Elementy optoelektroniczne

Wszystkie sprawy związane z lutowaniem, projektowaniem i programowaniem urządzeń elektronicznych.

Elementy optoelektroniczne

Postprzez Zilog » 2010-07-10, 22:10:12

Elementy optoelektroniczne

Diody świecące, LED (Light Emitting Diodę) emitują promieniowanie widzialne (fotony) pod wpływem przepływu przez nie prądu w kierunku przewodzenia, tj. od warstwy P do N. Promieniowanie to ma dokładnie określone widmo częstotliwościowe jako wynik rekombinacji nośników ładunków w obszarze złącza P-N. W skład materiałów półprzewodnikowych wchodzą tu przeważnie pierwiastki z III i V, jak również z IIIIV grupy układu okresowego. Dlatego nazywane są one materiałami lll-V lub ll-IV grupy. Poniżej przedstawione są najczęściej spotykane materiały, wraz z typowymi dla nich kolorami emitowanego światła (długość fali):
Arsenek galu, GaAs, emituje w paśmie od podczerwieni do światła czerwonego (650 nm).
Arsenofosforek galu, GaAsP, daje światło od czerwonego do żółtego (630-590 nm).
Fosforek galu, GaP, świeci kolorem od zielonego do niebieskiego (565 nm).
Azotek galu, GaN, świeci niebiesko (430 nm). Azotek indowo-galowy InGaN/YAG daje światło białe.
Diodę LED zasila się napięciem w kierunku przewodzenia, dlatego musi być zastosowany rezystor szeregowy dla ograniczenia prądu. Spadek napięcia w kierunku przewodzenia wynosi ok. 1,4 V dla GaAs, 2 V dla GaAsP i 3 V dla GaP. Wyprowadzenie katody w diodach LED do montażu przewlekanego jest zwykle krótsze niż anody, natomiast w diodach do montażu powierzchniowego katoda jest specjalnie oznakowana.
Diody świecące występują jako samodzielne elementy, jak również w postaci modułów segmentowych (wyświetlaczy), a także jako klawisze przyciskowe z wbudowanym podświetleniem. Diody dwubarwne uzyskuje się proprzez równoległe, lecz przeciwsobne połączenie dwóch diod o różnych barwach. Można je używać jako samodzielnych wskaźników lampkowych, albo jako elementów kolorowych wyświetlaczy lub przycisków.

Detektory światła (fotodetektory) wymagają zewnętrznego źródła zasilania, chociaż niektóre mogą działać bez niego. Niżej podane są różne grupy elementów czułych na światło.
Fotodioda jest w zasadzie zwykłą diodą spolaryzowaną w kierunku zaporowym. Przy oświetleniu złącza p-n rośnie prąd upływu. W ten sam sposób zachowuje się dioda Schottkyego, tzn. złącze powstałe na styku metalu i półprzewodnika.
Fotorezystor zmienia swoją rezystancję w funkcji natężenia światła. Najwyższą czułość posiada przy pewnej określonej długości fali świetlnej, która zależy od wybranego materiału półprzewodnikowego i koncentracji wbudowanych domieszek. Posiada on szerokie pasmo i dużą czułość. Wadą jest długi czas reakcji.
Dioda PIN polaryzowana jest w kierunku zaporowym. Posiada ona szerokie pasmo i niski poziom szumów, jest bardzo szybka.
Fototranzystor funkcjonuje podobnie jak zwykły tranzystor, z tą różnicą, że ładunki nadmiarowe w jego bazie generowane są w wyniku naświetlenia promieniowaniem widzialnym, zamiast z zewnętrznego obwodu zasilania bazy. Jest nieco wolniejszy od fotodiody.
Fotodioda lawinowa jest szybsza niż fototranzystor. Posiada ona również wyższe wzmocnienie.
Transoptory
Transoptory składają się nadajnika i detektora światła. Przy ich pomocy można przekazywać sygnały między obwodami odizo¬lowanymi galwanicznie. Nadajnikiem transoptora jest zazwyczaj dioda świecąca, zaś odbiornikiem może być fotoopomik, foto¬dioda, fototranzystor albo fototriak. Transoptory w wielu przy¬padkach zastępują transformatory impulsowe np. w zasilaczach z przetwarzaniem częstotliwości. Są łatwe do montażu automat¬ycznego i w odróżnieniu od transformatorów nie posiadają dolnej częstotliwości granicznej. Istnieją również transoptory liniowe, przeznaczone do przenoszenia sygnałów analogowych.

