излучение. В лазерах используют последнее. Рабочее вещество подбирают таким образом, чтобы у его атомов был метастабильный (почти стабильный) энергетический уровень. Возбужденные накачкой атомы остаются некоторое время на этом энергетическом уровне. Если в это время мимо возбужденного атома промчится квант света с частотой, соответствующей энергии перехода с метастабильного на более низкий уровень, то атом совершит этот переход и излучит еще один, точно такой же квант. Это и будет индуцированное или вынужденное излучение. Чтобы выполнить все условия для интенсивного индуцированного излучения, надо значительно увеличить число квантов, распространяющихся в рабочем теле лазера. Эту задачу выполняет оптический резонатор – два зеркала, установленные строго параллельно друг другу, называемые резонатором Фабри -Перо. Свет в них переотражается множество раз. Расстояние между зеркалами подбирается с точностью до малых долей микрометра таким образом, чтобы на длине оптического резонатора уложилось целое число полуволн оптического излучения. В этом случае поля переотраженных волн складываются, результирующая напряженность поля возрастает в сотни раз.

 Одно из зеркал делается полупрозрчным, пропускающим несколько процентов падающей на него оптической энергии. Оно и служит выходным окном лазера.

 Луч лазера очень тонок и слабо расходится в пространстве. На расстоянии в один километр световое пятно, создаваемое лазером на экране, может иметь диаметр не более метра.

 Лазерное излучение монохроматично, то есть содержит только один тип излучаемых квантов или одну частоту, или одну длину волны.

Полупроводниковый лазер имеет такой же излучающий p-n-переход, как и светодиод, но структура его существенно отличается от структуры светодиода. Кристалл полупроводника полируют с торцов, чтобы получить зеркальные стенки, между которыми образуется оптический резонатор. Плотность тока через p-n-переход должна быть выше, чтобы интенсивнее переводились атомы на метастабильный уровень. Таким образом осуществляется накачка лазера – током через pn переход. Далее, как и в любом лазере, благодаря оптическому резонатору происходит индуцированное излучение на одной определенной длине волны.

	Рисунок 16.5 – Структура лазера с pn переходом в виде резонатора Фабри-Перо

 

Такие лазеры используются в любом компьютере для считывания (и записи) информации с компакт дисков. За создание такого лазера на гетероструктурах[1],позволяющих уменьшить пороговую плотность тока, присуждена нобелевская премия 2000г. российскому физику Ж. И. Алферову.

 Полупроводниковые лазеры имеют заметно худшую когерентность и больший угол расходимости пучка, по сравнению с твердотельными и газовыми. Но зато они имеют такие достоинства, как миниатюрность, экономичность и надежность в работе, низковольтное питание. В ряде случаев эти преимущества являются решающими.

 

Лекция 17

Приемники излучения.

К числу полупроводниковых приемников излучения (детекторов) относятся фоторезисторы, фотодиоды, фототранзисторы, и другие приборы.

В основе работы приемников излучения лежит явление внутреннего фотоэффекта, при котором кванты света выбивают электроны из атомов полупроводника. Ставшие свободными электроны создают дополнительный ток в материале при подаче на него напряжения. 

В фотодетекторах на p-n-переход подается обратное напряжение. В темноте обратный ток через диод достаточно мал. При освещении перехода увеличивается число «выбитых» квантами света электронов и образовавшихся на их месте дырок. Увеличивается обратный ток перехода, причем его величина зависит от освещенности перехода: Iобр=f(Ф), где Ф – световой поток. На этом основана работа фотодиода, к которому подключается источник обратного напряжения через сопротивление нагрузки. При увеличении светового потока увеличивается обратный ток и растет падение напряжения на нагрузке. Обозначение фотодиода на схемах и схема с фотодиодом приведены на рис.17.1 (а,б).

Рисунок 17.1 - Схемное обозначение фотодиода-приёмника излучения (фотодетектора)

 

Технология изготовления фотодиодов почти не отличается от технологии изготовления обычных полупроводниковых диодов. На кристалле полупроводника создают слои с р и n проводимостями. Один вывод образует контакт с подложкой, а другой – тонкий, прозрачный слой металла. Разработаны более чувствительные и быстродействующие фотодиоды с четырехслойными гетеропереходами, с барьером Шотки, кремниевые p-i-n-диоды, которые все более вытесняют фотодиоды с p-n-переходом. Структура p-i-n-диода(см.рис.17.2) содержит слои полупроводника с р и n проводимостями, разделенные очень тонким i-слоем окиси кремния – изолятором. Обратный ток перехода в p-i-n-структуре чрезвычайно мал, что увеличивает чувствительность к слабым световым потокам. Энергия носителей заряда, возбужденных квантами падающего света, оказывается вполне достаточной, чтобы преодолеть тонкий слой изолятора и создать фототок. 

Рисунок 17.2 - Упрощённая структура p i n фотодиода

Ниже приводятся наиболее распространённые структуры фотодетекторов.

Рисунок 17.3 - структура p i n фотодиода с просветляющим покрытием (a)

Также широко используются фотодетекторы, работающие в предпробойном напряжении. У такого прибора, работающего при высоких напряжениях, электрическое поле достигает такой величины, что рождённая фотоном электронно-дырочная пара, приобретает в поле энергию, достаточную для создания новой пары и т.д. (эффект лавины). Исходный фототок усиливается (обычно в сотню раз) и таким прибором можно регистрировать очень малые интенсивности света. Типовая структура лавинного фотодиода приведена на рис.17.4

Рисунок 17.4 - структура лавинного фотоприёмника

Работа фототранзистора также основана на фотопроводимости. В транзисторе с «оторванной»  базой (I_Б=0) коллекторный ток равен

При облучении базы или области коллекторного перехода изменяется обратный ток I_КБ0, и следовательно и коллекторный ток. Мощность сигнала в транзисторе с ОЭ из-за большей величины обратного тока (в β+1 раз), чем в фотодиоде, при том же уровне напряжений источника питания. Таким образом, чувствительность фототранзистора выше.

 Примерная и обозначение структура фототранзистора приведены на рис. 17.5.

Рисунок 17.5 - структура npn фототранзистора и его схемное изображение

 

От обычного биполярного транзистора фототранзистор отличается только тем, что у него в области эмиттерного перехода имеется прозрачное окно, пройдя которое свет попадает в базу. Образовавшиеся благодаря квантам света носители заряда создают ток базы.

К пассивным типам фотоприемников можно отнести фоторезисторы. Они изготавливаются из полупроводника, но без p-n-перехода, то есть фоторезисторы ведут себя как обычные омические сопротивления. Темновое сопротивление фоторезистора обычно велико и может достигать нескольких мегаом. Под действием света в толще полупроводника появляются свободные носители заряда, резко снижающие сопротивление фоторезистора (см. рис.17.6).

	Рисунок 17.6 - схематичное изображение фоторезистора

 

Оптопара (оптрон).

Оптопара (или оптрон) состоит из излучателя (светодиод) и фотоприемника (фотодиод или фототранзистор), объединенных в одном непрозрачном корпусе. Между ними включен оптический канал, передающий свет от излучателя к приемнику. Обозначение диодной оптопары приведено на рис.17.7.

	Рисунок 17.7 - Светоизлучающий диод (слева) и фотодетектор (справа) объединённых в оптопару

 

Выводы светодиода и фотодиода не соединены друг с другом, поэтому оптрон может служить хорошим элементом связи между электрическими и электронными устройствами В оптопарах полностью отсутствует электрическая и магнитная связь между излучателем и приемником. Электрическая прочность материалов, из которых изготавливают оптопары, позволяет передавать сигналы при разности потенциалов между излучателем и фотоприемником даже в несколько тысяч вольт. При этом полностью исключаются паразитные каналы передачи сигналов через собственные емкости.

 Недостатком оптопары является малый коэффициент передачи по току.

 При использовании вместо фотодиода фототранзистора может быть получено усиление тока и чувствительности.

 Общим недостатком оптопар является нелинейность зависимости выходного сигнала от входного, обусловленная нелинейностью характеристик оптопар.

Оптическая линия связи.

Линии оптической связи с лазерами в качестве источников света могут обеспечивать дальность в десятки и сотни километров. Практически дальность ограничивается только поглощением света в атмосфере. В космосе лазерная линия связи может перекрыть миллионы километров благодаря очень малой расходимости в пространстве лазерного луча.