Lasery, (Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation), występują jako:
Optycznie pompowany laser rubinowy. Wyładowczo-pompujący laser gazowy, tzw. laser HeNe. Laser pompowany prądem, czyli laser półprzewodnikowy.
Laser jest źródłem spójnego (koherentnego) promieniowania monochromatycznego, emitowanego w wyniku rekombinacji promienistej wymuszonej czynnikami zewnętrznymi, tzn. promieniowania, którego wszystkie składowe mają zgodne fazy i częstotliwości. Laser półprzewodnikowy jest złączem p-n, w którym źródłem promieniowania są rekombinujące dziury i elektrony, podobnie jak w diodzie elektroluminescencyjnej. Różnica polega na tym, że dioda nie wykorzystuje wzmocnienia wynikającego z stymulacji emisji, które posiada laser. W efekcie końcowym generowane światło jest dużo silniejsze i spójne. Zwykle do produkcji laserów półprzewodnikowych stosuje się silnie domieszkowany arsenek galu GaAs. Złącze p-n lasera jest płaskie o przekroju prostokątnym, w którym krańcowe powierzchnie pełnią rolę luster. Lustra te są półprzepuszczalne o współczynnku odbicia r1 i r2 ok. 30%, a przestrzeń wewnętrzna wynosi zwykle ok. 300 urn.
Wyświetlacze
Do konstrukcji wyświetlaczy mogą być użyte lampy kineskopowe, jak w odbiornikach telewizyjnych i monitorach, elementy ciekłokrystaliczne (LCD = Liquid Crystal Display), płytki elektroluminescencyjne (EL), a także, w przypadku prostszych wyświetlaczy, matryce diodowe LED.
Wyświetlacze ciekłokrystaliczne LCD pobierają bardzo mało prądu, dlatego są szczególnie przydatne w urządzeniach zasilanych bateryjnie. Między dwiema płytkami szklanymi z wytrawionymi elektrodami znajduje się warstwa o postaci cieczy. Przyłożenie pola elektrycznego powoduje zmianę ustawienia kryształów w cieczy, a przez to zmianę kąta załamania podającego światła. Właściwości poszczególnych typów wyświetlaczy LCD różnią się znacznie. Pierwszy typ, Twist Nematic, miał bardzo słaby kontrast, a także kąt użytkowy dobrego widzenia był znacznie ograniczony. Było to kłopotliwe szczególnie w przypadku większych wyświetlaczy. T.zw. super-twist-nematic STN LCD miał wyraźnie lepszy kontrast, a kąt użytkowy wynosił ±45 stopni. Wyświetlacze ciekłokrystaliczne nie emitują żadnego światła, ale często wyposażane są w podświetlacze o odpowiedniej barwie. Podświetlenie może pochodzić z diod świecących, lamp zimnokatodowych lub paneli elektoluminescencyjnych EL. Wyświetlacze typu refleksyjnego same odbijają światło zewnętrzne, natomiast typu transrefleksyjnego są wyposażone w podłoże odbijające światło przepuszczane przez wyświetlacz.
Wyświetlacze ciekłokrystaliczne typu cSTN (Colour Super Twist Nematic) są pasywnymi wyświetlaczami kolorowymi, o niskim poborze mocy, nadającymi się do urządzeń zasilanych bateryjnie, szczególnie jeżeli są typu refleksyjnego lub transrefleksyjnego bez podświetlenia.
Ekrany ciekłokrystaliczne typu TFT (Thin Film Transistor) charakteryzują się dobrym kontrastem 40:1 i dużą szybkością działania, a więc nadają się do wyświetlania ruchomych obrazów. Zwiększenie kontrastu osiągnięto w ten sposób, że każdy punkt obrazu (piksel) ma swój własny tranzystor wykonany na szkle w amorficznym krzemie. Tranzystor dzięki swemu wzmocnieniu zapewnia silniejsze wysterowanie ciekłego kryształu. Zdolność przepuszczania światła jest tu jednak tylko ok. 3 %, co często wymaga energochłonnego podświetlania. Kolorowe wyświetlacze TFT wykorzystują tą samą technikę uzyskiwania barw jak w kineskopach katodowych, tzn. poszczególne punkty mają przypisane wartości RGB.