 Достоинством оптической линии связи является теоретическая возможность передачи не только большого числа каналов связи, но и иметь сами каналы достаточно широкополосными, что позволяет увеличить скорость передачи информации до 3.10¹² бит в секунду, в то время как в диапазоне радиоволн с длиной волны 3 см (частота 10¹⁰ Гц), скорость передачи информации ограничена полосой 100 МГц, что соответствует скорости передачи двоичной информации 10⁸ бит в секунду.

 В настоящее время скорость передачи информации в оптическом диапазоне ограничена инерционностью фотоприемников, и пределы ее повышения практически не ограничены.

 

Оптический локатор.

Импульсы мощного лазера, дополнительно сфокусированные оптической системой телескопа, посылаются в направлении исследуемого объекта. Отраженный или рассеянный сигнал достигает приемного устройства второго телескопа и воздействует на фотоприемник. По задержке отраженного импульса определяют расстояние до объекта, а по положению телескопов - его угловые координаты. Точность такого локатора много выше обычных радиолокаторов: угловые координаты можно вычислить с точностью до угловой секунды, а дальность – до нескольких десятков сантиметров. Например, можно на расстоянии 200 км следить за стыковкой двух космических аппаратов, сблизившихся до расстояния в несколько метров.

Светодальномер.

Используется в геодезии и картографии для составления точной карты местности. Светодальномер, в отличие от теодолитов, позволяет получать большую точность, использовать ЭВМ для определения координат. Светодальномер измеряет расстояние в 10 км с погрешностью 1 см, действует в любую погоду при любой видимости.

 Принцип работы светодальномера показан на рис.17.8.

 

Рисунок 17.8 – схема работы светодальномера

 

 

Прибор содержит лазер в качестве излучателя света, модулятор и передающую оптику. В модуляторе установлен электрооптический кристалл, изменяющий свои параметры под действием электрического сигнала. Обычно используют гармонический сигнал с частотой 10…150 Мгц (измерительная частота). Промодулированный кристаллом лазерный луч проходит к отражателю, установленном на другом конце измеряемой трассы. Отражателями служат стеклянные призмы с тремя взаимно перпендикулярными гранями (так называемая триппель-призма). Они обладают важным свойством зеркально отражать луч именно в том направлении, из которого этот луч пришел. Поэтому никакого наведения отражателя не требуется, надо лишь поставить его примерно перпендикулярно приходящему лучу. Отраженный свет попадает в приемную оптику и на фотоприемник. На выходе приемника выделяется модулирующий сигнал, но фаза его запаздывает относительно фазы сигнала в модуляторе оптического передатчика. Измерив разность фаз, можно затем рассчитать расстояние до отражателя. Это делает встроенный микропроцессор, результат выдается на цифровой дисплей.

 

 

Лекция 1 8

Тиристоры

Общие сведения.

Тири́стор — полупроводниковый прибор, выполненный на основе монокристалла полупроводника с тремя или более p-n-переходами и имеющий два устойчивых состояния: закрытое состояние, то есть состояние низкой проводимости, и открытое состояние, то есть состояние высокой проводимости.

Тиристор можно рассматривать как электронный выключатель (ключ). Основное применение тиристоров — управление мощной нагрузкой с помощью слабых сигналов, а также переключающие устройства. Существуют различные виды тиристоров, которые подразделяются, главным образом, по способу управления и по проводимости. Различие по проводимости означает, что бывают тиристоры, проводящие ток в одном направлении (например тринистор, изображённый на рисунке) и в двух направлениях (например, симисторы, симметричные динисторы).

Рисунок 18.1 - Схемное обозначение тиристора

 

Тиристор имеет нелинейную вольт-амперную характеристику (ВАХ) с участком отрицательного дифференциального сопротивления. По сравнению, например, с транзисторными ключами, управление тиристором имеет некоторые особенности. Переход тиристора из одного состояния в другое в электрической цепи происходит скачком (лавинообразно) и осуществляется внешним воздействием на прибор: либо напряжением (током), либо светом (для фототиристора). После перехода тиристора в открытое состояние он остаётся в этом состоянии даже после прекращения управляющего сигнала, если протекающий через тиристор ток превышает некоторую величину, называемую током удержания

Режим прямого запирания

При прямом запирании напряжение на аноде положительно по отношению к катоду и обратно смещён только переход J2. Переходы J1 и J3 смещены в прямом направлении. Большая часть приложенного напряжения падает на переходе J2. Через переходы J1 и J3 в области, примыкающие к переходу J2, инжектируются неосновные носители, которые уменьшают сопротивление перехода J2, увеличивают ток через него и уменьшают падение напряжения на нём. При повышении прямого напряжения ток через тиристор сначала растёт медленно, что соответствует участку 0-1 на ВАХ. В этом режиме тиристор можно считать запертым, так как сопротивление перехода J2 всё ещё очень велико. По мере увеличения напряжения на тиристоре снижается доля напряжения, падающего на J2, и быстрее возрастают напряжения на J1 и J3, что вызывает дальнейшее увеличение тока через тиристор и усиление инжекции неосновных носителей в область J2. При некотором значении напряжения (порядка десятков или сотен вольт), называется напряжением переключения V_BF (точка 1 на ВАХ), процесс приобретает лавинообразный характер, тиристор переходит в состояние с высокой проводимостью (включается), и в нём устанавливается ток, определяемый напряжением источника и сопротивлением внешней цепи.

Двухтранзисторная модель

Для объяснения характеристик прибора в режиме прямого запирания используется двухтранзисторная модель. Тиристор можно рассматривать как соединение p-n-p транзистора с n-p-n транзистором, причём коллектор каждого из них соединён с базой другого, как показано на рис. 18.5 для триодного тиристора. Центральный переход действует как коллектор дырок, инжектируемых переходом J1, и электронов, инжектируемых переходом J3. Взаимосвязь между токами эмиттера I_E, коллектора I_C и базы I_B и статическим коэффициентом усиления по току α₁ p-n-p транзистора также приведена на рис. 18.5, где I_Со— обратный ток насыщения перехода коллектор-база.

	Рисунок 18.5 - Двухтранзисторная модель триодного тиристора, соединение транзисторов и соотношение токов в p-n-p транзисторе.

 

Аналогичные соотношения можно получить для n-p-n транзистора при изменении направления токов на противоположное. Из рис. 18.5 следует, что коллекторный ток n-p-n транзистора является одновременно базовым током p-n-p транзистора. Аналогично коллекторный ток p-n-p транзистора и управляющий ток Ig втекают в базу n-p-n транзистора. В результате, когда общий коэффициент усиления в замкнутой петле превысит 1, оказывается возможным регенеративный процесс.

 

Ток базы p-n-p транзистора равен I_B1 = (1 — α₁)I_A — I_Co1. Этот ток также протекает через коллектор n-p-n транзистора. Ток коллектора n-p-n транзистора с коэффициентом усиления α₂ равен

 I_C2 = α₂I_K + I_Co2.                                                                                  (18.1)

Приравняв I_B1 и I_C2, получим

 (1 — α₁)I_A — I_Co1 = α₂I_K + I_Co2.

Так как I_K = I_A + I_g, то

                                                                            (18.2)

Это уравнение описывает статическую характеристику прибора в диапазоне напряжений вплоть до пробоя. После пробоя прибор работает как p-i-n-диод. Отметим, что все слагаемые в числителе правой части уравнения малы, следовательно, пока член α₁ + α₂ < 1, ток I_A мал. (Коэффициенты α₁ и α₂ сами зависят от I_A и обычно растут с увеличением тока) Если α₁ + α₂ = 1, то знаменатель дроби обращается в нуль и происходит прямой пробой (или включение тиристора). Следует отметить, что если полярность напряжения между анодом и катодом сменить на обратную, то переходы J1 и J3 будут смещены в обратном направлении, а J2 — в прямом. При таких условиях пробой не происходит, так как в качестве эмиттера работает только центральный переход и регенеративный процесс становится невозможным.

Можно рассмотреть процесс включения тиристора (режим прямого запирания) на примере смещения энергетических зон.