Ekrany ciekłokrystaliczne typu LTPS-TFT (Low Temperaturę Poły Silicon-Thin Film Transistor) opierają się na podobnej zasadzie jak zwykłe wyświetlacze TFT, ale dzięki zastosowaniu na podłożu szklanym krystalicznego krzemu uzyskuje się wyższą skalę integracji, a dzięki temu można umieścić bardziej wyrafinowane układy wysterowujące, pozwalające na obniżenie zużycia energii przy zastosowaniach w urządzeniach bateryjnych.
Wyświetlacze EL mają dobrą luminancję ok. 100 cd/m2 i relatywnie wysoki kontrast ok. 20:1. Podstawowa barwa jest żółta. Napięcie zasilające o wartości co najmniej 80 V i 60 Hz dołącza się do warstwy cynkowo-fosforowej. Zmienne pole elektryczne wywołuje przemieszczanie elektronów w atomach fosforu generując światło.
Wyświetlacze plazmowe (oparte na jonizacji gazu) mają bardzo dobry kontrast, do 150:1, ale wymagają do zasilania względnie wysokiego napięcia. Ekrany plazmowe przeznaczone dla telewizji mają wysoką luminancję rzędu 400 cd/m2. Poszczególne komórki wyświetlacza plazmowego działają w ten sposób, że zjonizowany gaz emituje promieniowanie ultrafioletowe, które pobudza do świecenia plamkę luminoforu , podobnie jak w typowej telewizyjnej lampie kineskopowej.
Wyświetlacze fluoryzujące próżniowe odznaczają się wysoką luminancją, wyższą niż wyświetlacze EL ok. 45 razy. Przeważnie mają kolor zielony, bywają również białe, pomarańczowe, lub niebieskie.
Lampy kineskopowe są w dalszym ciągu typem wyświetlacza o najwyższej luminancji, do 700 cd/m2, i wysokim kontraście. Układ sterujący lampy kineskopowej jest skomplikowany: wzmacniacz wizji z regulacją jaskrawości, złożony system odchylania, korekcja zbieżności dla kineskopów kolorowych, oraz na ogół układy zapobiegające zniekształceniom, umożliwiające uzyskanie obrazu możliwie płaskiego i o kątach prostych.
Moduły wyświetlaczy są to podzespoły składające się z wyświetlacza typu LED, LCD, TFT, VF lub EL, wyposażonego w układ sterujący, przełączający segmenty, albo też zawierający dekoder i mikroprocesor, umożliwiający bezpośrednie sterowanie kodem ASCII lub sygnałem wizyjnym.
Szybkość działania, tj. czas przełączenia elementu ze stanu "białego" na "czarny", lub odwrotnie, może się znacznie różnić dla poszczególnych rodzajów wskaźników. Wyświetlacz diodowy może zostać przełączony w ciągu 10 ns, lampa kineskopowa w 0,1 ms, wyświetlacz plazmowy w czasie rzędu 1 ms, wyświetlacz EL w 0,1 ms do 1 s, a LCD/TFT w 10 ms do 1 s. Czas zadziałania ciekłych kryształów wydłuża się silnie ze spadkiem temperatury, a często w temperaturze poniżej minus 20 stopni wyświetlacz LCD przestaje działać zupełnie.
Avatar użytkownika
ZilogMale
Moderator
Moderator
 
Posty: 2797
Dołączył(a): 2007-06-01, 19:48:57
Podziękował : 2 razy
Otrzymał podziękowań: 1 razy
Imię: Tomasz

  • Inne

Powrót do Elektronika

Kto przegląda forum

Użytkownicy przeglądający ten dział: Brak zidentyfikowanych użytkowników i 34 gości

cron