Ширина обеднённых слоёв и энергетические зонные диаграммы в равновесии, в режимах прямого запирания и прямой проводимости показаны на рис. 18.6

 

Рисунок 18.6 - Энергетическая зонная диаграмма в режиме прямого смещения: состояние равновесия, режим прямого запирания и режим прямой проводимости

 

 

В равновесии обеднённая область каждого перехода и контактный потенциал определяются профилем распределения примесей. Когда к аноду приложено положительное напряжение, переход J2 стремится сместиться в обратном направлении, а переходы J1 и J3 — в прямом. Падение напряжения между анодом и катодом равно алгебраической сумме падений напряжения на переходах: V_AK = V₁ + V2 + V₃. По мере повышения напряжения возрастает ток через прибор и, следовательно, увеличиваются α₁ и α₂. Благодаря регенеративному характеру этих процессов прибор в конце концов перейдёт в открытое состояние. После включения тиристора протекающий через него ток должен быть ограничен внешним сопротивлением нагрузки, в противном случае при достаточно высоком напряжении тиристор выйдет из строя. Во включенном состоянии переход J2 смещён в прямом направлении (рис. 18.6,в), и падение напряжения V_AK = (V₁ — |V₂| + V₃) приблизительно равно сумме напряжения на одном прямосмещенном переходе и напряжения на насыщенном, транзисторе.

 

Режим прямой проводимости

Когда тиристор находится во включенном состоянии, все три перехода смещены в прямом направлении. Дырки инжектируются из области p1, а электроны — из области n2, и структура n1-p2-n2 ведёт себя аналогично насыщенному транзистору с удалённым диодным контактом к области n1. Следовательно, прибор в целом аналогичен p-i-n (p+-i-n+)-диоду…

Классификация тиристоров

тиристор диодный (доп. название " динистор ") - тиристор, имеющий два вывода

тиристор диодный, не проводящий в обратном направлении

тиристор диодный, проводящий в обратном направлении

тиристор диодный симметричный (доп. название "диак")

тиристор триодный (доп. название " тринистор ") - тиристор, имеющий три вывода

тиристор триодный, не проводящий в обратном направлении (доп. название "тиристор")

тиристор триодный, проводящий в обратном направлении (доп. название "тиристор-диод")

тиристор триодный симметричный (доп. название "триак", неоф. название " симистор ")

тиристор триодный асимметричный

запираемый тиристор (доп. название "тиристор триодный выключаемый")

Лекция 19

Шум

В радиотехнике термин "шумы" относится к произвольным флуктуациям тока, протекающим через полупроводниковые материалы и приборы и к флуктуациям напряжения на них. Поскольку приборы в основном применяются при использовании слабых сигналов (измерение, усиление, преобразование), то спонтанные флуктуации тока или напряжения ограничивают снизу предел измерения величин или усиливаемых сигналов. Малое изменение сигнала может внести значительные модификации в передаваемую информацию и в конечном счёте привести к её утрате. Важно представлять природу этих шумов и находить способы их уменьшения.

Наблюдаемые шумы обычно подразделяют на тепловой шум, фликкер-шум и дробовой шум.

Тепловой шум возникает в любом проводнике электрического тока и связан с хаотичным движением подвижных носителей заряда, в результате которого на контактах образца появляются флуктуации напряжения. Реактивные цепи не имеют теплового шума. Данный тип шума усиливается с повышением температуры.

Фликкер-шум — электронный шум (мерцательный шум), наблюдаемый практически в любых электронных устройствах; его источниками могут являться неоднородности в проводящей среде, генерация и рекомбинация носителей заряда в транзисторах на поверхностных ловушках и т. п. Обычно упоминается в связи с постоянным током. Шум усиливается с уменьшением частоты сигнала.

Дробовой шум — беспорядочные флуктуации напряжений и токов относительно их среднего значения в цепях радиоэлектронных устройств, обусловленные дискретностью носителей электрического заряда — электронов. Грубо говоря, прибытие каждого электрона сопровождается всплеском тока в цепи.

В отличие от теплового шума, вызванного тепловым движением электронов, дробовой шум не зависит от температуры.

Дробовой шум проявляется, например, в виде акустического шума в динамике радиоприёмника, в виде «снега» на экране телевизора, «травки» на радиолокационном отметчике и т. п.

Дробовой шум — основная составляющая внутренних шумов большинства радиоэлектронных устройств, которые приводят к искажению слабых полезных сигналов и ограничивают чувствительность усилителей.

Термин «дробовой шум» (а также дробовой эффект) возник в связи с тем, что благодаря ему в громкоговорителе, подключённом к выходу усилителя или радиоприёмника, появляется акустический шум, напоминающий шум сыплющихся дробинок.

Принято оценивать состояние шумов отношением полезного сигнала к шумовому.

Отношение сигнал/шум (ОСШ; англ. signal-to-noise ratio, сокр. SNR) — безразмерная величина, равная отношению мощности полезного сигнала к мощности шума.

                                                                            (19.1)

где P — средняя мощность, а A — среднеквадратичное значение амплитуды. Оба сигнала измеряются в полосе пропускания системы.

Обычно отношение сигнал/шум выражается в децибелах (дБ). Чем больше это отношение, тем меньше шум влияет на характеристики системы.

                                               (19.2)

Другим параметром, характеризующим шумы в приборах и системах является коэффициент шума F - отношение мощности шумов и сигнала на входе к соответствующему отношению на выходе:

                                                 (19.3)

 

Основные причины высокого уровня шума в сигнальных системах:

рассогласованные линии передачи сигнала,

тепловой шум в компонентах системы,

недостаточная разрядность АЦП,

резонансные явления,

паразитные связи,

самовозбуждение системы,

нелинейность передаточных характеристик.

 

Минимизация шума

При усилении слабых сигналов часто возникает задача минимизации шума, вносимого усилителем в сигнал. Для этого используются специальные малошумящие усилители, однако они спроектированы таким образом, что наименьший коэффициент шума достигается лишь в определенном диапазоне выходного сопротивления источника сигнала. Например, малошумящий усилитель обеспечивает минимальный шум только в диапазоне выходных сопротивлений источника от 1 кОм до 10 кОм; если источник сигнала обладает меньшим выходным сопротивлением (например, микрофон с выходным сопротивлением 30 Ом), то следует применить между источником и усилителем повышающий трансформатор, который повысит выходное сопротивление (а также напряжение сигнала) до необходимого значения.

В аудиотехнике отношение сигнал/шум определяют путем измерения напряжения шума и сигнала на выходе усилителя или другого звуковоспроизводящего устройства среднеквадратичным милливольтметром либо анализатором спектра. Современные усилители и другая высококачественная аудиоаппаратура имеет показатель сигнал/шум около 100—120 дБ.

Минимизация отказов

С целью снижения интенсивности катастрофических отказов принято проводить на приборах, (ИС) ускоренные испытания (на повышенных температурах, электрических полях и др.), где потенциально ненадёжные приборы после отказа отбраковываются. Эти же испытания позволяют определить природу отказа, что позволяет и устранить сам отказ.

 

Лекция 20

Лекция 16

Фотоэлектронные приборы

Общие сведения.

Оптоэлектроника – это синтез оптики и электроники. Она занимается вопросами совместного использования оптических и электрических методов обработки, хранения и передачи информации. Оптоэлектронные приборы используют при своей работе электромагнитное излучение оптического диапазона в видимой, инфракрасной и ультрафиолетовой областях спектра. Освоенной областью считается диапазон длин волн излучения от 0,2 до 50 мкм., что представляет собой небольшую часть спектра

Рисунок 16.1 - Диаграмма электромагнитного спектра

 

излучений, как видно из рисунка 16.1

Физическую основу оптоэлектроники составляют процессы преобразования оптических сигналов в электрические и, наоборот, – электрических в оптические. Оптоэлектроника изучает также процессы распространения излучения в различных средах и взаимодействие излучения с веществом. К основным разделам оптоэлектроники относятся квантовая электроника, полупроводниковая оптоэлектроника, голография, нелинейная оптика и др.

 Элементная база оптоэлектроники включает в себя:

Оптоизлучатели – преобразователи электрической энергии в световую,

Фотоприемники – преобразователи световой энергии в электрическую,

Приборы для электрической изоляции при передаче энергии и информации по световому каналу или оптопары,

Световоды.

Светоизлучающий диод.

Полупроводниковым излучателем света является светоизлучающий диод. Известно, что при возвращении электрона из зоны проводимости в валентную зону, либо на уровень излучательного центра, созданного в решетке определённым атомом примеси, может излучается либо квант энергии, либо энергия может передаваться атомной решётке безизлучательным образом, что иллюстрирует рисунок 16.2